撰稿：蘭生數(shù)控機(jī)床銷售有限公司  范琦

 

由于高速切削產(chǎn)生的熱量少，切削力小，零件的變形小，因此高速切削非常適用于輕合金加工，特別適合以輕合金為主的飛機(jī)制造。飛機(jī)制造業(yè)是最早采用高速銑削的行業(yè)。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個方面：

 1 ．提高切削效率

在航空航天及其他一些行業(yè)中，為了最大限度地減輕重量和滿足其他一些要求，許多機(jī)械零件采用薄壁、細(xì)筋結(jié)構(gòu)。由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，因此，提高生產(chǎn)率的唯一途徑就是提高切削速度和進(jìn)給速度。

 2 ．整體高速加工代替組件

由于飛機(jī)上的零件對于重量要求比較苛刻，同時也為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個飯金件鉚接或焊接而成的組件，改為采用整體實(shí)心材料制造，此即“整體制造法”。在整塊毛坯上切除大量材料后，形成高精度的鋁合金或鐵合金的復(fù)雜構(gòu)件，其切削工時占整個零件制造總工時的比例很大。同時，普通的切削速度會使零件產(chǎn)生較大的熱變形。采用超高速切削，可大幅度提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，這是促使飛機(jī)制造行業(yè)開發(fā)和應(yīng)用高速切削技術(shù)的主要原因。高速銑削材料的切除率可達(dá)每千瓦功率100~150cm³/min ，比傳統(tǒng)的加工工藝工效提高 3 倍以上。美國玩 Ingersoll公司機(jī)床加工的零件，其銑削最薄壁的厚度僅為lmm 。

 3 ．難加工材料的高速切削

航空和動力工業(yè)部門還大量采用鎳基合金（如 inconel718 ）和欽合金（如 TiA16V4 ）制造飛機(jī)和發(fā)動機(jī)零件。這些材料強(qiáng)度大、硬度高、耐沖擊加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，屬于難加工材料，一般采用很低的切削速度進(jìn)行加工。如采用超高速切削，則其切削速度可提高到 100 ~1000m / min ，為常規(guī)切速的 10 倍左右，不但可大幅度提高生產(chǎn)率，而且可有效地減少刀具磨損，提高加工零件的表面質(zhì)量。

波音飛機(jī)公司是世界上最大的飛機(jī)制造公司。鑒于高速切削所產(chǎn)生的效益，波音公司是最早應(yīng)用高速切削技術(shù)加工飛機(jī)零件的大公司之一。他們研究和應(yīng)用高速加工技術(shù)已有十年，在高速加工飛機(jī)零件的研究和應(yīng)用中取得了很多成果，也創(chuàng)造了巨大的效益。

1．  采用整體制造法制造零件

波音公司在生產(chǎn)波音 F / 15 和 F / A 一 18E / F 戰(zhàn)斗機(jī)中，使用高速銑床進(jìn)行零件加工，使得大型飛機(jī)零件更容易制造、裝配和維修，其中主要技術(shù)是“整體制造法”。采用整體加工零件代替多個零部件裝配在一起，飛機(jī)的零件數(shù)目減少了42 % ，主要是薄板類和擠壓成形零件。對于這種整塊結(jié)構(gòu)、具有大量薄壁和筋肋等其他細(xì)微特征的零件加工，高速切削的作用非常顯著。高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁結(jié)構(gòu)的飛機(jī)部件，取消了裝配過程和準(zhǔn)備時間，節(jié)約了資金。

采用高速切削進(jìn)行大型零件的整體制造，主要優(yōu)點(diǎn)有兩個：

1 ）鑒于薄壁特征，必須要用小切深（light-depth-of-cut）加工，可使切削力比較小，使零件在加工中不會變形。高速加工的一個明顯優(yōu)點(diǎn)是在高速下切削力較小。

2 ）因需要小切深切削，普通速度機(jī)床的切削效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。必須用高主軸轉(zhuǎn)速和較快的進(jìn)給速度。

