增減材復(fù)合機(jī)床開發(fā)及應(yīng)用研究項(xiàng)目

北京機(jī)電院機(jī)床有限公司 彭 偉

北京機(jī)電院機(jī)床有限公司 王寶和

北京機(jī)電院機(jī)床有限公司 邵 璟

隨著科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外工業(yè)自動(dòng)化迅速發(fā)展，增材制造的制造方式正逐漸從概念走進(jìn)工業(yè)實(shí)踐，其廣泛的應(yīng)用令人對(duì)它未來(lái)的市場(chǎng)空間產(chǎn)生無(wú)限聯(lián)想，甚至被譽(yù)為是引領(lǐng)第三次工業(yè)革命的新興技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將增材制造、增減材復(fù)合制造作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)加以培育，制定了發(fā)展增材制造、增減材復(fù)合制造的國(guó)家戰(zhàn)略和具體推動(dòng)措施，力爭(zhēng)搶占未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。

我國(guó)于20世紀(jì)90年代初開始推進(jìn)增材制造技術(shù)研究。增材制造技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，展現(xiàn)出新興技術(shù)的巨大潛力。增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，科技部2013 年公布的《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃》，以及國(guó)家科技支撐計(jì)劃《制造領(lǐng)域2014 年度備選項(xiàng)目征集指南》，首次將增材制造產(chǎn)業(yè)納入其中。

為加快推進(jìn)增減材復(fù)合制造產(chǎn)業(yè)的布局，搶占增減材復(fù)合制造制高點(diǎn)，北京機(jī)電院機(jī)床有限公司充分利用境內(nèi)外資源的優(yōu)勢(shì)，率先研制出XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床。該樣機(jī)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)增減材復(fù)合機(jī)床零的突破。增減材復(fù)合機(jī)床外觀圖如圖1所示。

圖1 XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床外觀圖

一、增材技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，增材制造已經(jīng)融入航空、醫(yī)療、汽車、電子等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)周期中，國(guó)內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅猛，但是增材制造技術(shù)在關(guān)鍵部件、工藝、耗材、控制系統(tǒng)等方面還沒(méi)有完全成熟，尚未形成陣營(yíng)。

隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展、成熟，未來(lái)增材制造必定會(huì)成為裝備制造業(yè)一項(xiàng)重要的技術(shù)，并隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，效率不斷提升、成本不斷下降，其在零件制造領(lǐng)域的占比將不斷上升，成為零件制造的重要方式，特別是在產(chǎn)品研發(fā)階段成為重要的、快速的成型手段。

目前的金屬增材制造方式多種多樣，研究較多的是粉料增材，如常說(shuō)的3D打印方式（非金屬材料大多采用此類方式）。由于粉料增材制造在金屬零件形成方面還存在很多有待技術(shù)完善的方面，如性能、成本、效率。所以也有很多其他的方式在研究，如金屬顆粒層積、線材層積、攪拌摩擦焊層積等。線材層積又有激光熔融、電弧熔融、離子束熔融等多種方式。就目前的研究情況看有以下對(duì)比，如表1：

較早的應(yīng)用多采用打印與激光熔融技術(shù)，如SLM；日本廠家采用粉料給料、激光熔融的層積技術(shù)；也有其他研究是為了避開專利壁壘，進(jìn)行其他方式增材制造技術(shù)的研究。

表1 增材制造技術(shù)對(duì)比表

二、增材技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

由于目前金屬增材制造在效率、成本還不具備優(yōu)勢(shì)，在成形的性能上還有待于提升、完善，不能滿足最終零件的實(shí)際需求，所以現(xiàn)有的減材制造（金屬切削）在短時(shí)間內(nèi)不能被取代，二者存在著互補(bǔ)關(guān)系，所以增減材復(fù)合機(jī)床是未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)較為可行的、最接近實(shí)用的形式?？梢耘袛?，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，增減材復(fù)合制造在金屬零件加工領(lǐng)域會(huì)結(jié)合增、減材制造各自的優(yōu)點(diǎn)，成為主力制造方式。

從目前增材制造技術(shù)的發(fā)展水平分析，金屬增材制造是相對(duì)發(fā)展較晚的應(yīng)用，由于金屬零件的要求相對(duì)高，零件的性能要求較為全面，所以金屬增材制造的研究，全球范圍內(nèi)都處在研究的初期。京城機(jī)電的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于金屬產(chǎn)品的制造，選擇金屬增材制造，可以結(jié)合自身的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合北京的科研資源優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)有所突破，并占領(lǐng)先機(jī)。

