圖1 采用（yòng）高速加工（gōng）技術製成的典型（xíng）航（háng）空薄壁件

圖2 辛辛那提（tí）公司HyperMach仿形銑床（chuáng）可采用單主軸或雙主軸，並（bìng）配備A/B或A/C軸（zhóu），X軸行程達9144mm(可加長（zhǎng）)，主軸轉速24000rpm，快速往複移動速度（dù）達4000ipm(101m/mim)

      機床的往（wǎng）複（fù）移（yí）動時間會影響切削時間（jiān），尤（yóu）其是（shì）輔助（zhù）時間(切削鋁合金時輔助時間可占到全部加工（gōng）循環時間的20%)。輔（fǔ）助時間包括切削一個新工件時（shí）刀具的定位（wèi）時（shí）間或刀具移動到換刀機械手的時間。按照精益製造的觀點，輔助時間是一種需要消除的（de）浪費。幾年（nián）前，辛辛那提公司推出了可實（shí）現快速往複移動與（yǔ）高加/減速度完（wán）美結合的HyperMach立式仿形（xíng）銑床係列(圖2)。這些機床的（de）快速往複移動速度高達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，並配置（zhì）了附加的（de）A、B或C軸，機床的主軸轉速高（gāo）達30000rpm。大（dà）部分HyperMach立式（shì）仿形銑床都是在一個共用的X軸龍門（mén）結構上安裝兩（liǎng）個相互獨立的主軸。為了應對提高（gāo）大型工件(尺寸可達2000mm×4000mm)加工效率的市（shì）場需求，辛辛那提（tí）公司將在（zài）IMTS 2008(2008年美國芝加（jiā）哥國際製造技術（shù）展覽會)上展出並演（yǎn）示HyperMach臥式係列。

      切削出（chū）小切屑並盡（jìn）可能快（kuài）速地加工”是牧野（yě）(Makino)公司設計工程師Alan Hollatz對高速（sù）加工的定義。他認為，高（gāo）轉速、小（xiǎo）切（qiē）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。傳統的低轉速、大切深加工方法容易使現代設計中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件產生變形。較小（xiǎo）的切削力還意味著可以降低對工件夾持的要求.

      Hollatz建議（yì），在精加工鋁合（hé）金時，應盡可（kě）能采用高速切削，“如果主軸額（é）定轉速為30000rpm，我們將嚐試全速運行。同（tóng）時，我們還會限製所用刀具的直徑（jìng）。考慮到刀具不平衡引起（qǐ）的離心（xīn）力，機床轉速（sù）越高時，刀（dāo）具直（zhí）徑應越小。”作為一（yī）個實例，牧野生產的一種大型機床(主軸轉速33000rpm，電機功率107馬力[80kW])不推（tuī）薦使用任何直徑大於50mm的刀具。對於大多數切（qiē）削加工而言，直徑為25mm或更小的刀具切削效（xiào）率最高。

     與大多數機床供應商一樣，Hollatz推薦在主軸轉速較高時采用空心（xīn）短錐柄(HSK刀柄)，而不要采用CAT型刀柄。他指出（chū），CAT刀柄在高速加工時可能會引起Z方向的精度問題。在以（yǐ）高轉速進行加工時，曾經出現過CAT刀柄卡住主軸的極端情況。HSK刀柄的設計特點是（shì）采用錐麵和端（duān）麵雙重接觸，因此（cǐ）可以控製Z方（fāng）向的精度。“當主軸轉速在20000rpm以下時，可以采用CAT刀柄，但當轉速高（gāo）達30000rpm時，除（chú）了采用HSK刀柄（bǐng）以外別無選擇。”

圖4 用牧野MC1516-5XA加工中心切削的薄壁鈦合金艙壁(尺寸約為203×254×609mm)

      在航空工業（yè）中，隨（suí）著新（xīn）型飛機為減輕重量而（ér）采用更多複合材料，對複合材料的加（jiā）工需求正變（biàn）得日益迫切。波音787客機采用合成材（cái）料製造機身和機翼就是這一趨勢的典型實例。鋁合金（jīn）的高速加工不（bú）久將（jiāng）成為標準工藝，將高速加工應用於其它常用航空材料似乎也具有意義，對於複合材料當然也不例外。“當（dāng）采用近淨成型工（gōng）藝製造複合材料零件時，為了達到配合、連接和凹陷部位的精（jīng）度要求，就需要進行機加工。”辛辛那提公司（sī）複合材料加工（gōng）平台經理Jeff Crick解釋說，“例如，利用（yòng）層積（jī）加工可在機翼表麵製（zhì）造（zào）一個進入孔，但隻能達到大約±0.5mm的精度(層積加（jiā）工隻能達到這種精（jīng）度)。為了在要求的（de）部位達到更高精度，就需要進行（háng）二次加工(如機加工)，就像對鋁合金、鈦合金或鋼材進行精加工一樣。”

      據Crick介紹，與加工（gōng）鋁合金相比，高速加（jiā）工複（fù）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（jié）實，但仍然需要有（yǒu）足夠的剛性以克服振動和共振。大多數機床主軸（zhóu）的轉速範圍都在10－13000rpm(盡管它（tā）們可以更高速度運轉)。例如，美國（guó）一家大型航空零部件製造商在一台轉速為24000rpm的機床上，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實現了對複（fù）合材料的（de）高速加工。

