成功的高速加工需要重視刀具、主軸和機床動力學
工具技術和機床控制能力的進步使高速加工在航空零部件的制造中獲得了越來越廣泛的應用。盡管高速加工技術特別適合鋁合金的加工，但在復合材料和硬金屬材料的加工中也有其用武之地。
競爭壓力正不斷迫使制造商以更高效的方式加工零件。與此同時，航空結構件生產(chǎn)商也需要強度更高、質(zhì)量更輕、公差要求更嚴的構件。采用高速加工技術可以使制造商縮短加工循環(huán)時間，同時還能加工出比以往更精巧、壁更薄的零件。
按照哈斯（Haas）公司加工經(jīng)理WayneReilly的看法，許多人在使用高速加工這一術語時并不嚴謹。在Reilly看來，雖然一些人認為任何主軸轉(zhuǎn)速超過10000rpm的加工就算高速加工，但另一些人對此卻有更復雜一些的定義。他說，“實際上這取決于該術語的使用背景。工具制造商可能將其定義為轉(zhuǎn)速，而機床制造商則可能將其定義為CNC數(shù)控系統(tǒng)中的某些前瞻處理程序塊。高速加工的技術發(fā)展趨勢是采用更快的切削速度、進給率和負荷更輕的切削，而傳統(tǒng)加工通常采用負荷較重、切深較大的低速切削?！崩纾构旧a(chǎn)的立式加工中心（VMC）為高速加工提供了高達30000rpm的額定主軸轉(zhuǎn)速和30馬力（22.4kW）的驅(qū)動系統(tǒng)額定功率。
辛辛那提（MAGCincinnati）公司的鋁件加工平臺經(jīng)理RandyVonMoll表示，“與其孤立地討論主軸轉(zhuǎn)速，我倒更喜歡高效加工這個術語?！彼亩x除了主軸轉(zhuǎn)速外，還包括機床的動態(tài)響應。他用了5個參數(shù)來定義高效加工：①主軸轉(zhuǎn)速；②主軸功率；③高的進給率和刀路速率；④高的加、減速度；⑤高精度。后三個條件專門定義了機床的動態(tài)響應而不是主軸特性。VonMoll說，“為了更有效地切削合金材料（如鋁合金），確實需要將高性能的主軸與機床的高動態(tài)響應結合起來。”
如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類，他認為可將高速加工分別定義為：對于厚度在50mm以內(nèi)的薄板件，主軸轉(zhuǎn)速為30000rpm，額定功率為80馬力（60kW）；對于厚度在50mm以上的厚板件，主軸轉(zhuǎn)速為18000rpm，額定功率為135馬力（100kW）。
VonMoll解釋說，“在切削加工薄板件和厚板件時，機床的最高動態(tài)響應參數(shù)并無太大不同。對于兩種工件，加速度/減速度都應在0.5g左右，應提供盡可能快的（非切削）往復運動，至少達到1500ipm（38m/min）?！?
在加工復雜的凹腔類工件時，加速度/減速度對切削時間有很大影響，因為刀具在加工中必須多次改變方向。
機床的往復移動時間會影響切削時間，尤其是輔助時間（切削鋁合金時輔助時間可占到全部加工循環(huán)時間的20％）。輔助時間包括切削一個新工件時刀具的定位時間或刀具移動到換刀機械手的時間。按照精益制造的觀點，輔助時間是一種需要消除的浪費。幾年前，辛辛那提公司推出了可實現(xiàn)快速往復移動與高加/減速度完美結合的HyperMach立式仿形銑床系列。這些機床的快速往復移動速度高達4000ipm（101m/min），其目的就是為了縮短輔助時間。HyperMach的X、Y、Z軸行程分別達到33m、3500mm和1250mm，并配置了附加的A、B或C軸，機床的主軸轉(zhuǎn)速高達30000rpm。
“切削出小切屑并盡可能快速地加工”是牧野（Makino）公司設計工程師AlanHollatz對高速加工的定義。他認為，高轉(zhuǎn)速、小切深的加工方法可以減少傳入工件或刀具中的切削熱，工件和機床所受的切削力也較小。傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速、大切深加工方法容易使現(xiàn)代設計中壁厚薄至0.030″（0.76mm）的工件產(chǎn)生變形。較小的切削力還意味著可以降低對工件夾持的要求。
