增材制造與數控銑削混合加工技術應用研究

陳燕軍， 楊俊丹

(1．江西現代職業技術學院，江西 南昌 330000； 2. 江西科技師范大學， 江西 南昌 330000)

0 引言

隨著機械設計和制造技術的發展，機械結構件的形狀越來越復雜、難加工的材料應用越來越廣泛，傳統的機械加工和增材制造工藝方法都面臨著極大的挑戰，單純應用一種加工方法不能很好地解決問題,因此，混合加工解決方案應運而生?；旌霞庸な侵咐貌煌募庸C理來完成零件的加工過程，如增材制造與切削加工混合、電加工和超聲加工混合等?；旌霞庸み^程通過不同加工方法的優勢互補來顯著改善難加工材料(如鈦合金)的可加工性，減少刀具磨損，對加工復雜結構件起到了積極作用，為新產品研發開辟了新思路，極大地促進了設計創新和工藝創新。本文將闡述增材制造與數控銑削混合加工的具體工藝流程，并以國產大飛機C919零件后上導向輪槽為例進行混合加工。

1 增材制造基本原理及優勢

1.1 增材制造基本原理

增材制造技術能夠制造出傳統工藝無法加工或難以加工的幾乎任意復雜結構的功能零件，可以有效地節省材料、減少加工工序和制造時間。在新產品的研制、生產和使用維護方面具有巨大的實用價值和廣闊的應用前景。增材制造技術的基本原理是基于離散/堆積制造思想的成型技術。首先在計算機中生成零件的三維CAD數字模型，然后將模型按一定的厚度進行切片分層，即將零件的三維形狀信息轉換成一系列二維輪廓信息，隨后在數控系統的控制下，用同步送粉(或送絲)激光(或電子束等熱源)熔覆的方法，或者利用粉末床鋪粉將金屬粉末材料按照一定的填充路徑在一定的基材上逐點填滿給定的二維形狀，重復這一過程逐層堆積形成三維零件實體[1]。

1.2 增材制造的優勢

增材制造的理念區別于傳統的“去除型”制造，與傳統材料去除——切削加工技術相比，是一種“自下而上、分層制造、逐層疊加”的加工制造，俗稱“3D打印技術”[2]。與傳統制造相比，3D打印技術具有如下優勢[3]：

(1) 3D打印技術可以制造傳統加工方法難以加工的復雜零件，并且零件越復雜，3D打印技術的優勢越明顯。

(2) 3D打印可以制造難加工材料零件，特別是對于目前常用的不銹鋼、鈦合金等材料的加工更具優勢。

(3) 3D打印特別適合應用于新產品的研制階段，可以極大地縮短產品的工藝準備周期及制造流轉時間，使得單件試制、小批量生產的周期和成本極大地降低。

(4) 可以實現首件凈成型，即“所見即所得”的加工，減少了后續輔助加工量，避免了委外加工的數據泄密和時間跨度，更有利于產品的保密要求。

(5) 3D打印可以提高自動化水平，減少勞動力以及人為干預的影響，并且可以實現視頻實時監控。

2 增材制造與數控銑削混合加工工藝流程

增材制造的優勢在于節約材料、可以加工結構和形狀極其復雜的零件，而數控銑削加工卻具有高效率、高精度和高表面質量等優點，兩者混合集成加工將開創智能制造的一個全新應用領域[4]。

圖1為增材制造與數控銑削混合加工的具體工藝流程[5]。

(1) 零件設計：根據產品需要利用三維CAD軟件進行三維數模設計。

(2) 工藝設計：三維數模設計完成后，將三維數模導入Magics軟件中進行工藝設計，即將三維數模分層切片并生成STL文件，并確定每層的厚度、成型方向、激光功率、燒結速度等工藝參數，如圖2所示。

(3) 加工準備：在零件進行加工之前需要進行機床清理、校正刮刀水平度、充入保護氣體、裝入金屬粉末、手工初步鋪平粉末、自動鋪平粉末、校驗鋪粉水平度等一系列操作。

(4) 零件打?。涸诩庸蕚渚途w之后即可進行零件打印成型。首先通過鋪粉裝置將粉末均勻地鋪撒在工作臺臺面上面，并控制鋪粉厚度等于工藝設計層厚;鋪粉完成后工作臺下降一定高度避讓刮刀退回，刮刀退回后工作臺上升至鋪粉高度在控制激光選區燒結，這樣便完成了一層的成型。循環鋪粉—退刀—燒結—鋪粉步驟直至最后一層即可完成整個零件的打印。零件打印完成之后需要回收多余的粉末，并將其過濾以便重復利用。零件的3D打印過程如圖3所示。

圖1 增材制造與數控銑削混合加工工藝流程

(5) 零件取出：在打開機床門之前需要注意穿好防護服、戴好口罩，打開機床門取出基板后還需要用吸塵器吸出殘余的金屬粉末，以便防止金屬粉末進入空氣中污染環境。3D打印完成取出零件之前如圖4所示。

圖2 混合加工工藝設計 圖3 零件的3D打印過程

(6) 熱處理：3D打印零件其本質上是若干個小熔池焊接堆積過程，在成型的過程中存在熱應力集中，所以需要對其進行去應力退火。

(7) 數控銑削加工：根據設計要求，對配合面進行數控編程加工，以滿足設計要求的尺寸精度及表面粗糙度。

(8) 零件后處理：首先，利用鉗子或者通過線切割的方式將零件從基體上分離，然后需要對其進行打磨、吹沙等一系列操作。

(9) 成品檢驗：對熱處理之后的零件進行必要的相關檢驗及特種檢驗。

3 增材制造與數控銑削混合加工實例

圖5為國產大飛機C919零件后上導向輪槽、基板、

成型板、Φ16H8定位銷、螺栓安裝圖。后上導向輪槽材料為Ti-6Al-4V, 要求機械加工表面粗糙度為Ra1.6,其余表面粗糙度為精鑄件粗糙度，即為3D打印成型粗糙度。工裝上零件擺放的數量取決于零件的尺寸大小及3D打印機的打印尺寸范圍，對于小尺寸零件，可以一次性成型多個零件，零件打印完成后再對其裝配面進行數控銑削加工，以達到設計要求的尺寸精度。

在3D打印之前，首先將成型板通過2個Φ16H8定位銷與基板定位孔定位好，然后通過螺栓將成型板安裝固定在基板上，這樣成型板與基板成為了3D打印工裝平臺；成型板的上表面為3D打印成型基礎面，3D打印件在成型板成型之后，將4個沉頭螺釘拆掉，再將成型板及3D打印成型的零件放置在數控加工中心的工作平臺上，并利用成型板上的Φ16H8定位孔進行二次定位加工，定位完成之后用4個沉頭螺釘固定在數控加工中心的工作臺上進行機械加工。這樣就可以實現3D打印與數控加工相結合的混合制造，有利于發揮3D打印在數控加工中的各自優勢，進一步擴展了金屬3D打印在機械制造領域的應用[6]。

圖4 3D打印完成取出零件之前 圖5 C919后上導向輪槽、基板、成型板、Φ16H8定位銷、螺栓安裝圖

4 結論

增材制造與傳統銑削加工的結合與集成，解決了許多傳統機械零件銑削加工及3D打印增材制造的技術難題，吸取了兩種加工方法的技術優勢，克服了兩者的不足，為機械產品設計開拓了新的創新空間，將成為智能制造一個新的發展方向。