徐善瑞

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

隨著航空航天、汽車(chē)和模具工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的零件數(shù)量越來(lái)越多，其加工難度往往突破了設(shè)備適用范圍的極限，傳統(tǒng)的金屬減材加工受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，增減材復(fù)合制造技術(shù)備受關(guān)注。增減材復(fù)合加工與傳統(tǒng)刀具相比，其加工中心造價(jià)昂貴。刀具的過(guò)熱磨損會(huì)極大程度降低刀具的壽命，增加制造成本，并且嚴(yán)重影響工件加工精度，增加了制造難度。解決刀具過(guò)熱磨損問(wèn)題，已經(jīng)成為目前增減材復(fù)合制造亟待解決的技術(shù)難題。

1 增減材復(fù)合制造工作原理及問(wèn)題

傳統(tǒng)切削加工是通過(guò)車(chē)削、銑削、鉆削、磨削等方法，將毛坯上多余的材料去除而實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的幾何形狀和表面質(zhì)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(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。增材制造是通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)零件的數(shù)字模型進(jìn)行切片處理，使用快速成型設(shè)備將金屬或非金屬材料通過(guò)激光燒結(jié)、光固化和熔融等工藝，通過(guò)材料堆疊形成零件。增材制造可以生成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，并且大大的節(jié)省材料消耗。將兩種加工方法的優(yōu)勢(shì)合二為一的增減材復(fù)合制造技術(shù)，在復(fù)雜零部件加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。以激光燒結(jié)3D 打印和銑削混合加工為基礎(chǔ)的增減材復(fù)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(fù)合加工機(jī)床有兩種。一種是德馬吉森精機(jī)的LASERTEC 6600 DED hybrid，它集成了金屬激光堆焊與五軸切削加工技術(shù)，可以在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行高效的增材制造與減材加工，配有X、Y、Z 3 個(gè)直線軸，以及B、C 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可實(shí)現(xiàn)主軸和副主軸的同步工作，減少工件在2 個(gè)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(shí)進(jìn)行金屬?lài)姺酆图す舛押浮?/p>

另一種是馬扎克的INTEGREX i400 AM 型增材制造車(chē)銑加工中心，該加工中心將增材制造技術(shù)集成到數(shù)控銑削機(jī)床中，可以通過(guò)增材制造的方法“一站式”生產(chǎn)毛坯件，然后通過(guò)數(shù)控銑削的方式快速完成高精度的精加工任務(wù)。它采用了激光燒結(jié)的增材制造方法，通過(guò)光纖激光熱源來(lái)熔化金屬粉末，熔覆頭（噴嘴）通過(guò)讀取用CAD 定義的待加工模型來(lái)熔融材料。該系統(tǒng)還可以加入不同類(lèi)型的金屬對(duì)象，用于修復(fù)現(xiàn)有的磨損或損壞部件，例如對(duì)航空渦輪葉片的修復(fù)，可以極大節(jié)約生產(chǎn)成本。

雖然上述兩種機(jī)床已經(jīng)相對(duì)成熟，但由于增減材復(fù)合制造過(guò)程與傳統(tǒng)刀具相比，其在加工過(guò)程中引入了激光燒結(jié)和激光熔融，使得刀具過(guò)熱磨損問(wèn)題尤為嚴(yán)重。而刀具的磨損會(huì)嚴(yán)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(guò)熱磨損已經(jīng)成為制約增減材復(fù)合制造發(fā)展的難題。

2 現(xiàn)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(rùn)滑減少減材刀具磨損

靜電冷卻干式切削技術(shù)的工作原理是將離子化與臭氧化的壓縮空氣通過(guò)噴嘴輸送至工件切削區(qū)域，在其周?chē)纬商厥獾臍怏w環(huán)境，從而改變鋪粉方式，起到冷卻、潤(rùn)滑的作用[2]。將該技術(shù)應(yīng)用到增減材復(fù)合制造的鋪粉過(guò)程中，具有經(jīng)濟(jì)性高、環(huán)境污染小、剩余粉末和切屑無(wú)需回收處理等優(yōu)點(diǎn)。

該解決方案中，鋪粉、燒結(jié)成型以及切削加工與傳統(tǒng)增減材復(fù)合制造沒(méi)有很大差異，關(guān)鍵在于電離裝置及供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由氣源裝置、電離發(fā)生器、流量計(jì)、控制閥、噴嘴及管路構(gòu)成，加工冷卻原理如圖2 所示。氣瓶中的氣體經(jīng)控制閥和流量計(jì)流入電離裝置，采用高頻IGBT 電源和特種陶瓷間隙管式結(jié)構(gòu)的電離裝置通過(guò)高頻、高壓的沿面放電對(duì)氣體進(jìn)行電離化，最后通過(guò)噴嘴噴向切削區(qū)域。

