《Journal of Manufacturing Processes》：Interrupting the hereditary effect: helical path vector-orthogonal additive method for enhanced subtractive machining performance and accuracy of thin-walled rotational parts
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摘要在通过激光定向能量沉积技术制造复杂薄壁旋转零件时，表面粗糙度以及微观结构和力学性能的不均匀性所引发的“遗传效应”，成为限制后续减材加工精度和性能的关键瓶颈。为解决这一问题，本研究提出了一种螺旋矢量正交的增材制造方法，该方法能够实现单位面积内粉末和能量的均匀输入，从而控制沉积过
摘要
在通过激光定向能量沉积技术制造复杂薄壁旋转零件时，表面粗糙度以及微观结构和力学性能的不均匀性所引发的“遗传效应”，成为限制后续减材加工精度和性能的关键瓶颈。为解决这一问题，本研究提出了一种螺旋矢量正交的增材制造方法，该方法能够实现单位面积内粉末和能量的均匀输入，从而控制沉积过程中的状态。以316L不锈钢粉末为材料，与传统往复路径加工方式相比的实验表明，该策略显著改善了零件的宏观表面形态，促进了致密、均匀的晶粒结构形成。由此，零件的平均显微硬度提升了60%以上，且均匀性也得到了极大改善（标准差小于6 HV）。X方向上的峰值与谷值切削力从515.335 N降至220 N以下，振动频率则转移到30 kHz的高频低能量区域。最终，零件的最大截面圆度误差从0.100毫米降至0.035毫米以内，圆柱度则从0.102毫米降至0.051毫米以内。尺寸和同轴度偏差得到了有效控制，表面粗糙度也从4.80/5.00微米提升至3.11/2.26微米（外壁/内壁）。本研究表明，通过优化增材制造路径来同步调控宏观与微观结构，可有效抑制切削振动和力值波动，打破不良的遗传效应链，为复杂薄壁零件的高性能、高精度一体化制造奠定坚实的工艺基础。
引言
增材-减材混合制造技术是一种创新性的制造理念，它将增材制造的复杂结构成型能力与减材制造的高精度加工优势有机结合[1]、[2]。这项技术有效克服了传统减材制造在加工复杂几何形状时的诸多局限，比如刀具干涉和加工区域难以到达等问题，从而显著提升了零件的可制造性，同时保证了零件的尺寸精度和表面完整性[3]。因此，在航空航天、能源电力以及生物医学领域中，对于那些具有复杂形状的高性能部件而言，增材-减材混合制造技术已成为实现结构轻量化、性能优化以及功能集成的一项关键技术[4]、[5]。
在增材-减材混合制造流程中，增材制造阶段所形成的沉积质量——包括表面形貌、微观结构、内部缺陷以及力学性能的均匀性——会作为“初始状态”传递给后续的减材制造工序。这种传承关系会显著影响减材加工的稳定性、零件的最终几何精度以及其力学性能，这一现象被称为“遗传效应”。增材制造中的刀具路径规划对沉积质量起着决定性作用：优化的刀具路径能够形成均匀的表面形貌、致密的内部结构以及一致的加工余量[6]；而较差的刀具路径规划则会引发不均匀的热循环，这是导致沉积缺陷的主要原因。这类缺陷的典型表现包括周期性的表面台阶、材料堆积或球化现象，以及内部粗大的柱状晶粒和未熔合孔洞[8]。研究表明，这类微观结构的差异会直接影响后续的加工过程以及材料的最终性能[8]。
从增材制造阶段“遗传”而来的这种初始状态，会在减材加工过程中引发一系列严重的加工问题。当铣刀切削到表面存在起伏且硬度分布不均的沉积层时，就会产生剧烈的切削力波动和高频颤振现象[9]。研究已经证实，诸如Ni60涂层中的显微硬度区域差异，会导致不同的刀具磨损机制，进而影响零件的可加工性和刀具寿命[10]。对于薄壁旋转零件而言，其本身较低的刚度会进一步加剧这一问题：由增材制造缺陷引发的加工不稳定现象，会加剧工件的颤振和变形，导致残余应力分布不对称，最终使零件的精度和性能严重下降[11]。此外，为去除不均匀的表面而过度增加加工余量，不仅会造成材料浪费，还会大幅降低整体加工效率[12]。
