名師講座丨增材制造和切削混合加工機(jī)床

jiajoin

前 言

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)。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。

今天為大家分享一篇來自同濟(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)。

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、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。

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。

圖4 激光燒結(jié)3D打印和銑削混合加工的過程

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。

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。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。

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%。可加工完整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。

任向宇

學(xué)習(xí)了

只有快樂

零件的要求倒逼著生產(chǎn)技術(shù)的革新

韓寒11

樓主介紹的這些制造工藝，只實(shí)際見過增材制造

xiaobing86203

厲害了我的特種加工。

城風(fēng)

學(xué)習(xí)了！