摘要：在航空航天等领域，复杂内部特征（如内流道、内腔体）的一体化精密制造一直是技术难题。传统激光粉末床熔融（L-PBF）技术虽能一体化成形复杂构型，但其表面粗糙度大（通常>Ra 6.3 μm）和尺寸精度低（通常误差>±0.1 mm），限制了该技术在高端装备领域进一步

在航空航天等领域，复杂内部特征（如内流道、内腔体）的一体化精密制造一直是技术难题。传统激光粉末床熔融（L-PBF）技术虽能一体化成形复杂构型，但其表面粗糙度大（通常>Ra 6.3 μm）和尺寸精度低（通常误差>±0.1 mm），限制了该技术在高端装备领域进一步的推广应用。尤其在制造一些具有复杂关键内表面特征的零件时，如航空发动机燃油喷嘴、航天发动机支板喷注器等，较差的表面质量易导致零件内流道表面的结焦和堵塞现象，更棘手的是，增材表面易出现孔隙和未熔合粉末缺陷，影响零件的使用。

针对这一难题，西安交通大学机械学院张琦、韩宾教授团队首创了激光粉末床熔融五轴增减材复合制造技术（PB-based 5-axis ASHM），攻克复杂零件内部特征高精度、一体化制造难题。该技术可以实现L-PBF工艺与五轴机加工的原位复合，在惰性气体保护环境中通过摆转头与激光振镜的无缝切换，实现关键零件复杂内部表面特征的精密加工。

为了实现L-PBF工艺与五轴数控加工系统在同一台设备上的复合，研究团队将摆转头式电主轴与移动式激光振镜结合（图1），在增材制造过程中，摆转头式电主轴移动到左侧刀库位置待命，激光振镜移动到成形区域正上方扫描粉末床形成实体，在这个过程中刮刀、成形基板、送粉板协同运动，实现增材逐层堆叠。而在减材制造过程中，激光振镜和铺粉刮刀都会移动到装置的右侧待命，留出空间给摆转头式电主轴加工，摆转头自身B/C轴的转动和相连平台在X、Y、Z三轴直线电机滑轨上的协同运动实现五轴加工。

图1 基于L-PBF的五轴增减材复合制造装备设计方案：（a）装备整体外观，（b）装备主要工作区的设计，（c）粉末供应和回收区的设计，（d）B/C 轴摆转头式电主轴实物，（e）移动式激光振镜实物。

团队提出了L-PBF五轴增减材复合制造工艺的模型预处理思路：首先对于增减材复合制造的模型，其预处理过程中需要对精加工的增材特征预留减材加工余量；其次是在规划模型的减材加工刀路时，考虑到完整模型规划刀路可能出现的刀路干涉问题，需要按照模型特征切分成数个子模型分别规划减材刀路；最后是需要按照增材过程子模型堆叠的顺序排好增材和减材加工文件。通过上述思路，实现增减材复合制造过程中增材工艺和减材工艺的合理交替（图2），装备首先开始增材过程，当完成某一子模型的增材后，装备切换到减材工艺，精加工该子模型预留减材加工余量的表面，减材完成后，在该子模型上表面继续进行新的子模型的增材过程，这个流程会根据模型切分子模型的个数进行重复，直到最终完成整个零件的加工。

图2 增减材复合制造工艺流程

团队随后使用Inconel 718材料系统地研究了增减材复合制造工艺对零件的综合影响（图3）：首先是零件表面质量的显著提升，表面粗糙度可以降至Ra 0.8 μm (降幅超过90%)，内腔尺寸精度提升77.5%，铣削过程产生的压应力有效闭合了增材表面的孔隙，铣削引发的加工硬化现象使材料表层硬度显著提升，较基体提高15%-20%；其次是粉末床内小切削量加工使材料表面微观组织发生位错滑移现象，诱导产生小角度晶界富集和少量的再结晶现象，而间歇增材过程使得材料微观组织细化，未熔合缺陷增加，不利于材料性能；最后是增减材复合制造（采用侧铣工艺）零件的抗拉强度相较于连续增材制造过程有所提升，但是延伸率发生下降。

