現(xiàn)代加工技術(shù)的應(yīng)用

伴隨著對傳統(tǒng)加工工藝的持續(xù)改進(jìn)和完善，各種新穎的切削技術(shù)和加工方法也在不斷涌現(xiàn)出來，研究人員和設(shè)備制造商正在努力突破傳統(tǒng)的銑削、鉆削、車削、磨削等加工方法的限制。

   激光切割加工

    自從激光器在上世紀(jì)60年代首次問世以來，其種類、尺寸和應(yīng)用范圍一直在不斷拓展。目前激光技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)重點主要包括：①改善用戶友好性和易于操作性；②易于維護(hù)保養(yǎng)；③提高“即插即用”能力；④縮小設(shè)備體積以應(yīng)用于醫(yī)療和電子行業(yè)；⑤提高精度；⑥適應(yīng)利基生產(chǎn)和大批量生產(chǎn)的柔性能力。
    近二十余年來，激光加工技術(shù)已成為鈑金加工中的一個重要組成部分，不斷增大的激光功率使生產(chǎn)率獲得了大幅度提高。此外，激光加工設(shè)備還具有許多各不相同的設(shè)計特點。
    世界著名激光加工設(shè)備制造商Trumpf公司非常重視激光加工設(shè)備的多功能性，并且一直向用戶提供二維和三維激光切割系統(tǒng)。由于激光加工極具柔性，因此能很好地解決許多企業(yè)管理者面臨的兩難抉擇——是面向單件小批量加工的“利基市場”還是實施大批量生產(chǎn)？Trumpf公司的三維激光加工系統(tǒng)可以方便地定制為上述兩種加工類型中的任何一種。在大批量加工的汽車制造業(yè)，該系統(tǒng)被用于汽車車身的精確切割，切口清晰干凈，并且不存在熱影響區(qū)（HAZ）的問題。利用激光的切割能力，可以簡化相同型號汽車車身的制造過程。例如，激光加工系統(tǒng)可以在最終生產(chǎn)工序切割出汽車方向盤的位置，無論它是位于車身的左側(cè)還是右側(cè)。用激光切割掉車頂，就可以將一輛轎車變成一輛敞篷車。通過增加幾個焊接件，就可以將轎車變成皮卡。這樣可以減少車身沖壓模具和操作工人的數(shù)量，大大提高生產(chǎn)率，即激光加工系統(tǒng)能夠在無需工具的情況下實現(xiàn)柔性制造。
    Trumpf公司還能為加工車間提供激光切割機和激光折彎機，從而使盒類結(jié)構(gòu)部件的制造更為容易。首先用激光切割機對金屬板材進(jìn)行切割，然后用激光折彎機使工件成型。最新的技術(shù)進(jìn)展則是在鈑金加工車間再增設(shè)一個激光焊接站。
    三維激光切割系統(tǒng)在汽車制造業(yè)的另一個應(yīng)用是切削高強度鋼。為了提高汽車零部件的強度和減輕其重量，汽車制造商正越來越多地使用更為強韌的金屬材料。但隨之而來的問題是這些材料非常難切削，造成刀具磨損率急劇升高，以致采用常規(guī)切削工藝無法實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性加工。
    Trumpf激光能夠輕松而快速地實現(xiàn)復(fù)雜切削而無需后續(xù)二次加工。開發(fā)這種激光加工系統(tǒng)需要解決的一個大問題是誤差的累積，其中包括工件的誤差、激光系統(tǒng)的誤差和工件夾持系統(tǒng)的誤差。而工件夾緊問題使事情進(jìn)一步復(fù)雜化，由于工件上沒有可用于安全可靠夾緊的孔，因此需要設(shè)計特殊的夾具，以確保工件在加工時不會引起任何變形。
    帶有五軸運動機械臂的CO2激光加工系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，根據(jù)工件材料的不同類型和不同厚度，可選用3000～6000W的激光功率。為了達(dá)到汽車生產(chǎn)所要求的加工速度，這種激光加工系統(tǒng)集成了一個轉(zhuǎn)臺式工件夾持系統(tǒng)，使激光能夠穩(wěn)定地工作。

