高速加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用更快的切削速度骑篙、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削蜕提，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重、切深較大的低速切削靶端。
　　成功的高速加工需要重視刀具、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越廣泛的應(yīng)用凛膏。盡管高速加工技術(shù)特別適合鋁合金的加工杨名，但在復(fù)合材料和硬金屬材料的加工中也有其用武之地。
　　競爭壓力正不斷迫使制造商以更高效的方式加工零件猖毫。與此同時(shí)台谍，航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商也需要強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕吁断、公差要求更嚴(yán)的構(gòu)件趁蕊。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，同時(shí)還能加工出比以往更精巧仔役、壁更薄的零件妒贞。
　　按照哈斯(Haas)公司加工經(jīng)理Wayne Reilly的看法翁写，許多人在使用高速加工這一術(shù)語時(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)。在Reilly看來剑银，雖然一些人認(rèn)為任何主軸轉(zhuǎn)速超過10000rpm的加工就算高速加工汰检，但另一些人對(duì)此卻有更復(fù)雜一些的定義。他說锄垛，“實(shí)際上這取決于該術(shù)語的使用背景何杈。工具制造商可能將其定義為轉(zhuǎn)速，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默峦。高速加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用更快的切削速度剿液、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重袱类、切深較大的低速切削筏所。”例如五逢，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)額定功率蜀悯。
　　辛辛那提(MAG Cincinnati)公司的鋁件加工平臺(tái)經(jīng)理Randy Von Moll表示，“與其孤立地討論主軸轉(zhuǎn)速竹观，我倒更喜歡高效加工這個(gè)術(shù)語镐捧。”他的定義除了主軸轉(zhuǎn)速外臭增，還包括機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)懂酱。他用了5個(gè)參數(shù)來定義高效加工：①主軸轉(zhuǎn)速；②主軸功率誊抛；③高的進(jìn)給率和刀路速率列牺；④高的加、減速度拗窃；⑤高精度瞎领。后三個(gè)條件專門定義了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而不是主軸特性。Von Moll說随夸，“為了更有效地切削合金材料(如鋁合金)九默，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”龆荆”
　　如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類驼修，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，主軸轉(zhuǎn)速為30000rpm卸橘，額定功率為80馬力(60kW)敌夜；對(duì)于厚度在50mm以上的厚板件，主軸轉(zhuǎn)速為18000rpm，額定功率為135馬力(100kW)数凫。
　　Von Moll解釋說奖冻，“在切削加工薄板件和厚板件時(shí)，機(jī)床的最高動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)并無太大不同医窖。對(duì)于兩種工件账阳，加速度/減速度都應(yīng)在0.5g左右，應(yīng)提供盡可能快的(非切削)往復(fù)運(yùn)動(dòng)蔽树，至少達(dá)到1500ipm(38m/min)狡氏。”
　　在加工復(fù)雜的凹腔類工件時(shí)碗挟，加速度/減速度對(duì)切削時(shí)間有很大影響伍毙，因?yàn)?a target="_blank" class="mmstipl2" >刀具在加工中必須多次改變方向。

　　機(jī)床的往復(fù)移動(dòng)時(shí)間會(huì)影響切削時(shí)間竞谒，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%)丐重。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。按照精益制造的觀點(diǎn)杆查，輔助時(shí)間是一種需要消除的浪費(fèi)扮惦。幾年前，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(圖2)亲桦。這些機(jī)床的快速往復(fù)移動(dòng)速度高達(dá)4000ipm(101m/min)崖蜜，其目的就是為了縮短輔助時(shí)間。HyperMach的X客峭、Y豫领、Z軸行程分別達(dá)到33m、3500mm和1250mm舔琅，并配置了附加的A等恐、B或C軸，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm备蚓。大部分HyperMach立式仿形銑床都是在一個(gè)共用的X軸龍門結(jié)構(gòu)上安裝兩個(gè)相互獨(dú)立的主軸课蔬。為了應(yīng)對(duì)提高大型工件(尺寸可達(dá)2000mm×4000mm)加工效率的市場需求，辛辛那提公司將在IMTS 2008(2008年美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會(huì))上展出并演示HyperMach臥式系列星著。
