與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造(又稱(chēng)“3D 打印”) 具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 可迅速制造出自由曲面和更復(fù)雜形態(tài)的零件，如零件中的凹槽、凸肩和復(fù)雜的內(nèi)流道等；
2) 材料利用率高，尤其是對(duì)昂貴的稀有材料來(lái)說(shuō)，可大大降低成本；3) 高度自動(dòng)化，人工干預(yù)少；4) 加工效率高，尤其對(duì)難加工材料，能迅速制作出產(chǎn)品實(shí)體模型及模具[1?2]。在眾多材料中，金屬材料增材制造無(wú)疑是發(fā)展?jié)摿Φ腫3]，根據(jù)其成形原理不同，增材制造技術(shù)包括激光熔覆、激光堆焊、激光近成形制造、激光直接沉積成形、選擇性激光熔化、等離子熔積制造和電子束熔融制造等[4?6]。任何一種增材制造技術(shù)都存在尺寸精度差和表面光潔度不太理想的問(wèn)題， 需要進(jìn)行后處理，包括整形、拋光、噴丸等，這是由其制備過(guò)程中分層疊加造成的尺寸誤差和階梯效應(yīng)決定的[7?8]。傳統(tǒng)的減材制造(如機(jī)加工)具有高精度、高效率和高表面質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，將增材制造與減材制造混合和集成在一臺(tái)設(shè)備上，便產(chǎn)生了一種新的復(fù)合加工技術(shù)—增減材復(fù)合加工技術(shù)。增減材復(fù)合加工技術(shù)已引起越來(lái)越多研發(fā)機(jī)構(gòu)的重視。如德國(guó) Fraunhofer IPT 融合材料添加和去除方法開(kāi)發(fā)了控制金屬堆積技術(shù)， 在增材制造過(guò)程中，利用銑切來(lái)加工每一層的表面輪廓，制備的不銹鋼零件，致密度達(dá)到 99%，并達(dá)到精度和表面光潔度要求[9]；日本松浦機(jī)械制作所推出的商業(yè)化LUMEX A-vance-25 復(fù)合光造型機(jī)，用激光燒結(jié)和銑削工藝相結(jié)合的方式(SLM 燒結(jié)+銑削)，實(shí)現(xiàn)高精度的成型效果[10]；德瑪吉 MORI 推出的LASERTEC 65 3D 是臺(tái)真正意義上的增/減材復(fù)合加工生產(chǎn)型設(shè)備，該設(shè)備可以借助高剛性的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床進(jìn)行高精度的銑削加工與激光加工之間全自由切換， 實(shí)現(xiàn)快速三維成形和工件精度的良好控制。LASERTEC 65 3D 能夠完整地加工帶底切的復(fù)雜工件，能進(jìn)行修復(fù)加工和對(duì)模具及機(jī)械零件，甚至醫(yī)療器械零件進(jìn)行局部或者全面的噴涂加工，其沉積速度達(dá)1 kg/h，比鋪粉激光燒結(jié)法制造零件的速度快10 倍，目前在已經(jīng)有 20 余臺(tái)的應(yīng)用量，特別是在歐美、日韓等發(fā)達(dá)國(guó)家。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)基于增/減材復(fù)合制造技術(shù)的研究開(kāi)展較晚，研究不多。華中科技大學(xué)張海鷗教授開(kāi)發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。黃河旋風(fēng)股份有限公司在全國(guó)布局了第一臺(tái) 德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心，主要針對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)難以加工的、具有復(fù)雜曲面構(gòu)造的關(guān)鍵零部件提供定制化加工服務(wù)。異型渦輪增壓殼體，底端有帶分布孔的法蘭，需要銑削外圓、平面和鉆孔，喇叭外周有 12 個(gè)接頭，必須采用焊接、銑削和鉆孔等工序。
由于喇叭口大于底座的法蘭，造成法蘭上的孔難以加工。按照傳統(tǒng)的減材制造的觀念，這是一個(gè)工藝加工性極差、幾乎無(wú)法在一臺(tái)設(shè)備上加工完畢的零部件。本研究采用 LASERTEC 65 3D，通過(guò)激光直接金屬沉積技術(shù)進(jìn)行增材加工成形，并與銑削技術(shù)自由切換和交替進(jìn)行，完成不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削，實(shí)現(xiàn)擁有終品質(zhì)零件的快速制備，優(yōu)化沉積工藝參數(shù)，初步探究 德瑪吉 MORI LASERTEC 65 3D 復(fù)合加工中心進(jìn)行金屬合金構(gòu)件增材與減材復(fù)合制造的零件加工能力水平和應(yīng)用空間。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 設(shè)備和材料
采用圖 1 所示的德國(guó) 德瑪吉 MORI LASERTEC 653D 復(fù)合加工中心，進(jìn)行不銹鋼渦輪增壓殼的粉末激光直接金屬沉積成形和 5 軸銑削加工的復(fù)合制造。設(shè)備主要參數(shù)指標(biāo)如下：2 500 W 光纖激光器，波長(zhǎng)1 030nm，大光斑直徑達(dá) 3 mm，大成形尺寸為 650 mm×650 mm×560 mm，大成形速度達(dá) 1 kg/h，比粉床鋪粉方式增材制造設(shè)備的速度快 10 倍；銑削主軸轉(zhuǎn)速10 000 r/min，回轉(zhuǎn)軸(C 軸)360°，擺動(dòng)范圍(A 軸)±120°。
所用材料為黃河旋風(fēng)股份有限公司采用惰性氣體霧化法制備的 304 不銹鋼粉末，粉末形貌如圖 2 所示。粉末形貌呈球形，粒徑范圍 50~150 μm，D50 為 85 μm，粉末使用前需在 200 ℃條件下干燥 3 h；基板為直徑200 mm、厚度 20 mm 的圓形 316L 不銹鋼板，打印前用砂紙打磨基板，再用乙醇清洗，以去除基板表面的磨屑和污漬，然后烘干。