成功的高速加工需要重視刀具、主軸和機(jī)床動(dòng)力學(xué)
    工具技術(shù)和機(jī)床控制能力的進(jìn)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(yīng)用。盡管高速加工技術(shù)特別適合鋁合金的加工，但在復(fù)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(shí)，航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商也需要強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕、公差要求更嚴(yán)的構(gòu)件。采用高速加工技術(shù)可以使制造商縮短加工循環(huán)時(shí)間，同時(shí)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Wayne Reilly的看法，許多人在使用高速加工這一術(shù)語時(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)。在Reilly看來，雖然一些人認(rèn)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(fù)雜一些的定義。他說，“實(shí)際上這取決于該術(shù)語的使用背景。工具制造商可能將其定義為轉(zhuǎn)速，而機(jī)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(shù)發(fā)展趨勢是采用更快的切削速度、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重、切深較大的低速切削。”例如，哈斯公司生產(chǎn)的立式加工中心（VMC）為高速加工提供了高達(dá)30000rpm的額定主軸轉(zhuǎn)速和30馬力（22.4kW）的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定功率。
    辛辛那提（MAG Cincinnati）公司的鋁件加工平臺經(jīng)理Randy Von Moll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(gè)術(shù)語。”他的定義除了主軸轉(zhuǎn)速外，還包括機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。他用了5個(gè)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(jìn)給率和刀路速率；④高的加、減速度；⑤高精度。后三個(gè)條件專門定義了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而不是主軸特性。Von Moll說，“為了更有效地切削合金材料（如鋁合金），確實(shí)需要將高性能的主軸與機(jī)床的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)合起來。”
    如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類，他認(rèn)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）。
    Von Moll解釋說，“在切削加工薄板件和厚板件時(shí)，機(jī)床的最高動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)并無太大不同。對于兩種工件，加速度/減速度都應(yīng)在0.5g左右，應(yīng)提供盡可能快的（非切削）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，至少達(dá)到1500ipm（38m/min）。”
    在加工復(fù)雜的凹腔類工件時(shí)，加速度/減速度對切削時(shí)間有很大影響，因?yàn)榈毒咴诩庸ぶ斜仨毝啻胃淖兎较颉?br />    機(jī)床的往復(fù)移動(dòng)時(shí)間會(huì)影響切削時(shí)間，尤其是輔助時(shí)間（切削鋁合金時(shí)輔助時(shí)間可占到全部加工循環(huán)時(shí)間的20％）。輔助時(shí)間包括切削一個(gè)新工件時(shí)刀具的定位時(shí)間或刀具移動(dòng)到換刀機(jī)械手的時(shí)間。按照精益制造的觀點(diǎn)，輔助時(shí)間是一種需要消除的浪費(fèi)。幾年前，辛辛那提公司推出了可實(shí)現(xiàn)快速往復(fù)移動(dòng)與高加/減速度完美結(jié)合的HyperMach立式仿形銑床系列。這些機(jī)床的快速往復(fù)移動(dòng)速度高達(dá)4000ipm（101m/min），其目的就是為了縮短輔助時(shí)間。HyperMach的X、Y、Z軸行程分別達(dá)到33m、3500mm和1250mm，并配置了附加的A、B或C軸，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm。大部分HyperMach立式仿形銑床都是在一個(gè)共用的X軸龍門結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)相互獨(dú)立的主軸。為了應(yīng)對提高大型工件（尺寸可達(dá)2000mm×4000mm）加工效率的市場需求，辛辛那提公司將在IMTS 2008（2008年美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會(huì)）上展出并演示HyperMach臥式系列。
    “切削出小切屑并盡可能快速地加工”是牧野（Makino）公司設(shè)計(jì)工程師Alan Hollatz對高速加工的定義。他認(rèn)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(jī)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(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)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(yùn)行。同時(shí)，我們還會(huì)限制所用刀具的直徑。考慮到刀具不平衡引起的離心力，機(jī)床轉(zhuǎn)速越高時(shí)，刀具直徑應(yīng)越小。”作為一個(gè)實(shí)例，牧野生產(chǎn)的一種大型機(jī)床（主軸轉(zhuǎn)速33000rpm，電機(jī)功率107馬力[80kW]）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(jī)床供應(yīng)商一樣，Hollatz推薦在主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)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(shí)可能會(huì)引起Z方向的精度問題。在以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時(shí)，曾經(jīng)出現(xiàn)過CAT刀柄卡住主軸的極端情況。HSK刀柄的設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在20000rpm以下時(shí)，可以采用CAT刀柄，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm時(shí)，除了采用HSK刀柄以外別無選擇。”
    高速加工的另一個(gè)關(guān)鍵因素是CNC控制器及其在高速條件下精確控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的能力。具有“前瞻”功能的控制器可以根據(jù)刀具將要到達(dá)的位置控制刀具當(dāng)前的速度和加/減速度，該功能與高速驅(qū)動(dòng)主軸同樣重要。
