高速加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用更快的切削速度后匀、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削茁肠，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重季惩、切深較大的低速切削画髓。
　　成功的高速加工需要重視刀具掘剪、主軸和機(jī)床動(dòng)力學(xué)
　　工具技術(shù)和機(jī)床控制能力的進(jìn)步使高速加工在航空零部件的制造中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用平委。盡管高速加工技術(shù)特別適合鋁合金的加工，但在復(fù)合材料和硬金屬材料的加工中也有其用武之地夺谁。
　　競(jìng)爭(zhēng)壓力正不斷迫使制造商以更高效的方式加工零件廉赔。與此同時(shí)，航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商也需要強(qiáng)度更高固荷、質(zhì)量更輕祥怖、公差要求更嚴(yán)的構(gòu)件。采用高速加工技術(shù)可以使制造商縮短加工循環(huán)時(shí)間应婴，同時(shí)還能加工出比以往更精巧抽胁、壁更薄的零件。
　　按照哈斯(Haas)公司加工經(jīng)理Wayne Reilly的看法林邪，許多人在使用高速加工這一術(shù)語(yǔ)時(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)喜即。在Reilly看來(lái)，雖然一些人認(rèn)為任何主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000rpm的加工就算高速加工锡褂，但另一些人對(duì)此卻有更復(fù)雜一些的定義满律。他說(shuō)，“實(shí)際上這取決于該術(shù)語(yǔ)的使用背景估褐。工具制造商可能將其定義為轉(zhuǎn)速咖迄，而機(jī)床制造商則可能將其定義為CNC數(shù)控系統(tǒng)中的某些前瞻處理程序塊。高速加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用更快的切削速度酝侯、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削溉浙，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重、切深較大的低速切削蒋荚〈粱”例如，哈斯公司生產(chǎn)的立式加工中心(VMC)為高速加工提供了高達(dá)30000rpm的額定主軸轉(zhuǎn)速和30馬力(22.4kW)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定功率期升。
　　辛辛那提(MAG Cincinnati)公司的鋁件加工平臺(tái)經(jīng)理Randy Von Moll表示惊奇，“與其孤立地討論主軸轉(zhuǎn)速，我倒更喜歡高效加工這個(gè)術(shù)語(yǔ)播赁∷汤桑”他的定義除了主軸轉(zhuǎn)速外，還包括機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)容为。他用了5個(gè)參數(shù)來(lái)定義高效加工：①主軸轉(zhuǎn)速乓序；②主軸功率；③高的進(jìn)給率和刀路速率坎背；④高的加替劈、減速度；⑤高精度。后三個(gè)條件專(zhuān)門(mén)定義了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而不是主軸特性娇建。Von Moll說(shuō)百睹，“為了更有效地切削合金材料(如鋁合金)，確實(shí)需要將高性能的主軸與機(jī)床的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)合起來(lái)抠建」榔”
　　如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類(lèi)，他認(rèn)為可將高速加工分別定義為：對(duì)于厚度在50mm以內(nèi)的薄板件盛己，主軸轉(zhuǎn)速為30000rpm船酗，額定功率為80馬力(60kW)；對(duì)于厚度在50mm以上的厚板件弊肢，主軸轉(zhuǎn)速為18000rpm收泥，額定功率為135馬力(100kW)。
　　Von Moll解釋說(shuō)蠕为，“在切削加工薄板件和厚板件時(shí)琐店，機(jī)床的最高動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)并無(wú)太大不同。對(duì)于兩種工件艘珊，加速度/減速度都應(yīng)在0.5g左右俊势，應(yīng)提供盡可能快的(非切削)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，至少達(dá)到1500ipm(38m/min)绷旗∠补模”
　　在加工復(fù)雜的凹腔類(lèi)工件時(shí)，加速度/減速度對(duì)切削時(shí)間有很大影響衔肢，因?yàn)?a target="_blank" class="mmstipl2" >刀具在加工中必須多次改變方向庄岖。

