混合加工的概念和类型

混合加工(Hybrid Machining)是在一台设备上可完成两种不同机理的加工过程，如增材制造和切削加工混合，电加工和超声波加工混合等。混合加工过程的优势互补，显著改善了难加工材料(如钛合金)的可加工性，减少了过程力和刀具/工具磨损，对加工零件的复杂表面完整性起到积极作用，为设计师开辟了新思路，促进了高端产品创新。

混合加工不是通常所说的复合加工。复合加工(Composite Machining)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，能够对一个工件通过一次装卡进行从毛坯到成品全部加工，也称为多任务(Multi-tasking)或多功能(Multi-functional)加工。

混合加工可分为不同能源或工具的混合和不同过程机理的可控应用两大类，不同能源或工具的组合又可分为辅助性过程，如车削时借助激光软化工件表面;以及混合性过程，如电加工和电化学加工同时进行等。

德马吉森精机公司的混合加工机床

DMG MORI推出LASERTEC 65 3D，是将激光堆焊技术与5轴铣削技术集于一体，构成独特的混合加工机床。

LASERTEC 65 3D混合加工机床配有2 kW的激光器进行激光堆焊，同时还借助全功能的高刚性的单体(monoBLOCK)结构的5轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工。“LASERTEC 65 3D的铣削加工与激光加工之间能全自动切换，它能完整加工带底切的复杂工件，能进行修复加工和对模具及机械零件甚至医疗器械零件进行局部或全面的喷涂加工。与粉床的激光焊接方法不同，激光堆焊技术通过金属粉末喷嘴可生产大型零件。堆焊速度可达1 kg/h，比粉床激光烧结方法制造零件的速度快10倍。它与铣削技术的结合开创了全新的应用领域。复杂的工件通过多个步骤成形，铣削与堆焊可交替进行。这样，由于几何形状的限制无法用刀具加工的零件部位能在最终成形前加工，并达到最终精度要求。

混合加工机床不仅拥有数控铣床优点，如高精度和高表面质量，还有粉末堆焊技术的灵活性和堆焊速度快的优点。例如，对于整体构件，需要铣削切除的金属比例达95%，而用增材方法仅在需要的地方堆焊。这将大幅节省贵重的工件材料和降低加工成本。

激光器以及所带的粉末堆焊头一起安装在铣削主轴的HSK刀柄处。机床进行铣削加工时，它自动停靠在安全的右侧位置。机床与加工过程由数控系统控制，控制系统是带CELOS与Operate 4.5版的Siemens 840D solutionline。

颗粒大小为50～200μm的粉末通过激光头中的管道输送到工件表面，与此同时激光束将金属粉末堆焊在基体材料(工件)的表层，并与基体材料结合在一起，中间无空洞也无裂纹，因而结合强度很高。在堆焊过程中，同时提供惰性保护气体，避免熔覆的金属氧化。金属层冷却后，即可进行机械加工。

LASERTEC 65 3D激光头的工作原理和运行实况如图1所示。

图1 激光头的工作原理和运行

这个混合加工方法的突出优点之一是允许堆焊多层的不同材料。根据选用的激光器与喷嘴几何参数，堆焊的壁厚0.1 ~5 mm，能生成复杂的3D轮廓和几何形状。

能源或航空航天工业的机床都非常昂贵。因此，用同一台机床进行粗加工、堆焊和精加工将带给客户巨大的经济利益。此外，能源和石油工业的零件通常需要喷涂耐蚀合金，避免磨损。堆焊技术能保护许多应用于恶劣环境中的产品，例如管接头、法兰和特殊结构件。

LASERTEC 65 3D机床的亮点是巧妙结合激光堆焊技术与铣削技术，实现最高的表面质量和工件精度。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，金属粉末的利用率高达80%。可加工完整3D工件，最大直径达500 mm，不需要任何支撑构造，甚至可形成悬垂轮廓，直接加工成品件上无法加工到的部位。

松浦公司的混合加工机床

日本松浦(Matsuura)公司推出的Lumex Avance-25 混合加工机床是将激光烧结与铣削加工集成，其外观和典型加工案例如图2所示。

图2 Lumex Avance-25混合加工机床及其加工案例

Lumex Avance-25是在一台机床上进行激光烧结3D打印出零件后，借助高速铣削精加工整个零件或其部分表面以获得高精度和高表面质量。改变激光的聚焦和粉末，可制造出不同材料密度，包括多孔结构的零件。由于一次装卡完成工件的“增材成长”和精加工，激光-铣削混合加工精度可达到±2.5 μm，整个工件的精度可达±25 μm。激光烧结成形的模具表面与精铣后的模具表面对比如图3所示。

Fabrisonic的超声波增材制造

美国Fabrisonic公司是一家与众不同的工业级3D打印机生产商。该公司使用爱迪生焊接研究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，称为超声波增材制造(Ultrasonic Additive Manufacturing--UAM)。UAM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，从而实现基于叠层制造(Layer Manufacturing)原理的3D打印。UAM与分层实体的薄材选择性切割(LOM)有些类似，不过不是将纸用激光轮廓切割后一层层粘接成零件，而是使用频率高达20 000 Hz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表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续地焊接金属片，并同时通过机械加工来实现精细的3D形状，从而形成坚实的金属物体。借助Fabrisonic的方法可以同时“打印”多种金属材料，如铝、铜、不锈钢和钛合金。由于超声焊接的工作温度很低，不会产生不必要的金相变化。该工艺能够使用成卷的铝或铜质金属箔片制造出有高度复杂内部通道的金属部件。

大多数金属3D打印机成形效率较低，小于100 cm3，且工作空间有限。Fabrisonic公司的SonicLayer系列混合加工机床的打印效率能达到250~500 cm3。其SonicLayer4000的工作台面积为1000 mm×600 mm，其外观和工作空间如图4所示。

图5 UAM 的典型应用