0 前言

20世紀80年代，全球制造業技術發展突飛猛進，催生出了以“3D打印”技術為代表的增材制造技術，從美國科學家Charles Hull博士開發出第一臺3D打印至今已過去了近40年，增材制造技術作為區別于傳統減材加工技術的新技術，已在工業發達國家實現了產業化，尤其是金屬材料增材制造技術，因其快速成型、分層制造、節約原料等優點，被廣泛應用于航空航天、醫療服務、模型制造等需快速原型制造的領域，但因金屬增材制造的產品通常是通過激光熔融燒結而成，表面精度往往達不到設計要求，無法直接使用，還需進一步減材加工實現零件表面精度的提升。基于以上問題，國內外學者展開了進一步研究，提出了增材制造+減材制造(數控多軸加工)的一體化應用解決方案，在復雜零部件加工中，融合增、減材制造兩者優勢，克服工藝缺點，為拓寬高精度復雜零部件制造工藝提供了新思路

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1 金屬增材制造工藝

增材制造技術又稱為3D打印技術，其原理是使用三維造型軟件進行計算機建模，對模型進行切片后，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等工業巨頭已經將該技術推向了產業化，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(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，采用激光熔融燒結的方法，逐層累積成型零件的工藝方法，相較于傳統加工方法，突破了刀具材料、夾具設計和零件復雜程度的限制，主要具有以下優點

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對長沙市內5座垃圾填埋場分別進行適宜性評價，根據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果見表6。

(1)能夠制造外形復雜，對于內有封閉空腔或孔洞的復雜零件可進行結構優化，一次成型，避免了傳統加工多次裝夾的重復定位誤差；

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

葉輪增材制造采用甘肅機電職業技術學院現有的EOS M 290工業級3D打印機，該機型采用SLS(選擇性激光燒結)技術，最大行程為250x 250x 325mm，打印材料為316L不銹鋼材料，增材制造參數設置如表1所示。葉輪三維模型如圖2所示。

(4)打印件的綜合力學性能優異，具有高質量、高強度、高精度、超長壽命。

2 多軸數控加工工藝

多軸聯動數控機床是解決葉輪、葉片、船用螺旋槳、重型發電機轉子、汽輪機轉子、大型柴油機曲軸等加工的重要手段，所以每當人們在設計、研制復雜曲面遇到無法解決的難題時，往往轉向于求助多軸數控系統

。五軸聯動加工能協調3個直線軸和2個旋轉軸，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量。五軸聯動數控加工具有以下優點：

2004-2007年規劃，中西部23個省份新建、改擴建徐誒下7727所，在全國覆蓋了953個縣，其中西部地區404個縣。農村義務教育經費保障機制改革涉及廣泛，政策強而有力，任務十分艱巨而緊迫。各地區，各有關部門要從政治高度和全局深入對農村義務教育經費保障機制進行深化改革，認真部署和協調安排，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，還需進一步減材加工，以達到零件設計要求的精度。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：確定數控加工設備、安裝毛坯、半精加工、精加工。葉輪外形復雜，加工精度要求高，減材制造設備選用DMG 50數控五軸加工中心，該設備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，技術參數完全滿足葉輪加工需求。葉輪數控多軸加工采用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，可以極大簡化復雜的編程過程，按照給定步驟進行操作，系統會自動生成數控五軸加工程序。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，避免了刀具(刀位點)零線速度加工帶來的切削效率極低、加工表面質量嚴重惡化等情況的出現。

(4)對于直紋面類零件，可采用側銑方式一刀成形。

(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、側面等大平面加工時，通常采用較大直徑的面銑刀進行加工，加工效率較高。

上世紀90年代，歐美制造業發達國家的研究人員就提出了增減材復合加工的理念，美國、德國、奧地利、瑞士等制造業發達國家首先開始了相關技術的研究與應用。我國高校和企業也進行了增減材復合加工工藝、裝備和應用的探索，但相對于國外發達國家尚處于起步階段，存在較大進步空間。綜合現有對增減材一體化應用的研究，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雜零件，材料利用率低。融合兩方面的優點：一是增材制造復雜零件，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。增減材一體化應用加工工藝過程如圖1所示

