高效高速加工技術(shù)提高航宇生產(chǎn)效率

20世紀(jì)90年代初開始，現(xiàn)代先進(jìn)大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)出現(xiàn)了明顯變化：更多地采用復(fù)合材料和金屬整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計制造技術(shù)，以實現(xiàn)大幅度減少飛機(jī)零部件數(shù)量、減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量、提升飛機(jī)性能、改善飛機(jī)安全可靠性和提高飛機(jī)使用壽命。其中高速加工技術(shù)在航宇制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，推動了飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)件更加明顯轉(zhuǎn)向采用整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計和切削加工簡單制造法，取代傳統(tǒng)成百上千個零件通過連接技術(shù)組成的組合結(jié)構(gòu)件。
　　典型高速加工技術(shù)(HSM)
　　高速加工從技術(shù)概念的提出并發(fā)展到較成熟的工業(yè)應(yīng)用，大致經(jīng)歷了高速切削機(jī)理研究(上世紀(jì)70年代初前)、高速切削應(yīng)用探索研究(上世紀(jì)70年代)、高速切削初步工程應(yīng)用(上世紀(jì)70年代末到80年代中)和高速切削較成熟工程應(yīng)用(上世紀(jì)80年代中至今)四個階段。特別最近10多年來，由于諸如高速機(jī)床結(jié)構(gòu)、高速主軸、快速坐標(biāo)驅(qū)動、高速切削刀具、高性能控制系統(tǒng)和高速編程技術(shù)等許多高速加工工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，使得比常規(guī)切削加工具有許多明顯優(yōu)勢的高速加工在金屬切削加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在航宇、模具和汽車制造業(yè)。現(xiàn)今，設(shè)計制造一臺主軸轉(zhuǎn)速達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)每分鐘，進(jìn)給速度達(dá)數(shù)十米每分鐘的高速數(shù)控加工機(jī)床已不再是困難的事了。在航宇和汽車制造業(yè)，許多機(jī)加工廠現(xiàn)場處處可以看到先進(jìn)的五軸聯(lián)動高速數(shù)控加工中心(MC)機(jī)床在運行，高速加工在許多產(chǎn)品零件生產(chǎn)中得到極為廣泛實際應(yīng)用，并已成為現(xiàn)代制造企業(yè)實現(xiàn)高生產(chǎn)率產(chǎn)品制造的關(guān)鍵技術(shù)。
　　但直到現(xiàn)在，工業(yè)界對高速加工還沒有一種明確、統(tǒng)一、權(quán)威和公認(rèn)的定義。實際上，高速加工最基本技術(shù)的概念在于其切削速度是常規(guī)切削速度的5~10倍以上。同時，由于工件材料的多元性和切削加工工藝的多元性(車、銑、鉆、磨、鏜、拉等)，因此作為呈現(xiàn)高速加工技術(shù)基本特征的切削速度也具有多元性特點，即不同工件材料或不同切削加工工藝時其作為高速加工定義的切削速度范圍則是不同的。圖1所示為若干常用金屬材料和復(fù)合材料目前高速銑/車切削中所能取得的切削速度數(shù)據(jù)范圍，圖中并給出了確定刀具直徑時的切削速度所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。
　　

圖1若干材料高速加工可取得的切削速度范圍