Hollatz建議，在精加工鋁合金時，應盡可能采用高速切削，“如果主軸額定轉(zhuǎn)速為30000rpm，我們將嘗試全速運行。同時，我們還會限制所用刀具的直徑?？紤]到刀具不平衡引起的離心力，機床轉(zhuǎn)速越高時，刀具直徑應越小?！弊鳛橐粋€實例，牧野生產(chǎn)的一種大型機床（主軸轉(zhuǎn)速33000rpm，電機功率107馬力）不推薦使用任何直徑大于50mm的刀具。對于大多數(shù)切削加工而言，直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高。
與大多數(shù)機床供應商一樣，Hollatz推薦在主軸轉(zhuǎn)速較高時采用空心短錐柄（HSK刀柄），而不要采用CAT型刀柄。他指出，CAT刀柄在高速加工時可能會引起Z方向的精度問題。在以高轉(zhuǎn)速進行加工時，曾經(jīng)出現(xiàn)過CAT刀柄卡住主軸的極端情況。HSK刀柄的設計特點是采用錐面和端面雙重接觸，因此可以控制Z方向的精度。“當主軸轉(zhuǎn)速在20000rpm以下時，可以采用CAT刀柄，但當轉(zhuǎn)速高達30000rpm時，除了采用HSK刀柄以外別無選擇?！?
高速加工的另一個關鍵因素是CNC控制器及其在高速條件下精確控制機床運動的能力。具有“前瞻”功能的控制器可以根據(jù)刀具將要到達的位置控制刀具當前的速度和加/減速度，該功能與高速驅(qū)動主軸同樣重要。
據(jù)Hollatz介紹，牧野機床控制器的標準“前瞻”功能有超過60－80個G碼模塊。其中的SuperGI.4控制器程序包是為高速加工而專門設計的，有超過180－250個模塊。對于相同的刀具路徑，SuperGI.4的運動速度比它所替代的SGI.3控制器提高了15%－30%。
據(jù)哈斯公司加工經(jīng)理Reilly介紹，哈斯機床為高速加工控制提供了可選方案。哈斯的高速加工控制模塊允許采用更高的進給率和更復雜的刀軌，而不會使機床出現(xiàn)停機等故障。哈斯機床采用稱為“插補前加速度”的運動算法，并與多達80個模塊的全“前瞻”功能相結合，其高速加工控制模塊可提供高達500ipm（13m/min）的等高線進給運動，而無需冒編程的刀軌失真的風險?！斑@樣做的最大好處就是執(zhí)行程序時具有‘前瞻’性，而且當運動方向發(fā)生任何變化時都能保持盡可能快的運動速度。”Reilly解釋說，“如果運動方向變化不大，運動速度也幾乎不需要改變。速度的變化是與方向的變化成比例的?！?
在航空工業(yè)中，隨著新型飛機為減輕重量而采用更多復合材料，對復合材料的加工需求正變得日益迫切。波音787客機采用合成材料制造機身和機翼就是這一趨勢的典型實例。 據(jù)Crick介紹，與加工鋁合金相比，高速加工復合材料所需的功率和扭矩較小，機床本身無需像切削鈦合金的機床那樣厚重結實，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動和共振。大多數(shù)機床主軸的轉(zhuǎn)速范圍都在10－13000rpm（盡管它們可以更高速度運轉(zhuǎn)）。例如，美國一家大型航空零部件制造商在一臺轉(zhuǎn)速為24000rpm的機床上，采用0.012－0.016″（0.3－0.4mm）的切深實現(xiàn)了對復合材料的高速加工。
現(xiàn)在，大部分復合材料都采用當初為金屬切削而設計的加工單元來加工。Crick認為，最終的目標是制造出重量更輕、為加工復合材料而專門設計的專用機床。設計這種機床時必須注意一種趨勢，即航空復合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說，“復合材料零部件的尺寸可能非常大，如長達100′（30m）機翼外覆件，甚至包括整個機身部件，如新型波音787的機艙剖面直徑超過20′（6m），長度超過30′（9m）。在這種大型結構中，對一節(jié)機身與另一節(jié)機身之間接合面的加工公差要求很嚴。其他零部件可能既長又帶有筋板，如翼梁、縱梁、支柱和地板橫梁等。
