五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備設(shè)計(jì)

洪福　田印仟　衛(wèi)洋　楊永強(qiáng)　王孟　周恒　邰志恒　林劍彬　吳博　陳澤斌　王迪

摘要：為提高零件加工制造效率，減少材料用量，降低成本，設(shè)計(jì)一種五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備，用于通用復(fù)雜零件的加工制造及模具缺陷的修補(bǔ)。通過(guò)激光/等離子弧雙熱源進(jìn)行增材加工，利用銑削進(jìn)行減材加工。為測(cè)試該設(shè)備的成形性能，對(duì)輪胎模具翻胎板、花紋塊和活字塊進(jìn)行試制，輔以缺陷檢測(cè)及回溯修復(fù)模塊對(duì)成形缺陷零件進(jìn)行修復(fù)，得到了高質(zhì)量、高精度的零件。 該設(shè)備有助于提升企業(yè)效益、減少生產(chǎn)成本，對(duì)促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要作用。

關(guān)鍵詞：增減材制造；零件加工制造；模具缺陷修補(bǔ)；增材加工；銑削

中圖分類(lèi)號(hào)：TG666文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-2605（2023）03-0007-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.03.007

Design of FiveAxis Additive-subtractive Hybrid Manufacturing Equipment

HONG Fu1，3TIANYinqian2WEI Yang2YANG Yongqiang2WANG Meng2

ZHOU Heng2TAIZhiheng2LIN Jianbin1WU Bo1CHEN Zebin1WANG Di2

（1.Greatoo Intelligent Equipment Inc.，Jieyang515500， China 2.School of Mechanical and

Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China

3.Guangdong Peichuang Intelligent Technology Co.， Ltd.，Jieyang515500， China）

Abstract：In order to improve the efficiency of parts processing and manufacturing， reduce material usage， and reduce costs， a five axis additive-subtractive hybrid manufacturing equipment is designed for the processing and manufacturing of general complex parts and the repair of mold defects. Additive processing is carried out through laser/plasma arc dual heat sources， and material reduction processing is carried out through milling. To test the formability of the equipment， trial production was carried out on tire mold flip plates， pattern blocks， and movable type blocks， supplemented by defect detection and backtracking repair modules to repair the formed defective parts， resulting in high-quality and high-precision parts. This equipment helps to improve enterprise efficiency， reduce production costs， and plays an important role in promoting the development of related industries.

Keywords：additive-subtractive hybrid manufacturing; parts processing and manufacturing; repair of mold defects; additive processing; milling

0引言

近年來(lái)，增減材復(fù)合制造裝備已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。該裝備通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)近凈成形的零件，通過(guò)銑削確保零件的加工精度和表面質(zhì)量，且可實(shí)現(xiàn)增材成形和減材加工的自由切換，滿(mǎn)足復(fù)雜零件的制造及修復(fù)再制造的需求，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、石油機(jī)械等領(lǐng)域[1-2]。相比于傳統(tǒng)的增材和減材工藝，增減材復(fù)合制造有效地提高了材料的利用率，提升零件尤其是復(fù)雜零件的加工精度，縮短加工周期[3-7]。通過(guò)逐個(gè)特征增減材復(fù)合加工，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面及具有內(nèi)孔、內(nèi)腔、內(nèi)流道零件的一體化高效制造。

相比于一般的三軸機(jī)床，五軸機(jī)床的自由度更多，靈活度更高。因此，利用五軸機(jī)床加工復(fù)雜零件，能夠更加靈活地完成曲面軌跡加工，且可以避免多個(gè)加工步驟帶來(lái)的重復(fù)定位誤差[8-10]，從而提高加工質(zhì)量。

在五軸機(jī)床上實(shí)現(xiàn)增減材加工具有效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無(wú)支撐成形[11-14]，為復(fù)雜形狀的高性能零件制造提供了一種快速、低成本的途徑。BARRAGAN等[15]基于ROMI DCM 620-5X型復(fù)合增減材機(jī)床進(jìn)行了復(fù)雜零件的再制造實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)得到了成形質(zhì)量良好、沒(méi)有明顯孔隙的再制造零件，該實(shí)驗(yàn)成果可延長(zhǎng)高制造成本零件的使用壽命，但該型號(hào)機(jī)床僅配備了激光熱源的增材系統(tǒng)，適應(yīng)性受限。 熊吉如[16]開(kāi)發(fā)了基于雙橫梁龍門(mén)結(jié)構(gòu)的增減材加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了將3D打印和數(shù)控加工集成在同一臺(tái)機(jī)床上的目的，使增減材協(xié)同加工更加簡(jiǎn)便，但增加了結(jié)構(gòu)成本。彭偉等[17]在原五軸機(jī)床上加裝增材模塊，設(shè)計(jì)增減材復(fù)合加工機(jī)床XKR40–Hybrid，采用送絲給料的方式實(shí)現(xiàn)增材加工，裝夾平臺(tái)的擺角為10°～140°，最大成形尺寸達(dá)500mm×500mm×400mm，但擺角范圍較小，成形尺寸仍有擴(kuò)大的空間。