　　從圖1可看出高速加工實際應(yīng)用中具有如下基本特征：
　　首先，隨著工件材料相對可加工性Kr的減小，高速加工允許使用的切削速度將降低。典型工件材料相對可加工性及其分級見下表。目前，鋁合金材高速加工的切削速度可達(dá)2500~7500m/min，普通鋼為600~2400m/min，而鈦合金材僅為100~1200m/min，淬硬鋼和航空高溫合金等硬合金材則更低。應(yīng)指出的是，在實際生產(chǎn)中使用的切削速度數(shù)據(jù)范圍通常要低于圖1所示的。如鋁合金材實際高速加工使用的切削速度目前多在1500~6000m/min。
　
材料相對可加工性及其分級表
   　其次，在給定切削速度下，使用的切削刀具直徑越小，則允許的主軸轉(zhuǎn)速越高�；蛘哒f低主軸轉(zhuǎn)速場合，可通過大刀具直徑獲得高切削速度。
　　第三，高速加工技術(shù)中的“高速”是一種相對概念，主要取決于被加工材料的特性，如切削速度達(dá)1000m/min，對鋁合金材而言可能不被視為“高速”，但對鈦合金材而言則是很“高速”了，對于航空高強(qiáng)度高溫合金材則是超“高速”了。
　　典型高速加工工程應(yīng)用開發(fā)研究，主要始于針對航宇制造業(yè)中廣泛使用的鋁合金(輕合金)材構(gòu)件的高速切削加工需求而開展的。因此，典型高速加工是一種應(yīng)用高主軸轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給速度和低負(fù)載的切削加工，主要應(yīng)用于輕合金材工件精加工或半精加工。許多高等院校、專業(yè)研究所、數(shù)控機(jī)床/刀具制造商以及最終用戶等對鋁合金材的高速加工技術(shù)研究已相當(dāng)廣泛和深入，工業(yè)應(yīng)用也較成熟，從某種意義上講已基本趨于標(biāo)準(zhǔn)化。工業(yè)實踐表明，高速加工與常規(guī)切削加工相比具有明顯優(yōu)勢：切削力減少約30%，進(jìn)給速度可提高5~10倍，切削加工時間減少約60~80%，金屬切除率提高3~5倍，刀具耐用度提高70%，表面粗糙度優(yōu)于8~10μm，工件溫升低，熱變形與熱膨脹減小，特別適宜細(xì)長、復(fù)雜薄壁零件的加工，通�？山档图庸こ杀�20~50%等等。因此高速加工技術(shù)已成為本世紀(jì)機(jī)械切削加工領(lǐng)域最重要的和應(yīng)用極廣泛的一種具有創(chuàng)新性的機(jī)械切削加工技術(shù)。
　　最近幾年，高速加工技術(shù)持續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)出如下兩個基本趨勢：
　　(1)向更高金屬切除率的高速加工能力(即后文將要討論的高效加工技術(shù)和工序復(fù)合加工能力(即高效高速加工技術(shù))，以實現(xiàn)對大型整體構(gòu)件的高生產(chǎn)率加工發(fā)展。
　　(2)隨著鈦合金材結(jié)構(gòu)件在航空飛機(jī)設(shè)計制造中所占比例的急速增加，人們開始將對鋁合金材的關(guān)注轉(zhuǎn)向鈦合金等硬質(zhì)合金材的高速加工技術(shù)的工程應(yīng)用研究，取得了較大進(jìn)展，并開始實現(xiàn)實際工業(yè)應(yīng)用，推出了許多先進(jìn)的用于硬質(zhì)合金材高速加工的數(shù)控加工機(jī)床。
　　高效加工技術(shù)(HEM)
　　如前所述，大型航宇整體結(jié)構(gòu)件多采用簡單制造法，材料去除率一般可高達(dá)60~95%。整體結(jié)構(gòu)件簡單制造法，通常先采用高效加工技術(shù)進(jìn)行高速粗加工，快速切除大部分余量，而后通過高速加工技術(shù)實施高速精加工，實現(xiàn)“一次裝夾完成全部加工”的工藝策略。在進(jìn)行精加工序前還可能需要進(jìn)行高速半粗加工或高速半精加工工序，以使最終精加工的余量最佳化。這種被作為高速粗加工/半粗加工應(yīng)用的高效加工技術(shù)，一般又稱之為高切除量加工，是一種高效率的高速加工，為高速加工技術(shù)范疇，但又不完全等同于典型高速加工技術(shù)。
