五軸聯動與激光近凈成形的混合制造技術研究

楊 波，袁義邦,楊建明

(1.江蘇中科智能科學技術應用研究院 金屬3D打印中心，常州 213164；2.江西交通職業(yè)技術學院 機電工程學院，南昌 330013；3.常州奔拓機械有限公司，常州 213131)

引 言

激光近凈成形(laser engineered net shaping，LENS)技術是增材制造的重要組成部分，廣泛應用于表面涂層、再制造等工業(yè)領域，具有綠色制造、成型件質量高的特點。但是，這種制造技術在加工復雜零件時，需要輔助以支撐為代價，這些支撐需要通過后期處理去除，如車、銑、磨拋等，有些甚至無法去除，從而限制了零件功能的最大化[1-3]。

五軸聯動計算機數控加工(computerized numerical control，CNC)技術具有工序集中、柔性化和自動化程度高的優(yōu)點，通過3個直線運動機構及2個旋轉軸的聯合運動實現空間異形曲面高精度的加工。但是，相對于激光加工，五軸聯動數控加工技術是基于刀具進行加工的，是一種有損加工模式。對于具有封閉腔體、高深徑比微孔、超薄壁結構的零件加工，極易出現干涉、切削偏斜、甚至無法加工的現象[4-7]。

增減材混合制造技術不僅具有增材制造成形速度快、材料利用率高、零件集成度高的優(yōu)點，還兼具五軸聯動減材加工高精度、高自由度的優(yōu)點,有效避免了由于單一加工模式導致的支撐難去除、加工易干涉的問題，是復雜金屬構件整體成形的重要手段之一[8-9]。相對于傳統(tǒng)加工模式，通過增減材混合制造技術還可有效降低材料的損耗，尤其是對于鈦基合金、鎳基合金等貴金屬而言。

目前，對于激光增減材混合制造技術的研究，尚處于研發(fā)階段，未有大規(guī)模工程化應用的案例。國外如Fraunhofer Institute、Lasertechnik、美國密蘇里科技大學、印度理工學院等科研機構，以及Hybrid Manufacturing、Mazak等行業(yè)巨頭爭相進行增減材混合制造工藝及設備的研發(fā)[10-15]。國內GUO等人[15]基于不同的能量輸入形式，從設備、工藝等方面對增減材混合制造的國內外現狀作了匯總。但是，以上這些研究對增減材混合制造的構建過程、實現方式等未作進一步的闡述[10-17]。本文中基于混合制造的技術理念，從設備的集成、后處理的開發(fā)、應用拓展著手，具體論述了增減材混合制造的加工過程和技術優(yōu)勢。

1 設備改造

1.1 基礎裝置簡介

實驗中在三軸數控加工中心上集成旋轉工作臺，在結構上形成“3+2”雙工作臺回轉型五軸聯動數控加工中心，如圖1a所示。在三軸數控加工中心z軸伺服系統(tǒng)上集成激光近凈成形裝置，在功能上實現零件的增材制造，如圖1b所示。

Fig.1 Basic set-up

1.2 基于UG軟件的后處理系統(tǒng)

在數控編程中，將CAM軟件生成的刀位軌跡計算過程稱為前置處理，前置處理以工件坐標系為基準，不考慮具體機床的空間結構、類型以及數控系統(tǒng)，前置處理生成的刀位數據文件不能直接被機床使用。后處理就是根據具體機床控制指令格式、運動結構及其運動空間的范圍等，將前置處理生成的刀位數據文件轉換成適合于機床各軸的運動數據，后處理流程如圖2所示。

實驗設備選用HNC-818B五軸數控系統(tǒng)，由于其是“3+2” 雙工作臺回轉型結構，市面上無成熟的后處理，亟需開發(fā)一款適用于該設備的五軸聯動后處理系統(tǒng)。基于UG CAM軟件的后處理構造器來構造“3+2” 雙工作臺回轉型后處理系統(tǒng)，經過反復實驗論證：HNC-818B五軸數控系統(tǒng)與fanuc_6M后處理系統(tǒng)兼容性最好。因此，以fanuc_6M后處理系統(tǒng)為基礎，開發(fā)適用于本實驗設備類型的后處理。