為了進(jìn)一步提高五軸增減材機(jī)床的適應(yīng)性和制造性能，本文設(shè)計(jì)了一種五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備， 用于通用復(fù)雜零件的加工制造及模具缺陷的修補(bǔ)。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備整合了增材系統(tǒng)和銑削加工中心，采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)加工需求更換不同的增材熱源設(shè)備，即激光發(fā)生器或等離子焊機(jī)。 五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備主要由五軸銑削加工機(jī)床、增材系統(tǒng)、增減材控制系統(tǒng)3部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.1 五軸銑削加工機(jī)床

為使加工零件具有良好的穩(wěn)定性和制造精度，五軸銑削加工機(jī)床床身采用龍門(mén)式框架（封閉框架焊接而成），輔以鑄造工藝，具有高剛性和抗震性。 在機(jī)床加工空間上方的橫梁上布置X、Y、Z軸，機(jī)床加工空間下方的B、C軸采用搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)控制[18]，輔以刀庫(kù)和 自動(dòng)換刀系統(tǒng)，能夠高效地實(shí)現(xiàn)零件的靈活加工。在C軸的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上 成形零件，激光/等離子弧增材工具和銑削刀具平行于Z方向安裝，并與水平面保持垂直。五軸銑削加工機(jī)床的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2增材系統(tǒng)

增材系統(tǒng)主要包括銳科RFL系列激光發(fā)生器、等離子焊機(jī) 、輝瑞的TD03-MH送粉器和LAMLH激光頭等[19]。銳科RFL激光器 是光纖激光器，最大功率可達(dá)3 000 W，具有體積小，易集成的特點(diǎn)，適用于五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備。為了提高增減材加工效率，機(jī)床內(nèi)置了增材工具庫(kù)位和專(zhuān)用夾具，并通過(guò)數(shù)控接口實(shí)現(xiàn)增減材工具的快速切換。在切換為增材模式時(shí)，首先，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)增材頭運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的主軸位置；然后，主軸控制Z軸到指定位置；最后，氣動(dòng)夾具夾住增材頭，完成增材切換動(dòng)作。等離子弧可以提供比激光熱源更大的加熱覆蓋范圍，故采用激光/等離子弧雙熱源的設(shè)計(jì)，不僅有效地?cái)U(kuò)展了可加工材料，還提高了成形效率。激光、等離子弧的增材成形效率分別大于300cm3/h、500cm3/h。

1.3增減材控制系統(tǒng)

增減材控制系統(tǒng)基于海德漢數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用西門(mén)子PLC控制器控制增材設(shè)備，增材系統(tǒng)通過(guò)Profinet接口與減材系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。增減材復(fù)合加工的主要控制模塊為換刀控制模塊和缺陷檢測(cè)及回溯修復(fù)模塊。其中，換刀控制模塊用于五軸銑削加工機(jī)床在增材工具和銑削刀具之間切換，且不發(fā)生干涉；缺陷檢測(cè)及回溯修復(fù)模塊可對(duì)待修復(fù)零件進(jìn)行智能缺陷檢測(cè)，調(diào)用固定的修復(fù)程序，先利用增材加工填補(bǔ)缺陷，再利用減材加工完善表面。

增減材控制系統(tǒng)基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，由Python軟件界面及運(yùn)行系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）運(yùn)行系統(tǒng)、數(shù)控（NC）運(yùn)行系統(tǒng)、主計(jì)算機(jī)（Host PC）4部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主計(jì)算機(jī)提供底層支撐文件，并通過(guò)Glade XML*.glade和Python program*.py文件將指令提供給Python運(yùn)行系統(tǒng)；PLC運(yùn)行系統(tǒng)在Tables文件中提取函數(shù)和變量，完成內(nèi)部PLC程序的循環(huán)運(yùn)行，并負(fù)

責(zé)硬件控制；NC運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)控程序的編譯和運(yùn)行、控制主軸等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；Python運(yùn)行系統(tǒng)整合處理所有的狀態(tài)和指令，并在Python軟件界面中顯示。

2? 輪胎模具樣件試制實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備的成形性能，進(jìn)行輪胎模具的翻胎板、花紋塊和活字塊的試制。

試制樣件的材質(zhì)均為316L不銹鋼，采用45#鋼作為基板材料，使用1 600 W的激光功率，1 000 mm/min的進(jìn)給速度和Z形正交的填充策略，以0.45～0.55mm的堆積層厚進(jìn)行增材加工。減材加工采用型腔銑、等高銑和固定軸等高速銑削，經(jīng)過(guò)掃面加工、外圍加工、花筋開(kāi)粗、花筋半精、花筋清角、花筋精加工、底面精加工等工序，依次使用直徑為12～2mm的刀具進(jìn)行銑削。