下面是幾個典型實(shí)例。

1 高速加工 F15 戰(zhàn)斗機(jī)上的一個零件。波音公司的一個技術(shù)負(fù)責(zé)人說：很少有零件能夠像 F15 戰(zhàn)斗機(jī)上的零件顯示高速加工的效益。圖10-6這是一個 11ft 長的結(jié)構(gòu)件，在飛機(jī)的兩個方向舵之間擺動。通常是由 500 個零部件組裝而成，現(xiàn)在用一塊整體原料高速加工完成。小切深是基本要求，因?yàn)榱慵�包括大量薄壁和平面，很多地方厚度只�?lmm 。

只有高速加工才能實(shí)現(xiàn)這樣的零件加工，不算光整，加工大約要 30h 完成。如用普通機(jī)床，至少要好幾天。

C—17運(yùn)輸機(jī)的艙壁，以前是用很多擠壓件和薄板類零件組裝而成，現(xiàn)在用一個金屬塊，高速加工就可完成。

10-7圖示：高速銑削加工F/A-18E/F戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼上的一個零件

10-8圖示: 高速加工C-17運(yùn)輸機(jī)的艙壁

2 ．波音公司的經(jīng)驗(yàn)

高速加工是使加工更快、更好和成本更低，而且還減輕了飛機(jī)重量的一項(xiàng)高新技術(shù)。

 1 ）高速主軸是加工飛機(jī)大型零件的關(guān)鍵部件。實(shí)驗(yàn)和研究結(jié)果表明，主軸轉(zhuǎn)速為 18 000 ~40 000r / min 是最適合的。

 2 ）大大減少了零件數(shù)量。以 F15 戰(zhàn)斗機(jī)的零件為例，由一個整體零件代替了以前的 500個零件，使原來的加工和裝配等多道工序簡化為一次完成，提高了生產(chǎn)率。生產(chǎn)周期從三個月縮短到兩個星期。

3 ）減少了許多薄板零件的擠壓成形制造工序。

 4 ）提高了生產(chǎn)的柔性，改變零件只需改變加工程序即可，減少了很多分離零件的模具、夾具等制做工作。

 5 ）減少了占用的生產(chǎn)面積，減少了很多零件的中間制造環(huán)節(jié)，包括分散零件的存儲、運(yùn)輸?shù)�，也減少了制造過程中的損失。

 3．波音公司使用的高速加工機(jī)床

一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用總是要有一個過程。波音公司第一次實(shí)驗(yàn)整體加工法是使用高速切削加工一個整體實(shí)心材料代替五個零部件的組裝零件。實(shí)心材料的毛坯裝在工作臺上， 45min 即完成了加工，壁厚達(dá) 0 . 03in ，沒有發(fā)生變形。以后，更薄壁、更大、代替更多零部件的整體加工越來越多被采用。

波音公司在 F / A -18 戰(zhàn)斗機(jī)制造中，重新設(shè)計飛機(jī)以適合高速整體加工的工藝要求，所獲得的結(jié)果比預(yù)想的要好。從此，高速切削整體加工就成為波音公司一項(xiàng)減少零件、減少加工時間的重要技術(shù)。在高速切削應(yīng)用的早期階段，他們改造了三臺機(jī)床來實(shí)現(xiàn)高速加工。

改造的機(jī)床參數(shù)見表10-2.

4．以高速加工為基礎(chǔ)的高速、高柔性和可重組的先進(jìn)飛機(jī)制造模式

現(xiàn)在，波音公司使用的高速機(jī)床更多了，包括各種型號和參數(shù)的機(jī)床。在使用高速加工中心的基礎(chǔ)上，他們發(fā)展了飛機(jī)制造的柔性系統(tǒng)，其中，稱為高速仿形（High Velocity Profiler）臥式加工中心具有兩個工作臺和兩個主軸位置。每個主軸位置有四個轉(zhuǎn)速為 20 000r / min 和功率為 76kW主軸，主軸頭提供兩個旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)五軸加工，加速度0.3個，進(jìn)給速度 1 180in / min ，并且具有八個托盤的工件交換系統(tǒng)。他們還計劃用一個柔性制造系統(tǒng)于更高速、更大的飛機(jī)零件加工。

