基于增減材制造技術(shù)的復(fù)雜零件一體化加工方法研究

0 前言

20世紀(jì)80年代，全球制造業(yè)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，催生出了以“3D打印”技術(shù)為代表的增材制造技術(shù)，從美國科學(xué)家Charles Hull博士開發(fā)出第一臺3D打印至今已過去了近40年，增材制造技術(shù)作為區(qū)別于傳統(tǒng)減材加工技術(shù)的新技術(shù)，已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，尤其是金屬材料增材制造技術(shù)，因其快速成型、分層制造、節(jié)約原料等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療服務(wù)、模型制造等需快速原型制造的領(lǐng)域，但因金屬增材制造的產(chǎn)品通常是通過激光熔融燒結(jié)而成，表面精度往往達(dá)不到設(shè)計要求，無法直接使用，還需進(jìn)一步減材加工實現(xiàn)零件表面精度的提升?；谝陨蠁栴}，國內(nèi)外學(xué)者展開了進(jìn)一步研究，提出了增材制造+減材制造(數(shù)控多軸加工)的一體化應(yīng)用解決方案，在復(fù)雜零部件加工中，融合增、減材制造兩者優(yōu)勢，克服工藝缺點，為拓寬高精度復(fù)雜零部件制造工藝提供了新思路

。

1 金屬增材制造工藝

增材制造技術(shù)又稱為3D打印技術(shù)，其原理是使用三維造型軟件進(jìn)行計算機(jī)建模，對模型進(jìn)行切片后，采用層層堆積的方式完成零件成型。增材制造技術(shù)適用于PLA、光敏樹脂、石膏、金屬等多種材料，通用電氣(GE)、德國EOS、瑞士GF等工業(yè)巨頭已經(jīng)將該技術(shù)推向了產(chǎn)業(yè)化，主流的增材制造方法包括選擇性激光熔化(SLM)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)，熔融沉積建模(FDM)，激光工程凈成形(LENS)，電弧增材制造(WAAM)和電子束熔化(EBM)等。

金屬增材制造是將不銹鋼、鈷鉻合金、鋁合金等粉末或絲狀材料，采用激光熔融燒結(jié)的方法，逐層累積成型零件的工藝方法，相較于傳統(tǒng)加工方法，突破了刀具材料、夾具設(shè)計和零件復(fù)雜程度的限制，主要具有以下優(yōu)點

：

對長沙市內(nèi)5座垃圾填埋場分別進(jìn)行適宜性評價，根據(jù)各填埋場的影響子因素的實際情況，確定出各項因子的實際權(quán)重，并按式3計算出各個制約因子的實際得分，求和即得出場地的適宜性最后得分見表5，對照城市垃圾填埋場適宜性分級得出各垃圾填埋場適宜性結(jié)果見表6。

(1)能夠制造外形復(fù)雜，對于內(nèi)有封閉空腔或孔洞的復(fù)雜零件可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一次成型，避免了傳統(tǒng)加工多次裝夾的重復(fù)定位誤差；

(2)金屬材料的利用率高，避免了貴重金屬的浪費，為產(chǎn)品試制降低了成本，綜合成本為傳統(tǒng)減材制造的50%左右。

葉輪增材制造采用甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有的EOS M 290工業(yè)級3D打印機(jī)，該機(jī)型采用SLS(選擇性激光燒結(jié))技術(shù)，最大行程為250x 250x 325mm，打印材料為316L不銹鋼材料，增材制造參數(shù)設(shè)置如表1所示。葉輪三維模型如圖2所示。

(4)打印件的綜合力學(xué)性能優(yōu)異，具有高質(zhì)量、高強(qiáng)度、高精度、超長壽命。

2 多軸數(shù)控加工工藝

多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型柴油機(jī)曲軸等加工的重要手段，所以每當(dāng)人們在設(shè)計、研制復(fù)雜曲面遇到無法解決的難題時，往往轉(zhuǎn)向于求助多軸數(shù)控系統(tǒng)

