增減材復合制造中刀具磨損的解決方案

徐善瑞

（德州職業技術學院，山東德州 253034）

0 引言

隨著航空航天、汽車和模具工業的技術進步，具有復雜結構和形狀的零件數量越來越多，其加工難度往往突破了設備適用范圍的極限，傳統的金屬減材加工受到嚴峻的挑戰。因此，增減材復合制造技術備受關注。增減材復合加工與傳統刀具相比，其加工中心造價昂貴。刀具的過熱磨損會極大程度降低刀具的壽命，增加制造成本，并且嚴重影響工件加工精度，增加了制造難度。解決刀具過熱磨損問題，已經成為目前增減材復合制造亟待解決的技術難題。

1 增減材復合制造工作原理及問題

傳統切削加工是通過車削、銑削、鉆削、磨削等方法，將毛坯上多余的材料去除而實現預先設計的幾何形狀和表面質量的加工方法，是在毛坯材料上做減法，具有加工效率高、精度高、表面質量高等優點。增材制造是通過專用軟件對零件的數字模型進行切片處理，使用快速成型設備將金屬或非金屬材料通過激光燒結、光固化和熔融等工藝，通過材料堆疊形成零件。增材制造可以生成具有復雜結構的零件，并且大大的節省材料消耗。將兩種加工方法的優勢合二為一的增減材復合制造技術，在復雜零部件加工領域具有廣闊的應用前景。以激光燒結3D 打印和銑削混合加工為基礎的增減材復合加工原理如圖1 所示[1]。

圖1 混合加工原理

目前，比較成熟的復合加工機床有兩種。一種是德馬吉森精機的LASERTEC 6600 DED hybrid，它集成了金屬激光堆焊與五軸切削加工技術，可以在一臺機床上進行高效的增材制造與減材加工，配有X、Y、Z 3 個直線軸，以及B、C 2 個旋轉軸，可實現主軸和副主軸的同步工作，減少工件在2 個主軸間的交換。刀具主軸配備有增材制造加工頭和增材制造噴嘴，可以同時進行金屬噴粉和激光堆焊。

另一種是馬扎克的INTEGREX i400 AM 型增材制造車銑加工中心，該加工中心將增材制造技術集成到數控銑削機床中，可以通過增材制造的方法“一站式”生產毛坯件，然后通過數控銑削的方式快速完成高精度的精加工任務。它采用了激光燒結的增材制造方法，通過光纖激光熱源來熔化金屬粉末，熔覆頭（噴嘴）通過讀取用CAD 定義的待加工模型來熔融材料。該系統還可以加入不同類型的金屬對象，用于修復現有的磨損或損壞部件，例如對航空渦輪葉片的修復，可以極大節約生產成本。

雖然上述兩種機床已經相對成熟，但由于增減材復合制造過程與傳統刀具相比，其在加工過程中引入了激光燒結和激光熔融，使得刀具過熱磨損問題尤為嚴重。而刀具的磨損會嚴重影響工件加工精度、降低刀具壽命，增加制造難度和制造成本，目前解決刀具過熱磨損已經成為制約增減材復合制造發展的難題。

2 現有刀具磨損解決方案及其可行性分析

2.1 利用靜電干式冷卻潤滑減少減材刀具磨損

靜電冷卻干式切削技術的工作原理是將離子化與臭氧化的壓縮空氣通過噴嘴輸送至工件切削區域，在其周圍形成特殊的氣體環境，從而改變鋪粉方式，起到冷卻、潤滑的作用[2]。將該技術應用到增減材復合制造的鋪粉過程中，具有經濟性高、環境污染小、剩余粉末和切屑無需回收處理等優點。

該解決方案中，鋪粉、燒結成型以及切削加工與傳統增減材復合制造沒有很大差異，關鍵在于電離裝置及供氣系統的設計。該系統主要由氣源裝置、電離發生器、流量計、控制閥、噴嘴及管路構成，加工冷卻原理如圖2 所示。氣瓶中的氣體經控制閥和流量計流入電離裝置，采用高頻IGBT 電源和特種陶瓷間隙管式結構的電離裝置通過高頻、高壓的沿面放電對氣體進行電離化，最后通過噴嘴噴向切削區域。