采用高速整體加工的目的之一是減少裝配件。波音的商業(yè)飛機(jī)制造集團(tuán)工廠，使用兩個 40 000r / min 的高速加工中心生產(chǎn)一個由原來 20 個零件裝配成的零件，結(jié)果減輕重量 80 ％。當(dāng)然，減少加工時間是基本目的。在工廠的高速加工車間里，使用了四個自動生產(chǎn)單元共 21 根高速主軸加工 1400 個零件。這些高速單元組成了高速柔性制造系統(tǒng)的基本構(gòu)成，主要目的是滿足不斷改變產(chǎn)品設(shè)計的柔性生產(chǎn)。圖10-9

最新引進(jìn)的兩臺由 Ingersonll 生產(chǎn)的高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速 40 000r / min ，進(jìn)給速度 38m / min ，組成了第五套高速柔性單元，使加工速度又上了一個新臺階。整體加工原來由 15~20 個零件組裝成的 " Stow bin arch ”零件，這種零件一個飛機(jī)上要有 59 個。以前用上百個鉚釘連接而成，重5lb。（磅）�，F(xiàn)在由高速加工完成，重量只1lb 。這個例子說明，高速加工不僅改善了飛機(jī)零件的加工過程，也減輕了飛機(jī)的重量。

這些柔性生產(chǎn)單元都沒有固定在地基上，它們的布置一方面要有利于零件加工各個工序就近完成，以提高生產(chǎn)率；另一個重要作用是，隨著加工零件的改變，能夠迅速重新布置，調(diào)整位置，隨著加工要求而變，即實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)重組，能夠使工廠的生產(chǎn)對市場的需求快速做出反應(yīng)。其中，起重要作用的就是高速加工技術(shù)。高速加工不僅減少加工時間，提高了生產(chǎn)柔性，而且由于高速切削的高表面質(zhì)量，也可減少 60 ％的手工修整時間。

5．高速加工需要解決的問題

采用高速加工整體零件需要解決很多具體的技術(shù)問題。波音公司在應(yīng)用中研究解決了一系列的問題，積累了高速加工的經(jīng)驗(yàn)。

⑴ 突破高速切削產(chǎn)生的振動速度范圍

前已述明，主軸轉(zhuǎn)速為 18 000 ~ 40 000r / min 是最適合的，這是因?yàn)楦咚偌庸ば枰�克服振動。飛機(jī)在一定速度時會出現(xiàn)音障；汽車開到一定速度也會產(chǎn)生振動，到 40km / h 時振動加劇，而到了64km / h 時振動又消失。高速加工鋁也有同樣的問題，在一定速度時會出現(xiàn)劇烈振動，即加工系統(tǒng)的共振。只有突破這一速度障礙區(qū)，才能穩(wěn)定切削，提高效率和加工表面質(zhì)量。

工件夾具和刀具系統(tǒng)也會影響到高速加工的振動情況。夾具問題解決相對容易，很多加工不需要夾具，直接把鋁塊用螺栓固定在工作臺上就行了。刀具和刀柄是另一個問題，因速度引起的振動要和機(jī)床一起考慮。避免發(fā)生在高速下切削產(chǎn)生顫振要對切削深度、主軸速度和使用的刀具等綜合進(jìn)行研究，不僅要選擇合適的刀具和刀柄，而且要優(yōu)化組合切削參數(shù)。波音公司實(shí)驗(yàn)研究和建立了主軸轉(zhuǎn)速和切削深度優(yōu)化組合的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，提供在各種切削條件下使用。

