航空航天新产品的高速加工新技术
作者：苏州中航长风数控科技 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：
国际市场激烈的竞争压力迫使各航空航天制造企业更高效率地加工零件。加之先进刀具、高端机床及先进CNC系统的不断出现，促使高速加工（HSM）技术在航空航天制造业得以广泛使用。开始只用于加工铝合金零件，经研究发展，已将最新开发的HSM技术用于高效率加工新设计的由高强度、重量轻钛合金、复合材料等难加工材料制成的，包括薄壁零件在内的，形状极其复杂的大型航空航天高精度产品零件，并取得了很好的加工效果。
长期以来，HSM被许多人认为是一个不太严密的科技术语。根据Haas自动化公司应用经理Wayne Reilly介绍，当一些人将HSM定义为主轴转速超过10 000r/min的加工时，其他人则认为它实际上是一个较复杂的定义， “我们确实需要对这一术语作出更详细的诠释，”他说，“一个刀具制造厂可能通过机床的主轴最高转速为HSM下定义；而机床制造厂则认为应根据CNC系统功能，例如CNC系统的前馈功能即超前预瞻分加工程序的数量大小定义HSM。还有人认为应同时考虑切削速度、进给速度与背吃刀量等切削参数为HSM下定义。我们则是将其加工中选择功率达22.4 kW电动机驱动，使最高主轴转速达30 000r/min条件下的切削定义为高速加工，将加工中使用的VMC定义为高速加工机床。”
“不能只考虑机床主轴转速，我喜欢讲高效率加工新概念，”MAG辛辛那提公司铝产品加工经理Von Moll说。他给出高效率加工的定义，主要包括机床的动态响应和主轴速度两个方面。 他描述的高效率机床的五个主要参数是：①高主轴转速（r/min）。②大主轴功率。③高进给速度（包括沿刀具轨迹切削的高进给速度和空载快移动速度）。④高加/减速度。⑤高加工精度。其中后三个参数均与机床的动态响应有关，前两项与切削速度有关。“在高效率加工航空材料，如铝合金零件时，而最需要的则是机床的高动态响应和高切削速度的有机结合，”Von Moll说 。
有人将航空零件大致分成“厚板”与“薄板”两大类。例如，Von Moll将选择在18 000r/min最高主轴转速 、100kW主轴功率，零件厚度大于50mm 的加工和将选择在30 000 r/min最高主轴转速、60kW主轴功率，加工零件厚度小于50mm的加工，都定义为高效率加工。
“高的动态响应对于‘薄板’和‘厚板’零件的整个高效率切削过程的影响也不尽相同，”Von Moll解释，“例如，当机床的加/减速度都为0.5g加工时，你应该尽可能提供38m/min快进给速度。”机床的加/减速度大小，在刀具需要多次频繁换向地加工形状复杂零件，如小型模具的型腔时，极大地影响着加工时间。
因为采用快进给速度加工和空载快移动速度接近零件，极大地影响着加工时间的长短，尤其是大大减少“辅助时间”，所以能在加工铝合金材料时，一般能减少整个生产周期的20%。“辅助时间”还包括新零件的装夹定位和刀具的交换时间等。“在精益生产术语中，它是一个应该取消的无用的时间消耗。为在高加/减速度下实现快进给速度，几年前，MAG Cincinnati公司研发出HyperMach型立式仿形铣床系列 ，其主要特点是快进给速度可达101m/min，这在当时是能大大减小“辅助时间”的最高的进给速度，”Von Moll说。而MAG辛辛那提公司最让自己引以为豪的是HyperMach型立式仿形铣床除X、Y、Z三轴外，还设计出A、B、C三轴旋转。其中，X轴的工作行程长达33m ，Y轴是3500mm，Z轴为1250mm，主轴最高转速30 000 r/min。在机床的结构设计上的最大特点，是将一对独立的工作主轴装配在X轴的桥式横梁上。“该机床能为用户提供加工2000mm×4000mm大型零件的加工能力，在IMTS 2008展出后，很受飞机制造厂用户的青睐。”据Von Moll介绍。
