激光技术现已成为板金加工行业,提高生产效率和经济效益的一种主要手段。从激光加工设备的多样化出发,许多制造商正在积极开发3维激光加工机,以供汽车行业高精度加工各种高强度钢板汽车零部件使用。
汽车行业为了减轻汽车自重,近几年来大量使用高强度钢板加工外覆盖件,从而给生产带来了各种各样的问题。由于材料强度很高,仍用以往的冲压方法加工坯料因模具极易被磨损而提高了生产成本。改用高性能激光加工机后,就可以快速切割出各种形状的高强度钢板坯料。现代激光切割机的高切割精度和断面质量,完全可以代替冲压加工。现在装有5轴控制机械手的,输出功率为3,000—6,000W的CO2激光机,可以高精度切割各种厚度的高强度钢板。
除此之外为了能在坯料上切割出各种形状的孔,还专门开发了对不同形状坯料可实施精确定位的特种夹具。新开发的回转式夹具系统,可采用连续生产的方式提高加工效率。
激光切削加工新技术
新开发“激光切削加工技术”的要点是,由光纤或其它传送装置输送的激光束,通过刀具对被切削材料预先进行软化,从而可使加工更方便和效果更好。现在用这种方法加工陶瓷材料时,表面粗糙度可达到Ra=0.5μm。以往加工陶瓷材料则非常困难。
加工时只要使用立方氮化硼和陶瓷刀具,就可以对加工处预先进行软化。因对加热的激光束采取了严格的聚光措施,所以只对加工处的局部进行加热。使用输出功率200—500W两极管或CO2激光器,加工时的激光输出可以随工件形状发生变化。
水喷射和EDM复合加工机
新开发水喷射和EDM复合加工机的特点是,首先用水喷射方法去除工件的大部分多余材料,然后由EDM完成最后的形状精加工。实验证明,这种复合加工机可比常规设备缩短加工时间28%。
所用的水喷射系统可以构成2到5轴的系列产品。整台设备只要设置一台45kW电动机,就可以喷射出压力为420MPa的水柱。为了进一步改善设备的功能,在对机械动作分析后开发出使用性能更好的控制系统。此外在充分发挥记忆装置作用,改善泵的运作能力和简化维修保养作业等方面也采取了有效的措施。
最近又在设法提高水喷射的精加工能力,以便缩短EDM的加工时间。以Windows为基础的控制装置,具有极佳的自诊断功能。新设置的超高压增压泵,可以进一步提高喷射水柱的压力。
喷射水和带磨料水的复合加工机
与等离子和激光复合加工机的原理一样,喷射水和带磨料水也可以构成一种复合加工机。这种设备可用于切割石材和砖头等材料,也可用于切割密封剂和纤维制品等软性材料,以及木材等广泛范围的不同性质材料。随着技术的不断进步,这种复合加工机还可以利用高压水和在工作台上设置多只加工头的方法提高生产效率。现在已经可用这种设备加工球墨铸铁材料柴油发动机本体,以及作精密镗孔加工。
与编程和高精度机械相结合后因可以严格控制加工精度,所以能实施螺旋和精密镗孔等加工,且加工后可以获得连续的微细精加工表面。因在镗孔前不需要实施任何精密预加工,所以有利于缩短加工周期和降低生产成本。
供给液体氮的车削加工
为了提高车削加工的效果,新开发的一种流体辅助方法是向切削部位喷射液体氮。由向车削部位喷射-195℃液体氮代替以往的喷水、油和合成冷却液后,因为能抑制加工点发热而可以顺利地加工高硬度材料,且刀具的使用寿命也可以相应延长。这种在CNC车削中心上实施低温硬材料车削加工的技术,现在已经进入实际使用的阶段。
这种加工技术的要点是对加工部位喷射液体氮使陶瓷刀具保持高强度,从而在加工淬火钢、耐磨合金和碳化钨等难加工材料时,可以获得缩短加工时间和延长刀具使用寿命的效果。
喷射液体氮切削加工是多年探索的成果。新加工方法能抑制加工点高温的特点,不仅可以防止刀具热软化而保持原有硬度,还能防止刀具在高温压缩作用下表面出现擦伤,从而可以达到降低生产成本的目的。经实验证明,即使对硬材料的车削速度是原来的200%,用液体氮冷却的陶瓷刀具也不会出现侧面磨损现象。
液体氮由设置在机床附近的专用液压缸供应。一台液压缸可以向多台机床供应液体氮。柔性液氮管道通过节点设置在钻塔上。喷嘴则像以往供应一般冷却液那样,设置在可以向加工点喷射液体氮的位置。
用这种方法还可以加工粉末冶金烧结体,是因为非活性液体氮与刀具接触以后立即气化而无残留物,所以可对用粉末冶金方法生产的多孔金属件完满地实施切削加工。以往用一般冷却液加工粉末冶金件后,必须清除所粘附的冷却液。现在就不需要实施这种后处理。因为液体氮是一种非燃烧性和非腐蚀性气体,加工以后迅速蒸发在大气中,所以不会对烧结件带来不利。就是在切屑、机床和操作人员身体上也无残留物,所以不仅对环境保护有利,还可以降低生产成本。
用含有11%钴的碳化硅难加工材料,加工长度216mm、直径φ70mm的零件时,以往要用4个小时进行粗磨和精磨。现在用新方法加工类似材料的长度为1219mm的零件共进行6次切削,最后的加工速度可以提高到24m/min,总加工时间只有4分钟。上述零件用新方法加工的时间为12—15分钟。
聚焦离子束加工
新开发的聚焦离子束加工技术得到了人们广泛的关注。因为这种技术可以在微细加工和精密加工领域发挥重要作用。这种加工技术的要点是由聚焦离子束缓缓去除工件表面的多余材料,最终形成所需要的形状,或者是在坯料上加工出各种形状的孔。加工时是将直径小于φ6μm的离子束聚焦在被加工部位,并用微米级精度控制其移动,由喷溅工艺去除多余的材料。以往半导体行业是使用这种工艺,对集成电路进行诊断和修理。现在研究人员进一步,可以用这种技术生成纳米级精度的3维形状。用这种工艺还可以加工出直径φ10nm的极微小孔。它的缺点是加工速度很慢,通常需要几分钟到几小时。
微型制造技术
现在心脏起搏器等医疗器具、各种便携式电子产品和移动电话等通信工具的体积都很小,其中的微小零部件需要用微型技术进行加工。
例如一种可以安装剖腹镜和内窥镜的外科器械,只需要通过直径φ10—20mm的切口进行作业。而传统外科器械必须通过长度为152—305mm的大切口。
用于加工这种外科器械中微小零部件的设备,是一种小型高速车床。用这种车床加工微小零部件时,需要实施小切入量的高速进给,所以要求刀具的移动速度很快和散热性能很好。因为只有这样,才能防止发生微小零部件因过热而被损坏的现象。供医疗器械行业加工微小零部件的机床主轴转速,在60,000rpm左右。为了减少承受切屑的负荷,所以使排出切屑的尺寸小于0.127mm。与此同时因切屑小能降低刀具与原材料之间的作用力,从而可以减少刀具的发热和弯曲。
现在市场上有一种用于加工微小零部件的机床,具有很高的加工精度。总体加工精度为0.002mm,绝对精度为0.0127mm,相对精度为0.0005mm。
另一种适合加工微小零部件的机床,可以安装尺寸从0.4mm到6.4mm的刀具或直径为φ3.2mm的刀具。尽管目前世界上用于切削加工刀具的最小直径为φ0.3mm,但这种机床可装夹的刀具,已经能满足较大范围微型制造技术的需要。