高速切削鋁時機(jī)床系統(tǒng)的共振頻率是可以測量的，已經(jīng)得到能夠避開共振區(qū)順利進(jìn)行切削的參數(shù)可以安全使用。但是一旦加工系統(tǒng)條件發(fā)生變化，就需要重新設(shè)定加工參數(shù)。例如，機(jī)床主軸損壞、更換新的后，加工系統(tǒng)的切削參數(shù)就會變化；而在普通速度切削時，這種現(xiàn)象較少發(fā)生。

如何更好地解決共振問題是波音公司的下一步研究目標(biāo)。他們設(shè)想通過改變主軸或刀具的一些參數(shù)來比較準(zhǔn)確地控制加工系統(tǒng)的共振頻率。希望能有更好剛度的刀具，或可調(diào)剛度的刀具。在鋁加工中，改變切削速度對振動影響不大。他們設(shè)想通過調(diào)整刀具的剛度，避開共振頻率，使機(jī)床發(fā)揮最大功能。

波音公司建立了一個實(shí)驗(yàn)室，從事高速切削的研究工作。主要研究工作有五軸輪廓加工、研究直線電動機(jī)在 X 、 Y 、 Z 方向快速運(yùn)動和高達(dá) 29 加速度的高速進(jìn)給系統(tǒng)，以及轉(zhuǎn)速達(dá)到 36 000r / min 的具有自動減振能力的主軸系統(tǒng)。圖10-10

⑵ 飛機(jī)設(shè)計和制造過程的配合

采用整體加工要改變飛機(jī)設(shè)計，因此，高速加工技術(shù)的應(yīng)用要有設(shè)計和制造過程的交流和配合。

⑶ 選擇高速切削刀具

高速加工要有適于高速加工的刀具和刀柄，這些刀具應(yīng)由刀具制造廠根據(jù)加工需要專門生產(chǎn)，特別是刀具更換不應(yīng)引起機(jī)床加工系統(tǒng)的固有頻率的改變。

另外，還要考慮刀具的重磨問題，必須有數(shù)控刀具磨床，在刀具重磨后還能滿足要求，因?yàn)樵诟咚偾邢髦校�刀具的微小偏差對加工都有很大影響�?/P>

⑷ 高速 CNC 系統(tǒng)

高速機(jī)床必須配備適合高速切削的 CNC 系統(tǒng)，以保證高速進(jìn)給過程中及時輸入指令數(shù)據(jù)，特別是在五軸加工中，因?yàn)槎鄡蓚�回轉(zhuǎn)軸的進(jìn)給控制，CNC 系統(tǒng)的處理速度就顯得不夠，所以進(jìn)給速度會受限制，影響加工效率。

⑸ 改進(jìn)加工材料

必須使用高質(zhì)量的鋁錠毛坯，而且毛坯的厚度也應(yīng)根據(jù)整體零件的需要加大、加厚。隨著高速加工的整體零件越來越大，對鋁錠毛坯的質(zhì)量要求也越來越高，越來越大。加工小尺寸零件可以用鋁錠，大零件要用鍛鋁。

以下介紹美國 Remmele 飛機(jī)公司高速切削應(yīng)用實(shí)例。

美國 Remmele 飛機(jī)公司采用功率為 38kW 的高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速 40 000r / min ，快速進(jìn)給 600in / min ，取得了很好的效益。

首先他們在航空產(chǎn)品中最直接需要的薄壁加工中應(yīng)用了高速切削。在傳統(tǒng)加工速度下熱和應(yīng)力引起的變形及翹曲限制了薄壁的最小厚度。采用高速加工，壁厚由原來的 0.5mm 降低到 0.25mm 。

由于 HVM 切削力小，減少了薄壁件振動和引起的顫振，減少了薄壁件的熱變形，從而提高了所加工鋁件的表面質(zhì)量，其表面粗糙度可達(dá)到 Rao.32μm 。

