專欄 l 技術解讀-增材和切削混合加工機床

本文作者

張曙教授（同濟大學現代製造技術研究所）

隨著近年來航空航天、汽車和模具工業的技術進步，零件的結構和形狀越來越複雜，材料越來越難加工，因此傳統的金屬切削加工方法受到嚴峻的挑戰。

同濟大學現代製造技術研究所張曙教授在《增材製造和切削混合加工機床增材製造和切削混合加工機床》的文章中特別提出了混合加工的定義和類型，並對三種新一代的增材製造和切削加工混合工藝和機床：粉末床選擇性激光熔化3D列印和銑削混合加工、激光堆焊3D列印和銑削混合加工以及超聲3D列印與銑削混合加工的原理和應用案例進行了詳細的闡述。

引言

混合加工（Hybrid Machining）是在一台設備上可完成兩種不同機理的加工過程，如增材製造（3D列印）和切削加工混合，電加工和超聲波加工混合等。混合加工過程藉助不同加工方法的優勢互補，顯著改善了難加工材料（如鈦合金）的可加工性，減少了過程力和刀具/工具磨損，對加工零件的複雜表面完整性和光潔度起到積極作用，為產品設計師開闢了新思路，大大促進了高端產品的創新。

混合加工不是通常所說的複合加工。複合加工是指一台機床上集成了包括車、銑、鑽、攻絲和深鏜孔等多種工序，能夠對一個工件通過一次裝夾進行從毛坯到成品全部加工，也稱為多任務（Multi-tasking）、多功能（Multi-functional）或完整加工（Complete machining）。

混合加工可分為不同能源或工具的混合和不同過程機理的可控應用兩大類，不同能源或工具的混合又可分為輔助性過程（如車削時藉助激光軟化工件表面）以及混合性過程（如電加工和電化學加工同時進行等）。增材製造與切削加工的混合屬於不同過程機理可控應用的混合。

1 現狀與趨勢

1.1 激光加熱輔助切削

激光加熱輔助切削（Laser Assisted Machining）是將激光束聚焦在切削刃前的工件表面，在材料被切除前的短時間內將局部加熱到高溫，使材料的切削性能變得易於切削。通過對工件表面加熱，提高材料的塑性，降低切削力，減小刀具磨損，減小振動，從而達到提高加工效率、降低成本、提高表面質量的目的。對高強度材料，激光加熱改善了其可加工性，對硬脆材料可將其脆性轉化為延展性，使屈服強度降低到斷裂強度以下，避免加工中出現裂紋。

振動輔助車削（Vibration Assistance Turning）是在車刀上施加振幅很小（300nm~500nm）的超聲振動（40kHz~80kHz），使刀具和工件周期地接觸和脫離，從而改變切削過程的物理特性。由於在振動狀態下，刀具和工件的接觸時間短於相互脫離時間，所形成的切屑短小，切削力小，切削溫度低，改善了加工表面的質量。超聲振動裝置結構相對簡單，可作為刀夾部件安裝在標準精密車床上，即可對淬硬工件或難加工材料進行鏡面車削。

激光加熱和超聲振動輔助加工的案例如圖1所示。

圖1 ：激光加熱和超聲振動輔助加工

1.2 電加工和磨削的混合加工機床

德國瓦爾特（Walter）公司的Helitronic Diamond刀具磨床按2合1的設計理念，在一台機床上用旋轉電極加工PKD/CBN刀具和砂輪磨削硬質合金/高速鋼刀具。機床為龍門結構，X、Y、Z軸的移動皆採用直線電機，A、C軸由力矩電機驅動，機床兩外側可分別配置電極/砂輪和刀具工件的交換系統。機床用於加工結構對稱而形狀複雜的刀具，採用中間皮帶驅動的軸，兩端可分別安裝1~3個旋轉電極和砂輪，迴轉180°切換；採用電主軸時只能在一端安裝1~3個旋轉電極或砂輪。機床的外觀和加工實況如圖3所示。

