圖1 采用高速加工技術（shù）製成的典型航（háng）空（kōng）薄壁件

圖2 辛辛那提公司HyperMach仿形銑床可采用單主軸或雙主軸，並配備A/B或A/C軸（zhóu），X軸行程達9144mm(可加長)，主軸轉速24000rpm，快（kuài）速往複移動速度達4000ipm(101m/mim)

      機床的往（wǎng）複移（yí）動時間會影響切削時間，尤其是輔助時間（jiān）(切削（xuē）鋁合金時輔助時間可占到全（quán）部加工循環時間的（de）20%)。輔助時間包括切削一個（gè）新工件時刀具（jù）的定位時間或刀具移動到換刀機械手的時間。按照精益製造的觀點，輔助時間是一種需要消除的（de）浪費。幾年前，辛辛那提公司推出了可實現快速（sù）往複移動與高加/減速（sù）度完美結合（hé）的HyperMach立式仿形銑床係列(圖2)。這些機床的（de）快速往複（fù）移動（dòng）速度高達（dá）4000ipm(101m/min)，其目的就是為了縮短輔助時間。HyperMach的X、Y、Z軸行程分別達到33m、3500mm和1250mm，並配置了附加的A、B或C軸，機床的主軸轉速高達30000rpm。大（dà）部分HyperMach立（lì）式仿形銑床都是在（zài）一個共用的（de）X軸龍門結構上安裝兩個相互獨立的主軸。為了（le）應對提高大型工件(尺寸可達2000mm×4000mm)加工效率的市場需求，辛辛那提公司（sī）將在IMTS 2008(2008年美國芝（zhī）加哥國際製造技術展覽會)上展出並演示HyperMach臥式係列。

      切削出小切屑並盡可能（néng）快（kuài）速地加工”是牧野(Makino)公司設計工程師Alan Hollatz對高速加（jiā）工的定義。他認為，高轉速、小切深的加工方法可以減（jiǎn）少傳入工件或刀具（jù）中的（de）切削熱，工件和機床所受的切削力也較小（xiǎo）。傳統的低轉速、大切深（shēn）加工方法容（róng）易（yì）使現代設計中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件產生變形。較小的切削力還意味著可以降低對工件夾持（chí）的要求.

      Hollatz建議（yì），在精加工鋁合金時，應盡可能采用高速切削，“如果主軸額定轉速為30000rpm，我們將嚐試全速運行。同時，我們還會限製所用刀具的直（zhí）徑。考慮到刀（dāo）具不平衡引起（qǐ）的離心力，機床（chuáng）轉速越高時，刀具直（zhí）徑應越小。”作為一個實例，牧野生產的一種大型機床(主（zhǔ）軸（zhóu）轉速33000rpm，電機（jī）功率107馬力[80kW])不推薦使用任何直徑大（dà）於50mm的刀具。對（duì）於大多數切（qiē）削加工（gōng）而言（yán），直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高。

     與大多數機床供應商一樣，Hollatz推薦在主軸轉速較高時采用空心短錐（zhuī）柄(HSK刀柄)，而不要采用CAT型刀柄。他指出，CAT刀柄在高速加工時可能會引起Z方向的精度問題。在以高轉速（sù）進行加工時，曾經出現過CAT刀柄卡住主軸的極端（duān）情況。HSK刀柄的設計特點是采用錐麵和端麵雙重接觸，因此可以（yǐ）控（kòng）製Z方向的精度。“當主軸轉速在20000rpm以（yǐ）下時，可以采用CAT刀柄（bǐng），但當轉（zhuǎn）速高達30000rpm時，除（chú）了采用HSK刀柄以外別無選擇。”

圖4 用牧野MC1516-5XA加工中心切削的薄壁鈦合金艙壁(尺寸約為203×254×609mm)