在整體加工中，也取得了很好的效益。 圖10-3

在高速切削應(yīng)用中，他們又發(fā)現(xiàn)在有些情況下，HVM可以取代別的加工工藝。Remmele 飛機(jī)公司的一個典型的例子是用 HVM 省去鑄造過程，在一塊材料上一次加工直接完成零件，省去了鍛造和鑄造的過程。例如，在做飛機(jī)上的控制盤（圖5）時，通常是用鑄塑的方法。如果要在零件上做一些改動，如把一個按鈕改動一個位置，若是鑄造件，需要重做一個模具；用 HVM 加工，只需改變一下程序就行了，使用的時間只是鑄造的一小部分。

另一個例子， Remmele 的用戶需要 1200 個零件，預(yù)計要 20~30 個星期，而用 HVM 每星期100個，只要 12 個星期就完成了全部定單。

國際飛機(jī)工業(yè)采用 HVM 型高速切削技術(shù)的新發(fā)展

美國 Cincinnati 和意大利 Jobs 公司在 IMTS2000 芝加哥國際機(jī)床展覽會上展出了專門用于飛機(jī)工業(yè)的大型 HVM 型高速銑床，其型號分別為 HyperMach 和 JoMach 159 。這類機(jī)床有以下特點(diǎn)：

⑴ 進(jìn)一步提高了主軸轉(zhuǎn)速和功率

由于飛機(jī)工業(yè)采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大，因而，主軸轉(zhuǎn)速和功率可以大大增加。

據(jù) Cincinnati 公司稱，以往在飛機(jī)工業(yè)中，主軸轉(zhuǎn)速 15 000r / min 和功率 22kW就算是高速機(jī)床了。隨著技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速已提高40000r/min ，功率 4okW。而他們的 HyperMach 已提高到 60 000r / min 和 80kW 。

⑵ 超長的 X 行程和龍門移動結(jié)構(gòu)

由于“機(jī)翼”類零件為細(xì)長形零件，要求機(jī)床有很長的工作行程。意大利 JOMach 機(jī)床 X 行程長達(dá) 30m ，而 Y 軸只有 2m , Z 軸為 5m 。據(jù)稱該機(jī)床用于加工歐洲下一代“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼。美國 HyPerMach 機(jī)床的軸 X 行程最長為 46m , Y 軸只有 2m 。英國 Marwin 公司 Alumax 系列機(jī)床的雙臺面總長度達(dá) 100m 。如此長的 X 行程，只能是龍門（往往是多個龍門）移動的結(jié)構(gòu)，而不可能是工作臺移動。

（3） 采用直線電動機(jī)作高速直線運(yùn)動

航空工業(yè)用的高速機(jī)床也用上了直線電動機(jī)，以取代斜齒輪齒條或蝸桿蝸母條傳動，這是為了適應(yīng)主軸超高速、特大功率和超長 X 行程的需要。 HyPerMach機(jī)床采用直線電動機(jī)以后，進(jìn)給速度最大達(dá) 6om / min ，快速行程為 l00m / min ，加速度達(dá)2g。據(jù) Cincinnati 公司稱，他們在 HyPerMach 上曾試切一件薄壁飛機(jī)零件，只花了 30min 。同樣的零件在一般高速數(shù)控銑床加工，費(fèi)時3h ，而在普通數(shù)控銑床要花8h 。由此可顯示出超高速機(jī)床的威力。

 JOBS 公司 2000 年推出的另一臺用于航空和模具工業(yè)的 LinX 系列大型高速銑床，為橋式龍門布局，也應(yīng)用了直線電動機(jī)，最高進(jìn)給速度達(dá) 60m / min ，加速度達(dá)0.6g ，主軸轉(zhuǎn)速 24000r / min ，功率為 44kW 。據(jù)稱，由于采用高速主軸和直線電動機(jī)高速進(jìn)給，加工時間可減少50 % ，機(jī)床結(jié)構(gòu)還得到了進(jìn)一步的簡化，減了25％的零件，便于維護(hù)。

 我國飛機(jī)和模具制造業(yè)中目前使用的部分高速加工中心的技術(shù)指標(biāo)見10-4.