五軸增減材復合制造設備設計

洪福　田印仟　衛洋　楊永強　王孟　周恒　邰志恒　林劍彬　吳博　陳澤斌　王迪

摘要：為提高零件加工制造效率，減少材料用量，降低成本，設計一種五軸增減材復合制造設備，用于通用復雜零件的加工制造及模具缺陷的修補。通過激光/等離子弧雙熱源進行增材加工，利用銑削進行減材加工。為測試該設備的成形性能，對輪胎模具翻胎板、花紋塊和活字塊進行試制，輔以缺陷檢測及回溯修復模塊對成形缺陷零件進行修復，得到了高質量、高精度的零件。 該設備有助于提升企業效益、減少生產成本，對促進相關產業的發展起到重要作用。

關鍵詞：增減材制造；零件加工制造；模具缺陷修補；增材加工；銑削

中圖分類號：TG666文獻標志碼：A 文章編號：1674-2605（2023）03-0007-06

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2023.03.007

Design of FiveAxis Additive-subtractive Hybrid Manufacturing Equipment

HONG Fu1，3TIANYinqian2WEI Yang2YANG Yongqiang2WANG Meng2

ZHOU Heng2TAIZhiheng2LIN Jianbin1WU Bo1CHEN Zebin1WANG Di2

（1.Greatoo Intelligent Equipment Inc.，Jieyang515500， China 2.School of Mechanical and

Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China

3.Guangdong Peichuang Intelligent Technology Co.， Ltd.，Jieyang515500， China）

Abstract：In order to improve the efficiency of parts processing and manufacturing， reduce material usage， and reduce costs， a five axis additive-subtractive hybrid manufacturing equipment is designed for the processing and manufacturing of general complex parts and the repair of mold defects. Additive processing is carried out through laser/plasma arc dual heat sources， and material reduction processing is carried out through milling. To test the formability of the equipment， trial production was carried out on tire mold flip plates， pattern blocks， and movable type blocks， supplemented by defect detection and backtracking repair modules to repair the formed defective parts， resulting in high-quality and high-precision parts. This equipment helps to improve enterprise efficiency， reduce production costs， and plays an important role in promoting the development of related industries.

Keywords：additive-subtractive hybrid manufacturing; parts processing and manufacturing; repair of mold defects; additive processing; milling

0引言

近年來，增減材復合制造裝備已成為國內外學者的研究重點。該裝備通過增材制造實現近凈成形的零件，通過銑削確保零件的加工精度和表面質量，且可實現增材成形和減材加工的自由切換，滿足復雜零件的制造及修復再制造的需求，廣泛應用于航空航天、汽車、石油機械等領域[1-2]。相比于傳統的增材和減材工藝，增減材復合制造有效地提高了材料的利用率，提升零件尤其是復雜零件的加工精度，縮短加工周期[3-7]。通過逐個特征增減材復合加工，可實現復雜型面及具有內孔、內腔、內流道零件的一體化高效制造。

相比于一般的三軸機床，五軸機床的自由度更多，靈活度更高。因此，利用五軸機床加工復雜零件，能夠更加靈活地完成曲面軌跡加工，且可以避免多個加工步驟帶來的重復定位誤差[8-10]，從而提高加工質量。

在五軸機床上實現增減材加工具有效率高、適應性強等特點，可實現復雜結構的無支撐成形[11-14]，為復雜形狀的高性能零件制造提供了一種快速、低成本的途徑。BARRAGAN等[15]基于ROMI DCM 620-5X型復合增減材機床進行了復雜零件的再制造實驗，通過調整工藝參數得到了成形質量良好、沒有明顯孔隙的再制造零件，該實驗成果可延長高制造成本零件的使用壽命，但該型號機床僅配備了激光熱源的增材系統，適應性受限。 熊吉如[16]開發了基于雙橫梁龍門結構的增減材加工設備，實現了將3D打印和數控加工集成在同一臺機床上的目的，使增減材協同加工更加簡便，但增加了結構成本。彭偉等[17]在原五軸機床上加裝增材模塊，設計增減材復合加工機床XKR40–Hybrid，采用送絲給料的方式實現增材加工，裝夾平臺的擺角為10°～140°，最大成形尺寸達500mm×500mm×400mm，但擺角范圍較小，成形尺寸仍有擴大的空間。

