《工程科学学报》：增减材混合制造的研究进展（哈尔滨工程大学）

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 增减材混合制造的研究进展 果春焕王泽昌严家印袁丁姜风春王建东牛中毅 Research progress in additive-subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding.JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong.NIU Zhong-yi 引用本文： 果春焕，王泽昌，严家印，袁丁，姜风春，王建东，牛中毅.增减材混合制造的研究进展.工程科学学报，2020,42(5)：540- 548.doi10.13374j.issn2095-9389.2019.06.18.006 GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding,JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong,NIU Zhong-yi.Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(5):540-548.doi: 10.13374-issn2095-9389.2019.06.18.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报.2019,41(2：159 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.002 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 Synergetic method between materials flow and energy flow in iron and steel intelligent manufacturing 工程科学学报.2017,391)：115 https::/1doi.org/10.13374斩.issn2095-9389.2017.01.015 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based OD-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报.2019,41(3)：279 https:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.03.001 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报.2020,42(2：144 https:/1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.04.30.002 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报.2018,40(12：1468 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.004

增减材混合制造的研究进展 果春焕 王泽昌 严家印 袁丁 姜风春 王建东 牛中毅 Research progress in additive–subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan, WANG Ze-chang, YAN Jia-yin, YUAN Ding, JIANG Feng-chun, WANG Jian-dong, NIU Zhong-yi 引用本文: 果春焕, 王泽昌, 严家印, 袁丁, 姜风春, 王建东, 牛中毅. 增减材混合制造的研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(5): 540- 548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 GUO Chun-huan, WANG Ze-chang, YAN Jia-yin, YUAN Ding, JIANG Feng-chun, WANG Jian-dong, NIU Zhong-yi. Research progress in additivesubtractive hybrid manufacturing[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(5): 540-548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 Key factors and developmental directions with regard to metal additive manufacturing 工程科学学报. 2019, 41(2): 159 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.002 钢铁智能制造背景下物质流和能量流协同方法 Synergetic method between materials flow and energy flow in iron and steel intelligent manufacturing 工程科学学报. 2017, 39(1): 115 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.015 卤化物钙钛矿量子点0D-2D混合维度异质结构光探测器的研究进展及挑战 Halide perovskite quantum dot based 0D-2D mixed-dimensional heterostructure photodetectors:progress and challenges 工程科学学报. 