。五軸聯(lián)動加工能協(xié)調(diào)3個直線軸和2個旋轉(zhuǎn)軸，使他們同時動作，解決了三軸和“3+2”軸加工的干涉問題，刀具可以非常短，而短刀具會明顯降低刀具偏差，從而獲得良好的表面質(zhì)量。五軸聯(lián)動數(shù)控加工具有以下優(yōu)點：

2004-2007年規(guī)劃，中西部23個省份新建、改擴(kuò)建徐誒下7727所，在全國覆蓋了953個縣，其中西部地區(qū)404個縣。農(nóng)村義務(wù)教育經(jīng)費保障機(jī)制改革涉及廣泛，政策強(qiáng)而有力，任務(wù)十分艱巨而緊迫。各地區(qū)，各有關(guān)部門要從政治高度和全局深入對農(nóng)村義務(wù)教育經(jīng)費保障機(jī)制進(jìn)行深化改革，認(rèn)真部署和協(xié)調(diào)安排，落實各項改革政策。

如圖3所示，為葉輪增材制造完成的表面精度情況，可以看出，表面葉輪表面粗糙度較大，葉片壁厚較厚，還需進(jìn)一步減材加工，以達(dá)到零件設(shè)計要求的精度。因葉輪增材加工完成后加工余量較小，減材加工工藝流程為：確定數(shù)控加工設(shè)備、安裝毛坯、半精加工、精加工。葉輪外形復(fù)雜，加工精度要求高，減材制造設(shè)備選用DMG 50數(shù)控五軸加工中心，該設(shè)備X軸、Y軸、Z軸最大行程分別為500mm、450mm、400mm，最大工件直徑為630mm，最大工件高度500mm，工件最大重量300kg，技術(shù)參數(shù)完全滿足葉輪加工需求。葉輪數(shù)控多軸加工采用PowerMILL軟件生成加工程序，Vericut軟件仿真加工驗證加工過程。PowerMILL自帶葉輪加工模塊，可以極大簡化復(fù)雜的編程過程，按照給定步驟進(jìn)行操作，系統(tǒng)會自動生成數(shù)控五軸加工程序。葉輪精加工過程如下：

(3)五軸加工時使刀具相對于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài)，避免了刀具(刀位點)零線速度加工帶來的切削效率極低、加工表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化等情況的出現(xiàn)。

(4)對于直紋面類零件，可采用側(cè)銑方式一刀成形。

(2)生成毛坯。打開建模生成的葉輪模型，軟件通過計算，生成出帶有加工余量的毛坯外形。

(5)在對上表面、側(cè)面等大平面加工時，通常采用較大直徑的面銑刀進(jìn)行加工，加工效率較高。

上世紀(jì)90年代，歐美制造業(yè)發(fā)達(dá)國家的研究人員就提出了增減材復(fù)合加工的理念，美國、德國、奧地利、瑞士等制造業(yè)發(fā)達(dá)國家首先開始了相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用。我國高校和企業(yè)也進(jìn)行了增減材復(fù)合加工工藝、裝備和應(yīng)用的探索，但相對于國外發(fā)達(dá)國家尚處于起步階段，存在較大進(jìn)步空間。綜合現(xiàn)有對增減材一體化應(yīng)用的研究，都是為了解決兩方面工藝難題：一是增材制造過程中尺寸、表面精度不足；二是減材制造難以加工復(fù)雜零件，材料利用率低。融合兩方面的優(yōu)點：一是增材制造復(fù)雜零件，成型速度快，材料利用率高；二是減材制造尺寸、表面精度高，加工效率高。增減材一體化應(yīng)用加工工藝過程如圖1所示