為了進一步提高五軸增減材機床的適應性和制造性能，本文設計了一種五軸增減材復合制造設備， 用于通用復雜零件的加工制造及模具缺陷的修補。

1 設備整體結構

五軸增減材復合制造設備整合了增材系統和銑削加工中心，采用模塊化設計，可根據加工需求更換不同的增材熱源設備，即激光發生器或等離子焊機。 五軸增減材復合制造設備主要由五軸銑削加工機床、增材系統、增減材控制系統3部分組成，結構示意圖如圖1所示。

1.1 五軸銑削加工機床

為使加工零件具有良好的穩定性和制造精度，五軸銑削加工機床床身采用龍門式框架（封閉框架焊接而成），輔以鑄造工藝，具有高剛性和抗震性。 在機床加工空間上方的橫梁上布置X、Y、Z軸，機床加工空間下方的B、C軸采用搖籃式回轉工作臺，可實現五軸聯動控制[18]，輔以刀庫和 自動換刀系統，能夠高效地實現零件的靈活加工。在C軸的回轉工作臺上 成形零件，激光/等離子弧增材工具和銑削刀具平行于Z方向安裝，并與水平面保持垂直。五軸銑削加工機床的技術參數如表1所示。

1.2增材系統

增材系統主要包括銳科RFL系列激光發生器、等離子焊機 、輝瑞的TD03-MH送粉器和LAMLH激光頭等[19]。銳科RFL激光器 是光纖激光器，最大功率可達3 000 W，具有體積小，易集成的特點，適用于五軸增減材復合制造設備。為了提高增減材加工效率，機床內置了增材工具庫位和專用夾具，并通過數控接口實現增減材工具的快速切換。在切換為增材模式時，首先，連桿機構帶動增材頭運動到設定的主軸位置；然后，主軸控制Z軸到指定位置；最后，氣動夾具夾住增材頭，完成增材切換動作。等離子弧可以提供比激光熱源更大的加熱覆蓋范圍，故采用激光/等離子弧雙熱源的設計，不僅有效地擴展了可加工材料，還提高了成形效率。激光、等離子弧的增材成形效率分別大于300cm3/h、500cm3/h。

1.3增減材控制系統

增減材控制系統基于海德漢數控機床系統開發，采用西門子PLC控制器控制增材設備，增材系統通過Profinet接口與減材系統進行數據交互。增減材復合加工的主要控制模塊為換刀控制模塊和缺陷檢測及回溯修復模塊。其中，換刀控制模塊用于五軸銑削加工機床在增材工具和銑削刀具之間切換，且不發生干涉；缺陷檢測及回溯修復模塊可對待修復零件進行智能缺陷檢測，調用固定的修復程序，先利用增材加工填補缺陷，再利用減材加工完善表面。

增減材控制系統基于Python語言開發，由Python軟件界面及運行系統、可編程邏輯控制器（PLC）運行系統、數控（NC）運行系統、主計算機（Host PC）4部分組成，結構如圖2所示。

主計算機提供底層支撐文件，并通過Glade XML*.glade和Python program*.py文件將指令提供給Python運行系統；PLC運行系統在Tables文件中提取函數和變量，完成內部PLC程序的循環運行，并負

責硬件控制；NC運行系統負責數控程序的編譯和運行、控制主軸等運動機構；Python運行系統整合處理所有的狀態和指令，并在Python軟件界面中顯示。

2? 輪胎模具樣件試制實驗

為測試五軸增減材復合制造設備的成形性能，進行輪胎模具的翻胎板、花紋塊和活字塊的試制。

試制樣件的材質均為316L不銹鋼，采用45#鋼作為基板材料，使用1 600 W的激光功率，1 000 mm/min的進給速度和Z形正交的填充策略，以0.45～0.55mm的堆積層厚進行增材加工。減材加工采用型腔銑、等高銑和固定軸等高速銑削，經過掃面加工、外圍加工、花筋開粗、花筋半精、花筋清角、花筋精加工、底面精加工等工序，依次使用直徑為12～2mm的刀具進行銑削。