為了加工這些既長又薄且容易彎曲的零件（Crick形象化地將它們形容為“濕面條”），辛辛那提公司開發(fā)了一種專用擠壓件銑床。該機床既可以加工鋁合金也可以加工復合材料，加工尺寸范圍13′×8′（4×2.4m），主軸轉(zhuǎn)速24000rpm，采用直徑不超過25mm的12種刀具進行加工，工件可長達40′（12m）。
“當幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時，自由切削材料（如鋁合金或復合材料）受益最大，”哈斯公司加工經(jīng)理Reilly說，“由于采用高轉(zhuǎn)速、大進給、小切深的硬銑削技術，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業(yè)越來越重要的工件材料，當然也是受益者之一。”
“如果說鋁合金切削機床像F1賽車，鈦合金切削機床就更像推土機，”MAG維修技術公司的生產(chǎn)力解決方案經(jīng)理DanCooper說，“它們在主軸轉(zhuǎn)速方面有很大不同，盡管高速加工原理——高轉(zhuǎn)速、小切深對于鈦合金有時也具有意義，尤其是薄壁零件最好采用高速加工原理加工。舉例來說，一個用戶的零件厚度為0.030″（0.76mm）、高度為3″（76mm），這種大高度薄壁件不能采用老式傳統(tǒng)工藝進行粗加工，低轉(zhuǎn)速、大切深、大扭矩切削將導致工件變形和刀具偏移，對于新型5553鈦合金零件的加工尤其如此?！?
Cooper指出，鈦合金的低導熱性、高彈性模量與高強度相結合，使其成為一種難切削材料，“雖然切削扭矩和動態(tài)剛性對于復合材料和鋁合金加工也許并不太重要，但對于鈦合金加工卻非常重要。與鋁合金加工相比，這會限制鈦合金加工速度的提高。 Cooper寧愿用表面速度和進給率而不是主軸轉(zhuǎn)速來衡量高速加工。表面速度是主軸轉(zhuǎn)速和刀具直徑的函數(shù)；進給率是主軸轉(zhuǎn)速和刀齒密度的函數(shù)。由于刀齒越密、表面速度（SFM）越高，就意味著進給率越高，因此刀具的設計至關重要。
Cooper介紹說，MAG的新型硬質(zhì)合金刀具可以390fpm的表面速度進行加工?！坝靡话阎睆?5.4mm、刀槽數(shù)最多的刀具，我們只能以1500rpm的轉(zhuǎn)速和2.5m/min的速度加工，而這對于鈦合金加工已是相當高的速度了。”
高速加工技術已在鋁合金加工中證明了自己的優(yōu)勢，人們期望它在加工像鈦合金一樣更新、更硬的材料時也能做到這一點。
“如今，鋁合金的高速加工正在成為標準工藝?！瘪R扎克（Mazak）公司西區(qū)總部和航空技術中心的加工經(jīng)理RudyCanchola說。對他來說，目前最大的加工挑戰(zhàn)是高溫合金（如15-5不銹鋼、5553或6Al4V鈦合金），這些材料在航空工業(yè)的使用越來越多。最近，他計劃在馬扎克機床上采用各種刀具進行切削試驗（包括在MazakVCN-510C立式加工中心上進行鈦合金加工試驗）。Canchola說，“我們已經(jīng)證明用整體硬質(zhì)合金立銑刀加工鈦合金的速度可達500－600fpm。我們認為這是非常不錯的?！?
他們還分別用山高（Seco）、英格索爾（Ingersoll）、肯納（Kennameta）和山特維克（Sandvik）的刀具在MazakVortex815-II五軸加工中心上進行了加工15-5不銹鋼的切削試驗。試驗采用順銑加工方式，表面切削速度達到400－600fpm。
Canchola說，“我們的大多數(shù)機床都具有實現(xiàn)這種高表面進給率的能力。如果用戶需要切削這種材料，我們可以向他們提供在這些試驗中獲得的數(shù)據(jù)”。
加工高溫合金時，機床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時那么重要，因為此時的切削速度并不太高。最重要的控制功能是測量主軸和軸系所承受的載荷并據(jù)此進行調(diào)整。馬扎克機床能夠接收來自伺服電機的反饋電信號，并調(diào)整速度使其與切削條件相互匹配，如有必要還可以停機更換刀具。
（來源：《工具展望》）
