技術(shù)解讀-增材和切削混合加工機(jī)床

隨著近年來航空航天、汽車和模具工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，零件的結(jié)構(gòu)和形狀越來越復(fù)雜，材料越來越難加工，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。

混合加工（Hybrid Machining）是在一臺(tái)設(shè)備上可完成兩種不同機(jī)理的加工過程，如增材制造（3D打�。┖颓邢骷庸せ旌�，電加工和超聲波加工混合等。混合加工過程借助不同加工方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，顯著改善了難加工材料（如鈦合金）的可加工性，減少了過程力和刀具/工具磨損，對加工零件的復(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程（如車削時(shí)借助激光軟化工件表面）以及混合性過程（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程機(jī)理可控應(yīng)用的混合。

1  現(xiàn)狀與趨勢
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。通過對工件表面加熱，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。對高強(qiáng)度材料，激光加熱改善了其可加工性，對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�。�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)相對簡單，可作為刀夾部件安裝在標(biāo)準(zhǔn)精密車床上，即可對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:增材制造和切削加工的混合
增材制造的原理是通過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�。┘庸�，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”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�！癓ASERTEC 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，中間無空洞也無裂紋，因而結(jié)合強(qiáng)度很高。在堆焊過程中，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)鍵是熔池的溫度測量與過程控制，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程中間，精銑工件在成形完后刀具無法到達(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

一般來說，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%�？杉庸ね暾�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中，像刀具一樣進(jìn)行交換。如圖8所示。

圖8: 美國混合制造技術(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Fabrisonic公司是一家與眾不同的工業(yè)級三維打印機(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�。┕に嚥煌�，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，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)通過機(jī)械加工來實(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)上衍生出來的，焊接過程可以在任何時(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。

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。而如今可以通過超聲增材制造來制造出擁有復(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�聲增材制造工藝是固態(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
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。

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）