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1.材料去除工艺
介绍
通过铸造、成形和各种成形工艺制造的部件通常需要在它们准备好使用或组装之前进行进一步的操作。在许多工程应用中，必须要满足可互换，以便在其预期使用寿命期间安全可靠地工作；因此，在制造过程中需要控制零件的尺寸精度和表面光洁度。 加工涉及到从工件上去除某些材料(加工余量)，以便在一定的精度和表面质量下产生特定的几何形状。
加工历史
从最早的时代起，切割材料的方法就被采用，手工工具由骨头、棍子或石头制成。后来，由青铜和铁等基本金属制成的手工工具被使用了近一百万年。事实上，直到17世纪，工具仍然是手工操作或机械驱动非常基本的方法。通过这些方法，货车、轮船和家具以及日常使用的基本器具得以制造。水、蒸汽的引入，以及后来作为有用能源的电力的引入，导致了电动机床的生产，在许多应用中迅速取代了手动工具。
基于这些进步，加上合金钢作为切削工具材料的冶金发展，十八世纪和十九世纪开始出现了一个新的机床工业。1774年，约翰·威尔金森对这一新产业做出了重大贡献。他建造了一台精密的发动机钻孔机气缸，从而克服了与第一台由蒸汽驱动的机床有关的问题。23年后，亨利·莫兹莱设计了一台螺纹切削发动机车床，在机械加工方面取得了进一步的进步。詹姆斯纳斯密斯发明了第二个基本的成型和刨削机床；这些技术使用单点切削工具来加工平面，槽，肩，T形槽，和角面。这熟悉的钻床是第三类机床，它用麻花钻钻孔。
惠特尼大约在1818年引进了第一台铣床来切割凹槽、燕尾榫、T形槽以及平面。第一台万能铣床由J.R.Brown于1862年建造，用于切割麻花钻螺旋槽。十九世纪末，引进了磨床。这种技术的一种先进形式是研磨工艺，用于产生高质量的表面光洁度和非常严格的公差，与研磨过程中获得的plusmn;0.0025 mm相比，其公差小至plusmn;0.00005 mm（mm）。带锯和圆盘锯用于切割金属板中的形状，用于制作内外轮廓，以及进行角切割。
一个显著的发展是19世纪中叶为螺丝自动生产而制造的转塔车床。另一个重大的进步出现在1896年，当时F.W.Fellows制造了一台可以生产任何类型齿轮的机器。C.N.Norton在将汽车曲轴的研磨时间从5小时（h）缩短到15分钟（min）方面所做的工作就是早期研磨技术成就的一个重要例子。多工位立式车床、联动钻、生产铣床和专用机床（例如拉削、珩磨和钻孔）是机床技术进步的其他值得注意的例子（McGeough，1988）。在十九世纪后期和二十世纪，机床越来越多地由电力而不是蒸汽驱动。基本机床进行了进一步的改进，如出现了铣床用多点刀具。即使有了这些进步，传统的机床实践仍然依赖于这样的原则，即刀具必须由比要切割的工件更硬的材料制成。
在用这些常规方法进行加工的过程中，操作员会得到成品零件的图纸。他或她决定加工策略，设置机器，并选择工具、速度和进给。操作员操纵机器控制装置切割通过检查的零件。在这种情况下，产品的精度和表面质量不令人满意。这些传统机器的进一步发展是由于采用了复印技术、凸轮和自动机构，从而减少了劳动力，从而提高了产品精度。
1953年数控技术的引进为计算机数控和直接数控加工中心打开了大门，提高了产品的精度和均匀性。由于电子和计算机行业的快速发展，机械加工工艺及其机床的发展在过去50年中一直在持续。传统机床的巧妙设计使复杂形状的加工精度达到了plusmn;1微米（mu;m）。如图1.1所示，传统加工的最新发展包括预切割钻模机、钻模研磨机和超精加工机。这使得精度水平可能达到plusmn;1mu;m。如此高的精度可以用气动或电子仪器以及光学比较仪来测量。未来的趋势可能还包括精密研磨机和研磨机以及精密金刚石车床。
在现代机械加工实践中，经常使用更难切割的更硬、更强的材料。因此，更多的注意力集中在加工过程中，在加工过程中，工件材料的机械性能不会对材料去除过程施加任何限制。在这方面，非常规加工技术作为一种可能的替代方法，在可加工性、形状复杂度、表面完整性和小型化要求方面得以实施。需要创新的加工技术或通过结合不同的加工工艺对现有方法进行修改。混合加工利用了组合或相互增强的优点，避免了单独应用时产生的组成过程的不利影响。
图1.1 加工精度
有一段时间，在使用可用的加工工艺在硬质材料中钻取超小直径孔（10–100mu;m）后，有减小工件尺寸的趋势。微加工已成为进一步减小工件尺寸和尺寸的一个重要问题。指以微米级的尺寸制作三维形状、结构和装置的技术和实践。微机械化发展的主要目标之一是将微电子学电路集成到微机械结构中，形成完全集成的系统。
