随着近年来航空航天、汽车和模具工业的技术提高，零件的构造和外形越来越复杂，资料越来越难加工，因而传统的金属切削加工办法遭到严峻的应战。同济大学古代制造技术研讨所张曙教授在《增材制造和切削混合加工机床增材制造和切削混合加工机床》的文章中特别提出了混合加工的定义和类型，并对三种新一代的增材制造和切削加工混合工艺和机床：粉末床选择性激光熔化3D打印和铣削混合加工、激光堆焊3D打印和铣削混合加工以及超声3D打印与铣削混合加工的原理和使用案例停止了详细的论述。

混合加工（HybridMachining）是在一台设备上可完成两种不同机理的加工进程，如增材制造（3D打印）和切削加工混合，电加工和超声波加工混合等。混合加工进程借助不同加工办法的优势互补，明显改善了难加工资料（如钛合金）的可加工性，增加了进程力和刀具/工具磨损，对加工零件的复杂外表完好性和光亮度起到积极作用，为产品设计师开拓了新思绪，大大促进了高端产品的创新。

混合加工不是通常所说的复合加工。复合加工是指一台机床上集成了包括车、铣、钻、攻丝和深镗孔等多种工序，可以对一个工件经过一次装夹停止从毛坯到成品全部加工，也称为多义务（Multi-tasking）、多功用（Multi-functional）或完好加工（Completemachining）。

混合加工可分为不同动力或工具的混合和不同进程机理的可控使用两大类，不同动力或工具的混合又可分为辅佐性进程（如车削时借助激光硬化工件外表）以及混合性进程（如电加工和电化学加工同时停止等）。增材制造与切削加工的混合属于不同进程机理可控使用的混合。

1现状与趋向

1.1激光加热辅佐切削

激光加热辅佐切削（LaserAssistedMachining）是将激光束聚焦在切削刃前的工件外表，在资料被切除前的短工夫内将部分加热到低温，使资料的切削功能变得易于切削。经过对工件外表加热，进步资料的塑性，降低切削力，减小刀具磨损，减小振动，从而到达进步加工效率、降低本钱、进步外表质量的目的。对高强度资料，激光加热改善了其可加工性，对硬脆资料可将其脆性转化为延展性，使屈从强度降低到断裂强度以下，防止加工中呈现裂纹。

振动辅佐车削（VibrationAssistanceTurning）是在车刀上施加振幅很小（300nm~500nm）的超声振动（40kHz~80kHz），使刀具和工件周期地接触和脱离，从而改动切削进程的物理特性。由于在振动形态下，刀具和工件的接触工夫短于互相脱离工夫，所构成的切屑短小，切削力小，切削温度低，改善了加工外表的质量。超声振动安装构造绝对复杂，可作为刀夹部件装置在规范精细车床上，即可对淬硬工件或难加工资料停止镜面车削。

1.2电加工和磨削的混合加工机床

德国瓦尔特（Walter）公司的HelitronicDiamond刀具磨床按2合1的设计理念，在一台机床上用旋转电极加工PKD/CBN刀具和砂轮磨削硬质合金/高速钢刀具。机床为龙门构造，X、Y、Z轴的挪动皆采用直线电机，A、C轴由力矩电机驱动，机床两外侧可辨别配置电极/砂轮和刀具工件的交流零碎。机床用于加工构造对称而外形复杂的刀具，采用两头皮带驱动的轴，两端可辨别装置1~3个旋转电极和砂轮，回转180°切换；采用电主轴时只能在一端装置1~3个旋转电极或砂轮。机床的外观和加工实况如图3所示。

1.3新趋向:增材制造和切削加工的混合

增材制造的原理是经过资料的不时叠加而构成零件，包括定向粉末堆积、粉末床激光熔化、薄材叠层、液态树脂光固化和丝材熔融等，这些是加法。切削加工是从毛坯上切除多余的资料而构成最终零件，包括车、铣、钻、刨、磨等，与增材制造相反，就资料而言都是减法。增材制造优势在于节省资料、可以构建构造和外形极端复杂的零件，而切削加工却具有高效率、高精度和高外表质量的优点，两者混合和集成在一台机床上就创始了令人鼓舞的使用前景。3D打印是直接数字制造，将产品CAD实体模型切成薄片，按轮廓停止加工，再一层层叠加而成，故也称为叠层制造，是智能制造的支撑技术。

3D打印可构建恣意复杂外形的产品，最无效地发扬资料特性，为设计师翻开了有限的创新空间。3D打印的产品是定制和特性化的无独有偶产品，不只可按需制造，还可以在本企业就地制造。

应该指出，汽车、航空航天和模具的重要零件都是金属而非塑料制成的；因而金属3D打印零件而非原型制造处于增材制造前沿，创始了产品创新的新纪元。

2选择性激光熔化3D打印和铣削的混合加工

日本松井（Matsuura）公司推出的LumexAvance-25混合加工机床是将激光熔化3D打印与铣削加工集成，其外观和典型加工案例如图3所示。 #p#分页标题#e#