      在航空工（gōng）業中，隨著新型飛機為減輕重量而采用更多複合材料，對複合材（cái）料的加工需求正變得日益迫切。波音（yīn）787客機采用（yòng）合成材料製造機身和機翼就是（shì）這一（yī）趨勢的典型實例。鋁（lǚ）合金（jīn）的高速加（jiā）工不（bú）久將成為（wéi）標準（zhǔn）工藝，將（jiāng）高速加工應用於其它常用航空材（cái）料似乎也具有意義，對於複合材料當然也不例外。“當采用近淨（jìng）成（chéng）型工藝製造複合材料零件時，為了達到（dào）配合、連接和凹陷部位的（de）精度要（yào）求，就需要進行機加工。”辛辛那提公司複合材（cái）料（liào）加工平台經理Jeff Crick解釋說，“例如，利用層積加工可在機（jī）翼表麵（miàn）製造一個進入孔，但（dàn）隻能（néng）達到（dào）大約（yuē）±0.5mm的精度(層積加工隻能達到這種精度)。為了在要求的部（bù）位達到（dào）更高精度（dù），就需要進行二次加工(如機加（jiā）工)，就像對鋁合金、鈦合金或鋼（gāng）材進行精（jīng）加工一樣。”

      據Crick介紹，與加工鋁合（hé）金相比，高速加（jiā）工複合材料所需的功率和扭矩較小，機床本（běn）身無（wú）需像切削（xuē）鈦合金的機床那樣厚重結實，但仍然需（xū）要有足夠的剛性以克服振動和（hé）共振。大多數機床（chuáng）主軸的（de）轉速範圍都在10－13000rpm(盡管它們可以更高（gāo）速度運轉)。例如，美國一家大（dà）型航空零部件製造（zào）商在一台轉速為（wéi）24000rpm的機床（chuáng）上（shàng），采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實現了對複合材料（liào）的高速加工。

      現在，大部分（fèn）複合材料都采用當初為金屬切削而設（shè）計的加工單元來（lái）加工。Crick認為，最終的目標是製（zhì）造出重量更輕、為加工複合材料而專門設計的專用機床。設計這種機床時必須注意一種趨勢，即航（háng）空複合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說，“複合材料零部件（jiàn）的尺寸可能非常大，如長達100′(30m)機翼外覆件，甚至（zhì）包括整個（gè）機身部件，如新型波音（yīn）787的機艙剖麵直（zhí）徑（jìng）超過20′(6m)，長度超（chāo）過30′(9m)。在這種大（dà）型結構中，對一節機身與另一節機身之間（jiān）接合麵的加工公差要求很嚴。其他零部件可能既長（zhǎng）又帶（dài）有筋板，如翼梁、縱梁、支柱和地板（bǎn）橫梁等。

 
圖5 辛辛那提公（gōng）司專為加工長（zhǎng）的柔軟工件（jiàn）而設計的擠壓件銑床(主軸轉速24000rpm ) 

      為了加工這（zhè）些既（jì）長又薄且容易彎曲（qǔ）的零件(Crick形（xíng）象化（huà）地將它們形容為“濕（shī）麵條”)，辛辛那提公司開發（fā）了一種專用擠壓件銑床(圖5)。該機床既可以加工鋁合金也可以加工複合材料，加工尺寸範圍13′×8′(4×2.4m)，主軸（zhóu）轉速24000rpm，采用直徑（jìng）不超過25mm的12種刀具進行加工，工件可長達40′(12m)。

      “當幾乎所有加工方式和工件材料都可通過（guò）高速加工獲益（yì）時，自由切削材料(如鋁合金或複合材料)受益最大，”哈斯公司加工經理Reilly說，“由於采用高轉速、大進給、小切深的硬銑削技術，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業越來越重（chóng）要的工件材料，當然（rán）也是受益者之一。”

