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增减材混合五轴装备及应用技术

在金属加工领域由物理方式实现各种形状的制造方法，归纳起来包括等材、减材和增材制造技术。等材制造就是具有两千年历史的铸锻造技术，技术特征为材料受热变形获得接近最终形状的零件。减材制造是有两百年历史的机械加工技术，特征是去除材料，可获得精密形状的零件。增材制造技术融合了信息技术、数字制造技术和材料科学等学科，通过增加材料的方式获得零件。

广义上的金属增材制造技术包括直接能量沉积（DED，Direct EnergyDeposition）和粉风筝末床熔融（PBF，Powder Bed Fusion）两种直接成型技术，其中的直接能量沉积技术沉积效率高，装备成本低，适合大型复杂零件的接近最终形状的直接制造，可以得到冶金结合的致密金属实体，适合中大尺寸零件的直接制备、修复和功能梯度材料的开发等用途。

直接能量沉积技术中的能量来源多种多样，包括激光束、等离子束、电子束、电弧乃至超声波等，其中激光束由于具备能量密度高，功率、波长和光束直径可选择范围广，易于与自动化装备集成等优势，广泛用于增材制造领域（见图1）。

激光作为热源，将粉末或者丝材熔融，在系统运动机构驱动下形成一个平面结构，然后层层堆积，逐步形成三维的几何形状。

将直接能量沉积技术和传统五轴加工技术融合于一体的混合五轴增材制造技术，不仅很好地发扬各自的优点，还形成了增减混合，边增边减的独特工艺。

精密的五轴联动加工中心是整机性能的保障。大连三垒科技有限公司研发的立式五轴联动加工中心SVW80C-3D是一款增减混合加工设备，床身、立柱和滑枕等主要部件均采用高强度铸铁，具有可靠的刚性和吸震性。主要部件结构均经过有限元分析优化，最大限度地保证结构合理（见图2）。

滑枕为四方向导轨，横梁部分为分析仪与机冲击试验机对比“箱中箱”结构，直线轴采用双丝杠驱动结构，保证机床长期运转的高精度、高刚性和高稳定性（见图3）。

机床采用高动态响应性的A、C轴摇篮式转台，形成了高精否则会死得更惨度五轴联动立式结构。所有的伺服轴均配有德国海德汉光栅尺，保证线性轴定位精度在8μm，旋转轴的定位精度在5″以内。

SVW80C-3D具有较大的行程（见图4），可打印工件尺寸可达800mm×440mm；配置光纤激光器功率2kW，沉积效率达到300cm3/h以上。

增减混合五轴加工中心与传统的三轴加工中心相比，表现出独特的优势。

在减材方面：五轴联动与三轴系统相比增加了A、C轴的摇篮式回转工作台,对工件一次装夹，可实现全方位、多角度的切削加工，有效改善工件的表面质量，提高工作效率。

在增材方面：五轴联动实现了增材制造从平面切片向空间曲面切片，从三轴向五轴增材制造的跨越。五轴“打印”不仅可以任意角度倾斜，最大限度减少辅助支撑，节省大量时间和材料；而且能实现曲面定向和变姿态摆动沉积，为复杂、精密零件如内流道结构的制造提供了可能。

增减混合五轴加工中心用途非常广泛，除了上述混合增材制造以外，还可用于零件表面涂层改性、修复再制造、材料梯度功能结构制造等多个方面。

3D打印使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，适用于增减混合增材制造的金属粉末材料主要有：工具钢、不锈钢、钴铬合金、铝合金、镍基合金、铜基合金等。其中，不锈钢作为金属3D打印经常使用的一类性价比较高的金属粉末材料，由于具有耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质腐蚀的特性，可以在空气中直接“打印”。而对于较活泼的金属则须在惰性气氛保护下进行“打印”。

在2016年进行的一项合作研究结果显示，使用增减混合五轴联动加工中心沉积316L不锈钢样件的抗拉强度、屈服强度、塑性均高于锻造水平。就当时的试验数据来看，沉积长度方向与高度方向的力学性能基本接近，各项异性不明显（见图6）。同时，沉积后的材料成分完全符合316L成分标准

增减混合装备技术，并非简单的两种工艺叠加，而是要同时解决异种工艺的协调即在配备不同夹具的基础上控制和直接能量沉积技术的固有装备技术问题。三垒科技在成功研发增减材装备的基础上，进行了多方面的技术探索，立体温度调控技术就是其中之一。所谓立体温度调控，就是熔池、基础和两者之间已成型覆材的温度监视与控制。

基础温度调控可以降低裂纹敏感性。试验表明，对零件或者基板在熔覆前进行预热和熔覆后的缓冷处理均会显著降低裂纹敏感性。立体的温度调控可以控制凝固组织形貌。基板预热温度越低，激光沉积成形过程中基板与覆材的温差越大，使得该方向的温度梯度越高，则易于形成细长密集的近似并行生长的枝晶。基板预热温度越高，激光沉积成形过程中基板与覆材的温差越小，使得该方向的蝶型螺母温度梯度越低；而较慢的散热过程使得凝固过程相对放缓,枝晶有更多的时间生长，凝固组织容易形成等轴晶。带有温度调控的直接能量沉积技术，在原理上更容易实现单晶合金的增材制备（见图7）。

增减材制造是新兴的技术，近些年伴随着增材制造的热庆典用花潮而逐渐兴起，但直接能量沉积技术本身的技术成熟度不高，尚有大量的基础科技问题需要攻克。将直接能量沉积的增材与传统加工中心结乳胶合的增减材混合技术，尚处于两种工艺结合的初始阶段，有修远的道路等待科研人员上下求索。