增减材复合机床开发及应用研究项目

北京机电院机床有限公司 彭 伟

北京机电院机床有限公司 王宝和

北京机电院机床有限公司 邵 璟

随着科技突飞猛进的发展，国内外工业自动化迅速发展，增材制造的制造方式正逐渐从概念走进工业实践，其广泛的应用令人对它未来的市场空间产生无限联想，甚至被誉为是引领第三次工业革命的新兴技术。发达国家纷纷将增材制造、增减材复合制造作为未来产业发展新的增长点加以培育，制定了发展增材制造、增减材复合制造的国家战略和具体推动措施，力争抢占未来科技和产业制高点。

我国于20世纪90年代初开始推进增材制造技术研究。增材制造技术逐渐成熟，应用领域不断拓展，展现出新兴技术的巨大潜力。增材制造产业发展已经上升到国家战略层面，科技部2013 年公布的《国家高技术研究发展计划》，以及国家科技支撑计划《制造领域2014 年度备选项目征集指南》，首次将增材制造产业纳入其中。

为加快推进增减材复合制造产业的布局，抢占增减材复合制造制高点，北京机电院机床有限公司充分利用境内外资源的优势，率先研制出XKR40-Hybrid增减材复合机床。该样机开发，实现了国内机床行业增减材复合机床零的突破。增减材复合机床外观图如图1所示。

图1 XKR40-Hybrid增减材复合机床外观图

一、增材技术发展现状

目前，增材制造已经融入航空、医疗、汽车、电子等各个工业领域的生产周期中，国内增材制造产业虽然发展迅猛，但是增材制造技术在关键部件、工艺、耗材、控制系统等方面还没有完全成熟，尚未形成阵营。

随着增材制造技术的发展、成熟，未来增材制造必定会成为装备制造业一项重要的技术，并随着技术的不断进步，效率不断提升、成本不断下降，其在零件制造领域的占比将不断上升，成为零件制造的重要方式，特别是在产品研发阶段成为重要的、快速的成型手段。

目前的金属增材制造方式多种多样，研究较多的是粉料增材，如常说的3D打印方式（非金属材料大多采用此类方式）。由于粉料增材制造在金属零件形成方面还存在很多有待技术完善的方面，如性能、成本、效率。所以也有很多其他的方式在研究，如金属颗粒层积、线材层积、搅拌摩擦焊层积等。线材层积又有激光熔融、电弧熔融、离子束熔融等多种方式。就目前的研究情况看有以下对比，如表1：

较早的应用多采用打印与激光熔融技术，如SLM；日本厂家采用粉料给料、激光熔融的层积技术；也有其他研究是为了避开专利壁垒，进行其他方式增材制造技术的研究。

表1 增材制造技术对比表

二、增材技术发展趋势

由于目前金属增材制造在效率、成本还不具备优势，在成形的性能上还有待于提升、完善，不能满足最终零件的实际需求，所以现有的减材制造（金属切削）在短时间内不能被取代，二者存在着互补关系，所以增减材复合机床是未来一段时期内较为可行的、最接近实用的形式。可以判断，在未来相当长的时间内，增减材复合制造在金属零件加工领域会结合增、减材制造各自的优点，成为主力制造方式。

从目前增材制造技术的发展水平分析，金属增材制造是相对发展较晚的应用，由于金属零件的要求相对高，零件的性能要求较为全面，所以金属增材制造的研究，全球范围内都处在研究的初期。京城机电的传统优势在于金属产品的制造，选择金属增材制造，可以结合自身的优势，结合北京的科研资源优势，可能会有所突破，并占领先机。

三、增减材复合机床的技术原理和技术路线

（1）技术原理

线材和激光增材制造（WLAM）是一种用金属线作为添加材料和用激光作为能源来生产全密度金属部件的AM工艺。 WLAM系统通常由激光器，自动送丝系统，CNC平台组成。

如图2所示，激光器在基础材料上产生熔池，金属丝被供给到其中并熔化，从而与衬底形成熔融结合。 通过移动激光加工头和送丝机或移动基板，在凝固过程中形成焊道。焊接工具和基板的相对运动可以通过使用CNC平台进行。根据工艺过程可知，性能控制相对较容易达到实用的方式，对制造环境的要求较低。项目的主要技术难点在于增材制造的形控与性控，解决方案是一方面企业的先期研究成果，另一方面在今后的工艺研究中不断完善工艺参数和增材CAM软件、检测反馈补偿技术。

图2 激光线材曾材原理

（2）技术路线

增材部分设计独立的单元，承担增材制造，包括线材给料、激光熔融。将其进给运动结合到传统的五轴金切机床中，需要五轴机床的原因是为了容易形成空间的、复杂的形面，降低增材制造本身工艺的难度；减材部分由传统的五轴机床承担，形成增材与减材制造的复合，实现增减材复合制造，并可根据零件形状与性能特点，实现增减材制造的交替进行。

增减材的效率匹配：线材层积的方式是增材效率较高的的方式，通过适当调整线材的直径，改变增材制造的效率，缺点是增加形控的难度，用增材CAM和过程检测来弥补，最终的形状误差由减材制造解决。

增减材的环境要求：激光熔融方式对于环境的要求低，可以降低机床制造的难度，从而降低设备成本。

四、XKR40-Hybrid增减材复合机床

1．XKR40五轴联动机床结构

XKR40五轴联动机床基本配置为X、Y、Z三个直线坐标和A、C两个回转坐标。机床的A、C两个回转坐标设置在前部的双摆角数控转台之中。安装加工零件的圆周工作台，直径φ400mm。工件运动系统包括A轴和C轴。A轴摆角 +10°/-110°。C轴驱动为力矩电机直接驱动方式，可360°旋转。A、C轴均安装高精度角度编码器闭环控制。