LumexAvance-25是在一台机床上先停止选择性激光熔化（3D打印）加工，然后借助高速铣削精加工整个零件或其局部外表以取得高精度和高外表质量。其原理是每打印10层（约0.5mm~2mm）构成一金属薄片后，用高速铣削（主轴45000r/min）对其轮廓精加工一次，再打印10层，再精铣轮廓，不时反复，最终叠加成为高精度、构造复杂的零件，如图4所示。

改动激光的聚焦大小和粉末资料，可制造出不同资料密度，包括多孔构造的零件。由于一次装夹完成工件的“增材生长”和精加工，激光熔化与铣削混合加工可到达±2.5μm精度，整个工件的尺寸精度可达±25μm。

激光熔化和铣削混合加工的最大优点是，无需拼装即可制成复杂模具。传统制造办法是，将复杂模具其分解为若干组件，制成后加以拼装，不只费时费事，而且不可防止存在一定误差，降低了模具的精度。在激光烧结3D打印和铣削集成的机床上却可将具有深沟、薄壁的复杂模具一次加工完成，完全改动了复杂模具的设计和制造进程。

其次，注射机将消融的塑料射入注塑模时，会发生低温，招致模具冷却工夫大于注射成形的工夫，冷却管道的设计和加工往往成为注塑模优劣的关键。传统注塑模采用钻孔办法制造直通和穿插的冷却管道，与模具外表外形不等距，热传导不平均，冷却效果较差。采用激光熔化3D打印，可制造沿模具外表共形的3D冷却管道，发热外表与冷却外表根本等距，分明进步冷却效果，延长冷却工夫，分明进步注射机的消费效率。

3激光堆焊3D打印和铣削混合加工机床

3.1德马吉的LASERTEC653D机床

德马吉森精机（DMGMORI）公司推出LASERTEC653D，是将激光堆焊技术与5轴铣削技术集于一体，构成共同的混合加工机床，其外观如图5所示。

LASERTEC653D混合加工机床配有2kW的激光器停止激光堆焊3D打印，同时还借助全功用的高刚性的单体（monoBLOCK）构造的5轴联动数控铣床停止高精度的铣削加工。“LASERTEC653D的铣削加工与激光加工之间能全自动切换，它能完好加工带底切的复杂工件，能停止修复加工和对模具及机械零件甚至医疗器械零件停止部分或片面的喷涂加工。与粉床的激光焊接办法不同，激光堆焊技术经过金属粉末喷嘴可消费大型零件。堆焊速度可达1kg/h，比粉床激光烧结办法制造零件的速度快10倍。它与铣削技术的结合创始了全新的使用范畴。复杂的工件经过多个步骤成形，铣削与堆焊可交替停止。这样，由于几何外形的限制无法用刀具加工的零件部位能在最终成形前加工，并到达最终精度要求。

混合加工机床不只拥无数控铣床优点，如高精度和高外表质量，还有粉末堆焊技术的灵敏性和堆焊速度快的优点。例如，关于全体构件，需求铣削切除的金属比例达95%，而用增材办法仅在需求的中央堆焊。这将大幅节省宝贵的工件资料和降低加工本钱。

激光器以及所带的粉末堆焊头一同装置在铣削主轴的HSK刀柄处。机床停止铣削加工时，它自动停靠在平安的右侧地位。机床与加工进程由数控零碎控制，控制零碎是带CELOS与Operate4.5版的Siemens840Dsolutionline。

颗粒大小为50μm～200μm的粉末经过激光头中的管道保送到工件外表，与此同时激光束将金属粉末堆焊在基体资料（工件）的表层，并与基体资料结合在一同，两头无空泛也无裂纹，因此结合强度很高。在堆焊进程中，同时提供惰性维护气体，防止熔覆的金属氧化。金属层冷却后，即可停止机械加工。LASERTEC653D激光堆焊头的任务原理和运转实况如图6所示。其技术关键是熔池的温度测量与进程控制，在喷头里有摄像机采集熔池温度图像。

这个混合加工办法的突出优点之一是允许堆焊多层的不同资料。依据选用的激光器与喷嘴几何参数，堆焊的壁厚从0.1mm到5mm，能生成复杂的3D轮廓和几何外形。由于激光堆焊和铣削加工可方便地互相切换和交替停止，使得可以在零件堆焊成形进程两头，精铣工件在成形完后刀具无法抵达的局部。典型案例是一喇叭状涡轮增压壳体，底端有带散布孔的法兰，需铣削外圆、立体和钻孔，喇叭外周有12个接头，需焊接、铣削、钻孔等，喇叭口的大于底座的法兰，形成法兰上的孔难以加工。如图7所示。依照传统的制造观念，这是一个工艺性极差、简直无法在一台设备上加工终了的零件，但是混合加工却发明了古代制造的奇观。 #p#分页标题#e#

