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(jì)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(jì)制造技術(shù)，以實(shí)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(dòng)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(jì)和切削加工簡(jiǎn)單制造法，取代傳統(tǒng)成百上千個(gè)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(gè)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(dòng)、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(shì)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(jì)制造一臺(tái)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(chǎng)處處可以看到先進(jìn)的五軸聯(lián)動(dòng)高速數(shù)控加工中心(MC)機(jī)床在運(yùn)行，高速加工在許多產(chǎn)品零件生產(chǎn)中得到極為廣泛實(shí)際應(yīng)用，并已成為現(xiàn)代制造企業(yè)實(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，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(diǎn)，即不同工件材料或不同切削加工工藝時(shí)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(shí)的切削速度所對(duì)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(shí)際應(yīng)用中具有如下基本特征：
　　首先，隨著工件材料相對(duì)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(duì)可加工性及其分級(jí)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(shí)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(shí)際高速加工使用的切削速度目前多在1500~6000m/min。
　
材料相對(duì)可加工性及其分級(jí)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。或者說低主軸轉(zhuǎn)速場(chǎng)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(duì)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(duì)鋁合金材而言可能不被視為“高速”，但對(duì)鈦合金材而言則是很“高速”了，對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)踐表明，高速加工與常規(guī)切削加工相比具有明顯優(yōu)勢(shì)：切削力減少約30%，進(jìn)給速度可提高5~10倍，切削加工時(shí)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(zhǎng)、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(gè)基本趨勢(shì)：
　　(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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)制造中所占比例的急速增加，人們開始將對(duì)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(shí)現(xiàn)實(shí)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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)施高速精加工，實(shí)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(shí)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(shí)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(guó)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(shí)進(jìn)給速度達(dá)7.5m/min(精加工時(shí)用20m/min)，金屬切除率達(dá)6554.8cm3/min，即每小時(shí)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(jì)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(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中鋁合金材典型高效加工時(shí)金屬切除率可高達(dá)3000~6500cm3/min，鈦合金材典型高效加工時(shí)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(chǎng)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(shí)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(duì)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(duì)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(fèi)時(shí)的，增加了不少非切削加工時(shí)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(shí)間，還可能需要待工，增長(zhǎng)了零件交付時(shí)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(fèi)用。
　　(4)加工一個(gè)零件往往需有多種、多臺(tái)不同加工設(shè)備來完成，增加了設(shè)備的臺(tái)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(shí)也就增高了零件加工成本費(fèi)用。
　　因此，航宇制造企業(yè)急需一種能實(shí)現(xiàn)多工序復(fù)合加工、切削加工效率高與費(fèi)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(dòng)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(tái)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(tái)高速數(shù)控機(jī)床進(jìn)行多工序復(fù)合加工，以實(shí)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(tái)高速數(shù)控機(jī)床(如五軸聯(lián)動(dòng)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(píng)估，即通過高效加工與高速加工切削加工時(shí)的mrr進(jìn)行評(píng)估�？梢杂梢韵鹿�式確定：
　　對(duì)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(duì)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(chǎng)合的金屬切除率為典型高速加工應(yīng)用場(chǎng)合mrr的2~5倍。目前，對(duì)鋁合金材的高效高速切削加工中，典型高速加工時(shí)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(píng)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。