增減材復合機床開發及應用研究項目

北京機電院機床有限公司 彭 偉

北京機電院機床有限公司 王寶和

北京機電院機床有限公司 邵 璟

隨著科技突飛猛進的發展，國內外工業自動化迅速發展，增材制造的制造方式正逐漸從概念走進工業實踐，其廣泛的應用令人對它未來的市場空間產生無限聯想，甚至被譽為是引領第三次工業革命的新興技術。發達國家紛紛將增材制造、增減材復合制造作為未來產業發展新的增長點加以培育，制定了發展增材制造、增減材復合制造的國家戰略和具體推動措施，力爭搶占未來科技和產業制高點。

我國于20世紀90年代初開始推進增材制造技術研究。增材制造技術逐漸成熟，應用領域不斷拓展，展現出新興技術的巨大潛力。增材制造產業發展已經上升到國家戰略層面，科技部2013 年公布的《國家高技術研究發展計劃》，以及國家科技支撐計劃《制造領域2014 年度備選項目征集指南》，首次將增材制造產業納入其中。

為加快推進增減材復合制造產業的布局，搶占增減材復合制造制高點，北京機電院機床有限公司充分利用境內外資源的優勢，率先研制出XKR40-Hybrid增減材復合機床。該樣機開發，實現了國內機床行業增減材復合機床零的突破。增減材復合機床外觀圖如圖1所示。

圖1 XKR40-Hybrid增減材復合機床外觀圖

一、增材技術發展現狀

目前，增材制造已經融入航空、醫療、汽車、電子等各個工業領域的生產周期中，國內增材制造產業雖然發展迅猛，但是增材制造技術在關鍵部件、工藝、耗材、控制系統等方面還沒有完全成熟，尚未形成陣營。

隨著增材制造技術的發展、成熟，未來增材制造必定會成為裝備制造業一項重要的技術，并隨著技術的不斷進步，效率不斷提升、成本不斷下降，其在零件制造領域的占比將不斷上升，成為零件制造的重要方式，特別是在產品研發階段成為重要的、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比，如表1：

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

表1 增材制造技術對比表

二、增材技術發展趨勢

由于目前金屬增材制造在效率、成本還不具備優勢，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際需求，所以現有的減材制造（金屬切削）在短時間內不能被取代，二者存在著互補關系，所以增減材復合機床是未來一段時期內較為可行的、最接近實用的形式。可以判斷，在未來相當長的時間內，增減材復合制造在金屬零件加工領域會結合增、減材制造各自的優點，成為主力制造方式。

從目前增材制造技術的發展水平分析，金屬增材制造是相對發展較晚的應用，由于金屬零件的要求相對高，零件的性能要求較為全面，所以金屬增材制造的研究，全球范圍內都處在研究的初期。京城機電的傳統優勢在于金屬產品的制造，選擇金屬增材制造，可以結合自身的優勢，結合北京的科研資源優勢，可能會有所突破，并占領先機。

三、增減材復合機床的技術原理和技術路線

（1）技術原理

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生產全密度金屬部件的AM工藝。 WLAM系統通常由激光器，自動送絲系統，CNC平臺組成。

如圖2所示，激光器在基礎材料上產生熔池，金屬絲被供給到其中并熔化，從而與襯底形成熔融結合。 通過移動激光加工頭和送絲機或移動基板，在凝固過程中形成焊道。焊接工具和基板的相對運動可以通過使用CNC平臺進行。根據工藝過程可知，性能控制相對較容易達到實用的方式，對制造環境的要求較低。項目的主要技術難點在于增材制造的形控與性控，解決方案是一方面企業的先期研究成果，另一方面在今后的工藝研究中不斷完善工藝參數和增材CAM軟件、檢測反饋補償技術。

圖2 激光線材曾材原理

（2）技術路線

增材部分設計獨立的單元，承擔增材制造，包括線材給料、激光熔融。將其進給運動結合到傳統的五軸金切機床中，需要五軸機床的原因是為了容易形成空間的、復雜的形面，降低增材制造本身工藝的難度；減材部分由傳統的五軸機床承擔，形成增材與減材制造的復合，實現增減材復合制造，并可根據零件形狀與性能特點，實現增減材制造的交替進行。

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，通過適當調整線材的直徑，改變增材制造的效率，缺點是增加形控的難度，用增材CAM和過程檢測來彌補，最終的形狀誤差由減材制造解決。

增減材的環境要求：激光熔融方式對于環境的要求低，可以降低機床制造的難度，從而降低設備成本。

四、XKR40-Hybrid增減材復合機床

1．XKR40五軸聯動機床結構

XKR40五軸聯動機床基本配置為X、Y、Z三個直線坐標和A、C兩個回轉坐標。機床的A、C兩個回轉坐標設置在前部的雙擺角數控轉臺之中。安裝加工零件的圓周工作臺，直徑φ400mm。工件運動系統包括A軸和C軸。A軸擺角 +10°/-110°。C軸驅動為力矩電機直接驅動方式，可360°旋轉。A、C軸均安裝高精度角度編碼器閉環控制。

