超越传统工艺的现代加工技术
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为了满足用户对生产效率和加工精度的要求,研究人员和设备制造商正在努力突破传统的铣削、钻削、车削、磨削等加工方法的限制。伴随着对传统加工工艺的持续改进和完善,各种新颖的切削技术和加工方法也在不断涌现出来。下面介绍一些已经成功应用的现代加工技术,还有许多新的加工方法正在研究开发之中。

激光切割加工

自从激光器在上世纪60年代首次问世以来,其种类、尺寸和应用范围一直在不断拓展。目前激光技术和设备的研发重点主要包括:①改善用户友好性和易于操作性;②易于维护保养;③提高“即插即用”能力;④缩小设备体积以应用于医疗和电子行业;⑤提高精度;⑥适应利基生产和大批量生产的柔性能力。
近二十余年来,激光加工技术已成为钣金加工中的一个重要组成部分,不断增大的激光功率使生产率获得了大幅度提高。此外,激光加工设备还具有许多各不相同的设计特点。
世界著名激光加工设备制造商Trumpf公司非常重视激光加工设备的多功能性,并且一直向用户提供二维和三维激光切割系统。由于激光加工极具柔性,因此能很好地解决许多企业管理者面临的两难抉择——是面向单件小批量加工的“利基市场”还是实施大批量生产?Trumpf公司的三维激光加工系统可以方便地定制为上述两种加工类型中的任何一种。在大批量加工的汽车制造业,该系统被用于汽车车身的精确切割,切口清晰干净,并且不存在热影响区(HAZ)的问题。利用激光的切割能力,可以简化相同型号汽车车身的制造过程。例如,激光加工系统可以在最终生产工序切割出汽车方向盘的位置,无论它是位于车身的左侧还是右侧。用激光切割掉车顶,就可以将一辆轿车变成一辆敞篷车。通过增加几个焊接件,就可以将轿车变成皮卡。这样可以减少车身冲压模具和操作工人的数量,大大提高生产率,即激光加工系统能够在无需工具的情况下实现柔性制造。
Trumpf公司还能为加工车间提供激光切割机和激光折弯机,从而使盒类结构部件的制造更为容易。首先用激光切割机对金属板材进行切割,然后用激光折弯机使工件成型。最新的技术进展则是在钣金加工车间再增设一个激光焊接站。
三维激光切割系统在汽车制造业的另一个应用是切削高强度钢。为了提高汽车零部件的强度和减轻其重量,汽车制造商正越来越多地使用更为强韧的金属材料。但随之而来的问题是这些材料非常难切削,造成刀具磨损率急剧升高,以致采用常规切削工艺无法实现经济性加工。
Trumpf激光能够轻松而快速地实现复杂切削而无需后续二次加工。开发这种激光加工系统需要解决的一个大问题是误差的累积,其中包括工件的误差、激光系统的误差和工件夹持系统的误差。而工件夹紧问题使事情进一步复杂化,由于工件上没有可用于安全可靠夹紧的孔,因此需要设计特殊的夹具,以确保工件在加工时不会引起任何变形。
带有五轴运动机械臂的CO2激光加工系统已经投入使用,根据工件材料的不同类型和不同厚度,可选用3000~6000W的激光功率。为了达到汽车生产所要求的加工速度,这种激光加工系统集成了一个转台式工件夹持系统,使激光能够稳定地工作。

图1 用激光对工件金属进行预热和软化,可以使切削加工更容易、更快速,同时还能延长刀具寿命

激光辅助加工

激光辅助加工是人们很久以来就一直在研究的加工技术,现在该技术已开始走出实验室,投入实际应用。在加工时,通过光纤或其它光束传导装置将激光束投射到工件上,正好位于刀具前面。激光产生的热量可使工件软化,使其变得易于切削(图1)。该方法可用于难加工材料如铬镍铁合金(Inconel)、镍基高温合金(Waspaloy)或陶瓷等的切削加工。例如,激光辅助加工机床能像切黄油那样轻松地切削陶瓷材料,并且可以获得高质量的加工表面(表面粗糙度可达Ra0.5µm或更好)。
在激光辅助加工中,可以采用常规的CBN刀具或陶瓷刀具,由于工件材料变得易于切削,因此刀具寿命可以大大延长。
由于用于加热的激光束被紧密聚焦,因此加热的范围仅局限于实际切削区周围。热量将被切屑带走,因此不会因加热而改变材料切削的物理性质。在切削过程中,激光的功率可以调整,以便与被切削工件轮廓相互匹配。激光加热一般使用功率水平为200~500W的半导体激光器或CO2激光器。
激光辅助加工的推广应用存在两个需要解决的问题。一个是技术问题,即在加工之初如何确定切削参数(包括激光的功率和聚焦、切削进给率和切削速度等)。另一个是认识问题,即如何使人们了解激光辅助加工的工作原理和使用方法,使他们相信应用该技术可以带来诸多好处。

水射流/EDM复合加工

MC Machinery Systems公司推出了一种独具匠心的加工方法,他们将两种非常规切削工艺——水射流加工(waterjet,俗称“高压水刀”或“水刀”——译注)与放电加工(EDM)组合在一起,作为一个独立的制造单元。这种三菱(Mitsubishi)水射流系统是为与EDM一起加工而专门设计的,具有复合加工功能。该机床的创意是首先用水射流进行粗加工和去除毛坯余量,然后将工件移至EDM上进行最终精加工。实验表明,这种复合加工系统可以将全部加工步骤削减28%。
现在已能提供2~5轴的系列水射流加工系统,所有机床都是由一台45kW(60马力)的电机提供动力,它能为加工提供压力达420MPa(60000psi)的高压水。
大多数水射流设备制造商都已意识到,当加工制造商们充分领略到这种技术的多功能优势后,将会形成一个不断扩大的需求市场。目前还需要进一步提高水射流控制系统的先进性,尤其是机床加工状态诊断技术,包括水泵性能和维修必要性的监测。 随着机床可靠性和工作水压的进一步提高,多切削头加工正变得日益普及。目前在整个水射流加工领域,420MPa的水压已较为常见,而采用更高水压的相关技术正在研发过程之中。为此,必须对提高水压对切削速度和机床性能的影响以及加工成本进行研究。此外,易于维护从而能减少加工辅助时间对于新机型的开发也非常重要,而提高水射流切削的表面光洁度则意味着无需对工件表面进行二次精加工。
随着超高压水射流技术的发展,加工水压将不断提高,超越现有水平。其它的变化还包括:随着对于超高水压对现有机床零部件性能和寿命的影响有了更多认识,人们将不断改进这些零部件的设计。例如,Jet Edge公司最近推出了在iP60-50增压泵基础上重新设计的超高压增压泵。这种增压泵的体积更小,更容易伺服控制,同时还能延长机床零部件(如密封件和止回阀)的工作寿命,从而可以在不降低水射流系统加工性能的前提下为用户节省加工成本。
虽然水射流加工属于一种比较新的切削技术,但它现在已被看作是一种“主流”工艺,并且正在迅速扩张,打入传统的金属切削市场。更重要的是,水射流和磨料水射流加工正在突破传统的金属切削加工领域,开始进入其它加工领域,包括用于切割建筑材料(如石材、瓷砖等)、软材料(如垫片、织物等)以及食品等。随着水射流技术的发展,加工水压将会继续提高,从而可以在每个工作台上安装更多的切削头,生产效率也将大幅度提高。
在不久的将来,可能实现在切削头上集成更多的运动控制,使机床具有更大的加工柔性,从而可以完成如今需要多台机床或多次安装才能完成的切削工作。可以预见,今后对将水射流、磨料射流切削头以及等离子体、激光等其它切削工艺集于一体的多任务加工系统的市场需求将日益增加。此外,采用STEP技术编程语言对软件开发平台进行升级换代也值得期待。

蠕墨铸铁(CGI)的加工

有些先进的加工技术来自于对现有加工技术的改进。例如,Makino公司的工程师们面对加工蠕墨铸铁(CGI)的技术难题,就必须对传统的加工工艺进行创新变革。
虽然蠕墨铸铁材料在理论上具有许多优点,但要将其加工制造成实用的产品,却需要克服大量技术难题。主要的压力在于如何使蠕墨铸铁的加工简易化,尤其是对柴油发动机缸体的加工。蠕墨铸铁的磨损特性是其优于其它类型铸铁材料的主要优势,也是其难以加工的主要原因。

图2 Makino公司开发的优化切削工艺解决了蠕墨铸铁加工难题
为了简化蠕墨铸铁的加工,Makino公司的工程师们与Sandvik Coromant公司的刀具工程师们合作,对传统的柴油发动机铣削工艺进行了优化改进,并增加了一种基于其Flush Fine精加工工艺的缸体孔精镗技术。这种新的加工方法使发动机制造商能以接近加工灰铸铁的切削速度来加工蠕墨铸铁(图2)。
将工艺规划与高精度机床、螺旋进刀路径和珩磨进给量的精确控制结合起来,可以达到极其严格的尺寸公差要求,从而可获得很高的加工表面质量,以致在珩磨之前无需再进行其它精加工。 新技术的应用极有可能完全取消半精加工工序,用于该工序的所有工具和机床也将随之省去。切削所用的硬质合金刀具是采用Sandvik公司的密齿刀具技术专门设计制造的。

低温液氮冷却辅助加工

将-195℃的液氮作为冷却剂应用于传统的车削加工中,可以有效降低切削区温度,改善加工条件。与使用水基、油基或合成冷却液相比,低温液氮冷却具有许多优点,尤其在加工硬材料和将其作为延长刀具寿命的手段时。如今这种加工方法已开始投入商业应用。
Hardinge公司推出的这种称为“Icefly”的低温硬车削新工艺应用于Quest CNC车削中心上。通过将液氮引入切削区实施冷却,可使陶瓷刀片更为强韧耐用,从而能缩短切削时间,延长刀具寿命。该工艺非常适合难加工材料(如淬硬钢、耐磨合金、硬质合金工件等)的切削加工。
Icefly低温冷却系统最初由Air Products公司开发,现在Hardinge公司又根据实际加工需要对其进行了改进和完善。在车削加工中,该系统可将-195℃的液氮射流直接喷射到刀片上,使刀片硬度得以提高,大幅度减轻了硬车削的切削高温对刀片的热软化效应。在刀/屑界面与刀片刀体之间产生急剧下降的温度梯度也有助于切削区的散热。此外,有效的冷却可以保持刀片切削刃的完整性,防止出现“拖尾”现象而在工件表面形成热压缩层,从而能够提高加工表面质量和光洁度。硬车削加工通常选用CBN和PCBN刀片,但对于许多加工来说,它们被认为过于昂贵。通过应用低温液氮冷却技术,就能在硬车削加工中更多地使用价格低廉的陶瓷刀片。
在干式硬车削或采用水(油)基冷却液的湿式硬车削中,CBN和PCBN陶瓷刀片往往容易出现不均匀磨损和发生碎裂。低温液氮冷却可以增强刀片的破裂韧性,并使陶瓷刀片更多呈现可预测的前刀面渐进磨损模式,同时可将切削速度提高一倍。这种可预测的前刀面均匀磨损也使将氧化铝陶瓷刀片用于要求严格的精车加工成为可能。

图3 在各种辅助加工方法忠,新退出了一种被称为“Icefly”的低温加工技术。该工艺经过多年研究,现已作为Air Products公司和Hardinge公司的合作研发成果上市
液氮可以存储在加工机床旁边的一个小型专用圆筒内,也可以存贮在一个较大容器中同时为多台机床供液。供液系统的设计与传统的冷却液系统类似。一根柔性的液氮输送管通过一个旋转接头联接到车床的刀塔上,为夹紧在刀具上的喷嘴供给液氮,喷嘴则将液氮直接喷向刀片的刀尖(图3)。
低温液氮冷却系统可用于淬硬钢、硬质复合材料和粉末冶金工件的车削加工。由于作为惰性气体的氮气在与刀片接触后就蒸发了,因此不会产生任何残留物,这对于具有多孔性的粉末冶金工件特别有利,以往此类工件加工后常常还需要进行清洗,以去除工件上残留的冷却液。
氮气是一种安全、不可燃、无腐蚀的气体,它可以迅速蒸发重回空气之中,而无任何会污染工件、切屑、机床或对操作者有害的残留物,因此完全不需要任何处理费用。
有一家设备供应商在加工一种硬质合金工件时曾遇到很大困难。这种含钴量11%的工件长度约216mm,直径为70mm,以前需要先粗磨再精磨,仅粗磨加工就需耗时4小时。于是Hardinge公司决定采用Icefly系统对该工件进行硬车加工,结果仅用刀片的一个切削刃就能完成约6倍工件长度(1219mm)的走刀加工。切削速度可达到约24m/min,每次走刀仅耗时约4分钟,为去除0.015mm的余量,需进行3次走刀,即整个硬车削加工时间约为12~15分钟,而以前光是粗磨就需要4小时,然后还需要再进行精磨加工。

聚焦离子束加工

美国国家科技研究所(The National Institute of Science and Technology)正在研究开发多种先进的加工和切削技术。 其中,聚焦离子束(FIB)铣削技术在纳米/微米加工领域具有极其重要的影响。该技术可利用聚焦离子束“切削”工件表面,加工出微形貌和微孔。聚焦在工件上的离子束直径可小至6nm,并能以亚微米级的分辨率对其进行控制。FIB可用于以“溅射”方式去除工件材料,对于材料种类几乎没有限制。在工业应用领域,FIB技术在半导体制造业被用于集成电路的诊断和修复。此外,研究人员正在利用该技术来制备三维纳米结构。
国家科技研究所制造业测量分部的工程师们正在探索将FIB技术作为在工件上添加微细特征的手段。FIB能加工出小至10nm的微孔,其材料去除率从几分钟到数小时不等。目前,材料去除率低是FIB工艺的主要缺点之一。以现在这种去除率水平,溅射材料的再沉积是一个很大的难题。工程师们设想,可以首先通过常规工艺加工出近净成形工件,然后采用FIB在工件上添加尺寸为微米级和亚微米级微细结构。
FIB加工技术并不是一种主流加工技术,但在制造微细结构方面却有着超越其学术意义的实用价值。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2007年第4期
上载于:2008-10-6 11:46:05

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