机床的刀具运动系统XY轴运动部件安装在机床基座的后上部。Y轴运动的横滑枕通过高精度的直线滚动导轨安装在机床的后上部。Y轴运动采用同步双驱动方案。X轴运动的纵向滑板通过高精度的直线滚动导轨安装在横滑枕的前部。Z向运动的主轴箱通过高精度的直线滚动导轨安装在纵向滑板前部。三个直线轴均采用高精度滚珠丝杠驱动，安装高精度光栅尺闭环控制，保证高的运动精度。为保证高速加工性能，机床的运动部件尽量进行高强度、高刚性、轻质量的设计原则。机床三维简图如图3所示。

图3 XKR40五轴联动机床三维结构图

2.XKR40-Hybrid增减材复合机床

增减材复合机床XKR40-Hybrid是在机电院机床公司成熟的XKR40五轴加工中心机床上增加增材制造单元，实现集增材和减材于一体的复合机床。增减材复合机床的切削主轴和激光增材制造单元可实现三轴直线移动，工件装卡在摇篮转台上可实现两个回转运动。应用五轴切削加工技术和激光层积技术、CAM技术、测量技术，增减材复合机床可完成不同行业具有复杂空间曲面形状零件（如叶盘、叶轮、叶片、模具、传动部件等）的增减材加工和修复，亦可实现由多种材料构成的零件的制造。相比较于其他增材方式和机床，XKR40 Hybrid增减材复合机床能在一次装夹下完成复杂零件的增材及减材加工，达到更高的精度和效率，同时，由于采用了自动送丝和激光层积技术，在材料的可获得性、材料成本、材料均匀性、生产效率、工艺稳定性等方面都体现了令人心动的优势。XKR40-Hybrid增减材复合机床安装图如图4所示，XKR40-Hybrid增减材复合机床激光熔附图如图5所示。

图4 XKR40-Hybrid增减材复合机床安装图

图5 XKR40-Hybrid增减材复合机床激光熔覆图

3．增减材复合机床工艺应用介绍

（1）增材过程中的电子束示意图

图6 增减材复合机床电子束示意图

（2）自动送丝系统

线材式激光焊接技术通常采用手动方式送料，这就和操作人员的技术有很大关系；将这种技术集成到数控机床平台能提高生产过程中的稳定性、重复性和生产效率。带外部送丝机构的激光焊接需要精确定位激光束和填充焊丝。毋庸置疑，高焊接率和高送丝速度需要保证极高的精度，因此对送丝系统提出了特殊的要求。 现代送丝机可以非常准确的控制。这一级别的控制不仅可以实现高重复定位精度的送丝，还可以使送丝脉冲与其他工艺参数完全同步。送丝速度与其他参数的同步效果如图7所示。

图7 送丝速度与其他参数的同步效果

（3）航发叶片的修复

航空发动机叶片是一种生命周期短，维护成本高的部件。 由于运行中的温度和压力高，以及许多外部的冲击，叶片可能会有各种缺陷，如侵蚀、变形、磨损、裂纹和冲击凹陷。 叶片的缺陷会降低航空发动机的效率，甚至会影响飞机的飞行安全。 更换一个新的叶片是昂贵的，而修复损坏的叶片更经济。 目前叶片修复主要依靠人工操作，故修复生产率低，修复质量高度依赖于操作人员的技能。 随着基于CAD / CAM的AMT技术的发展，叶片的自动修复技术在飞机维修检修中得到了广泛的应用，叶片的修复原理图如图8所示，叶片的修复案例如图9所示。

图9 叶片的修复

五、增减材复合机床的市场需求

增减材复合制造技术是全新设计理念和生产制造方式，属于高端技术，对传统装备制造业转型升级具有颠覆性影响，能解决传统纯减材制造所不能解决的问题，并能促进企业对市场的快速反应，增长企业竞争力，缩减产品开发周期，提高企业创新能力，增加工艺选择，提高企业制造水平，更好运用增减材复合制造+信息化手段，提高企业智能化水平。增减材复合制造技术能够解决传统制造业解决不了的问题，培育、发展增减材复合制造高端产业能够让中国传统制造产业尽快赶超国际先进国家的装备制造水平。

传统的航空发动机叶轮、叶片，汽轮机叶轮、叶片等精度要求较高，产品合格率不超过10%，其中，很大一部分不合格零件就是在切削过程中发生的问题。这些只存在一点儿瑕疵的零件附加值很高，在经过XKR40-Hybrid增减材复合机床加工后，基本可以达到预定效果而成为合格的零件。可以说，XKR40-Hybrid增减材复合机床的高端技术，为航空航天、汽车、军工等国家支柱产业领域提供了有力的制造支持，促进我国高端装备制造业的进一步发展，在一定程度上保证了国家产业安全和国家战略安全。

六、结语

虽然XKR40-Hybrid增减材复合机床样机已经制造出来了，但这只是万里长征的第一步，它仍需要根据产品的加工要求优化机械结构，优化加工工艺，集成在线控制和测量系统等工作，它仍需要根据产品的加工需求做大量的性能试验和工艺试验。只有这样慢慢完善机床的性能，才能更好的服务于我国的高端装备制造业。 □