1.3 后處理驗證實驗

通過UG CAM的后處理構造器構建基于“3+2”雙工作臺回轉型五軸聯動數控加工設備后處理，部分定義、修改的代碼如表1所示。

Table 1 Post-process code description

后處理驗證實驗以某型號獎杯和葉片為加工案例，通過UG CAD軟件構建3維模型，UG CAM編排加工工序，“3+2”雙工作臺回轉型后處理導出程序進行加工，驗證該后處理的功能性和適用性。獎杯模型、加工成型件如圖3所示，部分CAM仿真加工軌跡如圖4所示，加工工序如表2所示。表中，D是直徑，R是半徑。

Fig.3 Trophy model and physical sample

Fig.4 Simulation processing track of the trophy

Table 2 Procedure of trophy processing

葉片模型、加工成型件如圖5所示，加工工序如表3所示，部分CAM仿真加工軌跡如圖6所示。

通過FARO激光掃描儀對加工的葉片進行掃描，對比原始3維模型的數據，尺寸誤差如圖7所示。誤差原因初步的分析結果是：未對加工刀位數據進行補償處理。

Fig.5 Blade model and physical sample

Table 3 Blade processing process

Fig.6 Simulation processing track of blade

Fig.7 Dimensional error graph

1.4 混合制造裝置集成

由1.3節(jié)可知，該“3+2”雙工作臺回轉型五軸聯動數控加工設備后處理導出程序只能進行減材加工，無法實現增材制造的功能。因此，還需在后處理器中定義增材制造代碼，部分代碼如表4所示。

Table 4 Laser additive manufacturing code description

基于表4的代碼功能，通過UG CAD設計某型號機匣3維模型，如圖8a所示。目前，該型號機匣通過3種方式成型：(1)鑄模成型，機匣整體結構為薄壁件，在熔鑄過程中因溶液流動慢、熱應力分布不均勻的問題易造成縮孔、微裂紋等缺陷，影響產品的力學性能和表面質量；(2)通過五軸聯動銑削加工，在加工過程中易出現零件變形、加工干涉的現象，由于是減材加工，成品質量只占毛坯料質量小于10%，造成材料的極大浪費；(3)通過單一的增材制造模式進行加工，其成型件不可避免的需要輔助以支撐，這些支撐需要通過磨拋、銑削等方式去除，造成加工周期的延長和對零件表面的二次破壞[18-20]。

Fig.8 Schematic diagram of receiver part model and ring track

通過五軸聯動與激光近凈成形的增減材混合制造技術加工該型號機匣，能很好地解決以上3種成型模式中的問題?；谠鰷p材混合制造的加工理念，分析該型號機匣結構可知：圓環(huán)與基材結合面是曲面結構，因此，圓環(huán)的增減材制造是實現機匣混合制造的最關鍵工藝，如圖8b所示。

機匣部分增減材混合制造加工工藝參數如表5、表6所示。其中，圓環(huán)在增材制造過程中，初期與基材結合面用800W功率，待增材層厚至4mm～5mm后，改換600W功率。

Table 5 Additive paraments of hybrid manufacture

Table 6 Additive paraments of hybrid manufacture

Fig.9 Receiver processed by hybrid manufacture

由添加增材制造代碼的“3+2”雙工作臺型五軸聯動后處理導出加工程序，進行機匣的增減材混合制造，以驗證該后處理系統(tǒng)的功能性和適用性，如圖9所示。其中，圓環(huán)混合制造工序為：(1)基于激光近凈成形技術，增材制造與基材接合面的圓環(huán)，如圖9a所示；(2)基于五軸聯動數控加工技術，減材制造與基材接合面的圓環(huán)，如圖9b所示；(3)基于激光近凈成形技術，增材制造圓環(huán)至指定高度，如圖9c所示；(4)基于五軸聯動數控加工技術，減材制造圓環(huán)至指定高度；(5)重復工序(1)～工序(4),陣列增材、減材加工圓環(huán)，如圖9d所示。

通過加工效果可知，該增減材混合制造后處理在功能上是可行的。

2 混合制造應用

2.1 實現少支撐3-D打印零件

葉輪是渦輪機、汽輪機等裝置的關鍵零件，廣泛應用于航天航空、船舶機械、石油化工等領域。以閉式葉輪加工為例，其整體的空間結構較復雜，葉片扭曲較大，由于上、下蓋板的存在，內流道和葉片的粗、精加工一直是制造領域的難點，如圖10所示。