　　機(jī)床的往復(fù)移動(dòng)時(shí)間會(huì)影響切削時(shí)間，尤其是輔助時(shí)間(切削鋁合金時(shí)輔助時(shí)間可占到全部加工循環(huán)時(shí)間的20%)角骤。輔助時(shí)間包括切削一個(gè)新工件時(shí)刀具的定位時(shí)間或刀具移動(dòng)到換刀機(jī)械手的時(shí)間隅忿。按照精益制造的觀點(diǎn)，輔助時(shí)間是一種需要消除的浪費(fèi)邦尊。幾年前背桐，辛辛那提公司推出了可實(shí)現(xiàn)快速往復(fù)移動(dòng)與高加/減速度完美結(jié)合的HyperMach立式仿形銑床系列。這些機(jī)床的快速往復(fù)移動(dòng)速度高達(dá)4000ipm(101m/min)蝉揍，其目的就是為了縮短輔助時(shí)間链峭。HyperMach的X、Y疑苫、Z軸行程分別達(dá)到33m、3500mm和1250mm纷责，并配置了附加的A恒建、B或C軸，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm。大部分HyperMach立式仿形銑床都是在一個(gè)共用的X軸龍門(mén)結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)相互獨(dú)立的主軸差赂。為了應(yīng)對(duì)提高大型工件(尺寸可達(dá)2000mm×4000mm)加工效率的市場(chǎng)需求晋合，辛辛那提公司將在IMTS 2008(2008年美國(guó)芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì))上展出并演示HyperMach臥式系列。
　　“切削出小切屑并盡可能快速地加工”是牧野(Makino)公司設(shè)計(jì)工程師Alan Hollatz對(duì)高速加工的定義拨俏。他認(rèn)為掐腕，高轉(zhuǎn)速、小切深的加工方法可以減少傳入工件或刀具中的切削熱智复，工件和機(jī)床所受的切削力也較小捺再。傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速、大切深加工方法容易使現(xiàn)代設(shè)計(jì)中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件產(chǎn)生變形光樱。較小的切削力還意味著可以降低對(duì)工件夾持的要求糜隶。
　　Hollatz建議，在精加工鋁合金時(shí)尿愿，應(yīng)盡可能采用高速切削会激，“如果主軸額定轉(zhuǎn)速為30000rpm，我們將嘗試全速運(yùn)行呛梆。同時(shí)锐涯，我們還會(huì)限制所用刀具的直徑√钗铮考慮到刀具不平衡引起的離心力纹腌，機(jī)床轉(zhuǎn)速越高時(shí)，刀具直徑應(yīng)越小融痛『”作為一個(gè)實(shí)例，牧野生產(chǎn)的一種大型機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速33000rpm雁刷，電機(jī)功率107馬力[80kW])不推薦使用任何直徑大于50mm的刀具覆劈。對(duì)于大多數(shù)切削加工而言，直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高沛励。
　　與大多數(shù)機(jī)床供應(yīng)商一樣责语，Hollatz推薦在主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)采用空心短錐柄(HSK刀柄)，而不要采用CAT型刀柄目派。他指出坤候，CAT刀柄在高速加工時(shí)可能會(huì)引起Z方向的精度問(wèn)題。在以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時(shí)咧歪，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)CAT刀柄卡住主軸的極端情況投篇。HSK刀柄的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用錐面和端面雙重接觸，因此可以控制Z方向的精度厦湘“直福“當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在20000rpm以下時(shí)讯策，可以采用CAT刀柄，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm時(shí)荤勤，除了采用HSK刀柄以外別無(wú)選擇购烹。”
　　高速加工的另一個(gè)關(guān)鍵因素是CNC控制器及其在高速條件下精確控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的能力鹉陪。具有“前瞻”功能的控制器可以根據(jù)刀具將要到達(dá)的位置控制刀具當(dāng)前的速度和加/減速度底教，該功能與高速驅(qū)動(dòng)主軸同樣重要。