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(7)多軸聯動機床可實現一次裝夾、多面加工，避免了重復定位誤差，提高了加工精度、質量和效率。

(1)因其多軸聯動特性，可加工三軸聯動數控銑床無法加工的復雜外形零件，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，避免發生加工干涉。

4 復雜零件增減材加工應用實例

我國的航天航空業經過幾代科學家的不懈奮斗，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，到C919、Arj21等民航客機及體系完整的“東風”系列火箭，如雨后春筍般研發成功，我國成為世界上極少數幾個具有自主研發航空航天器的國家之一，但我國航空業長期面臨缺乏航空發動機的現狀，多款航空發動機依賴進口。航空發動機制造涉及學科多、工藝復雜，被譽為“工業皇冠上的明珠”，葉輪作為小型渦輪發動機的核心零件，研究其制造過程，應用新技術、新工藝提高其制造精度和質量具有重要意義。本文前述中提出，增減材制造一體化技術適合于加工外形復雜，傳統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，加工容易產生變形，因本研究增減材加工設備是分開的，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、選擇增材設備、確定增材順序、制訂增材加工參數、進行增材加工。

(3)產品試制周期短，能夠實現快速成型，節省大量的產品設計和改型時間。

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、平滑的自由曲面。

“互聯網+”背景下科技型小微企業創業行為關鍵影響因素研究 ……… 張 楠，斯 姣，張旭軍，曹 潔（59）

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

本研究在分區時以城市為單位，根據2002年行政區域的劃分，流域一共包括39個地級市，為增加分區的準確性，只選取了全部或超過一半面積在流域內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的區域。

選取2016年8月～2018年8月在我院進行尿常規檢驗的患者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設置。根據精加工要求，設置相關參數。

(4)Vericut仿真加工。設置工作目錄，新建一毫米制文件；根據DMG 50數控五軸加工中心參數添加機床；根據機床數控系統，選hei530.ctl控制系統；將葉輪三維模型導入，添加工裝；設置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，也是北京輕工業學院的教學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，他的合成結果看來也接近真實。

(5)零件加工。安裝刀具和零件：選擇機床型號，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，并使用百分表校準并固定，將毛坯夾緊。對刀：零件加工原點設置毛坯上端面中心，使用機械尋邊器，找正毛坯中心，并設置G54參數，使用Z向對刀儀，分別找正每把刀的Z向補償值，并設置刀具補償參數，精加工刀具路徑如圖4所示。程序傳輸并加工：將數控加工程序導入DMG 50數控系統，將機床設置為“自動加工”模式，啟動后進行葉輪試切，觀察無誤后，完成零件加工，零件成品如圖5所示。

用三坐標測量儀對葉輪成品進行測量，其關鍵尺寸、形位精度均達到設計要求，表面精度滿足設計要求。

北京探礦工程研究所研發了一套應用于土壤取樣的TGQ-30C淺層輕便取樣鉆機(圖1)。TGQ-30C土壤取樣鉆機模塊化設計，拆裝方便、操作簡單，可滿足30 m以內的土壤取樣要求。然而在施工過程中發現，在一些縮孔嚴重，深度超過10 m，大口徑的孔中需要非常大的起拔力才能夠將鉆具提出。如果使用絞車起拔，拉力10 kN的液壓絞車質量達到50 kg左右，拉力30 kN以上的液壓絞車質量超過120 kg，并且使用拉力大的絞車會使得支撐結構復雜，鉆機本身的重量也會加大，這會極大地影響鉆機的輕便性，移動過程中增加操作者的勞動強度。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 結語

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

[1]增減材復合制造技術研究現狀與發展[J].高孟秋等.真空.2019年11月.

[2]增減材混合制造的研究進展[J].國春煥，王澤昌等.工程科學學報.2020年5月，第42卷，第5期.

[3]數控機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]航空發動機葉片再制造技術的應用及其發展趨勢[J].李文輝等.金剛石與磨料磨具工程.2021年8月第4期.