五軸聯(lián)動與激光近凈成形的混合制造技術(shù)研究

楊 波，袁義邦,楊建明

(1.江蘇中科智能科學(xué)技術(shù)應(yīng)用研究院 金屬3D打印中心，常州 213164；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)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(shù)是增材制造的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于表面涂層、再制造等工業(yè)領(lǐng)域，具有綠色制造、成型件質(zhì)量高的特點。但是，這種制造技術(shù)在加工復(fù)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(lián)動計算機數(shù)控加工(computerized numerical control，CNC)技術(shù)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(gòu)及2個旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)合運動實現(xiàn)空間異形曲面高精度的加工。但是，相對于激光加工，五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)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(jié)構(gòu)的零件加工，極易出現(xiàn)干涉、切削偏斜、甚至無法加工的現(xiàn)象[4-7]。

增減材混合制造技術(shù)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(lián)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(dǎo)致的支撐難去除、加工易干涉的問題，是復(fù)雜金屬構(gòu)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(shù)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(shù)的研究，尚處于研發(fā)階段，未有大規(guī)模工程化應(yīng)用的案例。國外如Fraunhofer Institute、Lasertechnik、美國密蘇里科技大學(xué)、印度理工學(xué)院等科研機構(gòu)，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(shè)備的研發(fā)[10-15]。國內(nèi)GUO等人[15]基于不同的能量輸入形式，從設(shè)備、工藝等方面對增減材混合制造的國內(nèi)外現(xiàn)狀作了匯總。但是，以上這些研究對增減材混合制造的構(gòu)建過程、實現(xiàn)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(shù)理念，從設(shè)備的集成、后處理的開發(fā)、應(yīng)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(shù)優(yōu)勢。

1 設(shè)備改造

1.1 基礎(chǔ)裝置簡介

實驗中在三軸數(shù)控加工中心上集成旋轉(zhuǎn)工作臺，在結(jié)構(gòu)上形成“3+2”雙工作臺回轉(zhuǎn)型五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，如圖1a所示。在三軸數(shù)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(xiàn)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(shù)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(biāo)系為基準(zhǔn)，不考慮具體機床的空間結(jié)構(gòu)、類型以及數(shù)控系統(tǒng)，前置處理生成的刀位數(shù)據(jù)文件不能直接被機床使用。后處理就是根據(jù)具體機床控制指令格式、運動結(jié)構(gòu)及其運動空間的范圍等，將前置處理生成的刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成適合于機床各軸的運動數(shù)據(jù)，后處理流程如圖2所示。

實驗設(shè)備選用HNC-818B五軸數(shù)控系統(tǒng)，由于其是“3+2” 雙工作臺回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)，市面上無成熟的后處理，亟需開發(fā)一款適用于該設(shè)備的五軸聯(lián)動后處理系統(tǒng)。基于UG CAM軟件的后處理構(gòu)造器來構(gòu)造“3+2” 雙工作臺回轉(zhuǎn)型后處理系統(tǒng)，經(jīng)過反復(fù)實驗論證：HNC-818B五軸數(shù)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(chǔ)，開發(fā)適用于本實驗設(shè)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(gòu)造器構(gòu)建基于“3+2”雙工作臺回轉(zhuǎn)型五軸聯(lián)動數(shù)控加工設(shè)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(gòu)建3維模型，UG CAM編排加工工序，“3+2”雙工作臺回轉(zhuǎn)型后處理導(dǎo)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(shù)據(jù)，尺寸誤差如圖7所示。誤差原因初步的分析結(jié)果是：未對加工刀位數(shù)據(jù)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(zhuǎn)型五軸聯(lián)動數(shù)控加工設(shè)備后處理導(dǎo)出程序只能進行減材加工，無法實現(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)為薄壁件，在熔鑄過程中因溶液流動慢、熱應(yīng)力分布不均勻的問題易造成縮孔、微裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能和表面質(zhì)量；(2)通過五軸聯(lián)動銑削加工，在加工過程中易出現(xiàn)零件變形、加工干涉的現(xiàn)象，由于是減材加工，成品質(zhì)量只占毛坯料質(zhì)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(lián)動與激光近凈成形的增減材混合制造技術(shù)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。基于增減材混合制造的加工理念，分析該型號機匣結(jié)構(gòu)可知：圓環(huán)與基材結(jié)合面是曲面結(jié)構(gòu)，因此，圓環(huán)的增減材制造是實現(xiàn)機匣混合制造的最關(guān)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(shù)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(jié)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(lián)動后處理導(dǎo)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(shù)，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(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，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(shù)，增材制造圓環(huán)至指定高度，如圖9c所示；(4)基于五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，減材制造圓環(huán)至指定高度；(5)重復(fù)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(yīng)用