　　(1)實際應(yīng)用目標(biāo)不同
　　高效加工和高速加工最基本的差異在于它們實際應(yīng)用所追求的目標(biāo)不同。典型高速加工技術(shù)，主要用于高速精加工或高速半精加工，其關(guān)注的是高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率，即要求取得盡可能高的零件表面積切除速率，以快速取得高加工質(zhì)量的高速加工為應(yīng)用目標(biāo)。而高效加工主要用于高速粗加工或高速半粗加工，其關(guān)注的是切削加工效率，即要求有盡可能高的金屬切除率，以取得短零件加工周期(即高效率)的高速加工為應(yīng)用目標(biāo)。
　　以空客英國公司為例，在高速龍門數(shù)控機(jī)床Alumax上粗加工鋁合金材飛機(jī)壁板零件時進(jìn)給速度達(dá)7.5m/min(精加工時用20m/min)，金屬切除率達(dá)6554.8cm3/min，即每小時要切除超過1000kg鋁材。因此，具有高金屬切除率是高效加工技術(shù)最基本的特征。
　　最近10多年來，主要得益于高速數(shù)控機(jī)床設(shè)計制造技術(shù)快速發(fā)展以及諸如高速電主軸與切削刀具等數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的顯著進(jìn)步，高速數(shù)控機(jī)床的金屬去除率也得到了快速提高，見圖2。目前，在實際工業(yè)生產(chǎn)中鋁合金材典型高效加工時金屬切除率可高達(dá)3000~6500cm3/min，鈦合金材典型高效加工時mrr已達(dá)300~600cm3/min。但無論是高效加工或還是高速加工應(yīng)用場合，通常其所能取得的mrr和常規(guī)切削加工相比都要高出許多。
　　(2)加工工藝策略不同
　　盡管高效加工和典型高速加工都屬于高速技術(shù)范疇，但二者采用的加工工藝策略卻是不一樣的，這是由于二者實際應(yīng)用目標(biāo)不同之所致。高速加工通常采用高主軸轉(zhuǎn)速、小每齒進(jìn)給量、高進(jìn)給速度、適當(dāng)大切寬(WOC)和小切深(DOC)的加工工藝策略；高效加工通常采用中等高主軸轉(zhuǎn)速、較大刀刃進(jìn)給量、較高進(jìn)給速度、適當(dāng)大切寬和大切深的切削加工工藝策略。比如對鋁合金材，典型高速加工通常要求主軸轉(zhuǎn)速超過18000r/min，每齒進(jìn)給量0.1~0.4mm/r，切深從0.25~2.5mm，允許刀具接觸弧系數(shù)(切寬WOC對刀具直徑D的百分比)達(dá)100%。而高效加工主軸轉(zhuǎn)速通常在10000~15000r/min，每齒進(jìn)給量0.1~0.3mm/r，切深可為高速加工的好幾倍(取決于工件類型)，刀具接觸弧系數(shù)通常≦75%。如在一立式數(shù)控MC機(jī)床上粗加工鋁合金材6061-T6工件，使用直徑51mm的5齒端銑刀，主軸轉(zhuǎn)速10000r/min，切深9.5mm，切寬51mm，進(jìn)給速度7620mm/min，切削速度1600m/min，每齒進(jìn)給量為0.152mm/r，金屬切除率達(dá)3690cm3/min。
　　這就是說，典型高速加工是一種高速精加工工藝策略，而高效加工則是一種高速粗加工工藝策略。
　　高效高速加工技術(shù)(HEM-HSM)
　　在航宇制造業(yè)，許多大型復(fù)雜金屬整體結(jié)構(gòu)件采用常規(guī)加工工藝路線，通常先在普通數(shù)控MC機(jī)床上完成粗加工與半粗加工后卸下，轉(zhuǎn)序并裝夾到高速五軸數(shù)控MC機(jī)床上進(jìn)行半精加工和最終精加工。這種加工工藝路線，存在有明顯的不足：
　　(1)工件需要二次裝夾和重新定位，且這些大型工件裝夾、調(diào)整和定位操作往往是既困難又費時的，增加了不少非切削加工時間，還帶來二次裝夾定位誤差。