Fig.10 Closed impeller

目前，閉式葉輪主要有2種加工方式：(1)鑄造與傳統(tǒng)機加結合。該方法是目前主流的閉式葉輪制造方法，首先通過鑄模制造出整體葉輪，然后通過數控車、銑加工提高葉輪外表面精度。該制造模式易在鑄造過程中出現較多的缺陷，如氣孔、砂眼、微裂紋等，導致成品率低下，而且由于葉輪上、下蓋板的干涉，無法對蓋板間的葉片內流道進行銑削和拋磨，導致內流道表面粗糙，進一步導致葉輪工作效率和使用壽命低下；(2)激光增材制造。該方法通過選擇性激光熔融(selective laser melting,SLM)3-D打印設備導入閉式葉輪3維模型和點位數據，逐層疊加實現零件的增材制造，優(yōu)勢是零件能一次打印成型，缺點是支撐過多且無法規(guī)避(如圖11所示,其中黃色部分為支撐)，后期去支撐工作量較大，耗時且影響內流道表面精度[21]。

通過實驗的增減材混合制造設備開發(fā)適用于閉式葉輪加工的新工藝，能很好地解決單一加工模式下易干涉、支撐多的問題。具體工藝流程如下：(1)通過激光近凈成型技術在基板上增材制造出軸類、底座等基礎件；(2)通過五聯動數控加工技術精加工軸類、底座等基礎件以提高其表面精度，如圖12a所示;(3)通過旋轉軸和直線軸的聯合運動，實時改變基礎件的運動位置和角度，使待增材制造的部分如葉片、蓋板等，能盡可能的少支撐、無支撐；或者待增材制造的部分，3-D打印的支撐便于后期清除，如圖12b所示，紅色部分為支撐；(4)通過旋轉軸和直線軸的聯合運動，實時改變加工區(qū)域的位置和角度，分段式地增、減材加工葉輪中的葉片、上下蓋板等，如圖12c所示，直至完整的閉式葉輪成型。

Fig.11 Additive manufacturing closed impeller by SLM

Fig.12 Closed impeller processing flow

通過激光近凈成形技術和五聯動數控加工技術的轉換應用，既可有效減少支撐面，提高葉輪制造的效率和精度，亦可在葉輪內流道表面熔覆上功能涂層，實現葉輪的整體壽命和最大功能性。

2.2 基于視覺掃描的零件修復

激光近凈成形技術可實現對零件表面的涂層修復，延長零件的服役壽命，提高功能零件的力學性能。但是其加工對象以軸類件為主，涂層后需要通過車銑、磨削等機加工方式提高其表面精度，無法實現具有復雜形面結構的零件修復?；诖耍瑢?-D視覺掃描系統(tǒng)與增減材混合制造技術結合，其加工流程如圖13所示。

以葉片修復為例，修復過程如圖14所示。首先，通過3-D掃描裝置對待修復零件的缺損部位進行掃描，提取點云數據；其次，通過相應軟件對缺損部位進行建模、切片、軌跡優(yōu)化；然后，進行激光近凈成形增材制造；最后，通過五軸數控加工技術進行銑削減材加工實現修復區(qū)域的高精度。

Fig.13 Scanning, modeling, repairing, etc. flowchart

Fig.14 Blade additive-subtractive material repairing process

3 結 論

(1)“3+2”型五軸聯動數控機床從設備類型上不屬于真正意義上的五軸聯動數控機床，它是在傳統(tǒng)三軸數控加工設備上集成旋轉軸，在功能上實現對零件的五軸聯動加工。對于該類型五軸數控機床，市面上無成熟的后處理系統(tǒng)，實驗中對于“3+2”型五軸聯動數控機床后處理的研究，有一定的借鑒性和通用性。

(2)實驗中以“3+2”型五軸聯動數控加工中心為基礎裝置，在z軸伺服機構上集成激光近凈成形增材制造裝置，在后處理器中定義激光增材制造代碼，實現零件的增減材混合制造。相對于單一模式的減材、增材加工，通過實際的加工案例和應用拓展，論述了增減材混合制造的技術優(yōu)勢。

(3)本文中對于增減材混合制造的研究，尚有許多需要補充和論證之處未能及時開展。如實際加工零件尺寸與原始數據尺寸的誤差補償措施，未能進一步進行實驗論證；實驗裝置是在五軸聯動數控加工中心上集成激光近凈成形裝置實現增減材混合制造，對于加工過程中的粉末處理(易滲入伺服電機中，造成伺服定位精度不準、漏電等)、冷卻循環(huán)模式、設備因限位導致的欠切/過切現象等，亦未采取有效措施進行補救。以上這些都是下一步要實現零件增減材精密制造、安全制造、穩(wěn)定制造的必要措施，也是增減材混合制造技術從實驗驗證走向工程化生產的重要舉措。