2019, 41(3): 279 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.001 炼钢连铸生产调度的研究进展 Progress of research on steelmakingcontinuous casting production scheduling 工程科学学报. 2020, 42(2): 144 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.30.002 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报. 2018, 40(12): 1468 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004

工程科学学报.第42卷.第5期：540-548.2020年5月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.5:540-548,May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006;http://cje.ustb.edu.cn 增减材混合制造的研究进展 果春焕，王泽昌，严家印，袁丁，姜风春四，王建东，牛中毅 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨150001 ☒通信作者，E-mail:fengchunjiang@hrbeu.edu.cn 摘要增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件，因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用.然而，增材 制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件，阻碍了增材制造的进一步应用.增减材混合制造 将增材制造与传统的加工手段结合，对增材制造成形的部件进行高精度数控加工，以改善部件表面光洁度以及零件的几何和 尺寸精度.本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展，并指出了未来的发展方向. 关键词增材制造：数控加工；增减材混合制造；工艺规划：表面质量 分类号TG65 Research progress in additive-subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan,WANG Ze-chang,YAN Jia-yin,YUAN Ding,JIANG Feng-chun,WANG Jian-dong,NIU Zhong-yi College of Material Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China Corresponding author,E-mail:fengchunjiang@hrbeu.edu.cn ABSTRACT Compared with the traditional subtractive and equal manufacturing (SM/EM)computer numerical control (CNC) machining,press working,and casting,additive manufacturing(AM)technology has great advantages in the construction of high- complexity parts.Moreover,its material usage rate is high and the production cycle is short.Therefore,AM is the focus of civil aviation and defense industries,which need high-hardness metal materials and precision machining.However,the thermal history of the AM process affects the geometry of the weld pool,causing the workpiece to fail to meet tolerance requirements.Additionally,large temperature gradients and cooling rate inhomogeneity can also lead to excessive residual stress in the formed parts,which may cause deformation or even fracture of the parts.Factors such as poor dimensional and geometric precision,lower surface quality than that in conventionally formed parts,and poor uniformity of material properties hinder further application of AM.To solve the above problems, the concept of additive and subtractive hybrid manufacturing(ASHM)was developed.Additive and