增减材复合加工的关键技术分析

张鑫 冯清

（江苏联合职业技术学院南京工程分院，江苏 南京 211135）

在传统的材料加工领域中，增材加工与减材加工工艺属于不同制造环节，随着制造产业机械化生产技术研究的不断深化，以激光、电子束、电弧等加工技术为代表的增减材集成控制工艺成为机械制造相关产业技术推广的重点内容。该项复合工艺具有加工精密度高、自动化程度高、结构易构性强等方面的优势，被广泛应用于复杂机械构件的加工制造项目中，发展前景广阔。

1 增减材复合工艺的具体应用原理

基于CAD集成控制系统的增减材零件加工技术，将产品的设计、增材与减材工艺、质量检测、过程操作控制等功能集中在一体化的管理平台上。通过增材工艺按照产品设计具体方案制造出3D模型，并将产品设计的3D需求数据转化为具体的几何参数，这些几何信息融入沉积参数和机加工参数，生成增材制造加工路径数控代码，最终成型3D实体零件[1]。在对实体零件的各项力学性能、尺寸、形状等数据参数进行准确测量后，通过对特征的对照分析，确定具体的误差范围，然后运用减材加工技术对零件的轮廓、内部构造等进行修正，使其与预定产品要求达到一致。基于一体化、集成化的操控系统，构件的塑形加工与切削处理等作业可以在同一机床上进行，在机械零件的实际制造过程中，能够有效提升生产效率与构件加工精确度。

2 增减材机械构件复合加工应用的关键技术

2.1 增减材工艺集成技术

第一，零件加工能量沉积增减材工艺集成。基于直接能量沉积的复合加工集成。现阶段，机床加工直接能量沉积工艺是熔融施工的主要技术应用。在机床上使用喷嘴将原料送到熔池，然后利用热源能量，将熔融处理后的材料层层沉积，使材料成型。第二，冷喷涂构件加工工艺集成。该项技术的应用原理是通过施加初速度将粉末状的零件加工材料喷射出来，在基盘上利用喷射作用使材料产生黏连效应，直至构件最终成型。第三，粉末融积（PBD）集成技术，也可以称为粉床熔融零件生产技术，其原理为：在机床上逐层铺设粉末薄料，每累积一层原料粉末，聚集状态下的热源会按照产品设计几何结构参数，熔融特定范围的材料，熔融加工完成后，重复铺设直至零件成型；第四，材料喷射构件加工技术集成。材料喷射构件加工工艺是指利用材料打印设备的喷嘴装置，将光聚合物等液化材料根据特定的图形、构造要求，喷射到基板指定位置上，当材料转化为固态后，在原有沉积层上继续喷射，直至构件成型。

2.2 复合制造一体化硬件加工平台

增减材集成工艺技术的实现需要对应的硬件设备与控制系统支持，基于一体化控制机床加工平台，能够在保证零件加工质量、降低生产成本的基础上，实现规模化、标准化的零件制备目标。以直接能量沉积加工工艺应用为例，硬件设备包括五轴高速切削机床、激光熔覆喷嘴等设备，对原材料进行推送，实现复合增减材加工处理的目标。在激光熔覆作业过程中，由于材料喷头的位移速度相对较慢、设备质量较轻，因此，无须其他的动力系统支持，可以直接操控机床运动设备进行加工。

2.3 集成控制系统

为实现一体化、集成化管控的目标，在控制系统的实际设计与实行阶段，是以CNC程序为主，对机床进行动态化管理，并在增材加工工作区域内配置相应的送料、3D打印机等设备，对增材与减材工艺进行协同性管理与控制。为确保不同工艺环节的合理衔接与自由切换，CNC系统需要设置对应的产品设计分析、零件加工轨迹计算、送料速率控制、热源能量调节等方面的功能。如系统应具备动态控制零件打印喷嘴、刀具等生成轨迹的功能，以保证零件打印的整体构造符合产品设计标准。在集成管理系统的实际操作阶段，需要在零件增材加工前，事先分析、计算、输入产品参数。在零件整体制造完成后，才能对具体的数据进行评估、调整，在过程监管与控制方面有待完善。以送料喷头作业为例，当送料喷头运动轨迹经过转角位置，变向调整需要一定的停顿时间，但此时由于控制系统对送料情况的动态变化数据掌握不全面、控制不精准，送料的速度没有及时进行调整，将会导致局部材料沉积量过高的问题。

3 发展前景

3.1 多通道加工控制技术

基于CAD集成控制平台，对增材加工工艺与减材制造工艺的作业过程进行动态化、精细化控制，是当前材料加工复合工艺研究与应用的重要课题。为有效优化工艺加工流程，合理控制制造成本，相关技术研究人员提出了多通道加工控制技术，即并行加工两个以上工序或构件，将集成加工、数据监测、材料搬运等多种功能集中在数控机床上，优化加工流程，实现降低制备成本、缩短加工周期的目标。多通道技术作为零件加工产业数控系统多功能化、集成化、自动化发展的主要研究方向，可以充分利用原有的设备基础，通过自动化控制程序的装设与应用，提升生产资源的整体利用质效，具有较高的技术研究价值。

3.2 LAM技术

激光作为当前增减材技术热源应用的热点，转变了传统零件的生产加工模式，按照送粉方式的不同，可以分为直接使用激光沉积同步送粉的LDMD技术、激光选区熔化粉床预先铺粉的SLM技术等。LAM技术可以对零件的拓扑结构、流道结构、点阵结构以及梯度结构等进行精细加工，具有结构功能一体化、轻量化、超强韧、耐极端载荷、超强散热等优势，相应结构效能大幅提高[2]。

3.3 电弧增减材工艺

电弧增减材机械化构件制备模式，将产品设计、功能控制、质量检测等功能集中在一体化的控制平台上，实现了增材加工与减材加工集成管理的目标。如丝材电弧增材（WAAM）加工模式，能够对增材加工流程进行动态性控制，通过设置特定波形热源电流，改善熔滴过渡情况，进一步提升焊接电流与熔滴过渡之间的耦合度，能够优化材料的整体利用质效。与此相对应的，电弧增减材工艺具有热输入要求高、加工成型精度控制难度大等方面的缺陷，相关研究单位逐步探索在增材冷却过程中实施减材加工的可行性，旨在使复合减材加工能够合理利用增材效果，在精度控制与性能优化方面取得了一定的成果[3]。

4 结语

增减材复合加工工艺结合了增材与减材制备技术的优势，通过软件控制，优化了复杂构件的加工流程。新时期，机械制造领域对构件制造沉积效率、材料利用率等方面的要求逐步提升，对激光、电弧、电子束等高能热源的应用研究也不断深化，在降低了复杂构件制备成本的基础上，基于集成化的控制平台，进一步提升了机械构件加工的精确性，有效提升了操作平台的沉积效率，在航空航天、能源动力、医疗机械制造等领域具有广泛、多元的研发前景。