在Tech Manufacturing公司的加工車間中，轉(zhuǎn)速為4000 r/min的高速加工機(jī)床已經(jīng)非常有效。但該車間又引進(jìn)安裝了一臺轉(zhuǎn)速高達(dá)15000 r/min的新型鍛模銑床，從而使生產(chǎn)率更進(jìn)一步地大幅度提高。但是，即使沒有購置這臺新型機(jī)床，高速加工仍具有其應(yīng)有的價值。
    位于密蘇里州Wright城的Tech Manufacturing公司的工程設(shè)計(jì)副總裁Jerry Halley先生針對零件的高速加工提出了三項(xiàng)基本原則，其具體內(nèi)容如下：切削加工時，軸向切削深度要小，而切削速度要盡可能的快；在進(jìn)行切削加工的地方，應(yīng)保證盡可能地將工件夾緊；在已經(jīng)完成一個工件的切削加工以后，無需再返回進(jìn)行二次加工。
    預(yù)見性加工
    Halley先生曾經(jīng)在波音公司工作過。在過去10年中，他是該公司St. Louis工廠工程技術(shù)人員隊(duì)伍中的其中一員，該工廠生產(chǎn)高速銑床，他們應(yīng)用過去一直使用的高速加工方法，使這些機(jī)床發(fā)揮了更大的生產(chǎn)能力，從而達(dá)到更高的生產(chǎn)效率。
    在鋁和鈦合金原材料的實(shí)體基礎(chǔ)上銑削加工成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件時，采用“高速加工”的方法具有特殊的意義，并與機(jī)床的顫振現(xiàn)象產(chǎn)生一定的聯(lián)系。高速度加工中心都存在著內(nèi)在的顫振傾向，在金屬高速切削應(yīng)用領(lǐng)域中，這種顫振現(xiàn)象會限制生產(chǎn)效率的發(fā)揮。然而，如果車間能夠深入了解產(chǎn)生這種顫振現(xiàn)象的原因，找到機(jī)床主軸的正確轉(zhuǎn)速，并在相對較高的轉(zhuǎn)速下保持銑削工藝的穩(wěn)定平靜，那么對提高金屬的高速切削效率將起到很大的作用。對于刀具與主軸的每種不同組合，其所采用的最佳轉(zhuǎn)速也是各不相同的。在找到最佳的加工速度以及應(yīng)用上面所提到的那些加工原則以后，波音公司的加工車間不但使他們的機(jī)床提高了生產(chǎn)效率，而且使其在加工飛機(jī)上的薄壁零件時，削減了零件的生產(chǎn)成本，降低了的零件的重量，同時也提高了車間的生產(chǎn)率。

    圖1 圖中所示為該加工車間中生產(chǎn)效率最高的SNK型5軸高速加工銑床。該車間現(xiàn)有的機(jī)床上都應(yīng)用了高速加工原則，現(xiàn)有的程序和工藝也完應(yīng)了這一高速加工機(jī)床

    現(xiàn)在，Tech Manufacturing公司的這一加工車間已經(jīng)為飛機(jī)制造工業(yè)服務(wù)了50多年，Halley先生作為該公司的共同業(yè)主，已經(jīng)將高速加工的原則應(yīng)用到了該加工車間中幾乎各種的5軸和3軸加工中心上，用于所有飛機(jī)零件的加工。他說，加工車間現(xiàn)有的雇員不到50名，但卻有10幾臺CNC機(jī)床，對于從事高速加工業(yè)務(wù)來說，可能是屬于最小的車間。如果嚴(yán)格地按照其車間設(shè)備的最高速度而言，他的加工車間也許也是從事高速加工領(lǐng)域中，屬于加工速度最慢的企業(yè)。
    速度（或缺乏足夠的速度）并不一定能說明什么。請?jiān)倏匆豢瓷厦嫠�提到的一些�?guī)則。它們并不要求任何特別的速度。關(guān)于“盡您最快速度”的規(guī)則仍然適用，即使這并不是一個特別快的速度。
    Tech Manufacturing公司大多數(shù)的5軸加工中心，其最高速度局限于4000 r/min。雖然該車間的機(jī)床仍然保持著很好的工作狀態(tài)和很強(qiáng)的工作能力，但它們畢竟屬于較老的機(jī)床。在它們能夠達(dá)到的速度范圍內(nèi)，要找到一種無顫振的特殊主軸速度、同時又能大幅度地提高生產(chǎn)效率的機(jī)會是不存在的。然而，有關(guān)高速加工的原則和加工程序仍然適用于這些機(jī)床。