　　“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)高速加工的定義购笆。他認(rèn)為，高轉(zhuǎn)速良稽、小切深的加工方法可以減少傳入工件或刀具中的切削熱，工件和機(jī)床所受的切削力也較小玻岳。傳統(tǒng)的低轉(zhuǎn)速坞裂、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。較小的切削力還意味著可以降低對(duì)工件夾持的要求别孵。 
　　Hollatz建議声碴，在精加工鋁合金時(shí)米原，應(yīng)盡可能采用高速切削，“如果主軸額定轉(zhuǎn)速為30000rpm扫应，我們將嘗試全速運(yùn)行虹悄。同時(shí)，我們還會(huì)限制所用刀具的直徑忽秕〕∥海考慮到刀具不平衡引起的離心力，機(jī)床轉(zhuǎn)速越高時(shí)悦要，刀具直徑應(yīng)越小筝闹。”作為一個(gè)實(shí)例腥光，牧野生產(chǎn)的一種大型機(jī)床(主軸轉(zhuǎn)速33000rpm关顷，電機(jī)功率107馬力[80kW])不推薦使用任何直徑大于50mm的刀具。對(duì)于大多數(shù)切削加工而言武福，直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高议双。
　　與大多數(shù)機(jī)床供應(yīng)商一樣，Hollatz推薦在主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)采用空心短錐柄(HSK刀柄)捉片，而不要采用CAT型刀柄平痰。他指出，CAT刀柄在高速加工時(shí)可能會(huì)引起Z方向的精度問題界睁。在以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時(shí)觉增，曾經(jīng)出現(xiàn)過CAT刀柄卡住主軸的極端情況。HSK刀柄的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用錐面和端面雙重接觸翻斟，因此可以控制Z方向的精度逾礁。“當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在20000rpm以下時(shí)访惜，可以采用CAT刀柄栗柴，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm時(shí)，除了采用HSK刀柄以外別無選擇净彼≡鞑模”
　　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。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/減速度朗恤，該功能與高速驅(qū)動(dòng)主軸同樣重要投墩。
　　據(jù)Hollatz介紹，牧野機(jī)床控制器的標(biāo)準(zhǔn)“前瞻”功能有超過60－80個(gè)G碼模塊茸太。其中的Super GI.4控制器程序包是為高速加工而專門設(shè)計(jì)的彰畅，有超過180－250個(gè)模塊。對(duì)于相同的刀具路徑，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%誉缚。
　　據(jù)哈斯公司加工經(jīng)理Reilly介紹嘱垛，哈斯機(jī)床為高速加工控制提供了可選方案。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)雜的刀軌疫遵，而不會(huì)使機(jī)床出現(xiàn)停機(jī)等故障那惜。哈斯機(jī)床采用稱為“插補(bǔ)前加速度”的運(yùn)動(dòng)算法，并與多達(dá)80個(gè)模塊的全“前瞻”功能相結(jié)合梧油，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)苫耸，而無需冒編程的刀軌失真的風(fēng)險(xiǎn)∩羲荩“這樣做的最大好處就是執(zhí)行程序時(shí)具有‘前瞻’性鲸阔，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∑”Reilly解釋說褐筛，“如果運(yùn)動(dòng)方向變化不大，運(yùn)動(dòng)速度也幾乎不需要改變叙身。速度的變化是與方向的變化成比例的渔扎。”
　　在航空工業(yè)中信轿，隨著新型飛機(jī)為減輕重量而采用更多復(fù)合材料晃痴，對(duì)復(fù)合材料的加工需求正變得日益迫切。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)例财忽。鋁合金的高速加工不久將成為標(biāo)準(zhǔn)工藝倘核，將高速加工應(yīng)用于其它常用航空材料似乎也具有意義，對(duì)于復(fù)合材料當(dāng)然也不例外怎窿〔嗟蓿“當(dāng)采用近凈成型工藝制造復(fù)合材料零件時(shí)，為了達(dá)到配合喻透、連接和凹陷部位的精度要求寒淌，就需要進(jìn)行機(jī)加工【С耍”辛辛那提公司復(fù)合材料加工平臺(tái)經(jīng)理Jeff Crick解釋說蚜遥，“例如，利用層積加工可在機(jī)翼表面制造一個(gè)進(jìn)入孔翠笛，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)由饵。為了在要求的部位達(dá)到更高精度，就需要進(jìn)行二次加工(如機(jī)加工)桦徘，就像對(duì)鋁合金澳坟、鈦合金或鋼材進(jìn)行精加工一樣笔畜∠捌澹”
　　據(jù)Crick介紹孤殿，與加工鋁合金相比，高速加工復(fù)合材料所需的功率和扭矩較小满俗，機(jī)床本身無需像切削鈦合金的機(jī)床那樣厚重結(jié)實(shí)转捕，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動(dòng)和共振。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))唆垃。例如五芝，美國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，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料的高速加工辕万。