圖2：電加工和磨削混合加工的刀具機床

1.3 新趨勢:增材製造和切削加工的混合

增材製造的原理是通過材料的不斷疊加而形成零件，包括定向粉末沉積、粉末床激光熔化、薄材疊層、液態樹脂光固化和絲材熔融等，這些是加法。切削加工是從毛坯上切除多餘的材料而形成最終零件，包括車、銑、鑽、刨、磨等，與增材製造相反，就材料而言都是減法。增材製造優勢在於節省材料、可以構建結構和形狀極其複雜的零件，而切削加工卻具有高效率、高精度和高表面質量的優點，兩者混合和集成在一台機床上就開創了令人鼓舞的應用前景。3D列印是直接數字製造，將產品CAD實體模型切成薄片，按輪廓進行加工，再一層層疊加而成，故也稱為疊層製造，是智能製造的支撐技術。

3D列印可構建任意複雜形狀的產品，最有效地發揮材料特性，為設計師打開了無限的創新空間。3D列印的產品是定製和個性化的獨一無二產品，不僅可按需製造，還可以在本企業就地製造。

應該指出，汽車、航空航天和模具的重要零件都是金屬而非塑料製成的；因此金屬3D列印零件而非原型製作處於增材製造前沿，開創了產品創新的新紀元。

2 選擇性激光熔化3D列印和銑削的混合加工

日本松井（Matsuura）公司推出的Lumex Avance-25 混合加工機床是將激光熔化3D列印與銑削加工集成，其外觀和典型加工案例如圖3所示。

圖3：Lumex Avance-25混合加工機床及其加工案例

Lumex Avance-25是在一台機床上先進行選擇性激光熔化（3D列印）加工，然後藉助高速銑削精加工整個零件或其部分表面以獲得高精度和高表面質量。其原理是每列印10層（約0.5mm~2mm）形成一金屬薄片後，用高速銑削（主軸45000r/min）對其輪廓精加工一次，再列印10層，再精銑輪廓，不斷重複，最終疊加成為高精度、結構複雜的零件，如圖4所示。

圖4：激光燒結3D列印和銑削混合加工的過程

改變激光的聚焦大小和粉末材料，可製造出不同材料密度，包括多孔結構的零件。由於一次裝夾完成工件的「增材成長」和精加工，激光熔化與銑削混合加工可達到±2.5 μm精度，整個工件的尺寸精度可達±25 μm。

激光熔化和銑削混合加工的最大優點是，無需拼裝即可製成複雜模具。傳統製造方法是，將複雜模具其分解為若干組件，製成後加以拼裝，不僅費時費事，而且不可避免存在一定誤差，降低了模具的精度。在激光燒結3D列印和銑削集成的機床上卻可將具有深溝、薄壁的複雜模具一次加工完成，完全改變了複雜模具的設計和製造過程。

其次，注射機將融化的塑料射入注塑模時，會產生高溫，導致模具冷卻時間大於注射成形的時間，冷卻管道的設計和加工往往成為注塑模優劣的關鍵。傳統注塑模採用鑽孔方法製作直通和交叉的冷卻管道，與模具表面形狀不等距，熱傳導不均勻，冷卻效果較差。採用激光熔化3D列印，可製作沿模具表面共形的3D冷卻管道，發熱表面與冷卻表面基本等距，明顯提高冷卻效果，縮短冷卻時間，明顯提高注射機的生產效率。

3 激光堆焊3D列印和銑削混合加工機床

3.1 德馬吉的LASERTEC 65 3D機床

德馬吉森精機（DMG MORI）公司推出LASERTEC 65 3D，是將激光堆焊技術與5軸銑削技術集於一體，構成獨特的混合加工機床，其外觀如圖5所示。

圖5: LASERTEC 65 3D機床的外觀

LASERTEC 65 3D混合加工機床配有2kW的激光器進行激光堆焊3D列印，同時還藉助全功能的高剛性的單體（monoBLOCK）結構的5軸聯動數控銑床進行高精度的銑削加工。「LASERTEC 65 3D的銑削加工與激光加工之間能全自動切換，它能完整加工帶底切的複雜工件，能進行修復加工和對模具及機械零件甚至醫療器械零件進行局部或全面的噴塗加工。與粉床的激光焊接方法不同，激光堆焊技術通過金屬粉末噴嘴可生產大型零件。堆焊速度可達1 kg/h，比粉床激光燒結方法製造零件的速度快10倍。它與銑削技術的結合開創了全新的應用領域。複雜的工件通過多個步驟成形，銑削與堆焊可交替進行。這樣，由於幾何形狀的限制無法用刀具加工的零件部位能在最終成形前加工，並達到最終精度要求。

