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