      現在，大（dà）部（bù）分複合材（cái）料都采用（yòng）當初（chū）為金屬切削而設計（jì）的加工單元來加工。Crick認為（wéi），最終的（de）目標是製造出重（chóng）量更輕、為加工複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，即航空複合（hé）材料零部件的尺寸越來越大。Crick說（shuō），“複合材料零部件的（de）尺寸可能非常大，如長達100′(30m)機翼外（wài）覆件，甚至包括整個機身部件，如新型（xíng）波音787的機（jī）艙剖麵直（zhí）徑超過20′(6m)，長度超過30′(9m)。在這種（zhǒng）大型結構中，對一節機身與另一節機身之間接合麵的加工公差要求很嚴。其他零部件可能既長又帶有（yǒu）筋板，如翼梁、縱梁、支柱和地板橫梁等。

 
圖5 辛辛那提公司專為加工長的柔軟工件而設計的擠（jǐ）壓件銑床(主軸轉速24000rpm ) 

      為了加工這些既長又薄且容易彎曲的零件(Crick形象化（huà）地將它們形容為“濕麵條”)，辛辛那提公司開發了一種專用擠壓件銑床(圖5)。該機床既可以（yǐ）加工鋁（lǚ）合金也可以加工複合材料，加工（gōng）尺寸範圍13′×8′(4×2.4m)，主軸轉速（sù）24000rpm，采用直徑不超過25mm的12種刀具進行加工（gōng），工件可長達（dá）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（rú）鋁合金（jīn）或複合（hé）材料)受益最大，”哈斯公司加（jiā）工經理Reilly說，“由（yóu）於采用高轉速、大進給、小切深（shēn）的硬銑削技術，淬硬模具鋼也可從高速加工中（zhōng）獲益。鈦合金作為航空工（gōng）業越來越重要的工件材料（liào），當然（rán）也（yě）是受益者之一。”

      “如果（guǒ）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（xiū）技術公司的生（shēng）產力解決方案經理Dan Cooper說，“它們在主軸（zhóu）轉速方麵（miàn）有很大不同，盡管高速加工原理——高轉速、小切深對於鈦合金有時也具有意義，尤其是薄壁（bì）零件最好采（cǎi）用高速（sù）加工原理加工。舉例來（lái）說，一個用戶的零件厚度為0.030″(0.76mm)、高度為3″(76mm)，這種大（dà）高度薄壁件（jiàn）不能采用老式傳統工藝進行粗加（jiā）工，低轉速、大切深、大扭矩切削將導致工件變形和刀具偏移，對於新型5553鈦合金（jīn）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（chéng）為一種難切削材料，“雖然切（qiē）削扭矩和動態（tài）剛性對於（yú）複（fù）合材料和鋁合金加工（gōng）也許並（bìng）不太（tài）重要（yào），但對於鈦合金加（jiā）工卻非常重要。與鋁合金（jīn）加工相比，這會限製鈦合金加工速度的提高。”

      Cooper寧願（yuàn）用表麵速度和進給率而不是主軸轉速來衡量高速加工。表麵速度（dù）是主軸轉（zhuǎn）速和（hé）刀（dāo）具直（zhí）徑的（de）函數；進給率是主軸轉速和刀齒密度的函數。由於刀齒越密、表麵（miàn）速度(SFM)越高（gāo），就意味著進給率越高，因此刀具（jù）的設計至關重要。

      Cooper介紹說，MAG的新型硬質（zhì）合金刀（dāo）具可以390fpm的表麵（miàn）速度進行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數最多的刀具，我們隻能以1500rpm的轉速和2.5m/min的速度加工，而這對於鈦合金加工（gōng）已是相當高的速度了。”
高速加（jiā）工技術已在鋁合金加工中證明了自（zì）己的優勢，人們期望它在加工（gōng）像鈦合金一（yī）樣更新、更硬的材料時也能做到這（zhè）一點。

      “如今，鋁合（hé）金的高速加工正在（zài）成為標準工藝。”馬紮克(Mazak)公司西區（qū）總部和航空技術中心（xīn）的加工經理Rudy Canchola說（shuō）。對他來說，目前最大的加工挑（tiāo）戰是高溫合金(如15-5不鏽鋼、5553或6Al4V鈦合金)，這些材料在航空（kōng）工業的使用越來越多。最近，他計（jì）劃在馬紮克機床上采用（yòng）各種刀具進（jìn）行切削試驗(包括在Mazak VCN-510C立式加工中心上進行鈦合金加工試驗)。Canchola說，“我們（men）已經（jīng）證（zhèng）明用整體硬質合金立銑刀加工（gōng）鈦合金的速度可達500－600fpm。我們認為這是非常（cháng）不錯的。”

      他們還分別用山高（gāo）(Seco)、英格索爾(Ingersoll)、肯納(Kennameta)和（hé）山特維克（kè）(Sandvik)的刀（dāo）具在Mazak Vortex 815-II五（wǔ）軸加工中心上進（jìn）行了加工（gōng）15-5不鏽鋼的切削試驗。試驗采用（yòng）順銑加工方式，表麵切削速度達到400－600fpm。

      Canchola說，“我們的大多數（shù）機床都具有實現這種高表（biǎo）麵進給率的能力。如果用戶需要（yào）切削（xuē）這種材料，我們可以向他（tā）們提（tí）供在這些試驗中（zhōng）獲得（dé）的數據”。

      加工高溫合金時（shí），機床控製器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時那麽重要，因為此時的切削速度並不太高。最重（chóng）要的控製功能是測量主軸和軸係所承受的（de）載荷並據此進行調整。馬紮克機床（chuáng）能夠接收來自伺服電機的反饋電信號，並調（diào）整速度使其與切（qiē）削（xuē）條件相互匹配，如有必要還可以停機更換刀具。