混合加工機床不僅擁有數控銑床優點，如高精度和高表面質量，還有粉末堆焊技術的靈活性和堆焊速度快的優點。例如，對於整體構件，需要銑削切除的金屬比例達95%，而用增材方法僅在需要的地方堆焊。這將大幅節省貴重的工件材料和降低加工成本。

激光器以及所帶的粉末堆焊頭一起安裝在銑削主軸的HSK刀柄處。機床進行銑削加工時，它自動停靠在安全的右側位置。機床與加工過程由數控系統控制，控制系統是帶CELOS與Operate 4.5版的Siemens 840D solutionline。

顆粒大小為50μm～200μm的粉末通過激光頭中的管道輸送到工件表面，與此同時激光束將金屬粉末堆焊在基體材料（工件）的表層，並與基體材料結合在一起，中間無空洞也無裂紋，因而結合強度很高。在堆焊過程中，同時提供惰性保護氣體，避免熔覆的金屬氧化。金屬層冷卻後，即可進行機械加工。LASERTEC 65 3D激光堆焊頭的工作原理和運行實況如圖6所示。其技術關鍵是熔池的溫度測量與過程式控制制，在噴頭裡有攝像機採集熔池溫度圖像。

圖6: 激光堆焊頭的工作原理和運行實況

這個混合加工方法的突出優點之一是允許堆焊多層的不同材料。根據選用的激光器與噴嘴幾何參數，堆焊的壁厚從0.1 mm到5 mm，能生成複雜的3D輪廓和幾何形狀。由於激光堆焊和銑削加工可方便地相互切換和交替進行，使得能夠在零件堆焊成形過程中間，精銑工件在成形完後刀具無法到達的部分。典型案例是一喇叭狀渦輪增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭，需銑削外圓、平面和鑽孔，喇叭外周有12個接頭，需焊接、銑削、鑽孔等，喇叭口的大於底座的法蘭，造成法蘭上的孔難以加工。如圖7所示。按照傳統的製造觀念，這是一個工藝性極差、幾乎無法在一台設備上加工完畢的零件，但是混合加工卻創造了現代製造的奇蹟。

圖7: 渦輪增壓殼體的12道混合加工工序

一般來說，能源或航空航天工業用的數控機床都非常昂貴。因此，用同一台機床進行粗加工、堆焊和精加工將帶給客戶巨大的經濟利益。此外，能源和石油工業的零件通常需要噴塗耐蝕合金，避免磨損。堆焊技術能保護許多應用於惡劣環境中的產品，例如管接頭、法蘭和特殊結構件。

LASERTEC 65 3D機床的亮點是巧妙結合激光堆焊技術與銑削技術，實現最高的表面質量和工件精度。配粉末噴嘴的激光堆焊比粉床方式的增材製造速度快10倍，金屬粉末的利用率高達80%。可加工完整3D工件，最大直徑達500 mm，不需要任何支撐構造，甚至可形成懸垂輪廓，直接加工成品件上無法加工到的部位。

德馬吉森精機公司最近又推出Lasertec 4300 3D混合加工機床，將同樣的增材製造技術與銑削/車削集成，可加工Φ660mm和長1,500mm的工件，進一步為產品設計師開闢新的創新空間。

3.2 3D列印堆焊頭

美國混合製造技術（Hybrid Manufacturing Technologies）公司推出結構緊湊的3D列印堆焊頭，具有與銑刀錐柄相同的介面，可安裝在加工中心刀庫中，像刀具一樣進行交換。如圖8所示。

圖8: 美國混合製造技術的堆焊3D列印頭

當機械手將堆焊頭插入主軸後，連接激光光源、供粉和供氣管道的介面座隨即移至相應位置，插到堆焊頭上，接通各種供應，即可開始工作。由於這種「功能部件」的堆焊頭使用方便，頗受各國機床製造商的歡迎，例如，日本馬扎克的Integrex i400 AM 增材製造車銑加工中心就採用這種堆焊頭，其外觀如圖9所示。