    據(jù)Hollatz介紹，牧野機(jī)床控制器的標(biāo)準(zhǔn)“前瞻”功能有超過60－80個(gè)G碼模塊。其中的Super GI.4控制器程序包是為高速加工而專門設(shè)計(jì)的，有超過180－250個(gè)模塊。對于相同的刀具路徑，Super GI.4的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jìn)給率和更復(fù)雜的刀軌，而不會(huì)使機(jī)床出現(xiàn)停機(jī)等故障。哈斯機(jī)床采用稱為“插補(bǔ)前加速度”的運(yùn)動(dòng)算法，并與多達(dá)80個(gè)模塊的全“前瞻”功能相結(jié)合，其高速加工控制模塊可提供高達(dá)500ipm（13m/min）的等高線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而無需冒編程的刀軌失真的風(fēng)險(xiǎn)。“這樣做的最大好處就是執(zhí)行程序時(shí)具有‘前瞻’性，而且當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生任何變化時(shí)都能保持盡可能快的運(yùn)動(dòng)速度。”Reilly解釋說，“如果運(yùn)動(dòng)方向變化不大，運(yùn)動(dòng)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(jī)為減輕重量而采用更多復(fù)合材料，對復(fù)合材料的加工需求正變得日益迫切。波音787客機(jī)采用合成材料制造機(jī)身和機(jī)翼就是這一趨勢的典型實(shí)例。鋁合金的高速加工不久將成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，將高速加工應(yīng)用于其它常用航空材料似乎也具有意義，對于復(fù)合材料當(dāng)然也不例外。“當(dāng)采用近凈成型工藝制造復(fù)合材料零件時(shí)，為了達(dá)到配合、連接和凹陷部位的精度要求，就需要進(jìn)行機(jī)加工。”辛辛那提公司復(fù)合材料加工平臺經(jīng)理Jeff Crick解釋說，“例如，利用層積加工可在機(jī)翼表面制造一個(gè)進(jìn)入孔，但只能達(dá)到大約±0.5mm的精度（層積加工只能達(dá)到這種精度）。為了在要求的部位達(dá)到更高精度，就需要進(jìn)行二次加工（如機(jī)加工），就像對鋁合金、鈦合金或鋼材進(jìn)行精加工一樣。”
    據(jù)Crick介紹，與加工鋁合金相比，高速加工復(fù)合材料所需的功率和扭矩較小，機(jī)床本身無需像切削鈦合金的機(jī)床那樣厚重結(jié)實(shí)，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動(dòng)和共振。大多數(shù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍都在10－13000rpm（盡管它們可以更高速度運(yùn)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(jī)床上，采用0.012－0.016″（0.3－0.4mm）的切深實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合材料的高速加工。
    現(xiàn)在，大部分復(fù)合材料都采用當(dāng)初為金屬切削而設(shè)計(jì)的加工單元來加工。Crick認(rèn)為，最終的目標(biāo)是制造出重量更輕、為加工復(fù)合材料而專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)床。設(shè)計(jì)這種機(jī)床時(shí)必須注意一種趨勢，即航空復(fù)合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說，“復(fù)合材料零部件的尺寸可能非常大，如長達(dá)100′（30m）機(jī)翼外覆件，甚至包括整個(gè)機(jī)身部件，如新型波音787的機(jī)艙剖面直徑超過20′（6m），長度超過30′（9m）。在這種大型結(jié)構(gòu)中，對一節(jié)機(jī)身與另一節(jié)機(jī)身之間接合面的加工公差要求很嚴(yán)。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(jī)床既可以加工鋁合金也可以加工復(fù)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(jìn)行加工，工件可長達(dá)40′（12m）。
    “當(dāng)幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時(shí)，自由切削材料（如鋁合金或復(fù)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(jìn)給、小切深的硬銑削技術(shù)，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(dāng)然也是受益者之一。”
    “如果說鋁合金切削機(jī)床像F1賽車，鈦合金切削機(jī)床就更像推土機(jī)，”MAG維修技術(shù)公司的生產(chǎn)力解決方案經(jīng)理Dan Cooper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(shí)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(gè)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(jìn)行粗加工，低轉(zhuǎn)速、大切深、大扭矩切削將導(dǎo)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(dǎo)熱性、高彈性模量與高強(qiáng)度相結(jié)合，使其成為一種難切削材料，“雖然切削扭矩和動(dòng)態(tài)剛性對于復(fù)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(huì)限制鈦合金加工速度的提高。”
    Cooper寧愿用表面速度和進(jìn)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(jìn)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(jìn)給率越高，因此刀具的設(shè)計(jì)至關(guān)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(jìn)行加工。“用一把直徑25.4mm、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(dāng)高的速度了。”
    高速加工技術(shù)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(shí)也能做到這一點(diǎn)。
    “如今，鋁合金的高速加工正在成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。”馬扎克（Mazak）公司西區(qū)總部和航空技術(shù)中心的加工經(jīng)理Rudy Canchola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(jì)劃在馬扎克機(jī)床上采用各種刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)（包括在Mazak VCN-510C立式加工中心上進(jìn)行鈦合金加工試驗(yàn)）。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(dá)500－600fpm。我們認(rèn)為這是非常不錯(cuò)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Mazak Vortex 815-II五軸加工中心上進(jìn)行了加工15-5不銹鋼的切削試驗(yàn)。試驗(yàn)采用順銑加工方式，表面切削速度達(dá)到400－600fpm。
    Canchola說，“我們的大多數(shù)機(jī)床都具有實(shí)現(xiàn)這種高表面進(jìn)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(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)”。
    加工高溫合金時(shí)，機(jī)床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時(shí)那么重要，因?yàn)榇藭r(shí)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(jìn)行調(diào)整。馬扎克機(jī)床能夠接收來自伺服電機(jī)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(jī)更換刀具。

　　來源：《工具展望》