    激光輔助加工

    激光輔助加工是人們很久以來就一直在研究的加工技術(shù)，現(xiàn)在該技術(shù)已開始走出實驗室，投入實際應(yīng)用。在加工時，通過光纖或其它光束傳導(dǎo)裝置將激光束投射到工件上，正好位于刀具前面。激光產(chǎn)生的熱量可使工件軟化，使其變得易于切削。該方法可用于難加工材料如鉻鎳鐵合金（Inconel）、鎳基高溫合金（Waspaloy）或陶瓷等的切削加工。例如，激光輔助加工機床能像切黃油那樣輕松地切削陶瓷材料，并且可以獲得高質(zhì)量的加工表面（表面粗糙度可達(dá)Ra0.5µm或更好）。
    在激光輔助加工中，可以采用常規(guī)的CBN刀具或陶瓷刀具，由于工件材料變得易于切削，因此刀具壽命可以大大延長。
    由于用于加熱的激光束被緊密聚焦，因此加熱的范圍僅局限于實際切削區(qū)周圍。熱量將被切屑帶走，因此不會因加熱而改變材料切削的物理性質(zhì)。在切削過程中，激光的功率可以調(diào)整，以便與被切削工件輪廓相互匹配。激光加熱一般使用功率水平為200～500W的半導(dǎo)體激光器或CO2激光器。
    激光輔助加工的推廣應(yīng)用存在兩個需要解決的問題。一個是技術(shù)問題，即在加工之初如何確定切削參數(shù)（包括激光的功率和聚焦、切削進(jìn)給率和切削速度等）。另一個是認(rèn)識問題，即如何使人們了解激光輔助加工的工作原理和使用方法，使他們相信應(yīng)用該技術(shù)可以帶來諸多好處。

    水射流/EDM復(fù)合加工

    MC Machinery Systems公司推出了一種獨具匠心的加工方法，他們將兩種非常規(guī)切削工藝——水射流加工（waterjet，俗稱“高壓水刀”或“水刀”——譯注）與放電加工（EDM）組合在一起，作為一個獨立的制造單元。這種三菱（Mitsubishi）水射流系統(tǒng)是為與EDM一起加工而專門設(shè)計的，具有復(fù)合加工功能。該機床的創(chuàng)意是首先用水射流進(jìn)行粗加工和去除毛坯余量，然后將工件移至EDM上進(jìn)行最終精加工。實驗表明，這種復(fù)合加工系統(tǒng)可以將全部加工步驟削減28％。
    現(xiàn)在已能提供2～5軸的系列水射流加工系統(tǒng)，所有機床都是由一臺60馬力（45kW）的電機提供動力，它能為加工提供壓力達(dá)60000psi（420MPa）的高壓水。
    大多數(shù)水射流設(shè)備制造商都已意識到，當(dāng)加工制造商們充分領(lǐng)略到這種技術(shù)的多功能優(yōu)勢后，將會形成一個不斷擴(kuò)大的需求市場。目前還需要進(jìn)一步提高水射流控制系統(tǒng)的先進(jìn)性，尤其是機床加工狀態(tài)診斷技術(shù)，包括水泵性能和維修必要性的監(jiān)測。隨著機床可靠性和工作水壓的進(jìn)一步提高，多切削頭加工正變得日益普及。目前在整個水射流加工領(lǐng)域，60000psi的水壓已較為常見，而采用更高水壓的相關(guān)技術(shù)正在研發(fā)過程之中。為此，必須對提高水壓對切削速度和機床性能的影響以及加工成本進(jìn)行研究。此外，易于維護(hù)從而能減少加工輔助時間對于新機型的開發(fā)也非常重要，而提高水射流切削的表面光潔度則意味著無需對工件表面進(jìn)行二次精加工。
    隨著超高壓水射流技術(shù)的發(fā)展，加工水壓將不斷提高，超越現(xiàn)有水平。其它的變化還包括：隨著對于超高水壓對現(xiàn)有機床零部件性能和壽命的影響有了更多認(rèn)識，人們將不斷改進(jìn)這些零部件的設(shè)計。例如，Jet Edge公司最近推出了在iP60-50增壓泵基礎(chǔ)上重新設(shè)計的超高壓增壓泵。這種增壓泵的體積更小，更容易伺服控制，同時還能延長機床零部件（如密封件和止回閥）的工作壽命，從而可以在不降低水射流系統(tǒng)加工性能的前提下為用戶節(jié)省加工成本。
    雖然水射流加工屬于一種比較新的切削技術(shù)，但它現(xiàn)在已被看作是一種“主流”工藝，并且正在迅速擴(kuò)張，打入傳統(tǒng)的金屬切削市場。更重要的是，水射流和磨料水射流加工正在突破傳統(tǒng)的金屬切削加工領(lǐng)域，開始進(jìn)入其它加工領(lǐng)域，包括用于切割建筑材料（如石材、瓷磚等）、軟材料（如墊片、織物等）以及食品等。隨著水射流技術(shù)的發(fā)展，加工水壓將會繼續(xù)提高，從而可以在每個工作臺上安裝更多的切削頭，生產(chǎn)效率也將大幅度提高。
    在不久的將來，可能實現(xiàn)在切削頭上集成更多的運動控制，使機床具有更大的加工柔性，從而可以完成如今需要多臺機床或多次安裝才能完成的切削工作�？梢灶A(yù)見，今后對將水射流、磨料射流切削頭以及等離子體、激光等其它切削工藝集于一體的多任務(wù)加工系統(tǒng)的市場需求將日益增加。此外，采用STEP技術(shù)編程語言對軟件開發(fā)平臺進(jìn)行升級換代也值得期待。

