名师讲座丨增材制造和切削混合加工机床

前 言

随着近年来航空航天、汽车和模具工业的技术进步，零件的结构和形状越来越复杂，材料越来越难加工，因此传统的金属切削加工方法受到严峻的挑战。于是“混合加工”这一新概念走进了制造业的视野。

混合加工是指在一台设备上可完成两种不同机理的加工过程,如增材制造和切削加工混合,电加工和超声波加工混合等。其中又可分为不同能源或工具的混合和不同过程机理的可控应用两大类，不同能源或工具的混合又可分为辅助性过程（如车削时借助激光软化工件表面)）以及混合性过程（如电加工和电化学加工同时进行等），增材制造与切削加工的混合属于不同过程机理可控应用的混合。

今天为大家分享一篇来自同济大学现代制造技术研究所名誉所长张曙教授的文章，对几种新一代的增材制造和切削加工混合工艺和机床：激光烧结3D打印和铣削混合加工、激光堆焊3D打印和铣削混合加工等原理和应用案例进行详细的阐述。

一、现状与趋势

1.1：激光加热辅助切削

激光加热辅助切削(Laser Assisted Machining)是将激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短时间内将局部加热到高温，使材料的切削性能变得易于切削。通过对工件表面加热，提高材料的塑性，降低切削力ꎬ，减小刀具磨损减小振动。从而达到提高加工效率、降低成本、提高表面质量的目的。对高强度材料，激光加热改善了其可加工性，对硬脆材料可将其脆性转化为延展性，使屈服强度降低到断裂强度以下，避免加工中出现裂纹。

图1 激光加热和超声振动辅助加工

振动辅助车削(Vibration Assistance Turning)是在车刀上施加振幅很小(300nm~500nm)的超声振动(40kHz-80kHz)，使刀具和工件周期地接触和脱离，从而改变切削过程的物理特性。由于在振动状态下，刀具和工件的接触时间短于相互脱离时间，所形成的切屑短小，切削力小，切削温度低。改善了加工表面的质量，超声振动装置结构相对简单。可作为刀夹部件安装在标准精密车床上。即可对淬硬工件或难加工材料进行镜面车削。激光加热和超声振动辅助加工的案例如上图所示。

1.2：电加工和磨削的混合加工机床

德国某公司的刀具磨床按2合1的设计理念，在一台机床上用旋转电极加工PKD/CBN刀具和砂轮磨削硬质合金/高速钢刀具。机床为龙门结构，X、Y、Z轴的移动皆采用直线电机A、C轴由力矩电机驱动，机床两外侧可分别配置电极/砂轮和刀具工件的交换系统。

图2 电加工和磨削混合加工的刀具机床

机床用于加工结构对称而形状复杂的刀具，采用中间皮带驱动的轴两端可分别安装1~3个旋转电极和砂轮，回转180°切换。采用电主轴时只能在一端安装1~3个旋转电极或砂轮，机床的外观和加工实况如图所示。

1.3：新趋势——增材制造和切削加工的混合

增材制造的原理是通过材料的不断叠加而形成零件，包括粉末激光融化、粉末激光烧结、薄材叠层、液态树脂光固化和丝材熔融等，是加法。切削加工是从毛坯上切除多余的材料而形成最终零件，包括车、铣、钻、刨、磨等，与增材制造相反，就材料而言都是减法。增材制造优势在于节省材料、可以构建结构和形状极其复杂的零件。而切削加工却具有高效率、高精度和高表面质量的优点，两者混合和集成在一台机床上就开创了令人鼓舞的应用前景。3D打印是直接数字制造，将产品CAD实体模型切成薄片，按轮廓进行加工。再一层层叠加而成，故也称为叠层制造，是智能制造的支撑技术。

3D打印可构建任意复杂形状的产品，最有效地发挥材料特性，为设计师打开了无限的创新空间。3D打印的产品是定制和个性化的独一无二产品，不仅可按需制造。还可以在本企业就地制造。应该指出：汽车、航空航天和模具的重要零件都是金属而非塑料制成的。因此金属3D打印零件而非原型制作处于增材制造前沿，开创了产品创新的新纪元。

二、激光烧结3D打印和铣削的混合加工

日本松井公司曾推出过一款混合加工机床是将激光烧结3D打印与铣削加工集成，其外观和典型加工案例如图3所示。其原理是是在一台机床上先进行激光烧结(3D打印)，然后借助高速铣削精加工整个零件或其部分表面以获得高精度和高表面质量。其原理是每打印10层(约0.5mm~2mm)形成一金属薄片后，用高速铣削(主轴45000r/min)对其轮廓精加工一次。再打印10层，再精铣轮廓，不断重复。最终叠加成为高精度、结构复杂的零件，如图4所示。

图3 混合加工机床及其加工案例

改变激光的聚焦大小和粉末材料，可制造出不同材料密度，包括多孔结构的零件。由于一次装夹完成工件的“增材成长”和精加工，激光烧结与铣削混合加工可达到±2.5μm精度，整个工件的尺寸精度可达±25μm。