尽管在混合制造技术的微观结构控制方面已经取得了显著进展[13]、[14]，但关于混合制造工艺对微观结构和力学性能的综合影响[15]、[16]，以及针对增材-减材混合制造过程的工艺策略规划[17]、[18]、[19]，还有增材-减材加工顺序对混合能量沉积工艺中零件变形的影响等方面，目前仍缺乏深入研究。对于薄壁旋转零件而言，主流的增材制造策略依然是传统的往复扫描模式（见图1）[20]、[21]。虽然这种策略通过层间正交扫描能够在一定程度上减少Z方向的误差积累，但其固有的往复式逐步移动特性，必然会在路径转折点产生大量工艺拐角。在这些拐角处，激光头不可避免地会出现零速度状态，从而导致能量和材料在局部过度积累，使得零件边缘出现凸起和凹陷。与此同时，热量输入的周期性变化也会导致零件内外壁的表面质量不一致，进而严重影响零件的几何精度和表面完整性。
来自这类增材制造工艺的几何和微观结构不均匀性，会给减材加工带来巨大挑战：不均匀的加工余量会使得切削工具承受周期性的冲击载荷，加速其磨损[22]、[23]；而为获得光滑的表面而需要过度去除材料，则会降低材料利用率，延长生产周期[24]。因此，从提升制造效率和控制质量遗传的角度来看，现有的增材制造刀具路径规划方法亟需创新。一个重要的科学问题是，如何通过源头处的主动路径设计，提前抑制那些会对减材加工造成不利影响的缺陷，从而实现增材制造成型质量与减材加工稳定性的共同优化。目前的 research大多集中在一般的路径规划或单个加工阶段上[25]、[26]，缺乏从“工艺（刀具路径）→材料（状态）→加工（稳定性）→零件（性能与精度）”的全链条视角出发的、基于机制的系统性研究[27]、[28]。这一不足限制了我们通过主动的工艺设计来预测和优化零件最终性能的能力[29]、[30]。
为了解决这些问题，本文针对复杂薄壁旋转零件提出了一种矢量正交螺旋刀具路径策略。该策略的核心在于构建一条连续的、矢量正交的螺旋形沉积路径。这种方式能够确保单位面积内能量和粉末的输入既均匀又稳定，同时还能控制激光头的方向向量，从而在沉积过程中主动优化热量输入和材料分布。其目标是从源头上提升沉积零件的多尺度质量：优化其微观结构，提高其宏观表面形貌的均匀性，确保其力学性能的稳定性。这种方法旨在为后续的减材加工阶段提供最佳的“初始材料状态”。为此，本研究设计了系统的对比实验，全面揭示了增材制造刀具路径对整个工艺链的影响机制：从沉积材料的特性（微观结构、显微硬度、宏观形貌），到加工过程中的动态响应（切削力、振动频谱），最终影响到零件的关键性能指标（几何精度、表面完整性）。这项研究不仅突破了以往仅关注几何形态的传统路径规划思路，还深入阐述了增材制造刀具路径作为核心工艺变量，如何在整个混合制造过程中影响加工稳定性和零件成型精度。由此，该研究为针对这类高性能、高精度零件的需求，设计出高效的混合制造工艺奠定了坚实的理论和实验基础。
章节要点
矢量正交螺旋策略的原理
在曲面零件的增材制造过程中，激光光斑的几何形态和覆盖范围会随着加工过程的推进而不断发生变化。这种变化主要受表面局部曲率以及激光头轴线与表面法线向量之间空间角度的实时波动所影响。在激光输出功率保持不变的情况下，光斑的大小直接决定了零件表面上的功率密度分布。
熔池峰值温度分析
图8展示了样本A和样本B在整个打印过程（约4000秒）中熔池峰值温度的变化情况。如图8(a)所示，样本A的温度波动极为剧烈，其峰值温度约为2500摄氏度，最低温度为473.43摄氏度，平均温度为1763.75摄氏度，中位数为1820.58摄氏度，对应的温度波动范围为2193.47摄氏度。第一层是在1200瓦的激光功率下沉积的，目的是增强其与基体的结合强度
结论
本研究提出了一种用于薄壁旋转零件的螺旋矢量正交多轴增材制造策略，并系统研究了增材制造刀具路径规划在增材-减材混合制造流程中的“遗传效应”。主要研究结果如下：
- (1)
增材制造刀具路径决定了减材加工所需的初始材料状态。
传统的往复扫描策略由于具有突然的方向变化特点
作者贡献说明
余松林：文章撰写——审稿与编辑、原文撰写、方法论、实验研究、正式分析、数据整理、概念构思。孙文磊：项目监督、资源协调、项目管理、资金申请。吴学红：可视化处理、结果验证、软件应用。黄勇：结果验证、软件应用、概念构思。吴玉珠：可视化处理、软件应用。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢新疆中泰（集团）有限公司为我们提供的实验机会。同时，我们也感谢新疆维吾尔自治区重点研发计划（项目编号：2022B01036、2024B04021-2）以及新疆维吾尔自治区研究生教育创新计划项目（项目编号：XJ2024G043）给予我们的资金支持。
Songlin Yu|Wenlei Sun|Xuehong Wu|Huang Yong|Yuzhu Wu