subtractive hybrid manufacturing combines AM with traditional machining and material reduction technology on a single work platform.It involves alternating additive and material reduction operations to improve the surface quality and the geometric and dimensional accuracy of the parts and alleviate residual stress in the parts.According to the different characteristics of an energy source for AM,this paper expounded the technical principle and research progress of ASHM based on arc,laser,and other energy sources and introduced the research progress of the ASHM process.The advantages and disadvantages of the application of this technology in the industrial field were analyzed,and the future development direction of the technology was presented.The ASHM process is expected to become more intelligent,integrated, and standardized in the future. KEY WORDS additive manufacturing;CNC machining:additive/subtractive hybrid manufacturing;process planning;surface quality 收稿日期：2019-06-18 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFB1103701)

增减材混合制造的研究进展 果春焕，王泽昌，严家印，袁    丁，姜风春苣，王建东，牛中毅 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨 150001 苣通信作者，E-mail：fengchunjiang@hrbeu.edu.cn 摘    要    增材制造可以制造通过传统方法难以制造的复杂部件，因此在航空工业等领域中得到了大规模的应用. 然而，增材 制造成形部件的尺寸和几何精度以及表面质量低于传统方法成形的部件，阻碍了增材制造的进一步应用. 增减材混合制造 将增材制造与传统的加工手段结合，对增材制造成形的部件进行高精度数控加工，以改善部件表面光洁度以及零件的几何和 尺寸精度. 本文阐述了增减材混合制造的技术原理和研究进展，并指出了未来的发展方向. 关键词    增材制造；数控加工；增减材混合制造；工艺规划；表面质量 分类号    TG65 Research progress in additive–subtractive hybrid manufacturing GUO Chun-huan，WANG Ze-chang，YAN Jia-yin，YUAN Ding，JIANG Feng-chun苣 ，WANG Jian-dong，NIU Zhong-yi College of Material Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China 苣 Corresponding author, E-mail: fengchunjiang@hrbeu.edu.cn ABSTRACT    Compared  with  the  traditional  subtractive  and  equal  manufacturing  (SM/EM)  computer  numerical  control  (CNC) machining,  press  working,  and  casting,  additive  manufacturing  (AM)  technology  has  great  advantages  in  the  construction  of  high￾complexity parts. Moreover, its material usage rate is high and the production cycle is short. Therefore, AM is the focus of civil aviation and  defense  industries,  which  need  high-hardness  metal  materials  and  precision  machining.  However,  the  thermal  history  of  the  AM process  affects  the  geometry  of  the  weld  pool,  causing  the  workpiece  to  fail  to  meet  tolerance  requirements.  