圖2 靜電冷卻干式切削技術(shù)工作原理

有學(xué)者分別在干切、乳化液及靜電冷卻的條件下進(jìn)行刀具磨損試驗(yàn)，使用硬質(zhì)合金刀具YG8 對(duì)TC4合金材料進(jìn)行切削，通過(guò)對(duì)后刀面的磨損形貌進(jìn)行觀察，分析研究刀具磨損機(jī)理和冷卻潤(rùn)滑性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)切削速度較高時(shí)，電離氣體的冷卻潤(rùn)滑性能優(yōu)于乳化液。由于增減材復(fù)合制造一般切削速度較高，因此可以認(rèn)為此種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)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(fù)合制造以及超精密加工中刀具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)刀具實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和加工能力的需求，本文設(shè)計(jì)了切削力感知系統(tǒng)。智能刀具系統(tǒng)同時(shí)具備切削加工與切削力感知功能，可以對(duì)刀具加工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能通過(guò)振動(dòng)輔助切削以適應(yīng)不同的加工需要，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助加工，以獲得較高的切削質(zhì)量，同時(shí)減少加工過(guò)程中的刀具磨損，以延長(zhǎng)刀具使用壽命（圖3）[3]。

圖3 切削力感知式智能刀具結(jié)構(gòu)

在減材切削加工過(guò)程中，圖3 所示的刀具壓力感制單元通過(guò)對(duì)切削力的實(shí)時(shí)監(jiān)控和后期信號(hào)處理控制，在必要時(shí)加入振動(dòng)輔助加工，以降低刀具的磨損。

2.3 利用改變減材車(chē)削路徑減少減材刀具磨損

在增減材制造過(guò)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(huán)境下發(fā)生氧化反應(yīng)形成的腐蝕產(chǎn)物，質(zhì)地堅(jiān)硬，會(huì)極大縮短刀具的使用壽命，增加了后續(xù)減材加工的難度。而且氧化皮容易使加工工件表面發(fā)生龜裂，影響工件加工質(zhì)量。以大端面為例，數(shù)控程序路徑采用的是矩形循環(huán)走刀路線，其斜面和圓弧采用的是封閉輪廓復(fù)合循環(huán)走刀路線，導(dǎo)致刀尖與產(chǎn)品毛坯表面接觸，會(huì)由于毛坯表面凸凹不平而導(dǎo)致不連續(xù)切削，從而造成刀尖極易磨損、崩刃。因此，優(yōu)化車(chē)削路徑減少刀具與工件表面的高溫接觸和不連續(xù)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(guò)熱變形磨損

在同軸送粉增減材復(fù)合制造過(guò)程中，使用的激光發(fā)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(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，從而影響熔融態(tài)粉末的流動(dòng)性，降低零件的成形質(zhì)量。更為關(guān)鍵的是，沉積掃描過(guò)程中激光束產(chǎn)生大量的熱會(huì)加劇噴頭的變形磨損，而增減材復(fù)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(guò)程中的熱輸入Q 計(jì)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(duì)掃描時(shí)間的積分，而掃描時(shí)間可以通過(guò)熔覆區(qū)域的長(zhǎng)度和速度計(jì)算。計(jì)算熔覆區(qū)域的面積并乘以掃描時(shí)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(guān)，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(huì)影響工件質(zhì)量，降低激光功率P會(huì)影響金屬粉末的融化，因此通過(guò)熔融區(qū)域外部冷卻的方式較為可取。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(jìn)入噴頭打印區(qū)，金屬粉末經(jīng)激光高溫熔化后以熔融態(tài)形成所設(shè)計(jì)的圖形；噴頭最下端是水冷腔，配套有水冷循環(huán)裝置，用于帶走加工過(guò)程中噴頭口處的余熱，以達(dá)到冷卻噴頭的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)機(jī)械制造技術(shù)提出更高的要求，增減材復(fù)合智能化制造已經(jīng)成為尖端制造的發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)目前增減材復(fù)合制造加工過(guò)程中的技術(shù)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(yīng)用場(chǎng)景，創(chuàng)新性地提出利用水冷減少增材噴頭過(guò)熱變形磨損的解決方案，設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行可行性分析，對(duì)研究解決增減材復(fù)合加工刀具磨損問(wèn)題具有借鑒意義。