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德瑪吉 3D 加工中心的不銹鋼粉末激光沉積增/減材復合制造

與傳統制造方法相比，增材制造(又稱“3D 打印”) 具有以下優點：1) 可迅速制造出自由曲面和更復雜形態的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復雜的內流道等；
2) 材料利用率高，尤其是對昂貴的稀有材料來說，可大大降低成本；3) 高度自動化，人工干預少；4) 加工效率高，尤其對難加工材料，能迅速制作出產品實體模型及模具[1?2]。在眾多材料中，金屬材料增材制造無疑是最具發展潛力的[3]，根據其成形原理不同，增材制造技術包括激光熔覆、激光堆焊、激光近成形制造、激光直接沉積成形、選擇性激光熔化、等離子熔積制造和電子束熔融制造等[4?6]。任何一種增材制造技術都存在尺寸精度差和表面光潔度不太理想的問題，需要進行后處理，包括整形、拋光、噴丸等，這是由其制備過程中分層疊加造成的尺寸誤差和階梯效應決定的[7?8]。傳統的減材制造(如機加工)具有高精度、高效率和高表面質量等優點，將增材制造與減材制造混合和集成在一臺設備上，便產生了一種新的復合加工技術—增減材復合加工技術。增減材復合加工技術已引起越來越多研發機構的重視。如德國 Fraunhofer IPT 融合材料添加和去除方法開發了控制金屬堆積技術，在增材制造過程中，利用銑切來加工每一層的表面輪廓，制備的不銹鋼零件，致密度達到 99%，并達到精度和表面光潔度要求[9]；日本松浦機械制作所推出的商業化LUMEX A-vance-25 復合光造型機，用激光燒結和銑削工藝相結合的方式(SLM 燒結+銑削)，實現高精度的成型效果[10]；德瑪吉 MORI 推出的LASERTEC 65 3D 是全球首臺真正意義上的增/減材復合加工生產型設備，該設備可以借助高剛性的五軸聯動數控銑床進行高精度的銑削加工與激光加工之間全自由切換，實現快速三維成形和工件精度的良好控制。LASERTEC 65 3D 能夠完整地加工帶底切的復雜工件，能進行修復加工和對模具及機械零件，甚至醫療器械零件進行局部或者全面的噴涂加工，其沉積速度達1 kg/h，比鋪粉激光燒結法制造零件的速度快10 倍，目前在全球已經有 20 余臺的應用量，特別是在歐美、日韓等發達國家。相比于國外，國內對基于增/減材復合制造技術的研究開展較晚，研究不多。華中科技大學張海鷗教授開發的“智能微鑄鍛銑復合制造技術”，實現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。黃河旋風股份有限公司在全國布局了第一臺德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復合加工中心，主要針對傳統行業難以加工的、具有復雜曲面構造的關鍵零部件提供定制化加工服務。異型渦輪增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭，需要銑削外圓、平面和鉆孔，喇叭外周有 12 個接頭，必須采用焊接、銑削和鉆孔等工序。
由于喇叭口大于底座的法蘭，造成法蘭上的孔難以加工。按照傳統的減材制造的觀念，這是一個工藝加工性極差、幾乎無法在一臺設備上加工完畢的零部件。本研究采用 LASERTEC 65 3D，通過激光直接金屬沉積技術進行增材加工成形，并與銑削技術自由切換和交替進行，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削，實現擁有最終品質零件的快速制備，優化沉積工藝參數，初步探究德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復合加工中心進行金屬合金構件增材與減材復合制造的零件加工能力水平和應用空間。
1 實驗
1.1 設備和材料
采用圖 1 所示的德國德瑪吉 MORI LASERTEC 653D 復合加工中心，進行不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復合制造。設備主要參數指標如下：2 500 W 光纖激光器，波長1 030nm，最大光斑直徑達 3 mm，最大成形尺寸為 650 mm×650 mm×560 mm，最大成形速度達 1 kg/h，比粉床鋪粉方式增材制造設備的速度快 10 倍；銑削主軸轉速10 000 r/min，回轉軸(C 軸)360°，擺動范圍(A 軸)±120°。
所用材料為黃河旋風股份有限公司采用惰性氣體霧化法制備的 304 不銹鋼粉末，粉末形貌如圖 2 所示。粉末形貌呈球形，粒徑范圍 50~150 μm，D50 為 85 μm，粉末使用前需在 200 ℃條件下干燥 3 h；基板為直徑200 mm、厚度 20 mm 的圓形 316L 不銹鋼板，打印前用砂紙打磨基板，再用乙醇清洗，以去除基板表面的磨屑和污漬，然后烘干。

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3   結論
1)   采用德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復合加工中心，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復合制造，最佳的沉積工藝參數為：激光功率為 2 400 W，掃描速度為 1 000 mm/min，送粉速率為 14 g/min，沉積件獲得理想的等軸晶組織，其抗拉強度和伸長率分別達到 632 MPa 和
46.9%，與同行業標準相當。
2)   用德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復合加工中心，可完成不銹鋼異型渦輪增壓殼體的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削的復合加工制造，在保證工件精度的前提下，能較好地實現如法蘭鉆孔、接頭生產等難加工部件的一次性成形。

標簽：加工中心

分類：加工中心

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