該加工車間專門生產(chǎn)圖中所示的這類零件—飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，這類零件由整塊的鋁和鈦合金材料加工而成

該加工車間從SNK America公司購置了一臺最新式的HPS 120B/5型5軸加工機(jī)床，其轉(zhuǎn)速高達(dá)15000r/min。Halley先生通過使用由Manufacturing Laboratories公司引進(jìn)的MetalMax系統(tǒng)進(jìn)行振動分析試驗(yàn)，測量這臺機(jī)床的頻率響應(yīng)特性，以確定該機(jī)床在采用該車間各種標(biāo)準(zhǔn)刀具時的高生產(chǎn)率理想主軸速度。在掌握這方面的信息之后，他就確定了在這一機(jī)床上運(yùn)行程序的新速度、進(jìn)給率和切削深度，但他不需要改變刀具的任何路徑。高速加工的刀具路徑在老式機(jī)床上的運(yùn)行已經(jīng)證明其具有很高的生產(chǎn)效率，目前在新的機(jī)床上應(yīng)用運(yùn)行，甚至可以達(dá)到更高的生產(chǎn)效率。實(shí)際上，當(dāng)該機(jī)床幾乎在車間中安裝不久，就開始為該車間盈利，創(chuàng)造價值。
     Halley先生說，這一利潤回報(bào)并不是主要的。即使該車間從來沒有購置過這臺新機(jī)床，高速加工對這一車間仍然具有很大的意義。在加工速度較低時，采用“高速加工”這個術(shù)語可能有點(diǎn)用詞不當(dāng)，但按照這些原則和方法加工，可以為工藝的一致性和預(yù)見性提供相應(yīng)的好處。根據(jù)Halley先生和公司其他人的說法，即使在沒有速度的情況下，采用高速加工仍然具有很大的價值。

即使沒有速度，高速加工也具有很大的意義。在老式、速度較慢的機(jī)床上，堅(jiān)持高速加工的原則包括以下優(yōu)點(diǎn)：工藝具有更好的一致性，具有更好的表面光潔度，而且無需進(jìn)行二次去毛刺加工