4 Fabrisonic的超聲增材製造

美國Fabrisonic公司是一家與眾不同的工業級三維印表機生產商。該公司使用愛迪生焊接研究所的專利開發了一種將超聲波焊接與數控加工結合起來的技術，稱為超聲增材製造（Ultrasonic Additive Manufacturing--UAM）。超聲增材製造與LSA、FDM、SLS等增材製造（3D列印）工藝不同，不是採用液態樹脂固化、絲材熔融塗覆或激光粉末燒結，而是用超聲波去熔融帶狀金屬薄片，一層層疊加起來，從而實現基於疊層製造（Layer Manufacturing）原理的三維列印。超聲增材製造與分層實體的薄材選擇性切割（LOM）有些類似，不過不是將紙用激光輪廓切割後一層層粘接成零件，而是使用頻率高達20,000Hz的超聲波施加在金屬片上，藉助超聲波的振蕩能量使兩個需焊接的表面摩擦，構成分子層間的熔合，然後以同樣的原理逐層連續地焊接金屬片，並同時通過機械加工來實現精細的三維形狀，從而形成堅實的金屬物體。藉助Fabrisonic的方法可以同時「列印」多種金屬材料，如鋁、銅、不鏽鋼和鈦合金。由於超聲焊接的工作溫度很低，不會產生不必要的金相變化。該工藝能夠使用成卷的鋁或銅質金屬箔片製造出有高度複雜內部通道的金屬部件。

大多數金屬三維印表機成形效率較低，小於100cm3，且工作空間有限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列超聲增材製造機床的列印效率能達到250cm3~500cm3，其工作檯面積為1000mm×600mm，機床外觀和工作空間如圖9所示。

圖9: 超聲增材製造機床的外觀和工作空間

從圖中可見，SonicLayer 4000超聲增材製造機床的結構分為兩部分，中間是用於銑削加工的主軸，功率為19kW，轉速為 8000 r/min；右側為9kW的超聲增材製造焊頭，焊接力1,200 kg，最大進給速度為5,000mm/min，用於增材製造金屬零件。

由此可見，這種超聲增材製造設備是在3軸數控機床的基礎上衍生出來的，焊接過程可以在任何時點停止，然後再用機械加工做出內部的三維通道。然後再用增材製造將其密封起來。

由於電子設備往往會產生熱量，熱管理組件往往會成為設計的關鍵部分。這種熱交換器裝置過去是藉助數控機床加工而成的，但機加工在創建複雜的通道以及陣列式的交叉鑽孔和內部路徑的能力十分有限。而如今可以通過超聲增材製造來製造出擁有複雜內部通路的金屬部件，使其具備良好的熱傳導性。因為超聲增材製造工藝是固態的，溫度低於250℃，沒有達到金屬熔化溫度。超聲增材製造工藝可以用來將導線、帶、箔和所謂的「智能材料」比如感測器、電子電路和致動器等完全嵌入密實的金屬結構，而不會導致任何損壞，從而為電子器件的設計帶來新的可能性，如圖10所示。

圖10: 超聲增材製造的典型應用

5 結語

增材製造與傳統切削加工的集成在一起，解決了許多傳統加工方法，包括3D列印的難題，為產品設計師開創拓了的新的創新空間，成為智能製造的一支新的生力軍。

參考文獻

[1] 張曙.混合加工挑戰傳統[J].現代製造?現代金屬加工,2015,12:9-11.

[2]B Lauwers, F Klocke, A Klink, et al. Hybrid processes in manufacturing[J]. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2014, 63(2):561–583.

[3] A Richter.Hybrid machining expands a part designer s pallet[J/OL]. Cutting tool engineering, 2015, www.ctemag.com/aa_pages/2015/150109-hybrid.html[2015-11-08].

[4]DMGMORI.Additive Manufacturing in Milling quality[OB/OL].http://cn.dmgmori.com/產品/lasertec/lasertec-additivemanufacturing[2015-11-08].

[5]Matsuura. Unique one process solution: laser sintering and milling[OB/OL].http://www.matsuura.co.jp/english/contents/products/lumex.html[2015-11-08].

[6]Fabsonic.3D metal printing technology without the compromise[OB/OL].http://fabrisonic.com/ultrasonic-additive-manufacturing-overview/[2015-11-08].

[7]Hybrid ManufacturingTechnologies.The AMBIT multi-task system-As easy as tool change[OB/OL]. http://www.hybridmanutech.com/technology.html[2015-11-08].

歡迎轉載，如需加入白名單請將微信公眾號回復至3D科學谷微信公眾號

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 3D科學谷 的精彩文章: