JIC35導讀：為了滿足用戶對生產效率和加工精度的要求，研究人員和設備制造商正在努力突破傳統的銑削、鉆削、車削、磨削等加工方法的限制。伴隨著對傳統加工工藝的持續改進和完善，各種新穎的切削技術和加工方法也在不斷涌現出來。下面介紹一些已經成功應用的現代加工技術，還有許多新的加工方法正在研究開發之中。
　　
　　激光切割加工
　　
　　自從激光器在上世紀60年代問世以來，其種類、尺寸和應用范圍一直在不斷拓展。目前激光技術和設備的研發重點主要包括：①改善用戶友好性和易于操作性；②易于維護保養；③提高“即插即用”能力；④縮小設備體積以應用于醫療和電子行業；⑤提高精度；⑥適應利基生產和大批量生產的柔性能力。
　　
　　近二十余年來，激光加工技術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率獲得了大幅度提高。此外，激光加工設備還具有許多各不相同的設計特點。
　　
　　世界激光加工設備制造商Trumpf公司非常重視激光加工設備的多功能性，并且一直向用戶提供二維和三維激光切割系統。由于激光加工柔性，因此能很好地解決許多企業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？Trumpf公司的三維激光加工系統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，該系統被用于汽車車身的切割，切口清晰干凈，并且不存在熱影響區（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，激光加工系統可以在zui終生產工序切割出汽車方向盤的位置，無論它是位于車身的左側還是右側。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量，大大提高生產率，即激光加工系統能夠在無需工具的情況下實現柔性制造。
　　
　　Trumpf公司還能為加工車間提供激光切割機和激光折彎機，從而使盒類結構部件的制造更為容易。首先用激光切割機對金屬板材進行切割，然后用激光折彎機使工件成型。的技術進展則是在鈑金加工車間再增設一個激光焊接站。
　　
　　三維激光切割系統在汽車制造業的另一個應用是切削高強度鋼。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，以致采用常規切削工藝無法實現經濟性加工。
　　
　　Trumpf激光能夠輕松而快速地實現復雜切削而無需后續二次加工。開發這種激光加工系統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、激光系統的誤差和工件夾持系統的誤差。而工件夾緊問題使事情進一步復雜化，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激光加工系統已經投入使用，根據工件材料的不同類型和不同厚度，可選用3000～6000W的激光功率。為了達到汽車生產所要求的加工速度，這種激光加工系統集成了一個轉臺式工件夾持系統，使激光能夠穩定地工作。
　　
　　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，現在該技術已開始走出實驗室，投入實際應用。在加工時，通過光纖或其它光束傳導裝置將激光束投射到工件上，正好位于刀具前面。激光產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，并且可以獲得高質量的加工表面（表面粗糙度可達Ra0.5µm或更好）。
　　
　　在激光輔助加工中，可以采用常規的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。在切削過程中，激光的功率可以調整，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的半導體激光器或CO2激光器。
　　
　　激光輔助加工的推廣應用存在兩個需要解決的問題。一個是技術問題，即在加工之初如何確定切削參數（包括激光的功率和聚焦、切削進給率和切削速度等）。另一個是認識問題，即如何使人們了解激光輔助加工的工作原理和使用方法，使他們相信應用該技術可以帶來諸多好處。
　　
　　水射流/EDM復合加工
　　
　　MCMachinerySystems公司推出了一種*的加工方法，他們將兩種非常規切削工藝——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）水射流系統是為與EDM一起加工而專門設計的，具有復合加工功能。該機床的創意是首先用水射流進行粗加工和去除毛坯余量，然后將工件移至EDM上進行zui終精加工。實驗表明，這種復合加工系統可以將全部加工步驟削減28％。
　　
　　現在已能提供2～5軸的系列水射流加工系統，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60000psi（420MPa）的高壓水。
　　
　　大多數水射流設備制造商都已意識到，當加工制造商們充分領略到這種技術的多功能優勢后，將會形成一個不斷擴大的需求市場。目前還需要進一步提高水射流控制系統的*性，尤其是機床加工狀態診斷技術，包括水泵性能和維修必要性的監測。隨著機床可靠性和工作水壓的進一步提高，多切削頭加工正變得日益普及。目前在整個水射流加工領域，60000psi的水壓已較為常見，而采用更高水壓的相關技術正在研發過程之中。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行研究。此外，易于維護從而能減少加工輔助時間對于新機型的開發也非常重要，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行二次精加工。
　　
　　隨著超高壓水射流技術的發展，加工水壓將不斷提高，超越現有水平。其它的變化還包括：隨著對于超高水壓對現有機床零部件性能和壽命的影響有了更多認識，人們將不斷改進這些零部件的設計。例如，JetEdge公司zui近推出了在iP60-50增壓泵基礎上重新設計的超高壓增壓泵。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加工性能的前提下為用戶節省加工成本。
　　
　　雖然水射流加工屬于一種比較新的切削技術，但它現在已被看作是一種“主流”工藝，并且正在迅速擴張，打入傳統的金屬切削市場。更重要的是，水射流和磨料水射流加工正在突破傳統的金屬切削加工領域，開始進入其它加工領域，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。隨著水射流技術的發展，加工水壓將會繼續提高，從而可以在每個工作臺上安裝更多的切削頭，生產效率也將大幅度提高。
　　
　　在不久的將來，可能實現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。可以預見，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加工系統的市場需求將日益增加。此外，采用STEP技術編程語言對軟件開發平臺進行升級換代也值得期待。
　　
　　蠕墨鑄鐵（CGI）的加工
　　
　　有些*的加工技術來自于對現有加工技術的改進。例如，Makino公司的工程師們面對加工蠕墨鑄鐵（CGI）的技術難題，就必須對傳統的加工工藝進行創新變革。
　　
　　雖然蠕墨鑄鐵材料在理論上具有許多優點，但要將其加工制造成實用的產品，卻需要克服大量技術難題。主要的壓力在于如何使蠕墨鑄鐵的加工簡易化，尤其是對柴油發動機缸體的加工。蠕墨鑄鐵的磨損特性是其優于其它類型鑄鐵材料的主要優勢，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SandvikCoromant公司的刀具工程師們合作，對傳統的柴油發動機銑削工藝進行了優化改進，并增加了一種基于其FlushFine精加工工藝的缸體孔精鏜技術。這種新的加工方法使發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。
　　
　　將工藝規劃與高精度機床、螺旋進刀路徑和珩磨進給量的控制結合起來，可以達到極其嚴格的尺寸公差要求，從而可獲得很高的加工表面質量，以致在珩磨之前無需再進行其它精加工。新技術的應用極有可能*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。切削所用的硬質合金刀具是采用Sandvik公司的密齒刀具技術專門設計制造的。
　　
　　低溫液氮冷卻輔助加工
　　
　　將-195℃的液氮作為冷卻劑應用于傳統的車削加工中，可以有效降低切削區溫度，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應用。
　　
　　Hardinge公司推出的這種稱為“Icefly”的低溫硬車削新工藝應用于QuestCNC車削中心上。通過將液氮引入切削區實施冷卻，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、硬質合金工件等）的切削加工。
　　
　　Icefly低溫冷卻系統zui初由AirProducts公司開發，現在Hardinge公司又根據實際加工需要對其進行了改進和完善。在車削加工中，該系統可將-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。在刀/屑界面與刀片刀體之間產生急劇下降的溫度梯度也有助于切削區的散熱。此外，有效的冷卻可以保持刀片切削刃的完整性，防止出現“拖尾”現象而在工件表面形成熱壓縮層，從而能夠提高加工表面質量和光潔度。硬車削加工通常選用CBN和PCBN刀片，但對于許多加工來說，它們被認為過于昂貴。通過應用低溫液氮冷卻技術，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不均勻磨損和發生碎裂。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可預測的前刀面漸進磨損模式，同時可將切削速度提高一倍。這種可預測的前刀面均勻磨損也使將氧化鋁陶瓷刀片用于要求嚴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圓筒內，也可以存貯在一個較大容器中同時為多臺機床供液。供液系統的設計與傳統的冷卻液系統類似。一根柔性的液氮輸送管通過一個旋轉接頭聯接到車床的刀塔上，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。
　　
　　低溫液氮冷卻系統可用于淬硬鋼、硬質復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了，因此不會產生任何殘留物，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，它可以迅速蒸發重回空氣之中，而無任何會污染工件、切屑、機床或對操作者有害的殘留物，因此*不需要任何處理費用。
　　
　　有一家設備供應商在加工一種硬質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系統對該工件進行硬車加工，結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，然后還需要再進行精磨加工。
　　
　　聚焦離子束加工
　　
　　美國國家科技研究所（TheNationalInstituteofScienceandTechnology）正在研究開發多種*的加工和切削技術。其中，聚焦離子束（FIB）銑削技術在納米/微米加工領域具有極其重要的影響。該技術可利用聚焦離子束“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。在工業應用領域，FIB技術在半導體制造業被用于集成電路的診斷和修復。此外，研究人員正在利用該技術來制備三維納米結構。
　　
　　國家科技研究所制造業測量分部的工程師們正在探索將FIB技術作為在工件上添加微細特征的手段。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。工程師們設想，可以首先通過常規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結構。
　　
　　FIB加工技術并不是一種主流加工技術，但在制造微細結構方面卻有著超越其學術意義的實用價值。