輪胎模具的翻胎板、花紋塊和活字塊的三維模型和增材減材成形件的對(duì)比圖（一半經(jīng)過(guò)增減材加工，一半僅經(jīng)過(guò)增材加工 ）如圖3所示。

對(duì)比圖3右側(cè)樣件 的僅增材后區(qū)域和增減材后區(qū)域可知：僅增材加工后，3個(gè)樣件的 形狀雖已符合模型設(shè)計(jì)，整體尺寸與設(shè)計(jì)值吻合良好，熔覆體與底板熔覆相接良好且無(wú)縫隙，熔覆體外觀的色澤一致性良好，但表面十分粗糙；經(jīng)過(guò)增減材加工后，樣件的粗糙表面變得光滑且露出金屬光澤，3個(gè)樣件的外觀色澤一致性良好，致密性高，局部表面有在允許范圍內(nèi)的砂目。經(jīng)過(guò)后續(xù)測(cè)試，砂目缺陷可通過(guò)改變?cè)霾木庸さ堵窋?shù)量以及延展范圍得到明顯改善。

分別對(duì)翻胎板、花紋塊和活字塊樣件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)及公差要求如表2所示。

由表2可知，翻胎板、花紋塊和活字塊樣件的測(cè)量尺寸和幾何誤差均符合模具零件的公差要求。

圖3（b）中，框內(nèi)花筋褶皺部分放大圖如圖4所示。

如圖4所示：花紋塊經(jīng)增材加工后，部分花筋出現(xiàn)褶皺；經(jīng)減材加工后，部分花筋存在成形質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，褶皺未被完全去除，不滿(mǎn)足零件的設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行后續(xù)修復(fù)。

利用五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備的缺陷檢測(cè)及回溯修復(fù)功能對(duì)花紋塊的褶皺缺陷進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)對(duì)比圖如圖5所示。

由圖5可以看出，修復(fù)后的花筋褶皺已消除，其表面平滑、光潔。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的五軸增減材復(fù)合制造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了增減材復(fù)合制造和修復(fù)再制造功能，可以快速成形精度高的復(fù)雜零件。利用該設(shè)備對(duì)輪胎模具進(jìn)行試制，得到了表面成形質(zhì)量好、尺寸符合公差要求的零件。 且在加工過(guò)程中，只需一次定位裝夾就可以完成零件成形，減少了工作量，節(jié)省加工時(shí)間，避免了重定位誤差，提高了成形質(zhì)量。該設(shè)備對(duì)提升企業(yè)效益、減少生產(chǎn)成本、穩(wěn)定質(zhì)量具有積極意義；同時(shí)為不斷提升國(guó)產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床的整體制造水平提供了技術(shù)方案和經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

洪福，男，1982年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：機(jī)電工程、自動(dòng)控制、工業(yè)工程。E-mail： hongfu@greatoo.com

田印仟，男，2000年生，碩士研究生，主要研究方向：DED增減材制造。E-mail： 202221002490@mail.scut.edu.cn

衛(wèi)洋，男，1998年生，博士研究生，主要研究方向：增減材復(fù)合制造。E-mail：202121002679@mail.scut.edu.cn

楊永強(qiáng)，男，1961年生，博士，教授，主要研究方向：金屬3D打印與醫(yī)學(xué)應(yīng)用、激光增材制造及加工技術(shù)、現(xiàn)代焊接技術(shù)。E-mail：meyqyang@scut.edu.cn

王孟，男，1995年生，博士研究生，主要研究方向：激光增材制造模擬。E-mail： wwmhrlt@163.com

周恒，男，1991年生，博士研究生，主要研究方向：多能量場(chǎng)激光增材制造。E-mail：perry_hengzhou@163.com

邰志恒，男，1991年生，博士研究生，主要研究方向：定向能量沉積。E-mail：tzhzzu@163.com

林劍彬，男，1979年生，大專(zhuān)，主要研究方向：造型設(shè)計(jì)、數(shù)控加工及編程、3D打印加工。E-mail： linjianbin@greatoo.com

吳博，男，1982年生，大專(zhuān)，中級(jí)工程師，主要研究方向：模具造型設(shè)計(jì)、數(shù)控加工及編程、數(shù)控軟件二次開(kāi)發(fā)、機(jī)床后處理開(kāi)發(fā)、3D打印加工。E-mail： wubo@greatoo.com

陳澤斌，男，1984年生，碩士，助理工程師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)。E-mail： chenzebin@greatoo.com

王迪，男，1986年生，博士，教授，主要研究方向：金屬3D打印裝備開(kāi)發(fā)、三維異質(zhì)材料增材制造、增減材復(fù)合制造、增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用。E-mail： mewdlaser@scut.edu.cn