消除了變量
    事實(shí)上，高速加工的原則并不是關(guān)于特殊的速度問題，而是關(guān)于機(jī)床的優(yōu)化問題。
    加工飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和其他金屬零件的高速切削的典型方法是這樣的：首先是進(jìn)行快速的粗加工操作，即采用較大的刀具，切除大量的材料。然后花費(fèi)較長的時間進(jìn)行精加工操作，在要求嚴(yán)格的地方，采用較小的層次切削，以保證零件的加工精度。振動總是會給精加工走刀增加一些不確定因素，因此在特定的時刻，這一因素或其他因素就會影響到工藝的動態(tài)穩(wěn)定性。
    有效的高速加工可限制變量的發(fā)生，這樣有利于進(jìn)一步優(yōu)化其余的變量，盡可能使切削更加穩(wěn)定并達(dá)到更高的生產(chǎn)率。選擇太多未必是好事，因?yàn)檫x擇的范圍太廣，也會使工藝更難以控制。
    例如，加工車間提供使用的銑刀數(shù)量應(yīng)盡量限制在較小的范圍內(nèi)。在Tech Manufacturing公司，車間中大量使用的刀具只有四種標(biāo)準(zhǔn)的端面銑刀。刀具的長度也受到一定的限制。刀具都調(diào)節(jié)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量長度。因此不需要調(diào)試刀具用的測量探針，因?yàn)樵谶@一工藝中，刀具的計(jì)量長度都是固定不變的。
    采用高主軸速度的原因與這類原則有著密切的關(guān)系，工藝的微小變化會給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性帶來明顯的影響。如果工藝物理特性保持恒定不變的話，那么車間為這一最新機(jī)床找到的特殊高生產(chǎn)率主軸速度也將保持恒定不變。
    在較低的速度條件下，也許不可能找到這樣的特殊速度。然而，有害的顫振現(xiàn)象仍然是一個非常危險(xiǎn)的因素。在這里，工藝的一致性仍然使其有可能對切削參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以便使可能發(fā)生的顫振現(xiàn)象降低到最低限度。在低速條件下，如果與更為典型的工藝相比，由此而產(chǎn)生的工藝，或多或少地就其加工周期而言，其生產(chǎn)率是不高的，但是精心控制的工藝，其加工的表面光潔度較好，而且很少需要進(jìn)行二次去毛刺加工。
    Halley先生說，還有另外一種很有意義的加工方法，通過這一嚴(yán)格的工藝來減少變量。也就是說通過這種加工方法來消除粗加工和精加工之間的明顯區(qū)別。在高速加工中，主要就是采用銑削加工的方法。如果切削足夠穩(wěn)定，那么就會采用同樣的走刀方式，從隱窩的中心切除材料，并且還能以這種走刀方式加工隱窩的壁面，直至達(dá)到其最終位置。

圖4 該加工車間還將購置一臺與此相同的銑床，由這兩臺機(jī)床組成一個高速加工單元。這一套加工單元將成為該加工車間中生產(chǎn)效率最高的加工區(qū)，其所需的操作工人數(shù)量也是最少的

刀具路徑技術(shù)
    在高速加工中，穩(wěn)定性也會促進(jìn)對刀具路徑的選用方法。一旦當(dāng)一個工件在加工完成以后，不要再次接觸它。因此，當(dāng)其完成對一個特殊區(qū)域的切削以后，如果刀具將一個柔性特色留在了它的后面，那么這對它不會產(chǎn)生多大的影響。然而，這一切削加工中的工件應(yīng)該在某些戰(zhàn)略性區(qū)域保留足夠的裕量，以支持在加工這一材料時出現(xiàn)特殊的情況。消除粗加工與精加工之間的明顯差距幫助達(dá)到上述這一目標(biāo)。例如，一個薄壁零件，可以在其兩側(cè)保留較大的加工裕量，首先在其一側(cè)加工，然后再在另一側(cè)加工，兩側(cè)采用交替增量的加工方式，一直加工到底部為止。
    Halley先生說，一旦懂得了保持剛性的必要性以后，這一類的方法就變成了常識。然而，在應(yīng)用高速加工的方法時，人們所面臨的挑戰(zhàn)是CAM軟件不能支持這類加工方法。自動生成的刀具路徑往往會以一種特殊的簡便數(shù)學(xué)模式加工特定的裕量，但沒有給系統(tǒng)的動態(tài)偏差留下允差裕量。
其中有一個實(shí)例與這一加工方法有關(guān)，這就是Tech Manufacturing公司在加工未支撐薄地板時的所采用的加工方法。為了保持剛性，最好的方法就是在垂直的層面方向上一直將其加工到地板上，然后跳躍到相鄰的另一個垂直層面上，一直向下加工，然后繼續(xù)以此方法加工。相反，加工車間的CAM軟件不能提供這一功能。其自動生成的刀具路徑將以水平增量的方式進(jìn)行一定量的加工，代替了對整個工件形狀在水平方向上一層一層的銑削加工。因此，編程員需要采用手工操縱自動刀具路徑的生成，并以獨(dú)立加工的操作形式，處理每一個垂直的增量級數(shù)據(jù)。采用這樣的方式操縱，可生成更加穩(wěn)定一致和可以預(yù)測的加工程序，最終可以使車間避免出現(xiàn)故障，即使在低速運(yùn)行的情況之下，但是這種操縱方法會增加編程時間。
    事實(shí)上，高速加工零件所需的編程時間向車間有效地使用更高速的加工機(jī)床發(fā)出了挑戰(zhàn)。機(jī)床通過零件加速，但編程所需的額外時間，會給需要等待程序的機(jī)床帶來危險(xiǎn)，如果加工車間不能小心謹(jǐn)慎地安排好機(jī)床的生產(chǎn)。