Additionally,  large temperature gradients and cooling rate inhomogeneity can also lead to excessive residual stress in the formed parts, which may cause deformation or even fracture of the parts. Factors such as poor dimensional and geometric precision, lower surface quality than that in conventionally formed parts, and poor uniformity of material properties hinder further application of AM. To solve the above problems, the concept of additive and subtractive hybrid manufacturing (ASHM) was developed. Additive and subtractive hybrid manufacturing combines AM with traditional machining and material reduction technology on a single work platform. It involves alternating additive and material reduction operations to improve the surface quality and the geometric and dimensional accuracy of the parts and alleviate residual stress in the parts. According to the different characteristics of an energy source for AM, this paper expounded the technical principle  and  research  progress  of  ASHM  based  on  arc,  laser,  and  other  energy  sources  and  introduced  the  research  progress  of  the ASHM process. The advantages and disadvantages of the application of this technology in the industrial field were analyzed, and the future development direction of the technology was presented. The ASHM process is expected to become more intelligent, integrated, and standardized in the future. KEY WORDS    additive manufacturing；CNC machining；additive/subtractive hybrid manufacturing；process planning；surface quality 收稿日期: 2019−06−18 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFB1103701） 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期：540−548，2020 年 5 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 5: 540−548, May 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.18.006; http://cje.ustb.edu.cn

果春焕等：增减材混合制造的研究进展 541 增材制造(AM)又被称为3D打印，是指直接 产业有种类丰富、价格较低的商用机床，大量经验 使用叠层堆积方式由计算机辅助设计(CAD)模型 丰富的操作工人，统一的行业标准，这些都是增材 构建三维部件的制造工艺.在过去30年中，增材 制造难以企及的优势.欧洲增材领域代表性企业 制造已经适用于多种材料、尺寸的零部件制造，在 SLM Solutions全球市场营销副总裁Stefan Ritt认 多领域得到了广泛的应用.如今通用电气(GE)、 为，3D打印与传统加工方式的关系是互补而不是 空客(Airbus)这样的工业巨头已经将3D打印技术 替代，传统加工与3D打印将会并存.3D打印将成 推向产业化.主流的增材制造方法包括选择性激 为整个加工链的一环四 光熔化(SLM),选择性激光烧结(SLS),熔融沉积 增减材混合制造主要有以下优势：1)相对增 建模(FDM),激光工程净成形(LENS),电弧增材 材减材工艺部件有更高精度、表面质量：2)材料 制造(WAAM)和电子束熔化(EBM)等.相对于传 利用率最高可达97%；3)加工过程中工件无需移 统的数控加工，压力加工与铸造等制造工艺，增材 动，降低了移动带来的定位误差和碰撞事故：4)单 制造在复杂度较高的零件构建上有着巨大的优 一机床代替了复杂的工艺链，节省车间空间的同 势；同时，其材料利用率高、成形周期较短，因此增 时更加节能环保：5)能加工增材制造难以成形的 材制造受到经常使用高硬度金属材料并需要进行 内部精细结构和垂悬结构：6)总投资较低，混合机 精密加工的民航工业以及国防工业的重点关注. 床的价格低于整条工艺链所需的设备，且增减材 工业界一度认为这种颠覆性的制造技术会挑战传 工艺在混合机床中共享软硬件平台（引导系统，机 统制造工艺的地位 床结构，数字控制(CNC)系统，用户界面).因此， 然而，随着人们对增材技术的了解越发深入， 增减材制造受到了众多工业巨头的青睐.本文将 这种工艺的缺点也逐步浮现.