微加工的最新应用包括硅微加工、准分子激光和光刻。精密研磨机等机器可产生plusmn;0.01mu;m的精度水平，也可使用激光仪器和光纤进行测量。微加工的未来趋势包括激光和电子束光刻以及超高精度研磨、研磨和抛光机。在这种情况下，使用高精度激光束测量仪器，如McGeough（2002）所示。
与离子束加工一样，通过去除原子或分子而不是芯片可以获得所需的高精度纳米加工要求。Tanigushi（1983）提出了纳米加工，以涵盖从亚微米到单个原子或分子在100纳米（nm）到0.1纳米范围内的部件和公差的小型化。在微电子、汽车和飞机制造业等许多领域，对如此小规模的需求是为了获得高性能和高效率。在过去的十年中，纳米加工的可实现精度增加了近两个数量级。纳米加工过程包括原子、分子或离子束加工以及原子或分子沉积。这些技术可以达到plusmn;1-nm的公差，可以使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜、离子分析仪或电子衍射设备进行测量。
传统加工
如前所述，机械加工会移除工件的某些部分，以将其更改为最终零件。传统的，也被称为传统的，加工需要一个比工件更难被加工的工具的存在。该工具应在工件中穿透一定深度。此外，刀具和工件之间的相对运动负责形成或生成所需的形状。在任何加工过程中，如没有刀具与工件的接触或相对运动，这些元素的缺乏，使加工成为一个非传统的过程。传统加工可根据切削作用（C）和机械磨损作用（MA）进行分类，如图1.2所示。
图1.2 材料去除过程
1.3.1切削加工
在通过切削加工的过程中，刀具在工作材料中被穿透到切削深度。相对运动（主运动和进给运动）决定所需的工件几何结构。在这方面，车削产生圆柱形零件，成形和铣削产生平面，而钻孔产生不同直径的孔。工具具有已知几何体的特定数量的切削刃。切削作用去除肉眼可见的切屑形式的加工余量。在切削加工过程中，当刀具完成工件的加工时，可以通过成形来产生工件的形状。除了图1.3a所示的进刀深度外，还需要相对运动来产生切屑（主运动）。表面轮廓的精度主要取决于成形刀具的精度。一个表面也可以由完成芯片形成过程（主运动）和沿表面移动接合点（进给运动）的若干运动产生。图1.3b提供了切割表面生成的典型示例。槽铣，如图1.3c所示，采用组合形式和生成切削原理。
工件材料对切削加工的阻力取决于加工区产生的温度。高速热加工是目前公认的高效率的关键制造技术之一。随着温度的升高，强度降低，塑性增加。假设高温降低了切削力和能耗，提高了切削材料的可加工性，这是很合理的。为了提高玻璃和工程陶瓷的可加工性，采用了热加工技术。埃尔凯迪等。（1998）声称工件加热的目的不仅是降低材料的硬度，还将切屑形成机制从不连续切屑转变为连续切屑，同时提高表面光洁度。Todd和Copley（1997）建立了激光辅助原型，以提高传统车削和铣削中心难切削材料的可加工性。激光束聚焦在加工区上方的工件材料上。激光辅助车削减少了切削力和刀具磨损，改善了被车削零件的几何特性。
1.3.2 磨削加工
磨损加工这一术语通常是指通过许多坚硬的、有角度的磨损颗粒或颗粒（也称为磨粒）去除加工余量的工艺，这些颗粒或颗粒可以或不可以结合在一起形成一个具有一定几何结构的工具。与金属切削工艺相比，在磨料加工过程中，单独的切削刃是随机定向的，所有与工件同时接触的磨粒的啮合深度（未成形的切屑厚度）较小且不相等。切削刃（磨料）用于在精加工过程中通过机械加工去除较小的加工余量。这种材料以微小碎片的形式被移除，在大多数情况下都是看不见的（Kaczmarek，1976）。在使用固体砂轮或以粘合磨料形式的磨具（图1.4a）进行磨削、珩磨和超精加工过程中，采用MA作用。此外，在研磨、抛光和抛光中，松散磨料用作液体加工介质中的工具，如图1.4b所示。
图1.3 金属切削过程
图1.4 磨削加工
特种加工
新工程材料的热性能、化学性能和机械性能大大提高，使其无法使用传统的切削和磨损加工工艺进行加工。这是因为传统的加工通常是基于使用比工件更硬的工具去除材料。例如，单位体积金属切削量（50–200）中砂轮磨损量的高比例使得传统磨削仅在一定程度上适用于生产多晶金刚石（PCD）轮廓刀具。
陶瓷和复合材料的高加工成本和加工过程中产生的损伤是这些材料实现的主要障碍。除了先进的材料外，还需要更复杂的形状、低刚度的结构和精密的公差和表面质量的微加工部件。传统的加工方法在加工这些零件时往往是无效的。为了满足这些需求，开发了新的流程。
