高速切削在航空和航天工業(yè)中的應(yīng)用

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(gè)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(duì)于重量要求比較苛刻，同時(shí)也為了提高可靠性和降低成本，將原來(lái)由多個(gè)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(shí)占整個(gè)零件制造總工時(shí)的比例很大。同時(shí)，普通的切削速度會(huì)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(guó)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(guò)程和準(zhǔn)備時(shí)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(gè)：

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(huì)變形。高速加工的一個(gè)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(gè)典型實(shí)例。

1 高速加工 F15 戰(zhàn)斗機(jī)上的一個(gè)零件。波音公司的一個(gè)技術(shù)負(fù)責(zé)人說(shuō)：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(gè) 11ft 長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)件，在飛機(jī)的兩個(gè)方向舵之間擺動(dòng)。通常是由 500 個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)整體零件代替了以前的 500個(gè)零件，使原來(lái)的加工和裝配等多道工序簡(jiǎn)化為一次完成，提高了生產(chǎn)率。生產(chǎn)周期從三個(gè)月縮短到兩個(gè)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(chǔ)、運(yùn)輸?shù)龋�也減少了制造過(guò)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(gè)過(guò)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(gè)整體實(shí)心材料代替五個(gè)零部件的組裝零件。實(shí)心材料的毛坯裝在工作臺(tái)上， 45min 即完成了加工，壁厚達(dá) 0 . 03in ，沒(méi)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(lái)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(jì)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(shí)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(tái)機(jī)床來(lái)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(hào)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(gè)工作臺(tái)和兩個(gè)主軸位置。每個(gè)主軸位置有四個(gè)轉(zhuǎn)速為 20 000r / min 和功率為 76kW主軸，主軸頭提供兩個(gè)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)五軸加工，加速度0.3個(gè)，進(jìn)給速度 1 180in / min ，并且具有八個(gè)托盤的工件交換系統(tǒng)。他們還計(jì)劃用一個(gè)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(gè) 40 000r / min 的高速加工中心生產(chǎn)一個(gè)由原來(lái) 20 個(gè)零件裝配成的零件，結(jié)果減輕重量 80 ％。當(dāng)然，減少加工時(shí)間是基本目的。在工廠的高速加工車間里，使用了四個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)單元共 21 根高速主軸加工 1400 個(gè)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(jì)的柔性生產(chǎn)。圖10-9

最新引進(jìn)的兩臺(tái)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(gè)新臺(tái)階。整體加工原來(lái)由 15~20 個(gè)零件組裝成的 " Stow bin arch ”零件，這種零件一個(gè)飛機(jī)上要有 59 個(gè)。以前用上百個(gè)鉚釘連接而成，重5lb。（磅）。現(xiàn)在由高速加工完成，重量只1lb 。這個(gè)例子說(shuō)明，高速加工不僅改善了飛機(jī)零件的加工過(guò)程，也減輕了飛機(jī)的重量。

這些柔性生產(chǎn)單元都沒(méi)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(gè)工序就近完成，以提高生產(chǎn)率；另一個(gè)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(duì)市場(chǎng)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(shí)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(shí)間。

5．高速加工需要解決的問(wèn)題

采用高速加工整體零件需要解決很多具體的技術(shù)問(wèn)題。波音公司在應(yīng)用中研究解決了一系列的問(wèn)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(dòng)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�?dòng)。飛機(jī)在一定速度時(shí)會(huì)出現(xiàn)音障；汽車開到一定速度也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，到 40km / h 時(shí)振動(dòng)加劇，而到了64km / h 時(shí)振動(dòng)又消失。高速加工鋁也有同樣的問(wèn)題，在一定速度時(shí)會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，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(huì)影響到高速加工的振動(dòng)情況。夾具問(wèn)題解決相對(duì)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(tái)上就行了。刀具和刀柄是另一個(gè)問(wèn)題，因速度引起的振動(dòng)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(duì)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(kù)，提供在各種切削條件下使用。

高速切削鋁時(shí)機(jī)床系統(tǒng)的共振頻率是可以測(cè)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(huì)變化；而在普通速度切削時(shí)，這種現(xiàn)象較少發(fā)生。

如何更好地解決共振問(wèn)題是波音公司的下一步研究目標(biāo)。他們?cè)O(shè)想通過(guò)改變主軸或刀具的一些參數(shù)來(lái)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(duì)振動(dòng)影響不大。他們?cè)O(shè)想通過(guò)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(gè)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(dòng)機(jī)在 X 、 Y 、 Z 方向快速運(yùn)動(dòng)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(dòng)減振能力的主軸系統(tǒng)。圖10-10

⑵ 飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程的配合

采用整體加工要改變飛機(jī)設(shè)計(jì)，因此，高速加工技術(shù)的應(yīng)用要有設(shè)計(jì)和制造過(guò)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(wèn)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�，刀具的微小偏差�?duì)加工都有很大影響。

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(guò)程中及時(shí)輸入指令數(shù)據(jù)，特別是在五軸加工中，因?yàn)槎鄡蓚�(gè)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(huì)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(lái)越大，對(duì)鋁錠毛坯的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，越來(lái)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(guó) Remmele 飛機(jī)公司高速切削應(yīng)用實(shí)例。

美國(guó) 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?cè)诤娇债a(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(lái)的 0.5mm 降低到 0.25mm 。

由于 HVM 切削力小，減少了薄壁件振動(dòng)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(gè)典型的例子是用 HVM 省去鑄造過(guò)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(guò)程。例如，在做飛機(jī)上的控制盤（圖5）時(shí)，通常是用鑄塑的方法。如果要在零件上做一些改動(dòng)，如把一個(gè)按鈕改動(dòng)一個(gè)位置，若是鑄造件，需要重做一個(gè)模具；用 HVM 加工，只需改變一下程序就行了，使用的時(shí)間只是鑄造的一小部分。

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

國(guó)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(guó) Cincinnati 和意大利 Jobs 公司在 IMTS2000 芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)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(hào)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(zhǎng)的 X 行程和龍門移動(dòng)結(jié)構(gòu)

由于“機(jī)翼”類零件為細(xì)長(zhǎng)形零件，要求機(jī)床有很長(zhǎng)的工作行程。意大利 JOMach 機(jī)床 X 行程長(zhǎng)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(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼。美國(guó) HyPerMach 機(jī)床的軸 X 行程最長(zhǎng)為 46m , Y 軸只有 2m 。英國(guó) Marwin 公司 Alumax 系列機(jī)床的雙臺(tái)面總長(zhǎng)度達(dá) 100m 。如此長(zhǎng)的 X 行程，只能是龍門（往往是多個(gè)龍門）移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而不可能是工作臺(tái)移動(dòng)。

（3） 采用直線電動(dòng)機(jī)作高速直線運(yùn)動(dòng)

航空工業(yè)用的高速機(jī)床也用上了直線電動(dòng)機(jī)，以取代斜齒輪齒條或蝸桿蝸母條傳動(dòng)，這是為了適應(yīng)主軸超高速、特大功率和超長(zhǎng) X 行程的需要。 HyPerMach機(jī)床采用直線電動(dòng)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?cè)?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(shí)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(tái)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(dòng)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(dòng)機(jī)高速進(jìn)給，加工時(shí)間可減少50 % ，機(jī)床結(jié)構(gòu)還得到了進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，減了25％的零件，便于維護(hù)。

 我國(guó)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.