。

(7)多軸聯(lián)動機(jī)床可實現(xiàn)一次裝夾、多面加工，避免了重復(fù)定位誤差，提高了加工精度、質(zhì)量和效率。

(1)因其多軸聯(lián)動特性，可加工三軸聯(lián)動數(shù)控銑床無法加工的復(fù)雜外形零件，如倒勾曲面、變斜角、異型零件等。

3 增減材一體化加工工藝

(6)在粗加工、大曲面加工中，刀具通常可采用大直徑、短長度，避免發(fā)生加工干涉。

4 復(fù)雜零件增減材加工應(yīng)用實例

我國的航天航空業(yè)經(jīng)過幾代科學(xué)家的不懈奮斗，在自主制造航空航天器種類方面取得了非凡的成就，從殲10、殲20、運20等軍用飛機(jī)，到C919、Arj21等民航客機(jī)及體系完整的“東風(fēng)”系列火箭，如雨后春筍般研發(fā)成功，我國成為世界上極少數(shù)幾個具有自主研發(fā)航空航天器的國家之一，但我國航空業(yè)長期面臨缺乏航空發(fā)動機(jī)的現(xiàn)狀，多款航空發(fā)動機(jī)依賴進(jìn)口。航空發(fā)動機(jī)制造涉及學(xué)科多、工藝復(fù)雜，被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，葉輪作為小型渦輪發(fā)動機(jī)的核心零件，研究其制造過程，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝提高其制造精度和質(zhì)量具有重要意義。本文前述中提出，增減材制造一體化技術(shù)適合于加工外形復(fù)雜，傳統(tǒng)加工手段難以加工的零件，葉輪的零件特征正好適合采用該工藝。

4.1 葉輪增材制造工藝分析

葉輪形狀比較復(fù)雜，共分為為輪轂層、左葉片層、右葉片層、分流葉片層、套層等，加工精度要求高，屬于薄壁零件，加工容易產(chǎn)生變形，因本研究增減材加工設(shè)備是分開的，為保證定位精度，采用先增材、后減材的加工順序。增材工藝流程為：葉輪三維造型、選擇增材設(shè)備、確定增材順序、制訂增材加工參數(shù)、進(jìn)行增材加工。

(3)產(chǎn)品試制周期短，能夠?qū)崿F(xiàn)快速成型，節(jié)省大量的產(chǎn)品設(shè)計和改型時間。

4.2 葉輪減材制造工藝分析

(2)可一次裝夾完成加工出連續(xù)、平滑的自由曲面。

“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下科技型小微企業(yè)創(chuàng)業(yè)行為關(guān)鍵影響因素研究 ……… 張 楠，斯 姣，張旭軍，曹 潔（59）

(1)創(chuàng)建刀具。選擇一把直徑為6mm的球頭銑刀，頂部、底部直徑50mm，長度20mm。

本研究在分區(qū)時以城市為單位，根據(jù)2002年行政區(qū)域的劃分，流域一共包括39個地級市，為增加分區(qū)的準(zhǔn)確性，只選取了全部或超過一半面積在流域內(nèi)的城市作為研究對象，共包括29個，最終將小于一半面積的城市采取就近原則劃入相應(yīng)的區(qū)域。

選取2016年8月～2018年8月在我院進(jìn)行尿常規(guī)檢驗的患者93例作為研究對象，其中，男53例，女40例，年齡10～63歲，平均年齡（44.67±5.43）歲[1] 。

(3)切入切出和連接參數(shù)設(shè)置。根據(jù)精加工要求，設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

(4)Vericut仿真加工。設(shè)置工作目錄，新建一毫米制文件；根據(jù)DMG 50數(shù)控五軸加工中心參數(shù)添加機(jī)床；根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，選hei530.ctl控制系統(tǒng)；將葉輪三維模型導(dǎo)入，添加工裝；設(shè)置G代碼偏置；添加刀具庫，選擇tool.tls文件；后處理得到加工程序；后處理器選擇“hei530_AC”,指定合適文件路徑和文件名，得到加工程序；導(dǎo)入生成好的G代碼；點擊開始，完成葉輪加工仿真；驗證完成后，保存項目。