圖2 靜電冷卻干式切削技術工作原理

有學者分別在干切、乳化液及靜電冷卻的條件下進行刀具磨損試驗，使用硬質合金刀具YG8 對TC4合金材料進行切削，通過對后刀面的磨損形貌進行觀察，分析研究刀具磨損機理和冷卻潤滑性能。試驗結果表明：當切削速度較高時，電離氣體的冷卻潤滑性能優于乳化液。由于增減材復合制造一般切削速度較高，因此可以認為此種冷卻潤滑方式對于減少刀具磨損有很大幫助。

2.2 利用切削力感知減少刀具磨損

為解決增減材復合制造以及超精密加工中刀具磨損嚴重的問題，同時滿足對刀具實時監測和加工能力的需求，本文設計了切削力感知系統。智能刀具系統同時具備切削加工與切削力感知功能，可以對刀具加工狀態進行實時監測，并能通過振動輔助切削以適應不同的加工需要，實現超聲振動輔助加工，以獲得較高的切削質量，同時減少加工過程中的刀具磨損，以延長刀具使用壽命（圖3）[3]。

圖3 切削力感知式智能刀具結構

在減材切削加工過程中，圖3 所示的刀具壓力感制單元通過對切削力的實時監控和后期信號處理控制，在必要時加入振動輔助加工，以降低刀具的磨損。

2.3 利用改變減材車削路徑減少減材刀具磨損

在增減材制造過程中，刀具不耐用的原因之一是由于工件在增材制造后加工面凸凹不平，并存在氧化皮。氧化皮是金屬材料在高溫環境下發生氧化反應形成的腐蝕產物，質地堅硬，會極大縮短刀具的使用壽命，增加了后續減材加工的難度。而且氧化皮容易使加工工件表面發生龜裂，影響工件加工質量。以大端面為例，數控程序路徑采用的是矩形循環走刀路線，其斜面和圓弧采用的是封閉輪廓復合循環走刀路線，導致刀尖與產品毛坯表面接觸，會由于毛坯表面凸凹不平而導致不連續切削，從而造成刀尖極易磨損、崩刃。因此，優化車削路徑減少刀具與工件表面的高溫接觸和不連續切削，可以很大程度上降低刀具磨損。

3 利用水冷減少增材噴頭過熱變形磨損

在同軸送粉增減材復合制造過程中，使用的激光發射器功率較大且能量密度高，而且激光頭與工件距離較近，在激光掃描過程中會產生大量的熱，從而影響熔融態粉末的流動性，降低零件的成形質量。更為關鍵的是，沉積掃描過程中激光束產生大量的熱會加劇噴頭的變形磨損，而增減材復合制造所使用的增材噴頭成本高昂，極大地增加了制造成本。

激光熔融過程中的熱輸入Q 計算公式為：

式中 P——激光功率，W

V——激光掃描速度，mm/s

A——激光束在工件表面的散焦直徑，mm2

熱輸入等于激光功率對掃描時間的積分，而掃描時間可以通過熔覆區域的長度和速度計算。計算熔覆區域的面積并乘以掃描時間，可以得到熱輸入。另外，熱輸入不僅與激光功率、掃描速度和散焦直徑有關，還受到工件材料、熔池深度和熔池寬度等因素的影響。其中，改變加工材料會影響工件質量，降低激光功率P會影響金屬粉末的融化，因此通過熔融區域外部冷卻的方式較為可取。

針對這一問題，本文設計了一種新型水冷式噴頭，其工作原理如圖4 所示。

圖4 水冷激光增材噴頭工作原理

同軸送粉式激光增材制造噴頭中間腔室為激光束聚集腔，此處熱量高度集中；中間腔室為送粉腔，金屬粉末由此進入噴頭打印區，金屬粉末經激光高溫熔化后以熔融態形成所設計的圖形；噴頭最下端是水冷腔，配套有水冷循環裝置，用于帶走加工過程中噴頭口處的余熱，以達到冷卻噴頭的目的。

4 結束語

現代化生產對機械制造技術提出更高的要求，增減材復合智能化制造已經成為尖端制造的發展趨勢。針對目前增減材復合制造加工過程中的技術難題，本文研究了可行的刀具磨損解決方案，并分析其工作原理和應用場景，創新性地提出利用水冷減少增材噴頭過熱變形磨損的解決方案，設計出水冷激光增材噴頭。介紹水冷激光增材噴頭的工作原理，對其進行可行性分析，對研究解決增減材復合加工刀具磨損問題具有借鑒意義。