輪胎模具的翻胎板、花紋塊和活字塊的三維模型和增材減材成形件的對比圖（一半經過增減材加工，一半僅經過增材加工 ）如圖3所示。

對比圖3右側樣件 的僅增材后區域和增減材后區域可知：僅增材加工后，3個樣件的 形狀雖已符合模型設計，整體尺寸與設計值吻合良好，熔覆體與底板熔覆相接良好且無縫隙，熔覆體外觀的色澤一致性良好，但表面十分粗糙；經過增減材加工后，樣件的粗糙表面變得光滑且露出金屬光澤，3個樣件的外觀色澤一致性良好，致密性高，局部表面有在允許范圍內的砂目。經過后續測試，砂目缺陷可通過改變增材精加工刀路數量以及延展范圍得到明顯改善。

分別對翻胎板、花紋塊和活字塊樣件進行測量，測量數據及公差要求如表2所示。

由表2可知，翻胎板、花紋塊和活字塊樣件的測量尺寸和幾何誤差均符合模具零件的公差要求。

圖3（b）中，框內花筋褶皺部分放大圖如圖4所示。

如圖4所示：花紋塊經增材加工后，部分花筋出現褶皺；經減材加工后，部分花筋存在成形質量不穩定的情況，褶皺未被完全去除，不滿足零件的設計要求，需進行后續修復。

利用五軸增減材復合制造設備的缺陷檢測及回溯修復功能對花紋塊的褶皺缺陷進行修復，修復對比圖如圖5所示。

由圖5可以看出，修復后的花筋褶皺已消除，其表面平滑、光潔。

3結論

本文設計的五軸增減材復合制造設備，實現了增減材復合制造和修復再制造功能，可以快速成形精度高的復雜零件。利用該設備對輪胎模具進行試制，得到了表面成形質量好、尺寸符合公差要求的零件。 且在加工過程中，只需一次定位裝夾就可以完成零件成形，減少了工作量，節省加工時間，避免了重定位誤差，提高了成形質量。該設備對提升企業效益、減少生產成本、穩定質量具有積極意義；同時為不斷提升國產高端數控機床的整體制造水平提供了技術方案和經驗。

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作者簡介：

洪福，男，1982年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：機電工程、自動控制、工業工程。E-mail： hongfu@greatoo.com

田印仟，男，2000年生，碩士研究生，主要研究方向：DED增減材制造。E-mail： 202221002490@mail.scut.edu.cn

衛洋，男，1998年生，博士研究生，主要研究方向：增減材復合制造。E-mail：202121002679@mail.scut.edu.cn

楊永強，男，1961年生，博士，教授，主要研究方向：金屬3D打印與醫學應用、激光增材制造及加工技術、現代焊接技術。E-mail：meyqyang@scut.edu.cn

王孟，男，1995年生，博士研究生，主要研究方向：激光增材制造模擬。E-mail： wwmhrlt@163.com

周恒，男，1991年生，博士研究生，主要研究方向：多能量場激光增材制造。E-mail：perry_hengzhou@163.com

邰志恒，男，1991年生，博士研究生，主要研究方向：定向能量沉積。E-mail：tzhzzu@163.com

林劍彬，男，1979年生，大專，主要研究方向：造型設計、數控加工及編程、3D打印加工。E-mail： linjianbin@greatoo.com

吳博，男，1982年生，大專，中級工程師，主要研究方向：模具造型設計、數控加工及編程、數控軟件二次開發、機床后處理開發、3D打印加工。E-mail： wubo@greatoo.com

陳澤斌，男，1984年生，碩士，助理工程師，主要研究方向：機械設計、數控系統。E-mail： chenzebin@greatoo.com

王迪，男，1986年生，博士，教授，主要研究方向：金屬3D打印裝備開發、三維異質材料增材制造、增減材復合制造、增材制造創新設計與應用。E-mail： mewdlaser@scut.edu.cn