这些方法在飞机、汽车、工具、模具和模具制造行业中发挥了相当大的作用。非传统加工方法（图1.5）根据导致从工件上去除材料的加工动作数量进行分类。
图1.5 特种加工过程
单动作特种加工
对于这些工艺，只有一个加工动作用于材料去除。这些可以根据产生这种加工作用的能量来源分类：机械、热、化学和电化学。
机械加工
超声波加工（USM）和水射流加工（WJM）是单动、机械和非传统加工工艺的典型例子。在采用射流切割的情况下，超声波电机的加工由MA完成。机械加工介质为悬浮在磨浆中的固体颗粒，而WJM工艺则采用流体。将磨料引入流体射流，可在磨料水射流加工（awjm）或在冰射流加工（ijm）过程中使用冰颗粒时增强切割效果（见图1.6）。
热加工
热加工通过熔化或蒸发工件材料来去除加工余量。加工过程中会出现许多与表面质量有关的辅助现象，如微裂纹、热影响区的形成和条纹。材料去除所需的热源可以是电火花加工（EDM）和等离子束加工（PBM）过程中的等离子体、激光束加工（LBM）过程中的光子、电子束加工（EBM）过程中的电子或离子束加工（IBM）过程中的离子。对于这些过程中的每一个，加工介质都是不同的，当放电发生在电火花加工的介质液体中时，离子和激光束在IBM和LBM期间的真空中实现，如图1.7所示。
图1.6 机械加工工艺
化学和电化学加工
化学研磨（CHM）和光化学加工（PCM），也称为化学空白（PCB），使用化学溶解（CD）作用，通过蚀刻剂中的离子去除加工余量。电化学加工（ECM）使用电化学溶解（ECD）阶段通过电解槽中的离子转移去除加工余量（图1.8）。
混合加工
机械加工工艺的技术改进可以通过结合不同的加工动作或用于被去除材料的阶段来实现。机械常规的单次切割或MA动作过程可以与电火花加工（EDM）中的电火花（ED）或ECM中的ECD的各自加工阶段相结合。这种组合的原因和混合加工工艺的发展，主要是为了利用组合的优点，避免或减少组成工艺单独应用时产生的一些不利影响。在生产率、精度和表面质量方面，混合过程的性能特征与单相过程有很大不同，根据材料去除所涉及的主要加工阶段，混合加工可分为混合化学和电化学加工和混合热加工。
图1.7 热特种加工
化学和电化学混合过程
在这类混合加工工艺中，主要的材料去除阶段是CD或ECD。在激光辅助电化学加工（ECML）的情况下，这种加工动作可以与局部加热的辅助相结合。换句话说，机械磨损作用的引入有助于电化学研磨（ECG）和电化学超精加工（ECS）过程中的ECD加工阶段。超声辅助电化学加工（USMEC）采用带ECM的超声电机组件。射流的机械作用有助于电化学抛光（ECB）中化学溶解的过程。
Kozak和Rajurkar（2000）报告说，通过机械去除表面，与工件材料的机械相互作用改变了更好的阳极解溶工艺的条件。在这种条件下，从阳极表面去除薄层氧化物和其他化合物，使溶解和平滑过程更加密集。用超声波观察了机械加工作用的显著影响。这种振动产生的空化通过改善电解液冲洗和从加工表面去除材料来增强ECM。
图1.8 电化学和化学加工工艺
1.4.2.2混合热加工
在这种情况下，主要的材料去除机制是热的。该相与ECD相、MA作用和超声波（US）振动的结合产生了一系列的双作用过程。三缸混合加工也可以通过结合电火花冲蚀（EDE）阶段，ECD作用和MA在磨削（G）实现。这种组合提高了电化学放电研磨（ECDG）和图1.9所示的其他混合工艺的材料去除率和表面质量。
图1.9 混合加工过程
参考
El Kady，E.Y.、Nassef，G.A.和El Hofy，H.（1998）。“热加工过程中的刀具磨损特性”，科学公报，Ain-Shams大学，33（4）：493-511。
Kaczmarek，J.（1976年）。切削、磨损和侵蚀加工原理。
英国史蒂文纳格：彼得·佩雷格林有限公司。
Kozak，J.和Rajurkar，K.P.（2000年）。“混合加工工艺评估与发展”，主题论文，第二届雕刻表面加工与测量国际会议，克拉科夫，第501-536页。
McGeough，J.A.（1988年）。先进的加工方法。伦敦，纽约：查普曼和霍尔。
McGeough，J.A.（2002年）。工程材料的微加工。纽约：Marcel Dekker，Inc.
Tanigushi，N.（1983年）。“超精密加工和超精细材料加工的现
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