名師講座丨增材制造和切削混合加工機(jī)床

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前 言

隨著近年來(lái)航空航天、汽車(chē)和模具工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,，零件的結(jié)構(gòu)和形狀越來(lái)越復(fù)雜，材料越來(lái)越難加工,，因此傳統(tǒng)的金屬切削加工方法受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),。于是“混合加工”這一新概念走進(jìn)了制造業(yè)的視野。

混合加工是指在一臺(tái)設(shè)備上可完成兩種不同機(jī)理的加工過(guò)程,如增材制造和切削加工混合,電加工和超聲波加工混合等,。其中又可分為不同能源或工具的混合和不同過(guò)程機(jī)理的可控應(yīng)用兩大類(lèi),，不同能源或工具的混合又可分為輔助性過(guò)程（如車(chē)削時(shí)借助激光軟化工件表面)）以及混合性過(guò)程（如電加工和電化學(xué)加工同時(shí)進(jìn)行等）,，增材制造與切削加工的混合屬于不同過(guò)程機(jī)理可控應(yīng)用的混合。

今天為大家分享一篇來(lái)自同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所名譽(yù)所長(zhǎng)張曙教授的文章,，對(duì)幾種新一代的增材制造和切削加工混合工藝和機(jī)床：激光燒結(jié)3D打印和銑削混合加工,、激光堆焊3D打印和銑削混合加工等原理和應(yīng)用案例進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

一,、現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.1：激光加熱輔助切削

激光加熱輔助切削(Laser Assisted Machining)是將激光束聚焦在切削刃前的工件表面,，在材料被切除前的短時(shí)間內(nèi)將局部加熱到高溫，使材料的切削性能變得易于切削,。通過(guò)對(duì)工件表面加熱,，提高材料的塑性，降低切削力ꎬ,，減小刀具磨損減小振動(dòng),。從而達(dá)到提高加工效率、降低成本,、提高表面質(zhì)量的目的,。對(duì)高強(qiáng)度材料，激光加熱改善了其可加工性,，對(duì)硬脆材料可將其脆性轉(zhuǎn)化為延展性,，使屈服強(qiáng)度降低到斷裂強(qiáng)度以下，避免加工中出現(xiàn)裂紋,。

圖1 激光加熱和超聲振動(dòng)輔助加工

振動(dòng)輔助車(chē)削(Vibration Assistance Turning)是在車(chē)刀上施加振幅很小(300nm~500nm)的超聲振動(dòng)(40kHz-80kHz),，使刀具和工件周期地接觸和脫離，從而改變切削過(guò)程的物理特性,。由于在振動(dòng)狀態(tài)下,，刀具和工件的接觸時(shí)間短于相互脫離時(shí)間，所形成的切屑短小,，切削力小，切削溫度低,。改善了加工表面的質(zhì)量,，超聲振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單�,？勺鳛榈秺A部件安裝在標(biāo)準(zhǔn)精密車(chē)床上,。即可對(duì)淬硬工件或難加工材料進(jìn)行鏡面車(chē)削。激光加熱和超聲振動(dòng)輔助加工的案例如上圖所示,。

1.2：電加工和磨削的混合加工機(jī)床

德國(guó)某公司的刀具磨床按2合1的設(shè)計(jì)理念,，在一臺(tái)機(jī)床上用旋轉(zhuǎn)電極加工PKD/CBN刀具和砂輪磨削硬質(zhì)合金/高速鋼刀具。機(jī)床為龍門(mén)結(jié)構(gòu),，X,、Y、Z軸的移動(dòng)皆采用直線(xiàn)電機(jī)A、C軸由力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng),，機(jī)床兩外側(cè)可分別配置電極/砂輪和刀具工件的交換系統(tǒng),。

圖2 電加工和磨削混合加工的刀具機(jī)床

機(jī)床用于加工結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)而形狀復(fù)雜的刀具，采用中間皮帶驅(qū)動(dòng)的軸兩端可分別安裝1~3個(gè)旋轉(zhuǎn)電極和砂輪,，回轉(zhuǎn)180°切換,。采用電主軸時(shí)只能在一端安裝1~3個(gè)旋轉(zhuǎn)電極或砂輪，機(jī)床的外觀和加工實(shí)況如圖所示,。

1.3：新趨勢(shì)——增材制造和切削加工的混合

增材制造的原理是通過(guò)材料的不斷疊加而形成零件,，包括粉末激光融化、粉末激光燒結(jié),、薄材疊層,、液態(tài)樹(shù)脂光固化和絲材熔融等，是加法,。切削加工是從毛坯上切除多余的材料而形成最終零件,，包括車(chē)、銑,、鉆,、刨、磨等,，與增材制造相反,，就材料而言都是減法。增材制造優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省材料,、可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)和形狀極其復(fù)雜的零件,。而切削加工卻具有高效率、高精度和高表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn),，兩者混合和集成在一臺(tái)機(jī)床上就開(kāi)創(chuàng)了令人鼓舞的應(yīng)用前景,。3D打印是直接數(shù)字制造，將產(chǎn)品CAD實(shí)體模型切成薄片,，按輪廓進(jìn)行加工,。再一層層疊加而成，故也稱(chēng)為疊層制造,，是智能制造的支撐技術(shù),。