“加工出小体积切屑并尽快使其排除至工作区外” 这是Makino公司Alan Hollatz工程师为HSM用户推荐的一个能使其高速加工获得成功的诀窍。“为能加工出小体积切屑，需在高速切削中选择小的背吃刀量，这样还可产生很低的通常被很快传递到零件和刀具的切削温度，” Hollatz介绍，“不仅如此，高速下的小背吃刀量加工，还能减小切削中产生的切削力。而在普通加工中，一般选择在低主轴转速、大背吃刀量条件下加工，但却往往引起薄壁型零件的很大扭曲变形。高速、小背吃刀量切削中产生的切削力小，同时也降低了被加工零件的夹具设计及加工质量的要求。”
在铝合金加工中，Hollatz建议，尤其在铝合金零件精加工中，尽量提高切削速度，“如果机床设计的最高主轴转速为30 000r/min ，那么就选择30 000r/min的主轴转速加工”Hollatz说，“我们企图使用小型刀具进行加工，速度越快，选择刀具直径越小，因为大直径刀具容易产生很大的离心力。”例如，为提高生产效率，由Makino公司开发的主轴电动机功率80kW，最高主轴转速为33 000r/min的最大型机床在使用中，一般不选择50mm以上的刀具，建议选择25mm以下的直径刀具进行加工。
同其他机床制造商一样，Hollatz认为，在高主轴转速下，使用中空刀柄（HSK）比CAT好，他注意到，使用CAT能使Z轴方向加工精度提高。据Hollatz介绍，他没有听说过，CAT刀柄能在太高的主轴转速下工作 。HSK由于具有由锥面和端面两个面定位的结构特点，所以也具有能使Z轴方向加工精度提高的特点。他说：“你可以在主轴转速为20 000r/min的加工条件下，选择CAT刀柄加工；在主轴转速达30 000 r/min加工条件下，选择使用HSK刀柄加工。”
HSM的又一关键环节是设计出能在高速下提高加工精度的先进CNC系统。具有前瞻功能的CNC系统的最大特点是，能高精度地控制刀具在加工中的切削速度和加/减速度。所以能进一步提高切削速度和加/减速度。
Makino公司开发的具有前瞻功能的标准型CNC系统，开始使用的SGI.3软件版本以具有使用G编码可超前预测60～80个分加工程序为主要特点。据Hollatz介绍，后来设计的S GI.4新版软件，在HSM中可超前预测至180～250个分加工程序。一般讲，超前预测分加工程序的数量越多，CNC系统前瞻功能越强，因而可极大地提高加工中的切削速度。在复杂程度相同的刀具轨迹的高速加工中，由SGI.4新版软件控制下的切削速度可比SGI.3软件控制下的切削速度高出15%～30%。
Haas公司开发出了专门用于HSM的新型CNC系统，据Reilly介绍，它能在HSM切削中按形状复杂的刀具轨迹加工形状极其复杂的零件，并提高进给速度。主要診-因是新型CNC系统使用了所谓的“切削前加速”的运动算法（即刀具在空载时选择快移动速度运行，重载时在正常进给速度下切削），与CNC控制系统中具有的能超前预测多至80个分加工程序的强大前瞻功能结合工作，使Haas公司的HSM在13m/min的进给速度下进行高可靠性加工，而达到设计图样高质量的要求。“这其中最重要的事情是在按程序进行加工中，具有强大前瞻功能的CNC系统能保证刀具在许多次方向改变时，仍能保持选择好的且尽量高的切削速度不变，” Reilly说，“一般情况是刀具的方向稍微改变一点，切削速度也要改变，且切削速度的稍微改变与切削方向次数的改变成反比。”
在最近几年里，为减轻飞机的整机重量，航空航天制造业对于复合材料的加工需要变得越来越迫切。就以波音787 为例，飞机机身与机翼都由复合材料制成。长期以来，铝合金的HSM技术，目前已被各制造厂熟练掌握。但对于复合材料，“通常都要求一次加工出产品最终形状和相应的最终尺寸（除关键尺寸外），以便与配偶件的孔、型腔配合，”MAG辛辛那提公司的 Jeff Crick 说，“一个典型的例子是，选用复合材料制造飞机机翼蒙皮内的定位孔，前期的制造精度只能达到0.5mm的尺寸精度。一般都需进行后工序高精度加工，要求达到如铝合金、钛合金或钢件零件的最终要求的高加工精度。”
对于复合材料进行HSM，一般比铝合金加工产生的切削力小和功率消耗小，据Crick介绍。所以机床无需通过增加机床重量提高机床刚度，以减小切削中产生振动和噪声。加工中建议选择10～13 000r/min范围的主轴转速，当然也可以选择更高一些的主轴转速。他向用户介绍了一个国内OEM选择在主轴转速为24 000r/min条件下加工0.3～0.4mm 厚度零件的加工实例。