　　(2)轉(zhuǎn)序加工就意味著需要工序間輔助時間，還可能需要待工，增長了零件交付時間。
　　(3)由于構(gòu)件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝夾、調(diào)整和定位操作需要有較高技能的操作者，增加了產(chǎn)品制造勞力費用。
　　(4)加工一個零件往往需有多種、多臺不同加工設(shè)備來完成，增加了設(shè)備的臺數(shù)和生產(chǎn)廠房占地面積，加重了企業(yè)的資金投入，同時也就增高了零件加工成本費用。
　　因此，航宇制造企業(yè)急需一種能實現(xiàn)多工序復(fù)合加工、切削加工效率高與費用低廉的大中型復(fù)雜整體構(gòu)件切削加工技術(shù)。隨著高速數(shù)控加工設(shè)備、切削刀具和高速切削工藝等技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，特別是高性能五軸聯(lián)動高速數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代制造企業(yè)中的廣泛使用，使得人們有可能創(chuàng)新性地在同一臺高速數(shù)控機(jī)床上通過一次裝夾工件就能“高效率”地連續(xù)完成大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件粗精(可含半粗或與半精)高速切削加工，使一臺高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)行多工序復(fù)合加工，以實現(xiàn)取得和高生產(chǎn)率的專用組合機(jī)床那樣的等同切削加工效果，從根本上解決前述采用常規(guī)加工工藝路線所產(chǎn)生的問題。
　　這種在同一臺高速數(shù)控機(jī)床(如五軸聯(lián)動的高速數(shù)控MC機(jī)床或車銑復(fù)合加工中心機(jī)床等)上連續(xù)進(jìn)行高效粗加工或半粗加工和高速精加工或半精加工的切削加工技術(shù)被稱為“高效高速加工”技術(shù)，或稱“高生產(chǎn)率加工”技術(shù)，也被稱為“高性能加工”技術(shù)。
　　高效高速切削加工效率也是通過金屬切除率來評估，即通過高效加工與高速加工切削加工時的mrr進(jìn)行評估�？梢杂梢韵鹿�式確定：
　　對銑削加工有：
　　mrr=aeapF×10-3=aeapzfZn×10-3(cm3/min)
　　式中，ae：切寬WOC(徑向切深，RadialDepthofcut)，mm；ap：切深DOC(軸向切深，AxialDepthofcut)，mm；fZ：每齒進(jìn)給量，mm/r；z：刀具齒數(shù)；n：主軸轉(zhuǎn)速，r/min；F：加工進(jìn)給率或加工進(jìn)給速度，且F=nfZz(mm/min)。
　　對車削加工有：
　　mrr=aeVCfZ=aeπDfZn×10-3(cm3/min)
　　式中，VC：切削速度，m/min；fZ：刀刃進(jìn)給量，mm/r；D：工件切削直徑，mm。
　　通常，高效加工應(yīng)用場合的金屬切除率為典型高速加工應(yīng)用場合mrr的2~5倍。目前，對鋁合金材的高效高速切削加工中，典型高速加工時mrr已達(dá)700~1000cm3/min，鈦合金材可達(dá)50~100cm3/min，見圖2。
　　

圖2鋁/鈦合金材金屬切除率提高的歷程
　　這兒還應(yīng)指出的是，典型高速加工技術(shù)，如前所述主要用于高速精/半精加工，其關(guān)注的是高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給率，即要求取得盡可能高的零件表面積切除速率，以取得高加工質(zhì)量的高速精加工為應(yīng)用目標(biāo)。因此，作為評估高效高速加工應(yīng)用中的高速加工的金屬切除率，人們也使用cm2/min作為單位來表征。