2.1 實現(xiàn)少支撐3-D打印零件

葉輪是渦輪機、汽輪機等裝置的關(guān)鍵零件，廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶機械、石油化工等領(lǐng)域。以閉式葉輪加工為例，其整體的空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，葉片扭曲較大，由于上、下蓋板的存在，內(nèi)流道和葉片的粗、精加工一直是制造領(lǐng)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(jié)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(shù)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(xiàn)較多的缺陷，如氣孔、砂眼、微裂紋等，導(dǎo)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(nèi)流道進行銑削和拋磨，導(dǎo)致內(nèi)流道表面粗糙，進一步導(dǎo)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(shè)備導(dǎo)入閉式葉輪3維模型和點位數(shù)據(jù)，逐層疊加實現(xiàn)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(nèi)流道表面精度[21]。

通過實驗的增減材混合制造設(shè)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(shù)在基板上增材制造出軸類、底座等基礎(chǔ)件；(2)通過五聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)精加工軸類、底座等基礎(chǔ)件以提高其表面精度，如圖12a所示;(3)通過旋轉(zhuǎn)軸和直線軸的聯(lián)合運動，實時改變基礎(chǔ)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(zhuǎn)軸和直線軸的聯(lián)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(shù)和五聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)的轉(zhuǎn)換應(yīng)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(nèi)流道表面熔覆上功能涂層，實現(xiàn)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(fù)

激光近凈成形技術(shù)可實現(xiàn)對零件表面的涂層修復(fù)，延長零件的服役壽命，提高功能零件的力學(xué)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(xiàn)具有復(fù)雜形面結(jié)構(gòu)的零件修復(fù)。基于此，將3-D視覺掃描系統(tǒng)與增減材混合制造技術(shù)結(jié)合，其加工流程如圖13所示。

以葉片修復(fù)為例，修復(fù)過程如圖14所示。首先，通過3-D掃描裝置對待修復(fù)零件的缺損部位進行掃描，提取點云數(shù)據(jù)；其次，通過相應(yīng)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(shù)控加工技術(shù)進行銑削減材加工實現(xiàn)修復(fù)區(qū)域的高精度。

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

Fig.14 Blade additive-subtractive material repairing process

3 結(jié) 論

(1)“3+2”型五軸聯(lián)動數(shù)控機床從設(shè)備類型上不屬于真正意義上的五軸聯(lián)動數(shù)控機床，它是在傳統(tǒng)三軸數(shù)控加工設(shè)備上集成旋轉(zhuǎn)軸，在功能上實現(xiàn)對零件的五軸聯(lián)動加工。對于該類型五軸數(shù)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(lián)動數(shù)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(lián)動數(shù)控加工中心為基礎(chǔ)裝置，在z軸伺服機構(gòu)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(xiàn)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(yīng)用拓展，論述了增減材混合制造的技術(shù)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(shù)據(jù)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(lián)動數(shù)控加工中心上集成激光近凈成形裝置實現(xiàn)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(zhǔn)、漏電等)、冷卻循環(huán)模式、設(shè)備因限位導(dǎo)致的欠切/過切現(xiàn)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(xiàn)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(shù)從實驗驗證走向工程化生產(chǎn)的重要舉措。