图3 增减材复合制造过程对零件性能的综合影响机制

除了增减材复合制造过程中铣削力和间歇增材过程带来的影响，减材加工不可避免地会在粉末床中产生切屑，其存在可能会对粉末床的完整性和后续增材熔池的流动产生潜在的影响，本研究进行了相关讨论（图4），通过减材工艺参数控制切屑的平均尺寸以及铺粉刮刀的多次往复运动可将切屑从零件增材截面上有效地清除。

图4 增减材复合制造过程中切屑影响的消除

基于L-PBF五轴增减材复合制造相关装备与工艺的研究，本研究可将该技术应用于多种类内部特征零件的高质量制造当中。以图5所示的内流道特征为例，在采用增材工艺方案制造时流道表面粗糙度大、表面粘连粉现象严重，采用本研究的五轴增减材复合制造装备与工艺，可以解决此类问题。采用五轴增减材复合制造工艺的优势可以由负角度内腔特征更进一步凸显，采用传统减材加工和现有的粉末床三轴增减材工艺在此类特征加工时存在局限性，而基于本研究的五轴CNC加工优势，为该特征关键表面的精加工提供有效的解决方案。

综上所述，本研究开发了一种将L-PBF工艺与五轴数控加工相结合的复合制造装备系统，并开展了综合的工艺研究，最终实现了具有内流道/内腔体特征零件的高表面质量制造。通过本研究提出的L-PBF五轴增减材复合制造技术，可以为未来关键领域的研发提供助力。

相关研究成果以“Process research of the powder bed-based 5-axis additive/subtractive hybrid manufacturing for internal features”发表于中科院一区Top期刊Additive Manufacturing上，博士研究生陈宇凯为论文第一作者，张琦教授为通讯作者，研究成果的合作者包括西安交通大学韩宾副教授、黄科教授，博士研究生王寅、陆宇等。此外，团队还针对L-PBF五轴增减材复合制造中减材刀路的高效规划方法开展了理论研究，相关工作“Multi-layer cutting path planning for composite enclosed cavity in additive and subtractive hybrid manufacturing”发表于中科院一区Top期刊Robotics and Computer-Integrated Manufacturing上。

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作者简介：

张琦，西安交通大学机械工程学院教授，博士生导师。陕西省三秦英才特殊支持计划科技创新领军人才，十四五“增材制造与激光制造”重点专项总体组专家，中国航发科技委专业委员会委员，大飞机增材制造协同创新联盟理事，陕西省机械工程学会理事，机械工程学会塑性工程分会理事。获国防科学技术进步二等奖、陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖，主持JKW基础加强项目，激光与增材制造重点研发计划，国家自然科学基金，04重大专项，陕西省重点研发计划。发表高水平学术论文120余篇，授权发明专利148项。

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韩宾，西安交通大学机械工程学院长聘副教授，博士生导师，Materials期刊编委、航天制造技术期刊青年编委。从事多功能轻质结构创新设计、先进增材制造技术、复合材料成形及焊接等领域的研究工作。主持承担国家自然科学基金、科技部重点研发计划课题、军工科研项目、省部级科研项目及校企合作项目等20余项。在Int Mater Rev, Compos Part B, Chem Eng J, Compos Sci Technol, Addit Manuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J Mech Sci, Mater Design, Compos Struct等学术期刊发表中英文论文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；获得授权发明专利40项、软件著作权5项；荣获陕西省科技发明一等奖、陕西省科技进步一等奖、陕西高校科学技术一等奖、陕西博士后创新创业大赛银奖、江苏省力学学会科学技术特等奖等省部级奖励5项。

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https://scholar.google.com/citations?user=QsyReu0AAAAJ&hl=en&oi=ao

来自：增材制造前沿

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