增材技术利用高能 分别从基于电弧、激光以及其他能量源的增减材 能量源逐点逐层熔化和凝固材料，不可避免地会 制造技术的研究现状和增减材制造工艺规划的研 在相邻层之间存在台阶效应等负面影响，导致表 究进展来介绍增减材混合制造这门技术的最新发 面质量、尺寸精度较低.因此，增材制造的零件表 展现状 面精度达不到机加工的水平，而如航空航天领域 1增减材混合制造技术的国内外研究进展 的精密部件对尺寸公差的要求十分严苛，单纯依 赖增材制造构建的零件难以满足其精度要求.此 1.1增减材混合制造的技术原理 外，大规模生产情景下增材制造的生产效率低于 Chang等)首先提出增减材混合制造(Additive/ 传统工艺.AMT的制造技术副总裁Tim Shinbara subtractive hybrid manufacturing,.ASHM)这一概念， 认为，传统加工的效率是增材制造效率的3倍，这 即融合增减材制造各自的优势，通过增材制造一 是增材制造无法取代传统加工技术的重要原因山 层或多层后，利用铣削等减材制造方法将零件精 传统工艺经过长期的发展积累已经十分成熟，除 加工至设计尺寸和形状，增减材制造交替或同步 了在精度、效率、表面质量方面的优势，传统制造 进行（如图1所示），以提高成形件的表面质量和 (1)Start (2)Additive process (3)Milling (4)Additive process pindle Substrate Workbench (5)Milling (6)Additive process (7)Milling (8)Finish This cycle is repeated 图1增减材混合制造原理图9 Fig.I Schematic of the ASHM process

增材制造（AM）又被称为 3D 打印，是指直接 使用叠层堆积方式由计算机辅助设计（CAD）模型 构建三维部件的制造工艺. 在过去 30 年中，增材 制造已经适用于多种材料、尺寸的零部件制造，在 多领域得到了广泛的应用. 如今通用电气（GE）、 空客（Airbus）这样的工业巨头已经将 3D 打印技术 推向产业化. 主流的增材制造方法包括选择性激 光熔化（SLM），选择性激光烧结（SLS），熔融沉积 建模（FDM），激光工程净成形（LENS），电弧增材 制造（WAAM）和电子束熔化（EBM）等. 相对于传 统的数控加工，压力加工与铸造等制造工艺，增材 制造在复杂度较高的零件构建上有着巨大的优 势；同时，其材料利用率高、成形周期较短，因此增 材制造受到经常使用高硬度金属材料并需要进行 精密加工的民航工业以及国防工业的重点关注. 工业界一度认为这种颠覆性的制造技术会挑战传 统制造工艺的地位. 然而，随着人们对增材技术的了解越发深入， 这种工艺的缺点也逐步浮现. 增材技术利用高能 能量源逐点逐层熔化和凝固材料，不可避免地会 在相邻层之间存在台阶效应等负面影响，导致表 面质量、尺寸精度较低. 因此，增材制造的零件表 面精度达不到机加工的水平，而如航空航天领域 的精密部件对尺寸公差的要求十分严苛，单纯依 赖增材制造构建的零件难以满足其精度要求. 此 外，大规模生产情景下增材制造的生产效率低于 传统工艺. AMT 的制造技术副总裁 Tim Shinbara 认为，传统加工的效率是增材制造效率的 3 倍，这 是增材制造无法取代传统加工技术的重要原因[1] . 传统工艺经过长期的发展积累已经十分成熟，除 了在精度、效率、表面质量方面的优势，传统制造 产业有种类丰富、价格较低的商用机床，大量经验 丰富的操作工人，统一的行业标准，这些都是增材 制造难以企及的优势. 欧洲增材领域代表性企业 SLM Solutions 全球市场营销副总裁 Stefan Ritt 认 为，3D 打印与传统加工方式的关系是互补而不是 替代，传统加工与 3D 打印将会并存. 3D 打印将成 为整个加工链的一环[2] . 增减材混合制造主要有以下优势：1) 相对增 材/减材工艺部件有更高精度、表面质量；2）材料 利用率最高可达 97%；3）加工过程中工件无需移 动，降低了移动带来的定位误差和碰撞事故；4）单 一机床代替了复杂的工艺链，节省车间空间的同 时更加节能环保；5）能加工增材制造难以成形的 内部精细结构和垂悬结构；6）总投资较低，混合机 床的价格低于整条工艺链所需的设备，且增减材 工艺在混合机床中共享软硬件平台（引导系统，机 床结构，数字控制（CNC）系统，用户界面）. 因此， 增减材制造受到了众多工业巨头的青睐. 本文将 分别从基于电弧、激光以及其他能量源的增减材 制造技术的研究现状和增减材制造工艺规划的研 究进展来介绍增减材混合制造这门技术的最新发 展现状. 1    增减材混合制造技术的国内外研究进展 1.1    增减材混合制造的技术原理 Chang 等[3] 首先提出增减材混合制造（Additive/ subtractive hybrid manufacturing, ASHM）这一概念， 即融合增/减材制造各自的优势，通过增材制造一 层或多层后，利用铣削等减材制造方法将零件精 加工至设计尺寸和形状，增减材制造交替或同步 进行（如图 1 所示），以提高成形件的表面质量和 (1) Start (2) Additive process (3) Milling (4) Additive process z Laser Spindle x y Substrate Workbench (5) Milling (6) Additive process (7) Milling (8) Finish This cycle is repeated... 图 1    增减材混合制造原理图[4] Fig.1    Schematic of the ASHM process[4] 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 541 ·