　　據(jù)Hollatz介紹戴悔，牧野機(jī)床控制器的標(biāo)準(zhǔn)“前瞻”功能有超過(guò)60－80個(gè)G碼模塊扑澜。其中的Super GI.4控制器程序包是為高速加工而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，有超過(guò)180－250個(gè)模塊关揣。對(duì)于相同的刀具路徑句惯，Super GI.4的運(yùn)動(dòng)速度比它所替代的SGI.3控制器提高了15%－30%。
　　據(jù)哈斯公司加工經(jīng)理Reilly介紹支救，哈斯機(jī)床為高速加工控制提供了可選方案抢野。哈斯的高速加工控制模塊允許采用更高的進(jìn)給率和更復(fù)雜的刀軌，而不會(huì)使機(jī)床出現(xiàn)停機(jī)等故障各墨。哈斯機(jī)床采用稱(chēng)為“插補(bǔ)前加速度”的運(yùn)動(dòng)算法指孤，并與多達(dá)80個(gè)模塊的全“前瞻”功能相結(jié)合，其高速加工控制模塊可提供高達(dá)500ipm(13m/min)的等高線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)贬堵，而無(wú)需冒編程的刀軌失真的風(fēng)險(xiǎn)恃轩。“這樣做的最大好處就是執(zhí)行程序時(shí)具有‘前瞻’性黎做，而且當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生任何變化時(shí)都能保持盡可能快的運(yùn)動(dòng)速度叉跛。”Reilly解釋說(shuō)蒸殿，“如果運(yùn)動(dòng)方向變化不大筷厘，運(yùn)動(dòng)速度也幾乎不需要改變。速度的變化是與方向的變化成比例的宏所⊥疗”
　　在航空工業(yè)中，隨著新型飛機(jī)為減輕重量而采用更多復(fù)合材料穴示，對(duì)復(fù)合材料的加工需求正變得日益迫切奥挑。波音787客機(jī)采用合成材料制造機(jī)身和機(jī)翼就是這一趨勢(shì)的典型實(shí)例。鋁合金的高速加工不久將成為標(biāo)準(zhǔn)工藝爽步，將高速加工應(yīng)用于其它常用航空材料似乎也具有意義声锤，對(duì)于復(fù)合材料當(dāng)然也不例外』Ψ澹“當(dāng)采用近凈成型工藝制造復(fù)合材料零件時(shí)衙文，為了達(dá)到配合跪消、連接和凹陷部位的精度要求，就需要進(jìn)行機(jī)加工差讼。”辛辛那提公司復(fù)合材料加工平臺(tái)經(jīng)理Jeff Crick解釋說(shuō)挤夕，“例如赫斥，利用層積加工可在機(jī)翼表面制造一個(gè)進(jìn)入孔，但只能達(dá)到大約±0.5mm的精度(層積加工只能達(dá)到這種精度)沪么。為了在要求的部位達(dá)到更高精度硼婿，就需要進(jìn)行二次加工(如機(jī)加工)，就像對(duì)鋁合金禽车、鈦合金或鋼材進(jìn)行精加工一樣寇漫。”
　　據(jù)Crick介紹殉摔，與加工鋁合金相比州胳，高速加工復(fù)合材料所需的功率和扭矩較小，機(jī)床本身無(wú)需像切削鈦合金的機(jī)床那樣厚重結(jié)實(shí)逸月，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動(dòng)和共振栓撞。大多數(shù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍都在10－13000rpm(盡管它們可以更高速度運(yùn)轉(zhuǎn))。例如碗硬，美國(guó)一家大型航空零部件制造商在一臺(tái)轉(zhuǎn)速為24000rpm的機(jī)床上瓤湘，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料的高速加工。
　　現(xiàn)在恩尾，大部分復(fù)合材料都采用當(dāng)初為金屬切削而設(shè)計(jì)的加工單元來(lái)加工弛说。Crick認(rèn)為，最終的目標(biāo)是制造出重量更輕翰意、為加工復(fù)合材料而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用機(jī)床舷到。設(shè)計(jì)這種機(jī)床時(shí)必須注意一種趨勢(shì)，即航空復(fù)合材料零部件的尺寸越來(lái)越大嗦休。Crick說(shuō)羔题，“復(fù)合材料零部件的尺寸可能非常大，如長(zhǎng)達(dá)100′(30m)機(jī)翼外覆件首捶，甚至包括整個(gè)機(jī)身部件鉴何，如新型波音787的機(jī)艙剖面直徑超過(guò)20′(6m)，長(zhǎng)度超過(guò)30′(9m)按冷。在這種大型結(jié)構(gòu)中矢妄，對(duì)一節(jié)機(jī)身與另一節(jié)機(jī)身之間接合面的加工公差要求很?chē)?yán)。其他零部件可能既長(zhǎng)又帶有筋板芳乎，如翼梁汇氛、縱梁组伐、支柱和地板橫梁等。
　　為了加工這些既長(zhǎng)又薄且容易彎曲的零件(Crick形象化地將它們形容為“濕面條”)呛靡，辛辛那提公司開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)用擠壓件銑床(圖5)硕帖。該機(jī)床既可以加工鋁合金也可以加工復(fù)合材料，加工尺寸范圍13′×8′(4×2.4m)铅鲤，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm划提，采用直徑不超過(guò)25mm的12種刀具進(jìn)行加工，工件可長(zhǎng)達(dá)40′(12m)邢享。