开始是使用加工金属材料的机床加工复合材料，Crick认为，随着由于复合材料所具有的比强高的特点，在航空工业中的用量越来越大，应该为加工复合材料设计制造机床。“我们可以加工大型复合材料零件，例如，长至30m机翼蒙皮， ” Crick说，“甚至像将长9m直径6m的机身骨架也能加工，其中机身与其他各部件的联结部位需要綷-过精密加工。其他还有细长的大量桁条、支杆和横梁等。”
为了加工这些细而长且容易弯曲被Crick形容为像“湿面条”样的零件，MAG辛辛那提公司开发出一台专用extrusion铣床，用于加工铝合金与复合材料零件，使用12把直径小于25mm刀具，加工范围为4m×2.4m×12m，最高机床主轴转速24 000r/min。
“采用HSM，几乎可加工各种材料，例如，铝合金和复合材料，都能从中获利。”Haas自动化公司Reilly说，“即使很硬的钢材，也可发挥HSM技术优势，因为它可以进行小背吃刀量、高切削速度、高进给速度即轻快切削条件下的硬铣加工。”当然，新型钛合金，一种在航空工业用途越广的航空工业用材料，也是HSM的主要材料之一。
“铝合金加工机床，像一辆跑车运行，而用于钛合金加工机床，像是一辆在慢步行走的推土机。”MAG Maintenance公司Dan Cooper说，“主要体现在主轴转速上，有一个极大的不同。虽然，HSM 的診-理是高转速下的浅切削 ，但它也能适应于对于钛合金的零件加工。”尤其是HSM还具有可用以加工薄壁零件的切削优势。Cooper举例说明，一用户能加工出0.76mm厚、76mm高的钛合金薄壁零件。“这样的高薄壁钛合金零件是无法用传统的加工方法进行粗加工的，这是因为在低转速大力矩条件下进行大背吃刀量的加工，容易使零件和刀具产生变形，尤其对于如新型钛合金5553加工最为典型。”Cooper说。
由于钛合金导热性差、弹性模数高的特点与其高强度优点相结合，使其变得很难加工，Cooper分析，“虽然扭矩、动态刚性， 对于铝合金和复合材料加工影响不大，但对于钛合金的加工性能显得特别重要，所以在加工钛合金时，应选择比铝合金加工低很多的切削速度。”
Cooper在分析评估高速切削条件时，使用了线速度即切削速度与进给速度两个参数，而不使用常用的主轴转速。切削速度是机床主轴转速与刀具直径的函数；进给速度是切削速度与刀槽密度的函数。这是刀具设计中必须认真考虑的问题。因为刀槽越密（SFM），意味着进给速度越大。
MAG辛辛那提公司使用新开发的硬质合金刀具，选择高达390ft/min（118.9m/min）的进给速度进行钛合金零件加工。“在高速切削钛合金零件时，我们使用25.4mm直径，最可能大的刀槽密度，选择1500r/min主轴转速和100n/min（2.54m/min）进给速度进行加工” Cooper说。另外，采用最新的具有前馈功能的机床控制系统，能在切削钛合金中，应用在铝合金加工中已熟练掌握的最新加工技术进行高效率加工。
“铝合金的高速加工技术，现已被用户广泛使用。” Mazak 公司的Rudy Canchola说，“但是，目前存在最大的加大挑战是高温合金，例如，在航空工业被长期使用且愈用愈多的不锈钢15-5、新型钛合金5553 或6Al4V等。这些材料最近在Mazak VCN-510 C VMC上，使用多种刀具在进行了大量的切削试验，最后选择硬质合金立铣刀，在500～600ft/min（152.4～182.9m/min）切削速度下切削 ，获得了极好的加工效果。”
他们也在Mazak Vortex 815-II五轴加工中心上选择了Seco、Ingersoll、Kennametal和Sandvik多家公司刀具进行了加工不锈钢15-5的切削试验，最后选择的合适切削速度为400～600ft/min（121.9～182.9m/min）。
具有前馈功能的控制系统对于加工高温合金并不像在铝合金加工中那样非常重要，因为在钛合金加工中，要求的切削速度并不很高。这种控制系统具有一个很重要的特性是，能测量作用在各轴与主轴的切削载荷，并在切削中对其进行相应的调整。Mazak机床能从伺服电动机获得有关各轴与主轴的切削载荷的信号反馈，然后对切削参数进行变换，需要时甚至可停止机床或更换刀具。