三、增減材復(fù)合機(jī)床的技術(shù)原理和技術(shù)路線

（1）技術(shù)原理

線材和激光增材制造（WLAM）是一種用金屬線作為添加材料和用激光作為能源來(lái)生產(chǎn)全密度金屬部件的AM工藝。 WLAM系統(tǒng)通常由激光器，自動(dòng)送絲系統(tǒng)，CNC平臺(tái)組成。

如圖2所示，激光器在基礎(chǔ)材料上產(chǎn)生熔池，金屬絲被供給到其中并熔化，從而與襯底形成熔融結(jié)合。 通過(guò)移動(dòng)激光加工頭和送絲機(jī)或移動(dòng)基板，在凝固過(guò)程中形成焊道。焊接工具和基板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)使用CNC平臺(tái)進(jìn)行。根據(jù)工藝過(guò)程可知，性能控制相對(duì)較容易達(dá)到實(shí)用的方式，對(duì)制造環(huán)境的要求較低。項(xiàng)目的主要技術(shù)難點(diǎn)在于增材制造的形控與性控，解決方案是一方面企業(yè)的先期研究成果，另一方面在今后的工藝研究中不斷完善工藝參數(shù)和增材CAM軟件、檢測(cè)反饋補(bǔ)償技術(shù)。

圖2 激光線材曾材原理

（2）技術(shù)路線

增材部分設(shè)計(jì)獨(dú)立的單元，承擔(dān)增材制造，包括線材給料、激光熔融。將其進(jìn)給運(yùn)動(dòng)結(jié)合到傳統(tǒng)的五軸金切機(jī)床中，需要五軸機(jī)床的原因是為了容易形成空間的、復(fù)雜的形面，降低增材制造本身工藝的難度；減材部分由傳統(tǒng)的五軸機(jī)床承擔(dān)，形成增材與減材制造的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合制造，并可根據(jù)零件形狀與性能特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)增減材制造的交替進(jìn)行。

增減材的效率匹配：線材層積的方式是增材效率較高的的方式，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整線材的直徑，改變?cè)霾闹圃斓男?，缺點(diǎn)是增加形控的難度，用增材CAM和過(guò)程檢測(cè)來(lái)彌補(bǔ)，最終的形狀誤差由減材制造解決。

增減材的環(huán)境要求：激光熔融方式對(duì)于環(huán)境的要求低，可以降低機(jī)床制造的難度，從而降低設(shè)備成本。

四、XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床

1．XKR40五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)

XKR40五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床基本配置為X、Y、Z三個(gè)直線坐標(biāo)和A、C兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)。機(jī)床的A、C兩個(gè)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)設(shè)置在前部的雙擺角數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)之中。安裝加工零件的圓周工作臺(tái)，直徑φ400mm。工件運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括A軸和C軸。A軸擺角 +10°/-110°。C軸驅(qū)動(dòng)為力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式，可360°旋轉(zhuǎn)。A、C軸均安裝高精度角度編碼器閉環(huán)控制。

機(jī)床的刀具運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)XY軸運(yùn)動(dòng)部件安裝在機(jī)床基座的后上部。Y軸運(yùn)動(dòng)的橫滑枕通過(guò)高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝在機(jī)床的后上部。Y軸運(yùn)動(dòng)采用同步雙驅(qū)動(dòng)方案。X軸運(yùn)動(dòng)的縱向滑板通過(guò)高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝在橫滑枕的前部。Z向運(yùn)動(dòng)的主軸箱通過(guò)高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝在縱向滑板前部。三個(gè)直線軸均采用高精度滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，安裝高精度光柵尺閉環(huán)控制，保證高的運(yùn)動(dòng)精度。為保證高速加工性能，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件盡量進(jìn)行高強(qiáng)度、高剛性、輕質(zhì)量的設(shè)計(jì)原則。機(jī)床三維簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 XKR40五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床三維結(jié)構(gòu)圖

2.XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床

增減材復(fù)合機(jī)床XKR40-Hybrid是在機(jī)電院機(jī)床公司成熟的XKR40五軸加工中心機(jī)床上增加增材制造單元，實(shí)現(xiàn)集增材和減材于一體的復(fù)合機(jī)床。增減材復(fù)合機(jī)床的切削主軸和激光增材制造單元可實(shí)現(xiàn)三軸直線移動(dòng)，工件裝卡在搖籃轉(zhuǎn)臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用五軸切削加工技術(shù)和激光層積技術(shù)、CAM技術(shù)、測(cè)量技術(shù)，增減材復(fù)合機(jī)床可完成不同行業(yè)具有復(fù)雜空間曲面形狀零件（如葉盤、葉輪、葉片、模具、傳動(dòng)部件等）的增減材加工和修復(fù)，亦可實(shí)現(xiàn)由多種材料構(gòu)成的零件的制造。相比較于其他增材方式和機(jī)床，XKR40 Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床能在一次裝夾下完成復(fù)雜零件的增材及減材加工，達(dá)到更高的精度和效率，同時(shí)，由于采用了自動(dòng)送絲和激光層積技術(shù)，在材料的可獲得性、材料成本、材料均勻性、生產(chǎn)效率、工藝穩(wěn)定性等方面都體現(xiàn)了令人心動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床安裝圖如圖4所示，XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床激光熔附圖如圖5所示。

