增減材復(fù)合加工的關(guān)鍵技術(shù)分析

張?chǎng)?馮清

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院，江蘇 南京 211135）

在傳統(tǒng)的材料加工領(lǐng)域中，增材加工與減材加工工藝屬于不同制造環(huán)節(jié)，隨著制造產(chǎn)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)研究的不斷深化，以激光、電子束、電弧等加工技術(shù)為代表的增減材集成控制工藝成為機(jī)械制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)推廣的重點(diǎn)內(nèi)容。該項(xiàng)復(fù)合工藝具有加工精密度高、自動(dòng)化程度高、結(jié)構(gòu)易構(gòu)性強(qiáng)等方面的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜機(jī)械構(gòu)件的加工制造項(xiàng)目中，發(fā)展前景廣闊。

1 增減材復(fù)合工藝的具體應(yīng)用原理

基于CAD集成控制系統(tǒng)的增減材零件加工技術(shù)，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、增材與減材工藝、質(zhì)量檢測(cè)、過(guò)程操作控制等功能集中在一體化的管理平臺(tái)上。通過(guò)增材工藝按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)具體方案制造出3D模型，并將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的3D需求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為具體的幾何參數(shù)，這些幾何信息融入沉積參數(shù)和機(jī)加工參數(shù)，生成增材制造加工路徑數(shù)控代碼，最終成型3D實(shí)體零件[1]。在對(duì)實(shí)體零件的各項(xiàng)力學(xué)性能、尺寸、形狀等數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量后，通過(guò)對(duì)特征的對(duì)照分析，確定具體的誤差范圍，然后運(yùn)用減材加工技術(shù)對(duì)零件的輪廓、內(nèi)部構(gòu)造等進(jìn)行修正，使其與預(yù)定產(chǎn)品要求達(dá)到一致?；谝惑w化、集成化的操控系統(tǒng)，構(gòu)件的塑形加工與切削處理等作業(yè)可以在同一機(jī)床上進(jìn)行，在機(jī)械零件的實(shí)際制造過(guò)程中，能夠有效提升生產(chǎn)效率與構(gòu)件加工精確度。

2 增減材機(jī)械構(gòu)件復(fù)合加工應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 增減材工藝集成技術(shù)

第一，零件加工能量沉積增減材工藝集成?；谥苯幽芰砍练e的復(fù)合加工集成?，F(xiàn)階段，機(jī)床加工直接能量沉積工藝是熔融施工的主要技術(shù)應(yīng)用。在機(jī)床上使用噴嘴將原料送到熔池，然后利用熱源能量，將熔融處理后的材料層層沉積，使材料成型。第二，冷噴涂構(gòu)件加工工藝集成。該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用原理是通過(guò)施加初速度將粉末狀的零件加工材料噴射出來(lái)，在基盤上利用噴射作用使材料產(chǎn)生黏連效應(yīng)，直至構(gòu)件最終成型。第三，粉末融積（PBD）集成技術(shù)，也可以稱為粉床熔融零件生產(chǎn)技術(shù)，其原理為：在機(jī)床上逐層鋪設(shè)粉末薄料，每累積一層原料粉末，聚集狀態(tài)下的熱源會(huì)按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，熔融特定范圍的材料，熔融加工完成后，重復(fù)鋪設(shè)直至零件成型；第四，材料噴射構(gòu)件加工技術(shù)集成。材料噴射構(gòu)件加工工藝是指利用材料打印設(shè)備的噴嘴裝置，將光聚合物等液化材料根據(jù)特定的圖形、構(gòu)造要求，噴射到基板指定位置上，當(dāng)材料轉(zhuǎn)化為固態(tài)后，在原有沉積層上繼續(xù)噴射，直至構(gòu)件成型。

2.2 復(fù)合制造一體化硬件加工平臺(tái)

增減材集成工藝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)備與控制系統(tǒng)支持，基于一體化控制機(jī)床加工平臺(tái)，能夠在保證零件加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化的零件制備目標(biāo)。以直接能量沉積加工工藝應(yīng)用為例，硬件設(shè)備包括五軸高速切削機(jī)床、激光熔覆噴嘴等設(shè)備，對(duì)原材料進(jìn)行推送，實(shí)現(xiàn)復(fù)合增減材加工處理的目標(biāo)。在激光熔覆作業(yè)過(guò)程中，由于材料噴頭的位移速度相對(duì)較慢、設(shè)備質(zhì)量較輕，因此，無(wú)須其他的動(dòng)力系統(tǒng)支持，可以直接操控機(jī)床運(yùn)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行加工。