    蠕墨鑄鐵（CGI）的加工

    有些先進(jìn)的加工技術(shù)來自于對現(xiàn)有加工技術(shù)的改進(jìn)。例如，Makino公司的工程師們面對加工蠕墨鑄鐵（CGI）的技術(shù)難題，就必須對傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行創(chuàng)新變革。
    雖然蠕墨鑄鐵材料在理論上具有許多優(yōu)點，但要將其加工制造成實用的產(chǎn)品，卻需要克服大量技術(shù)難題。主要的壓力在于如何使蠕墨鑄鐵的加工簡易化，尤其是對柴油發(fā)動機缸體的加工。蠕墨鑄鐵的磨損特性是其優(yōu)于其它類型鑄鐵材料的主要優(yōu)勢，也是其難以加工的主要原因。
    為了簡化蠕墨鑄鐵的加工，Makino公司的工程師們與Sandvik Coromant公司的刀具工程師們合作，對傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機銑削工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并增加了一種基于其Flush Fine精加工工藝的缸體孔精鏜技術(shù)。這種新的加工方法使發(fā)動機制造商能以接近加工灰鑄鐵的切削速度來加工蠕墨鑄鐵。
    將工藝規(guī)劃與高精度機床、螺旋進(jìn)刀路徑和珩磨進(jìn)給量的精確控制結(jié)合起來，可以達(dá)到極其嚴(yán)格的尺寸公差要求，從而可獲得很高的加工表面質(zhì)量，以致在珩磨之前無需再進(jìn)行其它精加工。新技術(shù)的應(yīng)用極有可能完全取消半精加工工序，用于該工序的所有工具和機床也將隨之省去。切削所用的硬質(zhì)合金刀具是采用Sandvik公司的密齒刀具技術(shù)專門設(shè)計制造的。