普通来说，动力或航空航天工业用的数控机床都十分昂贵。因而，用同一台机床停止粗加工、堆焊和精加工将带给客户宏大的经济利益。此外，动力和石油工业的零件通常需求喷涂耐蚀合金，防止磨损。堆焊技术能维护许多使用于恶劣环境中的产品，例如管接头、法兰和特殊构造件。

LASERTEC653D机床的亮点是巧妙结合激光堆焊技术与铣削技术，完成最高的外表质量和工件精度。配粉末喷嘴的激光堆焊比粉床方式的增材制造速度快10倍，金属粉末的应用率高达80%。可加工完好3D工件，最大直径达500mm，不需求任何支撑结构，甚至可构成悬垂轮廓，直接加工成品件上无法加工到的部位。

德马吉森精机公司最近又推出Lasertec43003D混合加工机床，将异样的增材制造技术与铣削/车削集成，可加工Φ660mm和长1,500mm的工件，进一步为产品设计师开拓新的创新空间。

3.23D打印堆焊头

美国混合制造技术（HybridManufacturingTechnologies）公司推出构造紧凑的3D打印堆焊头，具有与铣刀锥柄相反的接口，可装置在加工中心刀库中，像刀具一样停止交流。如图8所示。

当机械手将堆焊头拔出主轴后，衔接激光光源、供粉和供气管道的接口座随即移至相应地位，插到堆焊头上，接通各种供给，即可开端任务。由于这种“功用部件”的堆焊头运用方便，颇受各国机床制造商的欢送，例如，日本马扎克的Integrexi400AM增材制造车铣加工中心就采用这种堆焊头，其外观如图9所示。

4Fabrisonic的超声增材制造

美国Fabrisonic公司是一家异乎寻常的工业级三维打印机消费商。该公司运用爱迪生焊接研讨所的专利开发了一种将超声波焊接与数控加工结合起来的技术，称为超声增材制造（UltrasonicAdditiveManufacturing--UAM）。超声增材制造与LSA、FDM、SLS等增材制造（3D打印）工艺不同，不是采用液态树脂固化、丝材熔融涂覆或激光粉末烧结，而是用超声波去熔融带状金属薄片，一层层叠加起来，从而完成基于叠层制造（LayerManufacturing）原理的三维打印。超声增材制造与分层实体的薄材选择性切割（LOM）有些相似，不过不是将纸用激光轮廓切割后一层层粘接成零件，而是运用频率高达20,000Hz的超声波施加在金属片上，借助超声波的振荡能量使两个需焊接的外表摩擦，构成分子层间的熔合，然后以异样的原理逐层延续地焊接金属片，并同时经过机械加工来完成精密的三维外形，从而构成坚实的金属物体。借助Fabrisonic的办法可以同时“打印”多种金属资料，如铝、铜、不锈钢和钛合金。由于超声焊接的任务温度很低，不会发生不用要的金相变化。该工艺可以运用成卷的铝或铜质金属箔片制造出有高度复杂外部通道的金属部件。

大少数金属三维打印机成形效率较低，小于100cm3，且任务空间无限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列超声增材制造机床的打印效率能到达250cm3~500cm3，其任务台面积为1000mm×600mm，机床外观和任务空间如图9所示。

从图中可见，SonicLayer4000超声增材制造机床的构造分为两局部，两头是用于铣削加工的主轴，功率为19kW，转速为8000r/min；右侧为9kW的超声增材制造焊头，焊接力1,200kg，最大进给速度为5,000mm/min，用于增材制造金属零件。

由此可见，这种超声增材制造设备是在3轴数控机床的根底上衍生出来的，焊接进程可以在任何时点中止，然后再用机械加工做出外部的三维通道。然后再用增材制造将其密封起来。

由于电子设备往往会发生热量，热管理组件往往会成为设计的关键局部。这种热交流器安装过来是借助数控机床加工而成的，但机加工在创立复杂的通道以及阵列式的穿插钻孔和外部途径的才能非常无限。而如今可以经过超声增材制造来制造出拥有复杂外部通路的金属部件，使其具有良好的热传导性。由于超声增材制造工艺是固态的，温度低于250℃，没有到达金属熔化温度。超声增材制造工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能资料”比方传感器、电子电路和致动器等完全嵌入密实的金属构造，而不会招致任何损坏，从而为电子器件的设计带来新的能够性，如图10所示。

5结语

增材制造与传统切削加工的集成在一同，处理了许多传统加工办法，包括3D打印的难题，为产品设计师创始拓了的新的创新空间，成为智能制造的一支新的生力军。     本文作者：张曙教授（同济大学古代制造技术研讨所）