      “如果（guǒ）說鋁合金切削機床像F1賽車（chē），鈦合金切削（xuē）機床就（jiù）更像推土機，”MAG維修技術公司的生產力解決（jué）方（fāng）案經理Dan Cooper說，“它們在主（zhǔ）軸轉速方（fāng）麵有很大不同，盡管高速加工原理——高轉速、小切深對於鈦合金有時也具（jù）有意義，尤其是薄壁零件最好（hǎo）采用高速加工原理加工。舉例來說，一個用（yòng）戶的零件厚度（dù）為0.030″(0.76mm)、高（gāo）度為3″(76mm)，這種大高度薄壁件不能（néng）采用老式傳統工藝（yì）進行粗加工，低轉速、大（dà）切深、大扭矩切削將導致（zhì）工件變形和刀具偏移，對於新（xīn）型5553鈦合金零件的加工尤其如此。”

      Cooper指出，鈦合金的低導熱性、高彈（dàn）性模量與高強度相結合，使其成為一種難切削材料，“雖然切削扭矩和動態剛性對於（yú）複合材料和鋁合金加工也許（xǔ）並不太重要，但對於鈦合（hé）金加工卻非常重要。與鋁（lǚ）合金加工相比，這會限製鈦合金加工速度的提高（gāo）。”

      Cooper寧（níng）願用表麵（miàn）速度和（hé）進（jìn）給率（lǜ）而不是主（zhǔ）軸轉速來衡量（liàng）高（gāo）速加工。表麵速度是（shì）主軸轉速和刀具直徑的函數（shù）；進給率是主軸轉速和刀齒密度（dù）的函數。由於刀齒越密、表麵速度(SFM)越高，就意味著進（jìn）給率越高，因此刀（dāo）具的設（shè）計至關重要。

      Cooper介紹說（shuō），MAG的（de）新型硬質合金刀具可以390fpm的表麵速度進行加工。“用一把直（zhí）徑25.4mm、刀槽數最多的刀具，我們隻能以1500rpm的轉速和2.5m/min的（de）速（sù）度加工，而這對於（yú）鈦合（hé）金加工已是相當高的（de）速度了（le）。”
高速加工技術已（yǐ）在鋁（lǚ）合金加工中證明了自己的優勢，人們期望它在加工像（xiàng）鈦合金一樣（yàng）更新、更（gèng）硬的材料時也能做到這一點。

      “如今，鋁合金的高速加工正在成為標準工藝（yì）。”馬紮克(Mazak)公司西區總部（bù）和航空技術中心（xīn）的加工經理Rudy Canchola說。對（duì）他（tā）來說（shuō），目前最（zuì）大（dà）的加工挑戰是高溫合金(如15-5不鏽鋼、5553或6Al4V鈦合金)，這些材（cái）料在航空工（gōng）業的使用越來越多（duō）。最近，他計劃在馬紮克機床上（shàng）采用各種刀具進行切削試（shì）驗(包括在Mazak VCN-510C立式加（jiā）工中心上進行鈦合金加工試驗)。Canchola說，“我們已經證明用整（zhěng）體硬質合金立銑（xǐ）刀加工鈦合金的速度可達500－600fpm。我們認為這是非（fēi）常不錯的。”

      他們（men）還分別用山高(Seco)、英（yīng）格索爾(Ingersoll)、肯納(Kennameta)和山特維克(Sandvik)的刀（dāo）具在Mazak Vortex 815-II五軸加工中心上進行了加工15-5不鏽鋼的切（qiē）削試驗。試（shì）驗（yàn）采（cǎi）用（yòng）順銑（xǐ）加工方式，表（biǎo）麵切削速度達到400－600fpm。

      Canchola說（shuō），“我們的大多數機床都具有實（shí）現這種高表麵進給率的能力。如果（guǒ）用（yòng）戶需要切（qiē）削這種材料，我們可以向他們提供在這些（xiē）試驗（yàn）中獲得的數據”。

      加工高溫合金時，機床控製器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時那（nà）麽重要，因為此時的切削（xuē）速度並不太高。最重要的控製功能是測量主軸和軸係所承受的載（zǎi）荷並據此進行調整。馬紮克（kè）機床能夠（gòu）接收來自伺（sì）服電機的反饋電信號，並調整速度使（shǐ）其與切削條件相互匹配，如有必要還可以停機（jī）更（gèng）換刀具。