    低溫液氮冷卻輔助加工

    將-195℃的液氮作為冷卻劑應(yīng)用于傳統(tǒng)的車削加工中，可以有效降低切削區(qū)溫度，改善加工條件。與使用水基、油基或合成冷卻液相比，低溫液氮冷卻具有許多優(yōu)點，尤其在加工硬材料和將其作為延長刀具壽命的手段時。如今這種加工方法已開始投入商業(yè)應(yīng)用。
    Hardinge公司推出的這種稱為“Icefly”的低溫硬車削新工藝應(yīng)用于Quest CNC車削中心上。通過將液氮引入切削區(qū)實施冷卻，可使陶瓷刀片更為強韌耐用，從而能縮短切削時間，延長刀具壽命。該工藝非常適合難加工材料（如淬硬鋼、耐磨合金、硬質(zhì)合金工件等）的切削加工。
    Icefly低溫冷卻系統(tǒng)最初由Air Products公司開發(fā)，現(xiàn)在Hardinge公司又根據(jù)實際加工需要對其進(jìn)行了改進(jìn)和完善。在車削加工中，該系統(tǒng)可將-195℃的液氮射流直接噴射到刀片上，使刀片硬度得以提高，大幅度減輕了硬車削的切削高溫對刀片的熱軟化效應(yīng)。在刀/屑界面與刀片刀體之間產(chǎn)生急劇下降的溫度梯度也有助于切削區(qū)的散熱。此外，有效的冷卻可以保持刀片切削刃的完整性，防止出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象而在工件表面形成熱壓縮層，從而能夠提高加工表面質(zhì)量和光潔度。硬車削加工通常選用CBN和PCBN刀片，但對于許多加工來說，它們被認(rèn)為過于昂貴。通過應(yīng)用低溫液氮冷卻技術(shù)，就能在硬車削加工中更多地使用價格低廉的陶瓷刀片。
    在干式硬車削或采用水（油）基冷卻液的濕式硬車削中，CBN和PCBN陶瓷刀片往往容易出現(xiàn)不均勻磨損和發(fā)生碎裂。低溫液氮冷卻可以增強刀片的破裂韌性，并使陶瓷刀片更多呈現(xiàn)可預(yù)測的前刀面漸進(jìn)磨損模式，同時可將切削速度提高一倍。這種可預(yù)測的前刀面均勻磨損也使將氧化鋁陶瓷刀片用于要求嚴(yán)格的精車加工成為可能。
    液氮可以存儲在加工機床旁邊的一個小型專用圓筒內(nèi)，也可以存貯在一個較大容器中同時為多臺機床供液。供液系統(tǒng)的設(shè)計與傳統(tǒng)的冷卻液系統(tǒng)類似。一根柔性的液氮輸送管通過一個旋轉(zhuǎn)接頭聯(lián)接到車床的刀塔上，為夾緊在刀具上的噴嘴供給液氮，噴嘴則將液氮直接噴向刀片的刀尖。
    低溫液氮冷卻系統(tǒng)可用于淬硬鋼、硬質(zhì)復(fù)合材料和粉末冶金工件的車削加工。由于作為惰性氣體的氮氣在與刀片接觸后就蒸發(fā)了，因此不會產(chǎn)生任何殘留物，這對于具有多孔性的粉末冶金工件特別有利，以往此類工件加工后常常還需要進(jìn)行清洗，以去除工件上殘留的冷卻液。
    氮氣是一種安全、不可燃、無腐蝕的氣體，它可以迅速蒸發(fā)重回空氣之中，而無任何會污染工件、切屑、機床或?qū)Σ僮髡哂泻Φ臍埩粑�，因此完全不需要任何處理費用。
    有一家設(shè)備供應(yīng)商在加工一種硬質(zhì)合金工件時曾遇到很大困難。這種含鈷量11％的工件長度約216mm，直徑為70mm，以前需要先粗磨再精磨，僅粗磨加工就需耗時4小時。于是Hardinge公司決定采用Icefly系統(tǒng)對該工件進(jìn)行硬車加工，結(jié)果僅用刀片的一個切削刃就能完成約6倍工件長度（1219mm）的走刀加工。切削速度可達(dá)到約24m/min，每次走刀僅耗時約4分鐘，為去除0.015mm的余量，需進(jìn)行3次走刀，即整個硬車削加工時間約為12～15分鐘，而以前光是粗磨就需要4小時，然后還需要再進(jìn)行精磨加工。

    聚焦離子束加工

    美國國家科技研究所（The National Institute of Science and Technology）正在研究開發(fā)多種先進(jìn)的加工和切削技術(shù)。其中，聚焦離子束（FIB）銑削技術(shù)在納米/微米加工領(lǐng)域具有極其重要的影響。該技術(shù)可利用聚焦離子束“切削”工件表面，加工出微形貌和微孔。聚焦在工件上的離子束直徑可小至6nm，并能以亞微米級的分辨率對其進(jìn)行控制。FIB可用于以“濺射”方式去除工件材料，對于材料種類幾乎沒有限制。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)IB技術(shù)在半導(dǎo)體制造業(yè)被用于集成電路的診斷和修復(fù)。此外，研究人員正在利用該技術(shù)來制備三維納米結(jié)構(gòu)。
    國家科技研究所制造業(yè)測量分部的工程師們正在探索將FIB技術(shù)作為在工件上添加微細(xì)特征的手段。FIB能加工出小至10nm的微孔，其材料去除率從幾分鐘到數(shù)小時不等。目前，材料去除率低是FIB工藝的主要缺點之一。以現(xiàn)在這種去除率水平，濺射材料的再沉積是一個很大的難題。工程師們設(shè)想，可以首先通過常規(guī)工藝加工出近凈成形工件，然后采用FIB在工件上添加尺寸為微米級和亞微米級微細(xì)結(jié)構(gòu)。
    FIB加工技術(shù)并不是一種主流加工技術(shù)，但在制造微細(xì)結(jié)構(gòu)方面卻有著超越其學(xué)術(shù)意義的實用價值。