增減材復合加工的關鍵技術分析

張鑫 馮清

（江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，江蘇 南京 211135）

在傳統的材料加工領域中，增材加工與減材加工工藝屬于不同制造環節，隨著制造產業機械化生產技術研究的不斷深化，以激光、電子束、電弧等加工技術為代表的增減材集成控制工藝成為機械制造相關產業技術推廣的重點內容。該項復合工藝具有加工精密度高、自動化程度高、結構易構性強等方面的優勢，被廣泛應用于復雜機械構件的加工制造項目中，發展前景廣闊。

1 增減材復合工藝的具體應用原理

基于CAD集成控制系統的增減材零件加工技術，將產品的設計、增材與減材工藝、質量檢測、過程操作控制等功能集中在一體化的管理平臺上。通過增材工藝按照產品設計具體方案制造出3D模型，并將產品設計的3D需求數據轉化為具體的幾何參數，這些幾何信息融入沉積參數和機加工參數，生成增材制造加工路徑數控代碼，最終成型3D實體零件[1]。在對實體零件的各項力學性能、尺寸、形狀等數據參數進行準確測量后，通過對特征的對照分析，確定具體的誤差范圍，然后運用減材加工技術對零件的輪廓、內部構造等進行修正，使其與預定產品要求達到一致。基于一體化、集成化的操控系統，構件的塑形加工與切削處理等作業可以在同一機床上進行，在機械零件的實際制造過程中，能夠有效提升生產效率與構件加工精確度。

2 增減材機械構件復合加工應用的關鍵技術

2.1 增減材工藝集成技術

第一，零件加工能量沉積增減材工藝集成。基于直接能量沉積的復合加工集成。現階段，機床加工直接能量沉積工藝是熔融施工的主要技術應用。在機床上使用噴嘴將原料送到熔池，然后利用熱源能量，將熔融處理后的材料層層沉積，使材料成型。第二，冷噴涂構件加工工藝集成。該項技術的應用原理是通過施加初速度將粉末狀的零件加工材料噴射出來，在基盤上利用噴射作用使材料產生黏連效應，直至構件最終成型。第三，粉末融積（PBD）集成技術，也可以稱為粉床熔融零件生產技術，其原理為：在機床上逐層鋪設粉末薄料，每累積一層原料粉末，聚集狀態下的熱源會按照產品設計幾何結構參數，熔融特定范圍的材料，熔融加工完成后，重復鋪設直至零件成型；第四，材料噴射構件加工技術集成。材料噴射構件加工工藝是指利用材料打印設備的噴嘴裝置，將光聚合物等液化材料根據特定的圖形、構造要求，噴射到基板指定位置上，當材料轉化為固態后，在原有沉積層上繼續噴射，直至構件成型。

2.2 復合制造一體化硬件加工平臺

增減材集成工藝技術的實現需要對應的硬件設備與控制系統支持，基于一體化控制機床加工平臺，能夠在保證零件加工質量、降低生產成本的基礎上，實現規模化、標準化的零件制備目標。以直接能量沉積加工工藝應用為例，硬件設備包括五軸高速切削機床、激光熔覆噴嘴等設備，對原材料進行推送，實現復合增減材加工處理的目標。在激光熔覆作業過程中，由于材料噴頭的位移速度相對較慢、設備質量較輕，因此，無須其他的動力系統支持，可以直接操控機床運動設備進行加工。

2.3 集成控制系統

為實現一體化、集成化管控的目標，在控制系統的實際設計與實行階段，是以CNC程序為主，對機床進行動態化管理，并在增材加工工作區域內配置相應的送料、3D打印機等設備，對增材與減材工藝進行協同性管理與控制。為確保不同工藝環節的合理銜接與自由切換，CNC系統需要設置對應的產品設計分析、零件加工軌跡計算、送料速率控制、熱源能量調節等方面的功能。如系統應具備動態控制零件打印噴嘴、刀具等生成軌跡的功能，以保證零件打印的整體構造符合產品設計標準。在集成管理系統的實際操作階段，需要在零件增材加工前，事先分析、計算、輸入產品參數。在零件整體制造完成后，才能對具體的數據進行評估、調整，在過程監管與控制方面有待完善。以送料噴頭作業為例，當送料噴頭運動軌跡經過轉角位置，變向調整需要一定的停頓時間，但此時由于控制系統對送料情況的動態變化數據掌握不全面、控制不精準，送料的速度沒有及時進行調整，將會導致局部材料沉積量過高的問題。

3 發展前景

3.1 多通道加工控制技術

基于CAD集成控制平臺，對增材加工工藝與減材制造工藝的作業過程進行動態化、精細化控制，是當前材料加工復合工藝研究與應用的重要課題。為有效優化工藝加工流程，合理控制制造成本，相關技術研究人員提出了多通道加工控制技術，即并行加工兩個以上工序或構件，將集成加工、數據監測、材料搬運等多種功能集中在數控機床上，優化加工流程，實現降低制備成本、縮短加工周期的目標。多通道技術作為零件加工產業數控系統多功能化、集成化、自動化發展的主要研究方向，可以充分利用原有的設備基礎，通過自動化控制程序的裝設與應用，提升生產資源的整體利用質效，具有較高的技術研究價值。

3.2 LAM技術

激光作為當前增減材技術熱源應用的熱點，轉變了傳統零件的生產加工模式，按照送粉方式的不同，可以分為直接使用激光沉積同步送粉的LDMD技術、激光選區熔化粉床預先鋪粉的SLM技術等。LAM技術可以對零件的拓撲結構、流道結構、點陣結構以及梯度結構等進行精細加工，具有結構功能一體化、輕量化、超強韌、耐極端載荷、超強散熱等優勢，相應結構效能大幅提高[2]。

3.3 電弧增減材工藝

電弧增減材機械化構件制備模式，將產品設計、功能控制、質量檢測等功能集中在一體化的控制平臺上，實現了增材加工與減材加工集成管理的目標。如絲材電弧增材（WAAM）加工模式，能夠對增材加工流程進行動態性控制，通過設置特定波形熱源電流，改善熔滴過渡情況，進一步提升焊接電流與熔滴過渡之間的耦合度，能夠優化材料的整體利用質效。與此相對應的，電弧增減材工藝具有熱輸入要求高、加工成型精度控制難度大等方面的缺陷，相關研究單位逐步探索在增材冷卻過程中實施減材加工的可行性，旨在使復合減材加工能夠合理利用增材效果，在精度控制與性能優化方面取得了一定的成果[3]。

4 結語

增減材復合加工工藝結合了增材與減材制備技術的優勢，通過軟件控制，優化了復雜構件的加工流程。新時期，機械制造領域對構件制造沉積效率、材料利用率等方面的要求逐步提升，對激光、電弧、電子束等高能熱源的應用研究也不斷深化，在降低了復雜構件制備成本的基礎上，基于集成化的控制平臺，進一步提升了機械構件加工的精確性，有效提升了操作平臺的沉積效率，在航空航天、能源動力、醫療機械制造等領域具有廣泛、多元的研發前景。