2.3 集成控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)一體化、集成化管控的目標(biāo)，在控制系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)與實(shí)行階段，是以CNC程序?yàn)橹?，?duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理，并在增材加工工作區(qū)域內(nèi)配置相應(yīng)的送料、3D打印機(jī)等設(shè)備，對(duì)增材與減材工藝進(jìn)行協(xié)同性管理與控制。為確保不同工藝環(huán)節(jié)的合理銜接與自由切換，CNC系統(tǒng)需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、零件加工軌跡計(jì)算、送料速率控制、熱源能量調(diào)節(jié)等方面的功能。如系統(tǒng)應(yīng)具備動(dòng)態(tài)控制零件打印噴嘴、刀具等生成軌跡的功能，以保證零件打印的整體構(gòu)造符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在集成管理系統(tǒng)的實(shí)際操作階段，需要在零件增材加工前，事先分析、計(jì)算、輸入產(chǎn)品參數(shù)。在零件整體制造完成后，才能對(duì)具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估、調(diào)整，在過(guò)程監(jiān)管與控制方面有待完善。以送料噴頭作業(yè)為例，當(dāng)送料噴頭運(yùn)動(dòng)軌跡經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)角位置，變向調(diào)整需要一定的停頓時(shí)間，但此時(shí)由于控制系統(tǒng)對(duì)送料情況的動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)掌握不全面、控制不精準(zhǔn)，送料的速度沒有及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，將會(huì)導(dǎo)致局部材料沉積量過(guò)高的問(wèn)題。

3 發(fā)展前景

3.1 多通道加工控制技術(shù)

基于CAD集成控制平臺(tái)，對(duì)增材加工工藝與減材制造工藝的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化控制，是當(dāng)前材料加工復(fù)合工藝研究與應(yīng)用的重要課題。為有效優(yōu)化工藝加工流程，合理控制制造成本，相關(guān)技術(shù)研究人員提出了多通道加工控制技術(shù)，即并行加工兩個(gè)以上工序或構(gòu)件，將集成加工、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、材料搬運(yùn)等多種功能集中在數(shù)控機(jī)床上，優(yōu)化加工流程，實(shí)現(xiàn)降低制備成本、縮短加工周期的目標(biāo)。多通道技術(shù)作為零件加工產(chǎn)業(yè)數(shù)控系統(tǒng)多功能化、集成化、自動(dòng)化發(fā)展的主要研究方向，可以充分利用原有的設(shè)備基礎(chǔ)，通過(guò)自動(dòng)化控制程序的裝設(shè)與應(yīng)用，提升生產(chǎn)資源的整體利用質(zhì)效，具有較高的技術(shù)研究?jī)r(jià)值。

3.2 LAM技術(shù)

激光作為當(dāng)前增減材技術(shù)熱源應(yīng)用的熱點(diǎn)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)零件的生產(chǎn)加工模式，按照送粉方式的不同，可以分為直接使用激光沉積同步送粉的LDMD技術(shù)、激光選區(qū)熔化粉床預(yù)先鋪粉的SLM技術(shù)等。LAM技術(shù)可以對(duì)零件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流道結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及梯度結(jié)構(gòu)等進(jìn)行精細(xì)加工，具有結(jié)構(gòu)功能一體化、輕量化、超強(qiáng)韌、耐極端載荷、超強(qiáng)散熱等優(yōu)勢(shì)，相應(yīng)結(jié)構(gòu)效能大幅提高[2]。

3.3 電弧增減材工藝

電弧增減材機(jī)械化構(gòu)件制備模式，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、功能控制、質(zhì)量檢測(cè)等功能集中在一體化的控制平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了增材加工與減材加工集成管理的目標(biāo)。如絲材電弧增材（WAAM）加工模式，能夠?qū)υ霾募庸ち鞒踢M(jìn)行動(dòng)態(tài)性控制，通過(guò)設(shè)置特定波形熱源電流，改善熔滴過(guò)渡情況，進(jìn)一步提升焊接電流與熔滴過(guò)渡之間的耦合度，能夠優(yōu)化材料的整體利用質(zhì)效。與此相對(duì)應(yīng)的，電弧增減材工藝具有熱輸入要求高、加工成型精度控制難度大等方面的缺陷，相關(guān)研究單位逐步探索在增材冷卻過(guò)程中實(shí)施減材加工的可行性，旨在使復(fù)合減材加工能夠合理利用增材效果，在精度控制與性能優(yōu)化方面取得了一定的成果[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

增減材復(fù)合加工工藝結(jié)合了增材與減材制備技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)軟件控制，優(yōu)化了復(fù)雜構(gòu)件的加工流程。新時(shí)期，機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)?gòu)件制造沉積效率、材料利用率等方面的要求逐步提升，對(duì)激光、電弧、電子束等高能熱源的應(yīng)用研究也不斷深化，在降低了復(fù)雜構(gòu)件制備成本的基礎(chǔ)上，基于集成化的控制平臺(tái)，進(jìn)一步提升了機(jī)械構(gòu)件加工的精確性，有效提升了操作平臺(tái)的沉積效率，在航空航天、能源動(dòng)力、醫(yī)療機(jī)械制造等領(lǐng)域具有廣泛、多元的研發(fā)前景。