542 工程科学学报，第42卷，第5期 成形效率.由于不同能量源在增材制造成形的过 光洁表面有利于良好的层间结合.为避免在制造 程中有不同的特点和适用范围，本文将按照增材 过程中升降增材喷嘴时发生碰撞，在混合机床配 制造所利用的各种能量源，逐类阐述电弧、激光以 备了气动制动器：焊接电源安装在机床的保护板 及其他能量源条件下增减材混合制造装备的研究 内.对于增减材混合加工中冷却这一难点问题，则 进展情况. 采用带有Z字形冷却管的多孔夹具来改善沉积与 1.2基于不同能量源的增减材混合制造研究进展 机加工过程中的散热（如图3）.ArcHLM工艺在制 1.2.1以电弧为能量源的混合制造 造金属刀具和模具时能节省大量的时间和成本， 电弧熔丝与铣削的结合是增减材混合制造最 更重要的是将增材制造和精加工整合到单一平台 常见的形式，即借助电弧产生的高温熔化丝材沉 上进行统一控制，可以说是增减材混合加工机床 积一层材料后，再对沉积层精密铣削得到平整的 开发最早的尝试之一 表面，如此往复制得高精度零部件 张海鸥等)发明了“智能微铸锻铣混合制造” 技术（如图2所示），即将电弧微铸增材成形与连 续微锻等材成形、铣削减材成形方法混合，在沉积 层半凝固微区对其进行同步连续微锻造来细化沉 积层晶粒，并采用数控铣削方式去除后续难加工 图3 ArcHLM工艺采用的带有冷却管的夹具W 和缺陷部分.此工艺具有流程短，能耗低，设备一 Fig.3 Universal fixture with coolant ducts used by ArcHLM 体化、小型化的优势，且成形零件的力学性能优于 同种材料的传统锻件，是一种新型绿色制造方法 Song等将两个GMAW焊枪集成在3轴机 Akula等和Karunakaran等)开发了一种搭载了 床的主轴旁，交替进行沉积和铣削操作，得到致密 CNC铣削和熔化极气体保护焊(GMAW)两种工艺 度在90%以上的零部件，铣削后的部件表面粗糙 的混合机床及基于PLC的机床控制系统.混合加 度(Ra)达2μum,拉伸强度与低碳钢丝相当.Song 工中沉积与铣削交替进行，一旦达到近净形状，就 等1©还使用该设备制造了多材料零件，即用两个 进行精铣削以完成零件.在测试了成形件性能后， 增材喷嘴分别沉积不同的材料，将低碳钢芯包裹 发现该方法制造的零件虽在机械性能上不如传统 在不锈钢外壳内，得到了强度高、韧性好的组合零 方式制造的零件，但几何精度在CNC铣削之后可 件，两种材料可以在电镜下观察到明显的界面. 达0.030mm.该团队也分析了沉积参数在增减材 目前基于电弧的增减材混合制造普遍采用 混合制造中的影响，发现了材料微观结构随沉积 3轴或5轴机床或机器人作为运动平台，搭载改装 参数的变化规律，以及结构零部件在增材过程由 的焊接设备沉积材料.为避免焊枪阻碍CNC加工 于升降温不均匀产生了变形 操作，一部分设备为焊枪增加了伸缩功能.这类工 艺通常只对沉积层顶面铣削，缺少对层间轮廓铣 Deposition direction Heat source 削的尝试，因此制造出的零部件结构相对简单，没 有悬垂和内部精细结构 Continuous Milling forging 1.2.2以激光为能量源的混合制造 在主要的增材制造工艺中，电弧增材制造的 Melting pool 零部件存在精度差与变形的缺陷，且使用电导率 低下的丝材时沉积效果差，这些局限性使研究人 Just-solidified zone Thermal 员将目光转向了激光 deformation zone Kerschbaumer和Ernst!报道了一种激光熔覆 图2智能微铸锻铣混合制造原理图 和CNC混合加工系统，将Nd:YAG激光熔覆头和 Fig.2 Principle of smart micro-casting,forging,and millingls 送粉系统集成到商用Roders5轴数控机床中，5轴 Karunakaran等)和Sreenathbabu等s提出一 机床允许在多个构建方向上沉积材料，避免熔融 种基于电弧熔丝的电弧混合叠层制造工艺 材料沿倾斜表面流动，同时显著降低对支撑结构 ArcHybrid-layered manufacturing,ArcHLM), 的要求；5轴机床的灵活性还使得减材过程中刀具 道沉积层完成后进行CNC端面铣削处理，得到的 可加工区域增多.该研究发现，在交替激光熔覆和

成形效率. 由于不同能量源在增材制造成形的过 程中有不同的特点和适用范围，本文将按照增材 制造所利用的各种能量源，逐类阐述电弧、激光以 及其他能量源条件下增减材混合制造装备的研究 进展情况. 1.2    基于不同能量源的增减材混合制造研究进展 1.2.1    以电弧为能量源的混合制造 电弧熔丝与铣削的结合是增减材混合制造最 常见的形式，即借助电弧产生的高温熔化丝材沉 积一层材料后，再对沉积层精密铣削得到平整的 表面，如此往复制得高精度零部件. 张海鸥等[5] 发明了“智能微铸锻铣混合制造” 技术（如图 2 所示），即将电弧微铸增材成形与连 续微锻等材成形、铣削减材成形方法混合，在沉积 层半凝固微区对其进行同步连续微锻造来细化沉 积层晶粒，并采用数控铣削方式去除后续难加工 和缺陷部分. 此工艺具有流程短，能耗低，设备一 体化、小型化的优势，且成形零件的力学性能优于 同种材料的传统锻件，是一种新型绿色制造方法. Akula 等[6] 和 Karunakaran 等[7] 开发了一种搭载了 CNC 铣削和熔化极气体保护焊（GMAW）两种工艺 的混合机床及基于 PLC 的机床控制系统. 混合加 工中沉积与铣削交替进行，一旦达到近净形状，就 进行精铣削以完成零件. 在测试了成形件性能后， 发现该方法制造的零件虽在机械性能上不如传统 方式制造的零件，但几何精度在 CNC 铣削之后可 达±0.030 mm. 该团队也分析了沉积参数在增减材 混合制造中的影响，发现了材料微观结构随沉积 参数的变化规律，以及结构零部件在增材过程由 于升降温不均匀产生了变形. Karunakaran 等 [7] 和 Sreenathbabu 等 [8] 提出一 种 基 于 电 弧 熔 丝 的 电 弧 混 合 叠 层 制 造 工 艺 （ ArcHybrid-layered manufacturing， ArcHLM） ，在每 道沉积层完成后进行 CNC 端面铣削处理，得到的 光洁表面有利于良好的层间结合. 