激光烧结和铣削混合加工的最大优点是：无需拼装即可制成复杂模具。传统制造方法是：将复杂模具其分解为若干组件，制成后加以拼装。不仅费时费事，而且不可避免存在一定误差，降低了模具的精度。在激光烧结3D打印和铣削集成的机床上却可将具有深沟、薄壁的复杂模具一次加工完成，完全改变了复杂模具的设计和制造过程。

图4 激光烧结3D打印和铣削混合加工的过程

其次，注射机将融化的塑料射入注塑模时。会产生高温，导致模具冷却时间大于注射成形的时间。冷却管道的设计和加工往往成为注塑模优劣的关键，传统注塑模采用钻孔方法制作直通和交叉的冷却管道。与模具表面形状不等距，热传导不均匀，冷却效果较差。采用激光烧结3D打印，可制作沿模具表面共形的3D冷却管道。发热表面与冷却表面基本等距，明显提高冷却效果，缩短冷却时间，明显提高注射机的生产效率。

三、激光堆焊3D打印和铣削混合加工机床

3.1德马吉的LASERTEC 653D机床

德马吉森精机公司推出LASERTEC 653D，是将激光堆焊技术与5轴铣削技术集于一体，构成独特的混合加工机床。其外观如图5所示LASERTEC 653D混合加工机床配有2KW的激光器进行激光堆焊3D打印。同时还借助全功能的高刚性的单体结构的5轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工。铣削加工与激光加工之间能全自动切换，它能完整加工带底切的复杂工件，能进行修复加工和对模具及机械零件甚至医疗器械零件进行局部或全面的喷涂加工。与粉床的激光焊接方法不同，激光堆焊技术通过金属粉末喷嘴可生产大型零件，堆焊速度可达1KG/h，比粉床激光烧结方法制造零件的速度快10倍。它与铣削技术的结合开创了全新的应用领域：复杂的工件通过多个步骤成形，铣削与堆焊可交替进行。这样，由于几何形状的限制无法用刀具加工的零件部位能在最终成形前加工，并达到最终精度要求。

图5 LASERTEC 653D机床

混合加工机床不仅拥有数控铣床优点：如高精度和高表面质量，还有粉末堆焊技术的灵活性和堆焊速度快的优点。例如：对于整体构件，需要铣削切除的金属比例达95%。而用增材方法仅在需要的地方堆焊。这将大幅节省贵重的工件材料和降低加工成本，激光器以及所带的粉末堆焊头一起安装在铣削主轴的HSK刀柄处。机床进行铣削加工时，它自动停靠在安全的右侧位置，机床与加工过程由数控系统控制。控制系统是带CELOS与Operate4.5版的Siemens 840D solution-line。

颗粒大小为50μm~200μm的粉末通过激光头中的管道输送到工件表面，与此同时激光束将金属粉末堆焊在基体材料(工件)的表层，并与基体材料结合在一起，中间无空洞也无裂纹，因而结合强度很高。在堆焊过程中，同时提供惰性保护气体，避免熔覆的金属氧化。金属层冷却后，即可进行机械加工。其激光堆焊头的工作原理和运行实况如图6所示。

图6 激光堆焊头的工作原理和运行实况

这个混合加工方法的突出优点之一是允许堆焊多层的不同材料。根据选用的激光器与喷嘴几何参数，堆焊的壁厚从0.1mm到5mm，能生成复杂的3D轮廓和几何形状。由于激光堆焊和铣削加工可方便地相互切换和交替进行，使得能够在零件堆焊成形过程间，精铣工件在成增压壳体，底端有带分布孔的法兰，需铣削外圆、平面和钻孔，喇叭外周有12个接头，需焊接、铣削、钻孔等。喇叭口的大于底座的法兰，造成法兰上的孔难以加工，如图7~9所示按照传统的制造观念，这是一个工艺性极差、几乎无法在一台设备上加工完毕的零件，但是混合加工却创造了现代制造的奇迹。

图7 涡轮增压壳体的1~4道混合加工工序

一般来说，能源或航空航天工业用的数控机床都非常昂贵。因此，用同一台机床进行粗加工、堆焊和精加工将带给客户巨大的经济利益。此外，能源和石油工业的零件通常需要喷涂耐蚀合金，避免磨损。堆焊技术能保护许多应用于恶劣环境中的产品，例如管接头、法兰和特殊结构件。

图8 涡轮增压壳体的5~8道混合加工工序

该机床的技术亮点是巧妙结合激光堆焊技术与铣削技术，实现最高的表面质量和工件精度，配粉末喷嘴的激光堆焊比粉床方式的增材制造速度快10倍，金属粉末的利用率高达80%。可加工完整3D工件，最大直径达500mm，不需要任何支撑构造，甚至可形成悬垂轮廓，直接加工成品件上无法加工到的部位。

图9 涡轮增压壳体的9~12道混合加工工序

结 语

混合加工过程借助不同加工方法的优势互补，显著改善了难加工材料(如钛合金)的可加工性，减少了过程力和刀具/工具磨损，对加工零件的复杂表面完整性和光洁度起到积极作用，为产品设计师开辟了新思路，大大促进了高端产品的创新。

谢谢分享~~~