“當(dāng)幾乎所有加工方式和工件材料都可通過(guò)高速加工獲益時(shí)鹏往，自由切削材料(如鋁合金或復(fù)合材料)受益最大，”哈斯公司加工經(jīng)理Reilly說(shuō)骇塘，“由于采用高轉(zhuǎn)速伊履、大進(jìn)給、小切深的硬銑削技術(shù)款违，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益唐瀑。鈦合金作為航空工業(yè)越來(lái)越重要的工件材料，當(dāng)然也是受益者之一插爹〗槿欤”
　　“如果說(shuō)鋁合金切削機(jī)床像F1賽車(chē)，鈦合金切削機(jī)床就更像推土機(jī)递惋，”MAG維修技術(shù)公司的生產(chǎn)力解決方案經(jīng)理Dan Cooper說(shuō)柔滔，“它們?cè)谥鬏S轉(zhuǎn)速方面有很大不同，盡管高速加工原理——高轉(zhuǎn)速炬伶、小切深對(duì)于鈦合金有時(shí)也具有意義浅腥，尤其是薄壁零件最好采用高速加工原理加工。舉例來(lái)說(shuō)吻拼，一個(gè)用戶的零件厚度為0.030″(0.76mm)鱼雇、高度為3″(76mm)，這種大高度薄壁件不能采用老式傳統(tǒng)工藝進(jìn)行粗加工局权，低轉(zhuǎn)速礼猪、大切深、大扭矩切削將導(dǎo)致工件變形和刀具偏移拒徐，對(duì)于新型5553鈦合金零件的加工尤其如此硅盹。”
　　Cooper指出莽每，鈦合金的低導(dǎo)熱性又竞、高彈性模量與高強(qiáng)度相結(jié)合，使其成為一種難切削材料辖备，“雖然切削扭矩和動(dòng)態(tài)剛性對(duì)于復(fù)合材料和鋁合金加工也許并不太重要咸唇，但對(duì)于鈦合金加工卻非常重要呈驶。與鋁合金加工相比，這會(huì)限制鈦合金加工速度的提高疫鹊⌒湔埃”
　　Cooper寧愿用表面速度和進(jìn)給率而不是主軸轉(zhuǎn)速來(lái)衡量高速加工。表面速度是主軸轉(zhuǎn)速和刀具直徑的函數(shù)拆吆；進(jìn)給率是主軸轉(zhuǎn)速和刀齒密度的函數(shù)虏辫。由于刀齒越密、表面速度(SFM)越高锈拨，就意味著進(jìn)給率越高，因此刀具的設(shè)計(jì)至關(guān)重要羹唠。
　　Cooper介紹說(shuō)奕枢，MAG的新型硬質(zhì)合金刀具可以390fpm的表面速度進(jìn)行加工∨逦ⅲ“用一把直徑25.4mm缝彬、刀槽數(shù)最多的刀具，我們只能以1500rpm的轉(zhuǎn)速和2.5m/min的速度加工哺眯，而這對(duì)于鈦合金加工已是相當(dāng)高的速度了谷浅。”
　　高速加工技術(shù)已在鋁合金加工中證明了自己的優(yōu)勢(shì)止槽，人們期望它在加工像鈦合金一樣更新椅砸、更硬的材料時(shí)也能做到這一點(diǎn)。
　　“如今揍久，鋁合金的高速加工正在成為標(biāo)準(zhǔn)工藝嫡服。”馬扎克(Mazak)公司西區(qū)總部和航空技術(shù)中心的加工經(jīng)理Rudy Canchola說(shuō)迁耘。對(duì)他來(lái)說(shuō)伴竹，目前最大的加工挑戰(zhàn)是高溫合金(如15-5不銹鋼、5553或6Al4V鈦合金)粤未，這些材料在航空工業(yè)的使用越來(lái)越多报叁。最近，他計(jì)劃在馬扎克機(jī)床上采用各種刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)(包括在Mazak VCN-510C立式加工中心上進(jìn)行鈦合金加工試驗(yàn))缚袒。Canchola說(shuō)付找，“我們已經(jīng)證明用整體硬質(zhì)合金立銑刀加工鈦合金的速度可達(dá)500－600fpm。我們認(rèn)為這是非常不錯(cuò)的绢贵⌒砥穑”
　　他們還分別用山高(Seco)、英格索爾(Ingersoll)菩鲜、肯納(Kennameta)和山特維克(Sandvik)的刀具在Mazak Vortex 815-II五軸加工中心上進(jìn)行了加工15-5不銹鋼的切削試驗(yàn)园细。試驗(yàn)采用順銑加工方式惦积，表面切削速度達(dá)到400－600fpm。
　　Canchola說(shuō)猛频，“我們的大多數(shù)機(jī)床都具有實(shí)現(xiàn)這種高表面進(jìn)給率的能力狮崩。如果用戶需要切削這種材料，我們可以向他們提供在這些試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)”鹿寻。
　　加工高溫合金時(shí)睦柴，機(jī)床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時(shí)那么重要，因?yàn)榇藭r(shí)的切削速度并不太高毡熏。最重要的控制功能是測(cè)量主軸和軸系所承受的載荷并據(jù)此進(jìn)行調(diào)整坦敌。馬扎克機(jī)床能夠接收來(lái)自伺服電機(jī)的反饋電信號(hào)，并調(diào)整速度使其與切削條件相互匹配痢法，如有必要還可以停機(jī)更換刀具狱窘。

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