为避免在制造 过程中升降增材喷嘴时发生碰撞，在混合机床配 备了气动制动器；焊接电源安装在机床的保护板 内. 对于增减材混合加工中冷却这一难点问题，则 采用带有 Z 字形冷却管的多孔夹具来改善沉积与 机加工过程中的散热（如图 3）. ArcHLM 工艺在制 造金属刀具和模具时能节省大量的时间和成本， 更重要的是将增材制造和精加工整合到单一平台 上进行统一控制，可以说是增减材混合加工机床 开发最早的尝试之一. Song 等[9] 将两个 GMAW 焊枪集成在 3 轴机 床的主轴旁，交替进行沉积和铣削操作，得到致密 度在 90% 以上的零部件，铣削后的部件表面粗糙 度（Ra）达 2 μm，拉伸强度与低碳钢丝相当. Song 等[10] 还使用该设备制造了多材料零件，即用两个 增材喷嘴分别沉积不同的材料，将低碳钢芯包裹 在不锈钢外壳内，得到了强度高、韧性好的组合零 件，两种材料可以在电镜下观察到明显的界面. 目前基于电弧的增减材混合制造普遍采用 3 轴或 5 轴机床或机器人作为运动平台，搭载改装 的焊接设备沉积材料. 为避免焊枪阻碍 CNC 加工 操作，一部分设备为焊枪增加了伸缩功能. 这类工 艺通常只对沉积层顶面铣削，缺少对层间轮廓铣 削的尝试，因此制造出的零部件结构相对简单，没 有悬垂和内部精细结构. 1.2.2    以激光为能量源的混合制造 在主要的增材制造工艺中，电弧增材制造的 零部件存在精度差与变形的缺陷，且使用电导率 低下的丝材时沉积效果差，这些局限性使研究人 员将目光转向了激光. Kerschbaumer 和 Ernst[11] 报道了一种激光熔覆 和 CNC 混合加工系统，将 Nd：YAG 激光熔覆头和 送粉系统集成到商用 Röders 5 轴数控机床中，5 轴 机床允许在多个构建方向上沉积材料，避免熔融 材料沿倾斜表面流动，同时显著降低对支撑结构 的要求；5 轴机床的灵活性还使得减材过程中刀具 可加工区域增多. 该研究发现，在交替激光熔覆和 Deposition direction Heat source Milling Continuous forging Melting pool Just-solidified zone Thermal deformation zone 图 2    智能微铸锻铣混合制造原理图[5] Fig.2    Principle of smart micro-casting, forging, and milling[5] 图 3    ArcHLM 工艺采用的带有冷却管的夹具[7] Fig.3    Universal fixture with coolant ducts used by ArcHLM[7] · 542 · 工程科学学报，第 42 卷，第 5 期

果春焕等：增减材混合制造的研究进展 543· 切削操作中，由于粉末原材料对熔覆环境要求严 道，经过磨削处理后，Ni-Fe-Cu部件在水平表面 苛，在加工过程中无法使用切削液，成形效率大打 上的表面粗糙度从12um减小到4m,在垂直表 折扣. 面从15m减小到13m.增材零件复杂的几何形 Jeng和Lin2使用选择性激光熔覆(SLC)和铣 状对传统磨削提出了挑战.为了应对这种挑战， 削混合工艺制造了金属快速原型和模具.利用激 Beauchamp等I9使用形状自适应磨削来对Ti6Al4V 光直接熔化喷嘴喷出的金属粉末形成熔覆层，再 金属增材制造零件后处理，该工艺使用三种不同 对熔覆层的顶部和侧面进行铣削以达到预期的精 的金刚石磨粒磨削零件表面.获得10m的表面粗 度.对完成的模具注塑，结果表明模具的几何精度 糙度 和致密度良好 Sitthi--Amorn等20开发了名为MULTIFAB的 利用选区激光熔化(SLM)在金属增材部件上 增减材混合制造设备，其主体是一个用于材料沉 构建精细垂悬结构是一大难点.精细外部结构太 积的机械臂，可以被集成到另一个5轴机床中.该 脆弱，无法承受下一层粉末的冲击，传统的减材工 系统适用于电弧和激光、等离子等能量源的能量 艺也很难处理这种类型的特征.为解决这一问题， 直接沉积(DED)工艺.主要功能为工件扫描建模， Yasa等Ⅲ)采用独特的混合制造工艺，即在选区激 通过对工件几何形状进行逆向工程，实现高价值 光熔化设备上，以两种不同模式运行Nd:YAG激 金属部件的维修 光器，以执行两种不同的制造工艺.第一种是增 目前，基于激光的混合制造占据了混合制造 材SLM工艺，此时激光器以连续模式工作；第二 的主流位置.由于激光能量源具有高度可控的特 种工艺是选区激光侵蚀(SLE),利用脉冲模式的激 点，与减材技术结合后可以制造精度最高、形状最 光在SLM工艺之后去除工件多余材料.研究表 复杂的零部件，因此已被一些企业应用于精密零 明，结合SLM和SLE可有效改善SLM部件的表 件的维修.众多知名机床制造商如Hermle、Mazak 面粗糙度，同时改善部件的孔隙率，此外，与 等也相继研发出大量基于激光的增减材混合机 SLE相结合提高了SLM的精细加工能力，可以构 床.但激光混合制造也存在一些问题，如：理论上 建尺寸在50~100m范围内的内外精细结构.这 激光可以用于大多数金属材料的增材制造，但是 项研究仅通过参数变化，重新进行机床配置即可 高反射率的材料能量吸收效率较低；切削液在激 实现混合加工方式，这提醒了研究者，混合加工并 光熔覆过程中难以使用，缺乏有效的散热手段将 不只是将不同工艺的硬件模块组合在一起，一台 会影响加工效率等 设备不经改装也可能通过不同的加工方式实现混 1.2.3基于其他能量源的混合制造 合加工. Xiong等Pu提出一种混合等离子体沉积和铣 Du等和白倩等结合选区激光熔化(SLM) 削(HPDM)工艺（如图4所示），即利用等离子弧熔 与精密铣削技术，以18Ni马氏体钢为原料进行了 融粉末完成一道沉积层时，在其顶部进行平面铣 增减材混合制造，制备出性能、精度、表面质量均 削加工，获得具有一定厚度的光滑表面，以便进一 优于由锻造与增材制造方法制造的零件.