圖4 XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床安裝圖

圖5 XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床激光熔覆圖

3．增減材復(fù)合機(jī)床工藝應(yīng)用介紹

（1）增材過(guò)程中的電子束示意圖

圖6 增減材復(fù)合機(jī)床電子束示意圖

（2）自動(dòng)送絲系統(tǒng)

線材式激光焊接技術(shù)通常采用手動(dòng)方式送料，這就和操作人員的技術(shù)有很大關(guān)系；將這種技術(shù)集成到數(shù)控機(jī)床平臺(tái)能提高生產(chǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性、重復(fù)性和生產(chǎn)效率。帶外部送絲機(jī)構(gòu)的激光焊接需要精確定位激光束和填充焊絲。毋庸置疑，高焊接率和高送絲速度需要保證極高的精度，因此對(duì)送絲系統(tǒng)提出了特殊的要求。 現(xiàn)代送絲機(jī)可以非常準(zhǔn)確的控制。這一級(jí)別的控制不僅可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)定位精度的送絲，還可以使送絲脈沖與其他工藝參數(shù)完全同步。送絲速度與其他參數(shù)的同步效果如圖7所示。

圖7 送絲速度與其他參數(shù)的同步效果

（3）航發(fā)葉片的修復(fù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是一種生命周期短，維護(hù)成本高的部件。 由于運(yùn)行中的溫度和壓力高，以及許多外部的沖擊，葉片可能會(huì)有各種缺陷，如侵蝕、變形、磨損、裂紋和沖擊凹陷。 葉片的缺陷會(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，甚至?xí)绊戯w機(jī)的飛行安全。 更換一個(gè)新的葉片是昂貴的，而修復(fù)損壞的葉片更經(jīng)濟(jì)。 目前葉片修復(fù)主要依靠人工操作，故修復(fù)生產(chǎn)率低，修復(fù)質(zhì)量高度依賴于操作人員的技能。 隨著基于CAD / CAM的AMT技術(shù)的發(fā)展，葉片的自動(dòng)修復(fù)技術(shù)在飛機(jī)維修檢修中得到了廣泛的應(yīng)用，葉片的修復(fù)原理圖如圖8所示，葉片的修復(fù)案例如圖9所示。

圖9 葉片的修復(fù)

五、增減材復(fù)合機(jī)床的市場(chǎng)需求

增減材復(fù)合制造技術(shù)是全新設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)制造方式，屬于高端技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有顛覆性影響，能解決傳統(tǒng)純減材制造所不能解決的問(wèn)題，并能促進(jìn)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速反應(yīng)，增長(zhǎng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，提高企業(yè)創(chuàng)新能力，增加工藝選擇，提高企業(yè)制造水平，更好運(yùn)用增減材復(fù)合制造+信息化手段，提高企業(yè)智能化水平。增減材復(fù)合制造技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)制造業(yè)解決不了的問(wèn)題，培育、發(fā)展增減材復(fù)合制造高端產(chǎn)業(yè)能夠讓中國(guó)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)盡快趕超國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的裝備制造水平。

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪、葉片，汽輪機(jī)葉輪、葉片等精度要求較高，產(chǎn)品合格率不超過(guò)10%，其中，很大一部分不合格零件就是在切削過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題。這些只存在一點(diǎn)兒瑕疵的零件附加值很高，在經(jīng)過(guò)XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床加工后，基本可以達(dá)到預(yù)定效果而成為合格的零件。可以說(shuō)，XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床的高端技術(shù)，為航空航天、汽車、軍工等國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域提供了有力的制造支持，促進(jìn)我國(guó)高端裝備制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，在一定程度上保證了國(guó)家產(chǎn)業(yè)安全和國(guó)家戰(zhàn)略安全。

六、結(jié)語(yǔ)

雖然XKR40-Hybrid增減材復(fù)合機(jī)床樣機(jī)已經(jīng)制造出來(lái)了，但這只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步，它仍需要根據(jù)產(chǎn)品的加工要求優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，優(yōu)化加工工藝，集成在線控制和測(cè)量系統(tǒng)等工作，它仍需要根據(jù)產(chǎn)品的加工需求做大量的性能試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)。只有這樣慢慢完善機(jī)床的性能，才能更好的服務(wù)于我國(guó)的高端裝備制造業(yè)。 □