3D打印可構(gòu)建任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品，最有效地發(fā)揮材料特性,，為設(shè)計(jì)師打開(kāi)了無(wú)限的創(chuàng)新空間,。3D打印的產(chǎn)品是定制和個(gè)性化的獨(dú)一無(wú)二產(chǎn)品，不僅可按需制造,。還可以在本企業(yè)就地制造,。應(yīng)該指出：汽車(chē),、航空航天和模具的重要零件都是金屬而非塑料制成的。因此金屬3D打印零件而非原型制作處于增材制造前沿,，開(kāi)創(chuàng)了產(chǎn)品創(chuàng)新的新紀(jì)元,。

二、激光燒結(jié)3D打印和銑削的混合加工

日本松井公司曾推出過(guò)一款混合加工機(jī)床是將激光燒結(jié)3D打印與銑削加工集成,，其外觀和典型加工案例如圖3所示,。其原理是是在一臺(tái)機(jī)床上先進(jìn)行激光燒結(jié)(3D打印)，然后借助高速銑削精加工整個(gè)零件或其部分表面以獲得高精度和高表面質(zhì)量,。其原理是每打印10層(約0.5mm~2mm)形成一金屬薄片后,，用高速銑削(主軸45000r/min)對(duì)其輪廓精加工一次。再打印10層,，再精銑輪廓,，不斷重復(fù)。最終疊加成為高精度,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件,，如圖4所示。

圖3 混合加工機(jī)床及其加工案例

改變激光的聚焦大小和粉末材料,，可制造出不同材料密度,，包括多孔結(jié)構(gòu)的零件。由于一次裝夾完成工件的“增材成長(zhǎng)”和精加工,，激光燒結(jié)與銑削混合加工可達(dá)到±2.5μm精度,，整個(gè)工件的尺寸精度可達(dá)±25μm。

激光燒結(jié)和銑削混合加工的最大優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需拼裝即可制成復(fù)雜模具,。傳統(tǒng)制造方法是：將復(fù)雜模具其分解為若干組件,，制成后加以拼裝。不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)事,，而且不可避免存在一定誤差,，降低了模具的精度。在激光燒結(jié)3D打印和銑削集成的機(jī)床上卻可將具有深溝,、薄壁的復(fù)雜模具一次加工完成,，完全改變了復(fù)雜模具的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。

圖4 激光燒結(jié)3D打印和銑削混合加工的過(guò)程

其次,，注射機(jī)將融化的塑料射入注塑模時(shí),。會(huì)產(chǎn)生高溫,，導(dǎo)致模具冷卻時(shí)間大于注射成形的時(shí)間,。冷卻管道的設(shè)計(jì)和加工往往成為注塑模優(yōu)劣的關(guān)鍵，傳統(tǒng)注塑模采用鉆孔方法制作直通和交叉的冷卻管道,。與模具表面形狀不等距,，熱傳導(dǎo)不均勻,，冷卻效果較差。采用激光燒結(jié)3D打印,，可制作沿模具表面共形的3D冷卻管道,。發(fā)熱表面與冷卻表面基本等距，明顯提高冷卻效果,，縮短冷卻時(shí)間,，明顯提高注射機(jī)的生產(chǎn)效率。

三,、激光堆焊3D打印和銑削混合加工機(jī)床

3.1德馬吉的LASERTEC 653D機(jī)床

德馬吉森精機(jī)公司推出LASERTEC 653D,，是將激光堆焊技術(shù)與5軸銑削技術(shù)集于一體，構(gòu)成獨(dú)特的混合加工機(jī)床,。其外觀如圖5所示LASERTEC 653D混合加工機(jī)床配有2KW的激光器進(jìn)行激光堆焊3D打印,。同時(shí)還借助全功能的高剛性的單體結(jié)構(gòu)的5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床進(jìn)行高精度的銑削加工。銑削加工與激光加工之間能全自動(dòng)切換,，它能完整加工帶底切的復(fù)雜工件,，能進(jìn)行修復(fù)加工和對(duì)模具及機(jī)械零件甚至醫(yī)療器械零件進(jìn)行局部或全面的噴涂加工。與粉床的激光焊接方法不同,，激光堆焊技術(shù)通過(guò)金屬粉末噴嘴可生產(chǎn)大型零件,，堆焊速度可達(dá)1KG/h，比粉床激光燒結(jié)方法制造零件的速度快10倍,。它與銑削技術(shù)的結(jié)合開(kāi)創(chuàng)了全新的應(yīng)用領(lǐng)域：復(fù)雜的工件通過(guò)多個(gè)步驟成形,，銑削與堆焊可交替進(jìn)行。這樣,，由于幾何形狀的限制無(wú)法用刀具加工的零件部位能在最終成形前加工,，并達(dá)到最終精度要求。

