增減材混合五軸裝備及應(yīng)用技術(shù)
2020-8-14 來源：大連三壘科技有限公司 作者：呂建忠
在金屬加工領(lǐng)域由物理方式實現(xiàn)各種形狀的制造方法，歸納起來包括等材、減材和增材制造技術(shù)。等材制造就是具有兩千年歷史的鑄鍛造技術(shù)，技術(shù)特征為材料受熱變形獲得接近最終形狀的零件。減材制造是有兩百年歷史的機械加工技術(shù)，特征是去除材料，可獲得精密形狀的零件。增材制造技術(shù)融合了信息技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)和材料科學(xué)等學(xué)科，通過增加材料的方式獲得零件。
廣義上的金屬增材制造技術(shù)包括直接能量沉積（DED，Direct EnergyDeposition）和粉末床熔融（PBF，Powder Bed Fusion）兩種直接成型技術(shù)，其中的直接能量沉積技術(shù)沉積效率高，裝備成本低，適合大型復(fù)雜零件的接近最終形狀的直接制造，可以得到冶金結(jié)合的致密金屬實體，適合中大尺寸零件的直接制備、修復(fù)和功能梯度材料的開發(fā)等用途。
本文介紹一款增減材混合五軸制造裝備及其應(yīng)用技術(shù)。
1、原理
直接能量沉積技術(shù)中的能量來源多種多樣，包括激光束、等離子束、電子束、電弧乃至超聲波等，其中激光束由于具備能量密度高，功率、波長和光束直徑可選擇范圍廣，易于與自動化裝備集成等優(yōu)勢，廣泛用于增材制造領(lǐng)域（見圖1）。
圖 1
激光作為熱源，將粉末或者絲材熔融，在系統(tǒng)運動機構(gòu)驅(qū)動下形成一個平面結(jié)構(gòu)，然后層層堆積，逐步形成三維的幾何形狀。
2、裝備
將直接能量沉積技術(shù)和傳統(tǒng)五軸加工技術(shù)融合于一體的混合五軸增材制造技術(shù)，不僅很好地發(fā)揚各自的優(yōu)點，還形成了增減混合，邊增邊減的獨特工藝。
精密的五軸聯(lián)動加工中心是整機性能的保障。大連三壘科技有限公司研發(fā)的立式五軸聯(lián)動加工中心SVW80C-3D是一款增減混合加工設(shè)備，床身、立柱和滑枕等主要部件均采用高強度鑄鐵，具有可靠的剛性和吸震性。主要部件結(jié)構(gòu)均經(jīng)過有限元分析優(yōu)化，最大限度地保證結(jié)構(gòu)合理（見圖2）。
圖 2
滑枕為四方向?qū)к墸瑱M梁部分為“箱中箱”結(jié)構(gòu)，直線軸采用雙絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，保證機床長期運轉(zhuǎn)的高精度、高剛性和高穩(wěn)定性（見圖3）。
圖3
機床采用高動態(tài)響應(yīng)性的A、C軸搖籃式轉(zhuǎn)臺，形成了高精度五軸聯(lián)動立式結(jié)構(gòu)。所有的伺服軸均配有德國海德漢光柵尺，保證線性軸定位精度在8μm，旋轉(zhuǎn)軸的定位精度在5″以內(nèi)。
SVW80C-3D具有較大的行程（見圖4），可打印工件尺寸可達800mm×440mm；配置光纖激光器功率2kW，沉積效率達到300cm3/h以上。
圖4 SVW80C-3D增減材五軸加工中心
3、應(yīng)用
增減混合五軸加工中心與傳統(tǒng)的三軸加工中心相比，表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。
在減材方面：五軸聯(lián)動與三軸系統(tǒng)相比增加了A、C軸的搖籃式回轉(zhuǎn)工作臺,對工件一次裝夾，可實現(xiàn)全方位、多角度的切削加工，有效改善工件的表面質(zhì)量，提高工作效率。
在增材方面：五軸聯(lián)動實現(xiàn)了增材制造從平面切片向空間曲面切片，從三軸向五軸增材制造的跨越。五軸“打印”不僅可以任意角度傾斜，最大限度減少輔助支撐，節(jié)省大量時間和材料；而且能實現(xiàn)曲面定向和變姿態(tài)擺動沉積，為復(fù)雜、精密零件如內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的制造提供了可能。
增減材混合直接制造葉輪零件如圖5所示。
圖5 增減材混合直接制造葉輪
增減混合五軸加工中心用途非常廣泛，除了上述混合增材制造以外，還可用于零件表面涂層改性、修復(fù)再制造、材料梯度功能結(jié)構(gòu)制造等多個方面。
3D打印使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，適用于增減混合增材制造的金屬粉末材料主要有：工具鋼、不銹鋼、鈷鉻合金、鋁合金、鎳基合金、銅基合金等。其中，不銹鋼作為金屬3D打印經(jīng)常使用的一類性價比較高的金屬粉末材料，由于具有耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的特性，可以在空氣中直接“打印”。而對于較活潑的金屬則須在惰性氣氛保護下進行“打印”。
在2016年進行的一項合作研究結(jié)果顯示，使用增減混合五軸聯(lián)動加工中心沉積316L不銹鋼樣件的抗拉強度、屈服強度、塑性均高于鍛造水平。就當(dāng)時的試驗數(shù)據(jù)來看，沉積長度方向與高度方向的力學(xué)性能基本接近，各項異性不明顯（見圖6）。同時，沉積后的材料成分完全符合316L成分標(biāo)準(zhǔn)
圖6
4、發(fā)展
增減混合裝備技術(shù)，并非簡單的兩種工藝疊加，而是要同時解決異種工藝的協(xié)調(diào)控制和直接能量沉積技術(shù)的固有裝備技術(shù)問題。三壘科技在成功研發(fā)增減材裝備的基礎(chǔ)上，進行了多方面的技術(shù)探索，立體溫度調(diào)控技術(shù)就是其中之一。所謂立體溫度調(diào)控，就是熔池、基礎(chǔ)和兩者之間已成型覆材的溫度監(jiān)視與控制。
基礎(chǔ)溫度調(diào)控可以降低裂紋敏感性。試驗表明，對零件或者基板在熔覆前進行預(yù)熱和熔覆后的緩冷在線處理均會顯著降低裂紋敏感性。立體的溫度調(diào)控可以控制凝固組織形貌。基板預(yù)熱溫度越低，激光沉積成形過程中基板與覆材的溫差越大，使得該方向的溫度梯度越高，則易于形成細長密集的近似并行生長的枝晶。基板預(yù)熱溫度越高，激光沉積成形過程中基板與覆材的溫差越小，使得該方向的溫度梯度越低；而較慢的散熱過程使得凝固過程相對放緩,枝晶有更多的時間生長，凝固組織容易形成等軸晶。帶有溫度調(diào)控的直接能量沉積技術(shù)，在原理上更容易實現(xiàn)單晶合金的增材制備（見圖7）。
圖7
5、結(jié)語
增減材制造是新興的技術(shù)，近些年伴隨著增材制造的熱潮而逐漸興起，但直接能量沉積技術(shù)本身的技術(shù)成熟度不高，尚有大量的基礎(chǔ)科技問題需要攻克。將直接能量沉積的增材與傳統(tǒng)加工中心結(jié)合的增減材混合技術(shù)，尚處于兩種工藝結(jié)合的初始階段，有修遠的道路等待科研人員上下求索。
文自：《世界制造技術(shù)與裝備市場》
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