圖5 高速加工原則看起來往往需要不同尋常的刀具路徑。上述演示圖非常的直觀

更好并不代表最好
    新的銑床很容易成為機(jī)加工車間中生產(chǎn)效率最高的機(jī)床。該車間將采用自鎖緊和自定位工件夾緊裝置來縮短工件的調(diào)試裝夾時間，縮短機(jī)床的加工周期，該工件夾緊裝置由BIG Kasier公司提供。這臺銑床將根據(jù)該車間為該機(jī)床已經(jīng)找到的無顫振切削速度進(jìn)行工作，不再需要那些在老式低速的5軸機(jī)床上經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的高速加工程序。
    在加工車間購置這臺機(jī)床前，Halley先生曾對這臺機(jī)床進(jìn)行了一次頻率響應(yīng)試驗(yàn)。在車間考慮采用上面提到的MetalMax系統(tǒng)時，他對車間里的每臺機(jī)床都進(jìn)行了評價。由于他對機(jī)床動態(tài)特性的影響和重要性非常熟悉，因此他在考慮購置機(jī)床的時候，不可能不對機(jī)床的這些情況進(jìn)行分析研究，正如在購置一輛汽車時，不可能不對汽車進(jìn)行試駕駛運(yùn)行一樣。他所關(guān)心的其中一個主要問題是觀察整個機(jī)床速度范圍內(nèi)的振動特性是否穩(wěn)定一致。如果機(jī)床的速度不存在這樣的穩(wěn)定一致性，那就表明機(jī)床的動態(tài)特性，基本上隨著速度的變化而變化。在這種情況下，就很難使它找到和保持最佳的速度狀態(tài)。
    新機(jī)床必須保持高生產(chǎn)率的運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)閷τ谠摷庸ぼ囬g而言，這是一筆非常巨大的投資。Halley先生說，損失一個小時就意味著減少一個小時的利潤。當(dāng)然，加工車間已再一次準(zhǔn)備好回收這筆投資。由于這臺機(jī)床可能是該車間最貴重的設(shè)備，因此其所需投入的勞務(wù)時間是最少的。當(dāng)該車間再購置第二臺相同機(jī)床的時候，這兩臺機(jī)床將組成一套高速加工單元，同時還將包括一個去毛刺加工站。他說，操作這套高速加工單元只需兩名操作工就足夠了，一名有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械師再加一名沒有經(jīng)驗(yàn)的雇員，這名雇員在與機(jī)械師的一起工作中，將會逐漸地變得經(jīng)驗(yàn)豐富，而最終成為一名高級操作人員。
    購置的第二臺機(jī)床與第一臺相同。事實(shí)上，它必須與第一臺機(jī)床完全一致，這樣，該加工車間在第一臺機(jī)床優(yōu)化方面所做的全部努力可以毫無遺漏的直接應(yīng)用于新的機(jī)床之上。引進(jìn)任何其他變量的機(jī)床，將會影響該加工車間高速加工技術(shù)的高效應(yīng)用。按照Halley先生的說法，即使第二臺機(jī)床比第一臺機(jī)床稍好的話，該車間也不能完全接受。