圖5 LASERTEC 653D機(jī)床

混合加工機(jī)床不僅擁有數(shù)控銑床優(yōu)點(diǎn)：如高精度和高表面質(zhì)量,，還有粉末堆焊技術(shù)的靈活性和堆焊速度快的優(yōu)點(diǎn),。例如：對(duì)于整體構(gòu)件，需要銑削切除的金屬比例達(dá)95%,。而用增材方法僅在需要的地方堆焊,。這將大幅節(jié)省貴重的工件材料和降低加工成本，激光器以及所帶的粉末堆焊頭一起安裝在銑削主軸的HSK刀柄處,。機(jī)床進(jìn)行銑削加工時(shí),，它自動(dòng)停靠在安全的右側(cè)位置,，機(jī)床與加工過(guò)程由數(shù)控系統(tǒng)控制,。控制系統(tǒng)是帶CELOS與Operate4.5版的Siemens 840D solution-line,。

顆粒大小為50μm~200μm的粉末通過(guò)激光頭中的管道輸送到工件表面,，與此同時(shí)激光束將金屬粉末堆焊在基體材料(工件)的表層,，并與基體材料結(jié)合在一起，中間無(wú)空洞也無(wú)裂紋,，因而結(jié)合強(qiáng)度很高,。在堆焊過(guò)程中，同時(shí)提供惰性保護(hù)氣體,，避免熔覆的金屬氧化,。金屬層冷卻后，即可進(jìn)行機(jī)械加工,。其激光堆焊頭的工作原理和運(yùn)行實(shí)況如圖6所示,。

圖6 激光堆焊頭的工作原理和運(yùn)行實(shí)況

這個(gè)混合加工方法的突出優(yōu)點(diǎn)之一是允許堆焊多層的不同材料。根據(jù)選用的激光器與噴嘴幾何參數(shù),，堆焊的壁厚從0.1mm到5mm,，能生成復(fù)雜的3D輪廓和幾何形狀。由于激光堆焊和銑削加工可方便地相互切換和交替進(jìn)行,，使得能夠在零件堆焊成形過(guò)程間,，精銑工件在成增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭,，需銑削外圓,、平面和鉆孔，喇叭外周有12個(gè)接頭,，需焊接,、銑削、鉆孔等,。喇叭口的大于底座的法蘭,，造成法蘭上的孔難以加工，如圖7~9所示按照傳統(tǒng)的制造觀念,，這是一個(gè)工藝性極差,、幾乎無(wú)法在一臺(tái)設(shè)備上加工完畢的零件，但是混合加工卻創(chuàng)造了現(xiàn)代制造的奇跡,。

圖7 渦輪增壓殼體的1~4道混合加工工序

一般來(lái)說(shuō),，能源或航空航天工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床都非常昂貴。因此,，用同一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行粗加工,、堆焊和精加工將帶給客戶(hù)巨大的經(jīng)濟(jì)利益。此外,，能源和石油工業(yè)的零件通常需要噴涂耐蝕合金,，避免磨損。堆焊技術(shù)能保護(hù)許多應(yīng)用于惡劣環(huán)境中的產(chǎn)品，例如管接頭,、法蘭和特殊結(jié)構(gòu)件。

圖8 渦輪增壓殼體的5~8道混合加工工序

該機(jī)床的技術(shù)亮點(diǎn)是巧妙結(jié)合激光堆焊技術(shù)與銑削技術(shù),，實(shí)現(xiàn)最高的表面質(zhì)量和工件精度,，配粉末噴嘴的激光堆焊比粉床方式的增材制造速度快10倍，金屬粉末的利用率高達(dá)80%,�,？杉庸ね暾�3D工件，最大直徑達(dá)500mm,，不需要任何支撐構(gòu)造,，甚至可形成懸垂輪廓，直接加工成品件上無(wú)法加工到的部位,。

圖9 渦輪增壓殼體的9~12道混合加工工序

結(jié) 語(yǔ)

混合加工過(guò)程借助不同加工方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),，顯著改善了難加工材料(如鈦合金)的可加工性，減少了過(guò)程力和刀具/工具磨損,，對(duì)加工零件的復(fù)雜表面完整性和光潔度起到積極作用,，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師開(kāi)辟了新思路，大大促進(jìn)了高端產(chǎn)品的創(chuàng)新,。

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