　　現(xiàn)在枢步，大部分復(fù)合材料都采用當(dāng)初為金屬切削而設(shè)計(jì)的加工單元來加工。Crick認(rèn)為渐尿，最終的目標(biāo)是制造出重量更輕醉途、為加工復(fù)合材料而專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)床。設(shè)計(jì)這種機(jī)床時(shí)必須注意一種趨勢(shì)砖茸，即航空復(fù)合材料零部件的尺寸越來越大隘擎。Crick說，“復(fù)合材料零部件的尺寸可能非常大凉夯，如長達(dá)100′(30m)機(jī)翼外覆件货葬，甚至包括整個(gè)機(jī)身部件，如新型波音787的機(jī)艙剖面直徑超過20′(6m)咳衣，長度超過30′(9m)共撰。在這種大型結(jié)構(gòu)中，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嚴(yán)故碱。其他零部件可能既長又帶有筋板鞋夹，如翼梁、縱梁椎敞、支柱和地板橫梁等奴爷。
　　為了加工這些既長又薄且容易彎曲的零件(Crick形象化地將它們形容為“濕面條”)，辛辛那提公司開發(fā)了一種專用擠壓件銑床(圖5)配籽。該機(jī)床既可以加工鋁合金也可以加工復(fù)合材料擂门，加工尺寸范圍13′×8′(4×2.4m)，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm飞席，采用直徑不超過25mm的12種刀具進(jìn)行加工自畔，工件可長達(dá)40′(12m)。
“當(dāng)幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時(shí)村秒，自由切削材料(如鋁合金或復(fù)合材料)受益最大杨匕，”哈斯公司加工經(jīng)理Reilly說着饥，“由于采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給惰赋、小切深的硬銑削技術(shù)宰掉，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業(yè)越來越重要的工件材料赁濒，當(dāng)然也是受益者之一轨奄。”
“如果說鋁合金切削機(jī)床像F1賽車拒炎，鈦合金切削機(jī)床就更像推土機(jī)挪拟，”MAG維修技術(shù)公司的生產(chǎn)力解決方案經(jīng)理Dan Cooper說，“它們?cè)谥鬏S轉(zhuǎn)速方面有很大不同击你，盡管高速加工原理——高轉(zhuǎn)速玉组、小切深對(duì)于鈦合金有時(shí)也具有意義，尤其是薄壁零件最好采用高速加工原理加工丁侄。舉例來說惯雳，一個(gè)用戶的零件厚度為0.030″(0.76mm)、高度為3″(76mm)绒障，這種大高度薄壁件不能采用老式傳統(tǒng)工藝進(jìn)行粗加工晃烟，低轉(zhuǎn)速、大切深场恬、大扭矩切削將導(dǎo)致工件變形和刀具偏移翠柄，對(duì)于新型5553鈦合金零件的加工尤其如此×吆”
　　Cooper指出皿完，鈦合金的低導(dǎo)熱性、高彈性模量與高強(qiáng)度相結(jié)合办煞，使其成為一種難切削材料狈馏，“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，但對(duì)于鈦合金加工卻非常重要害恋。與鋁合金加工相比缘说，這會(huì)限制鈦合金加工速度的提高∈甓”
　　Cooper寧愿用表面速度和進(jìn)給率而不是主軸轉(zhuǎn)速來衡量高速加工劣零。表面速度是主軸轉(zhuǎn)速和刀具直徑的函數(shù)；進(jìn)給率是主軸轉(zhuǎn)速和刀齒密度的函數(shù)福压。由于刀齒越密掏秩、表面速度(SFM)越高，就意味著進(jìn)給率越高荆姆，因此刀具的設(shè)計(jì)至關(guān)重要蒙幻。
　　Cooper介紹說映凳，MAG的新型硬質(zhì)合金刀具可以390fpm的表面速度進(jìn)行加工∮势疲“用一把直徑25.4mm诈豌、刀槽數(shù)最多的刀具，我們只能以1500rpm的轉(zhuǎn)速和2.5m/min的速度加工决乎，而這對(duì)于鈦合金加工已是相當(dāng)高的速度了队询。”
　　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)构诚，人們期望它在加工像鈦合金一樣更新、更硬的材料時(shí)也能做到這一點(diǎn)铆惑。
　　“如今范嘱，鋁合金的高速加工正在成為標(biāo)準(zhǔn)工藝≡蔽海”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說斤间。對(duì)他來說，目前最大的加工挑戰(zhàn)是高溫合金(如15-5不銹鋼乌换、5553或6Al4V鈦合金)稿棚，這些材料在航空工業(yè)的使用越來越多。最近取阳，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))采缎。Canchola說，“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灌罐。我們認(rèn)為這是非常不錯(cuò)的敌菩。”
　　他們還分別用山高(Seco)坡循、英格索爾(Ingersoll)疏拱、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)。試驗(yàn)采用順銑加工方式肯拨，表面切削速度達(dá)到400－600fpm榕每。
　　Canchola說，“我們的大多數(shù)機(jī)床都具有實(shí)現(xiàn)這種高表面進(jìn)給率的能力雪猪。如果用戶需要切削這種材料栏尚，我們可以向他們提供在這些試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)”。
　　加工高溫合金時(shí)浪蹂，機(jī)床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時(shí)那么重要抵栈，因?yàn)榇藭r(shí)的切削速度并不太高。最重要的控制功能是測量主軸和軸系所承受的載荷并據(jù)此進(jìn)行調(diào)整坤次。馬扎克機(jī)床能夠接收來自伺服電機(jī)的反饋電信號(hào)古劲，并調(diào)整速度使其與切削條件相互匹配斥赋，如有必要還可以停機(jī)更換刀具。 

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