本文作者：張曙教授（同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所）

　　隨著近年來(lái)航空航天、汽車和模具工業(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)。

　　同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所張曙教授在《增材制造和切削混合加工機(jī)床增材制造和切削混合加工機(jī)床》的文章中特別提出了混合加工的定義和類型，并對(duì)三種新一代的增材制造和切削加工混合工藝和機(jī)床：粉末床選擇性激光熔化3D打印和銑削混合加工、激光堆焊3D打印和銑削混合加工以及超聲3D打印與銑削混合加工的原理和應(yīng)用案例進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

　　引言

　　混合加工（Hybrid Machining）是在一臺(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（3D打印）和切削加工混合，電加工和超聲波加工混合等。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)師開辟了新思路，大大促進(jìn)了高端產(chǎn)品的創(chuàng)新。

　　混合加工不是通常所說(shuō)的復(fù)合加工。復(fù)合加工是指一臺(tái)機(jī)床上集成了包括車、銑、鉆、攻絲和深鏜孔等多種工序，能夠?qū)σ粋€(gè)工件通過(guò)一次裝夾進(jìn)行從毛坯到成品全部加工，也稱為多任務(wù)（Multi-tasking）、多功能（Multi-functional）或完整加工（Complete machining）。

　　混合加工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，不同能源或工具的混合又可分為輔助性過(guò)程（如車削時(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。

　　1  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，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。

　　振動(dòng)輔助車削（Vibration Assistance Turning）是在車刀上施加振幅很小（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，可作為刀夾部件安裝在標(biāo)準(zhǔn)精密車床上，即可對(duì)淬硬工件或難加工材料進(jìn)行鏡面車削。

　　激光加熱和超聲振動(dòng)輔助加工的案例如圖1所示。

圖1 ：激光加熱和超聲振動(dòng)輔助加工

　　1.2  電加工和磨削的混合加工機(jī)床

　　德國(guó)瓦爾特（Walter）公司的Helitronic Diamond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)床為龍門結(jié)構(gòu)，X、Y、Z軸的移動(dòng)皆采用直線電機(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)。機(jī)床用于加工結(jié)構(gòu)對(duì)稱而形狀復(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3所示。

圖2：電加工和磨削混合加工的刀具機(jī)床

　　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，包括定向粉末沉積、粉末床激光熔化、薄材疊層、液態(tài)樹脂光固化和絲材熔融等，這些是加法。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、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、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，開創(chuàng)了產(chǎn)品創(chuàng)新的新紀(jì)元。

　　2  選擇性激光熔化3D打印和銑削的混合加工

　　日本松井（Matsuura）公司推出的Lumex Avance-25 混合加工機(jī)床是將激光熔化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。

圖3：Lumex Avance-25混合加工機(jī)床及其加工案例

　　Lumex Avance-25是在一臺(tái)機(jī)床上先進(jìn)行選擇性激光熔化（3D打印）加工，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4：激光燒結(jié)3D打印和銑削混合加工的過(guò)程

　　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，激光熔化與銑削混合加工可達(dá)到±2.5 μm精度，整個(gè)工件的尺寸精度可達(dá)±25 μm。

　　激光熔化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。

　　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。采用激光熔化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。

　　3激光堆焊3D打印和銑削混合加工機(jī)床

　　3.1 德馬吉的LASERTEC 65 3D機(jī)床

　　德馬吉森精機(jī)（DMG MORI）公司推出LASERTEC 65 3D，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。

圖5: LASERTEC 65 3D機(jī)床的外觀

　　LASERTEC 65 3D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（monoBLOCK）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。“LASERTEC 65 3D的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)1 kg/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。

　　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Operate 4.5版的Siemens 840D solutionline。

　　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。LASERTEC 65 3D激光堆焊頭的工作原理和運(yùn)行實(shí)況如圖6所示。其技術(shù)關(guān)鍵是熔池的溫度測(cè)量與過(guò)程控制，在噴頭里有攝像機(jī)采集熔池溫度圖像。

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0.1 mm到5 mm，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)程中間，精銑工件在成形完后刀具無(wú)法到達(dá)的部分。典型案例是一喇叭狀渦輪增壓殼體，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12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。

　　LASERTEC 65 3D機(jī)床的亮點(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%。可加工完整3D工件，最大直徑達(dá)500 mm，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。

　　德馬吉森精機(jī)公司最近又推出Lasertec 4300 3D混合加工機(jī)床，將同樣的增材制造技術(shù)與銑削/車削集成，可加工Φ660mm和長(zhǎng)1,500mm的工件，進(jìn)一步為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師開辟新的創(chuàng)新空間。

　　3.2 3D打印堆焊頭

　　美國(guó)混合制造技術(shù)（Hybrid Manufacturing Technologies）公司推出結(jié)構(gòu)緊湊的3D打印堆焊頭，具有與銑刀錐柄相同的接口，可安裝在加工中心刀庫(kù)中，像刀具一樣進(jìn)行交換。如圖8所示。