機床的刀具運動系統XY軸運動部件安裝在機床基座的后上部。Y軸運動的橫滑枕通過高精度的直線滾動導軌安裝在機床的后上部。Y軸運動采用同步雙驅動方案。X軸運動的縱向滑板通過高精度的直線滾動導軌安裝在橫滑枕的前部。Z向運動的主軸箱通過高精度的直線滾動導軌安裝在縱向滑板前部。三個直線軸均采用高精度滾珠絲杠驅動，安裝高精度光柵尺閉環控制，保證高的運動精度。為保證高速加工性能，機床的運動部件盡量進行高強度、高剛性、輕質量的設計原則。機床三維簡圖如圖3所示。

圖3 XKR40五軸聯動機床三維結構圖

2.XKR40-Hybrid增減材復合機床

增減材復合機床XKR40-Hybrid是在機電院機床公司成熟的XKR40五軸加工中心機床上增加增材制造單元，實現集增材和減材于一體的復合機床。增減材復合機床的切削主軸和激光增材制造單元可實現三軸直線移動，工件裝卡在搖籃轉臺上可實現兩個回轉運動。應用五軸切削加工技術和激光層積技術、CAM技術、測量技術，增減材復合機床可完成不同行業具有復雜空間曲面形狀零件（如葉盤、葉輪、葉片、模具、傳動部件等）的增減材加工和修復，亦可實現由多種材料構成的零件的制造。相比較于其他增材方式和機床，XKR40 Hybrid增減材復合機床能在一次裝夾下完成復雜零件的增材及減材加工，達到更高的精度和效率，同時，由于采用了自動送絲和激光層積技術，在材料的可獲得性、材料成本、材料均勻性、生產效率、工藝穩定性等方面都體現了令人心動的優勢。XKR40-Hybrid增減材復合機床安裝圖如圖4所示，XKR40-Hybrid增減材復合機床激光熔附圖如圖5所示。

圖4 XKR40-Hybrid增減材復合機床安裝圖

圖5 XKR40-Hybrid增減材復合機床激光熔覆圖

3．增減材復合機床工藝應用介紹

（1）增材過程中的電子束示意圖

圖6 增減材復合機床電子束示意圖

（2）自動送絲系統

線材式激光焊接技術通常采用手動方式送料，這就和操作人員的技術有很大關系；將這種技術集成到數控機床平臺能提高生產過程中的穩定性、重復性和生產效率。帶外部送絲機構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，因此對送絲系統提出了特殊的要求。 現代送絲機可以非常準確的控制。這一級別的控制不僅可以實現高重復定位精度的送絲，還可以使送絲脈沖與其他工藝參數完全同步。送絲速度與其他參數的同步效果如圖7所示。

圖7 送絲速度與其他參數的同步效果

（3）航發葉片的修復

航空發動機葉片是一種生命周期短，維護成本高的部件。 由于運行中的溫度和壓力高，以及許多外部的沖擊，葉片可能會有各種缺陷，如侵蝕、變形、磨損、裂紋和沖擊凹陷。 葉片的缺陷會降低航空發動機的效率，甚至會影響飛機的飛行安全。 更換一個新的葉片是昂貴的，而修復損壞的葉片更經濟。 目前葉片修復主要依靠人工操作，故修復生產率低，修復質量高度依賴于操作人員的技能。 隨著基于CAD / CAM的AMT技術的發展，葉片的自動修復技術在飛機維修檢修中得到了廣泛的應用，葉片的修復原理圖如圖8所示，葉片的修復案例如圖9所示。

圖9 葉片的修復

五、增減材復合機床的市場需求

增減材復合制造技術是全新設計理念和生產制造方式，屬于高端技術，對傳統裝備制造業轉型升級具有顛覆性影響，能解決傳統純減材制造所不能解決的問題，并能促進企業對市場的快速反應，增長企業競爭力，縮減產品開發周期，提高企業創新能力，增加工藝選擇，提高企業制造水平，更好運用增減材復合制造+信息化手段，提高企業智能化水平。增減材復合制造技術能夠解決傳統制造業解決不了的問題，培育、發展增減材復合制造高端產業能夠讓中國傳統制造產業盡快趕超國際先進國家的裝備制造水平。

傳統的航空發動機葉輪、葉片，汽輪機葉輪、葉片等精度要求較高，產品合格率不超過10%，其中，很大一部分不合格零件就是在切削過程中發生的問題。這些只存在一點兒瑕疵的零件附加值很高，在經過XKR40-Hybrid增減材復合機床加工后，基本可以達到預定效果而成為合格的零件。可以說，XKR40-Hybrid增減材復合機床的高端技術，為航空航天、汽車、軍工等國家支柱產業領域提供了有力的制造支持，促進我國高端裝備制造業的進一步發展，在一定程度上保證了國家產業安全和國家戰略安全。

六、結語

雖然XKR40-Hybrid增減材復合機床樣機已經制造出來了，但這只是萬里長征的第一步，它仍需要根據產品的加工要求優化機械結構，優化加工工藝，集成在線控制和測量系統等工作，它仍需要根據產品的加工需求做大量的性能試驗和工藝試驗。只有這樣慢慢完善機床的性能，才能更好的服務于我國的高端裝備制造業。 □