030香料的合成實驗即將接近尾聲的時候，也是北京輕工業(yè)學(xué)院的教學(xué)樓里飄起火腿腸味的時候。那天，出了實驗室的孫寶國正往同事們中間走去，其中一人突然張口：“誒，哪來的火腿腸味？”聽到這話，孫寶國心中泛起一陣喜悅，從研發(fā)的角度講，他的合成實驗即將告終，從群眾實踐的角度講，他的合成結(jié)果看來也接近真實。

(5)零件加工。安裝刀具和零件：選擇機(jī)床型號，選擇BT40刀柄，對照工序卡，安裝刀具。所有刀具保證伸出長度大于50mm。將自定心卡盤安裝在加工中心工作臺面上，并使用百分表校準(zhǔn)并固定，將毛坯夾緊。對刀：零件加工原點設(shè)置毛坯上端面中心，使用機(jī)械尋邊器，找正毛坯中心，并設(shè)置G54參數(shù)，使用Z向?qū)Φ秲x，分別找正每把刀的Z向補(bǔ)償值，并設(shè)置刀具補(bǔ)償參數(shù)，精加工刀具路徑如圖4所示。程序傳輸并加工：將數(shù)控加工程序?qū)隓MG 50數(shù)控系統(tǒng)，將機(jī)床設(shè)置為“自動加工”模式，啟動后進(jìn)行葉輪試切，觀察無誤后，完成零件加工，零件成品如圖5所示。

用三坐標(biāo)測量儀對葉輪成品進(jìn)行測量，其關(guān)鍵尺寸、形位精度均達(dá)到設(shè)計要求，表面精度滿足設(shè)計要求。

北京探礦工程研究所研發(fā)了一套應(yīng)用于土壤取樣的TGQ-30C淺層輕便取樣鉆機(jī)(圖1)。TGQ-30C土壤取樣鉆機(jī)模塊化設(shè)計，拆裝方便、操作簡單，可滿足30 m以內(nèi)的土壤取樣要求。然而在施工過程中發(fā)現(xiàn)，在一些縮孔嚴(yán)重，深度超過10 m，大口徑的孔中需要非常大的起拔力才能夠?qū)@具提出。如果使用絞車起拔，拉力10 kN的液壓絞車質(zhì)量達(dá)到50 kg左右，拉力30 kN以上的液壓絞車質(zhì)量超過120 kg，并且使用拉力大的絞車會使得支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鉆機(jī)本身的重量也會加大，這會極大地影響鉆機(jī)的輕便性，移動過程中增加操作者的勞動強(qiáng)度。因此需要研制一款獨立的起拔裝置代替液壓絞車起拔鉆桿。

5 結(jié)語

增減材一體化制造應(yīng)用工藝，其特點是融合了增材制造快速原型制造和數(shù)控多軸加工高精度的優(yōu)點，該技術(shù)能夠縮短新產(chǎn)品的試制周期、節(jié)省了貴重金屬、降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。該工藝適合于單件、小批量復(fù)雜零件的制造，有著廣闊的市場空間。本文以小型渦輪發(fā)動機(jī)核心部件—葉輪為例，對增減材一體化制造應(yīng)用工藝進(jìn)行了實踐與探索，對增減材制造研究有一定的參考價值。

[1]增減材復(fù)合制造技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].高孟秋等.真空.2019年11月.

[2]增減材混合制造的研究進(jìn)展[J].國春煥，王澤昌等.工程科學(xué)學(xué)報.2020年5月，第42卷，第5期.

[3]數(shù)控機(jī)床與打印的一體化制造研究[J].牛璞.價值工程.2020年第6期.

[4]航空發(fā)動機(jī)葉片再制造技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢[J].李文輝等.金剛石與磨料磨具工程.2021年8月第4期.