圖8: 美國(guó)混合制造技術(shù)的堆焊3D打印頭

　　當(dāng)機(jī)械手將堆焊頭插入主軸后，連接激光光源、供粉和供氣管道的接口座隨即移至相應(yīng)位置，插到堆焊頭上，接通各種供應(yīng)，即可開始工作。由于這種“功能部件”的堆焊頭使用方便，頗受各國(guó)機(jī)床制造商的歡迎，例如，日本馬扎克的Integrex i400 AM 增材制造車銑加工中心就采用這種堆焊頭，其外觀如圖9所示。

　　4、Fabrisonic的超聲增材制造

　　美國(guó)Fabrisonic公司是一家與眾不同的工業(yè)級(jí)三維打印機(jī)生產(chǎn)商。該公司使用愛迪生焊接研究所的專利開發(fā)了一種將超聲波焊接與數(shù)控加工結(jié)合起來(lái)的技術(shù)，稱為超聲增材制造（Ultrasonic Additive Manufacturing--UAM）。超聲增材制造與LSA、FDM、SLS等增材制造（3D打印）工藝不同，不是采用液態(tài)樹脂固化、絲材熔融涂覆或激光粉末燒結(jié)，而是用超聲波去熔融帶狀金屬薄片，一層層疊加起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)基于疊層制造（Layer Manufacturing）原理的三維打印。超聲增材制造與分層實(shí)體的薄材選擇性切割（LOM）有些類似，不過(guò)不是將紙用激光輪廓切割后一層層粘接成零件，而是使用頻率高達(dá)20,000Hz的超聲波施加在金屬片上，借助超聲波的振蕩能量使兩個(gè)需焊接的表面摩擦，構(gòu)成分子層間的熔合，然后以同樣的原理逐層連續(xù)地焊接金屬片，并同時(shí)通過(guò)機(jī)械加工來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)的三維形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)的金屬物體。借助Fabrisonic的方法可以同時(shí)“打印”多種金屬材料，如鋁、銅、不銹鋼和鈦合金。由于超聲焊接的工作溫度很低，不會(huì)產(chǎn)生不必要的金相變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質(zhì)金屬箔片制造出有高度復(fù)雜內(nèi)部通道的金屬部件。

　　大多數(shù)金屬三維打印機(jī)成形效率較低，小于100cm3，且工作空間有限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列超聲增材制造機(jī)床的打印效率能達(dá)到250cm3~500cm3，其工作臺(tái)面積為1000mm×600mm，機(jī)床外觀和工作空間如圖9所示。

圖9: 超聲增材制造機(jī)床的外觀和工作空間

　　從圖中可見，SonicLayer 4000超聲增材制造機(jī)床的結(jié)構(gòu)分為兩部分，中間是用于銑削加工的主軸，功率為19kW，轉(zhuǎn)速為 8000 r/min；右側(cè)為9kW的超聲增材制造焊頭，焊接力1,200 kg，最大進(jìn)給速度為5,000mm/min，用于增材制造金屬零件。

　　由此可見，這種超聲增材制造設(shè)備是在3軸數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的，焊接過(guò)程可以在任何時(shí)點(diǎn)停止，然后再用機(jī)械加工做出內(nèi)部的三維通道。然后再用增材制造將其密封起來(lái)。

　　由于電子設(shè)備往往會(huì)產(chǎn)生熱量，熱管理組件往往會(huì)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。這種熱交換器裝置過(guò)去是借助數(shù)控機(jī)床加工而成的，但機(jī)加工在創(chuàng)建復(fù)雜的通道以及陣列式的交叉鉆孔和內(nèi)部路徑的能力十分有限。而如今可以通過(guò)超聲增材制造來(lái)制造出擁有復(fù)雜內(nèi)部通路的金屬部件，使其具備良好的熱傳導(dǎo)性。因?yàn)槌曉霾闹圃旃に囀枪虘B(tài)的，溫度低于250℃，沒有達(dá)到金屬熔化溫度。超聲增材制造工藝可以用來(lái)將導(dǎo)線、帶、箔和所謂的“智能材料”比如傳感器、電子電路和致動(dòng)器等完全嵌入密實(shí)的金屬結(jié)構(gòu)，而不會(huì)導(dǎo)致任何損壞，從而為電子器件的設(shè)計(jì)帶來(lái)新的可能性，如圖10所示。

圖10: 超聲增材制造的典型應(yīng)用

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　增材制造與傳統(tǒng)切削加工的集成在一起，解決了許多傳統(tǒng)加工方法，包括3D打印的難題，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師開創(chuàng)拓了的新的創(chuàng)新空間，成為智能制造的一支新的生力軍。

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