他们发 步沉积，内外表面轮廓采用T型槽铣刀轮廓铣削 现，与增材零件相比，经过铣削后的零件在凝固过 加工，去除表面残余的阶梯，获得近净形金属部件 程中引入的残余应力较小.李青宇等设计并搭 的精细表面质量.由HPDM制造普通三轴机床难 建了国内首台高校自制五轴激光熔覆与铣削增减 材混合设备，并且成功完成了金属零件的制造、加 工和修复工作，中南大学粉末冶金研究院采用国 Plasma torch Milling head 内首台增减材混合加工中心DMG MORI LASERTEC 653D完成了不锈钢粉末的增减材制造，制造过程 中结合了激光沉积工艺与5轴数控铣削，得到的 Wotkpiece Working platform 零件力学性能与锻件相当，并成功实现了异性涡 轮增压壳体等复杂形状零件的精密制造5- 磨削也可以成为混合加工的一部分，如 Lober等17利用磨削将3l6L不锈钢增材部件的表 图4等离子沉积铣削工艺示意图 面粗糙度由15um降低至0.34um.Rossi等18报 Fig.4 Schematic of the HPDM process

切削操作中，由于粉末原材料对熔覆环境要求严 苛，在加工过程中无法使用切削液，成形效率大打 折扣. Jeng 和 Lin[12] 使用选择性激光熔覆（SLC）和铣 削混合工艺制造了金属快速原型和模具. 利用激 光直接熔化喷嘴喷出的金属粉末形成熔覆层，再 对熔覆层的顶部和侧面进行铣削以达到预期的精 度. 对完成的模具注塑，结果表明模具的几何精度 和致密度良好. 利用选区激光熔化（SLM）在金属增材部件上 构建精细垂悬结构是一大难点. 精细外部结构太 脆弱，无法承受下一层粉末的冲击，传统的减材工 艺也很难处理这种类型的特征. 为解决这一问题， Yasa 等[13] 采用独特的混合制造工艺，即在选区激 光熔化设备上，以两种不同模式运行 Nd：YAG 激 光器，以执行两种不同的制造工艺. 第一种是增 材 SLM 工艺，此时激光器以连续模式工作；第二 种工艺是选区激光侵蚀（SLE），利用脉冲模式的激 光在 SLM 工艺之后去除工件多余材料. 研究表 明，结合 SLM 和 SLE 可有效改善 SLM 部件的表 面粗糙度 ，同时改善部件的孔隙率 . 此外 ， 与 SLE 相结合提高了 SLM 的精细加工能力，可以构 建尺寸在 50～100 μm 范围内的内外精细结构. 这 项研究仅通过参数变化，重新进行机床配置即可 实现混合加工方式，这提醒了研究者，混合加工并 不只是将不同工艺的硬件模块组合在一起，一台 设备不经改装也可能通过不同的加工方式实现混 合加工. Du 等[4] 和白倩等[14] 结合选区激光熔化（SLM） 与精密铣削技术，以 18Ni 马氏体钢为原料进行了 增减材混合制造，制备出性能、精度、表面质量均 优于由锻造与增材制造方法制造的零件. 他们发 现，与增材零件相比，经过铣削后的零件在凝固过 程中引入的残余应力较小. 李青宇等[15] 设计并搭 建了国内首台高校自制五轴激光熔覆与铣削增减 材混合设备，并且成功完成了金属零件的制造、加 工和修复工作. 中南大学粉末冶金研究院采用国 内首台增减材混合加工中心 DMG MORI LASERTEC 65 3D 完成了不锈钢粉末的增减材制造，制造过程 中结合了激光沉积工艺与 5 轴数控铣削，得到的 零件力学性能与锻件相当，并成功实现了异性涡 轮增压壳体等复杂形状零件的精密制造[15−16] . 磨 削 也 可 以 成 为 混 合 加 工 的 一 部 分 ， 如 Löber 等[17] 利用磨削将 316L 不锈钢增材部件的表 面粗糙度由 15 μm 降低至 0.34 μm. Rossi 等[18] 报 道，经过磨削处理后，Ni−Fe−Cu 部件在水平表面 上的表面粗糙度从 12 μm 减小到 4 μm，在垂直表 面从 15 μm 减小到 13 μm. 增材零件复杂的几何形 状对传统磨削提出了挑战. 为了应对这种挑战， Beauchamp 等[19] 使用形状自适应磨削来对 Ti6Al4V 金属增材制造零件后处理，该工艺使用三种不同 的金刚石磨粒磨削零件表面，获得 10 nm 的表面粗 糙度. Sitthi-Amorn 等 [20] 开发了名 为 MULTIFAB 的 增减材混合制造设备，其主体是一个用于材料沉 积的机械臂，可以被集成到另一个 5 轴机床中. 该 系统适用于电弧和激光、等离子等能量源的能量 直接沉积（DED）工艺. 主要功能为工件扫描建模， 通过对工件几何形状进行逆向工程，实现高价值 金属部件的维修. 目前，基于激光的混合制造占据了混合制造 的主流位置. 由于激光能量源具有高度可控的特 点，与减材技术结合后可以制造精度最高、形状最 复杂的零部件，因此已被一些企业应用于精密零 件的维修. 众多知名机床制造商如 Hermle、Mazak 等也相继研发出大量基于激光的增减材混合机 床. 但激光混合制造也存在一些问题，如：理论上 激光可以用于大多数金属材料的增材制造，但是 高反射率的材料能量吸收效率较低；切削液在激 光熔覆过程中难以使用，缺乏有效的散热手段将 会影响加工效率等. 1.2.3    基于其他能量源的混合制造 Xiong 等[21] 提出一种混合等离子体沉积和铣 削（HPDM）工艺（如图 4 所示），即利用等离子弧熔 融粉末完成一道沉积层时，在其顶部进行平面铣 削加工，获得具有一定厚度的光滑表面，以便进一 步沉积，内外表面轮廓采用 T 型槽铣刀轮廓铣削 加工，去除表面残余的阶梯，获得近净形金属部件 的精细表面质量. 由 HPDM 制造普通三轴机床难 Plasma torch Milling head Wotkpiece x z y Working platform 图 4    等离子沉积铣削工艺示意图[21] Fig.4    Schematic of the HPDM process[21] 果春焕等： 增减材混合制造的研究进展 · 543 ·