現(xiàn)代先進大型飛機結(jié)構(gòu)設計制造技術出現(xiàn)了明顯變化：更多地采用復合材料和金屬整體結(jié)構(gòu)件設計制造技術给番，以實現(xiàn)大幅度減少飛機零部件數(shù)量坞裂、減輕飛機結(jié)構(gòu)重量鳞集、提升飛機性能姆盲、改善飛機安全可靠性和提高飛機使用壽命。其中高速加工技術在航宇制造業(yè)中得到廣泛應用祷濒，推動了飛機金屬結(jié)構(gòu)件更加明顯轉(zhuǎn)向采用整體結(jié)構(gòu)件設計和切削加工簡單制造法盒咪，取代傳統(tǒng)成百上千個零件通過連接技術組成的組合結(jié)構(gòu)件。

　　典型高速加工技術(HSM)

　　高速加工從技術概念的提出并發(fā)展到較成熟的工業(yè)應用，大致經(jīng)歷了高速切削機理研究(上世紀70年代初前)瘟麻、高速切削應用探索研究(上世紀70年代)右婚、高速切削初步工程應用(上世紀70年代末到80年代中)和高速切削較成熟工程應用(上世紀80年代中至今)四個階段。特別最近10多年來衅快，由于諸如高速機床結(jié)構(gòu)堪俩、高速主軸、快速坐標驅(qū)動般甲、高速切削刀具肋乍、高性能控制系統(tǒng)和高速編程技術等許多高速加工工程應用的關鍵技術的發(fā)展進步，使得比常規(guī)切削加工具有許多明顯優(yōu)勢的高速加工在金屬切削加工領域得到了廣泛應用敷存，特別是在航宇墓造、模具和汽車制造業(yè)。現(xiàn)今锚烦，設計制造一臺主軸轉(zhuǎn)速達數(shù)萬轉(zhuǎn)每分鐘觅闽，進給速度達數(shù)十米每分鐘的高速數(shù)控加工機床已不再是困難的事了。在航宇和汽車制造業(yè)涮俄，許多機加工廠現(xiàn)場處處可以看到先進的五軸聯(lián)動高速數(shù)控加工中心(MC)機床在運行蛉拙，高速加工在許多產(chǎn)品零件生產(chǎn)中得到極為廣泛實際應用，并已成為現(xiàn)代制造企業(yè)實現(xiàn)高生產(chǎn)率產(chǎn)品制造的關鍵技術彻亲。

　　但直到現(xiàn)在孕锄，工業(yè)界對高速加工還沒有一種明確、統(tǒng)一苞尝、權(quán)威和公認的定義畸肆。實際上，高速加工最基本技術的概念在于其切削速度是常規(guī)切削速度的5~10倍以上佛雀。同時闺酬，由于工件材料的多元性和切削加工工藝的多元性(車、銑逃净、鉆瑟捡、磨、鏜山刨、拉等)哲陷，因此作為呈現(xiàn)高速加工技術基本特征的切削速度也具有多元性特點，即不同工件材料或不同切削加工工藝時其作為高速加工定義的切削速度范圍則是不同的随港。

　　首先墙议，隨著工件材料相對可加工性Kr的減小，高速加工允許使用的切削速度將降低溃登。典型工件材料相對可加工性及其分級見下表久挖。目前缎苞，鋁合金材高速加工的切削速度可達2500~7500m/min，普通鋼為600~2400m/min歹对，而鈦合金材僅為100~1200m/min售碳，淬硬鋼和航空高溫合金等硬合金材則更低。應指出的是绞呈，在實際生產(chǎn)中使用的切削速度數(shù)據(jù)范圍通常要低于圖1所示的贸人。如鋁合金材實際高速加工使用的切削速度目前多在1500~6000m/min。

　　其次佃声，在給定切削速度下艺智，使用的切削刀具直徑越小，則允許的主軸轉(zhuǎn)速越高圾亏∈穑或者說低主軸轉(zhuǎn)速場合，可通過大刀具直徑獲得高切削速度志鹃。

　　第三夭问，高速加工技術中的“高速”是一種相對概念，主要取決于被加工材料的特性曹铃，如切削速度達1000m/min缰趋，對鋁合金材而言可能不被視為“高速”，但對鈦合金材而言則是很“高速”了陕见，對于航空高強度高溫合金材則是超“高速”了贵本。

　　典型高速加工工程應用開發(fā)研究，主要始于針對航宇制造業(yè)中廣泛使用的鋁合金(輕合金)材構(gòu)件的高速切削加工需求而開展的尸校。因此，典型高速加工是一種應用高主軸轉(zhuǎn)速债鼎、快進給速度和低負載的切削加工替程，主要應用于輕合金材工件精加工或半精加工。許多高等院校蚂旁、專業(yè)研究所撕陈、數(shù)控機床/刀具制造商以及最終用戶等對鋁合金材的高速加工技術研究已相當廣泛和深入，工業(yè)應用也較成熟粤搂，從某種意義上講已基本趨于標準化生凯。工業(yè)實踐表明，高速加工與常規(guī)切削加工相比具有明顯優(yōu)勢：切削力減少約30%辜色，進給速度可提高5~10倍啥葡，切削加工時間減少約60~80%，金屬切除率提高3~5倍潜呻，刀具耐用度提高70%政模，表面粗糙度優(yōu)于8~10μm，工件溫升低，熱變形與熱膨脹減小淋样，特別適宜細長耗式、復雜薄壁零件的加工，通吵煤铮可降低加工成本20~50%等等刊咳。因此高速加工技術已成為本世紀機械切削加工領域最重要的和應用極廣泛的一種具有創(chuàng)新性的機械切削加工技術。

　　最近幾年儡司，高速加工技術持續(xù)發(fā)展呈現(xiàn)出如下兩個基本趨勢：

　　(1)向更高金屬切除率的高速加工能力(即后文將要討論的高效加工技術和工序復合加工能力(即高效高速加工技術)娱挨，以實現(xiàn)對大型整體構(gòu)件的高生產(chǎn)率加工發(fā)展。

　　(2)隨著鈦合金材結(jié)構(gòu)件在航空飛機設計制造中所占比例的急速增加枫慷，人們開始將對鋁合金材的關注轉(zhuǎn)向鈦合金等硬質(zhì)合金材的高速加工技術的工程應用研究让蕾，取得了較大進展，并開始實現(xiàn)實際工業(yè)應用或听，推出了許多先進的用于硬質(zhì)合金材高速加工的數(shù)控加工機床探孝。

　　高效加工技術(HEM)

　　如前所述，大型航宇整體結(jié)構(gòu)件多采用簡單制造法誉裆，材料去除率一般可高達60~95%迈堂。整體結(jié)構(gòu)件簡單制造法，通常先采用高效加工技術進行高速粗加工捶卧，快速切除大部分余量耀佣，而后通過高速加工技術實施高速精加工，實現(xiàn)“一次裝夾完成全部加工”的工藝策略疲飘。在進行精加工序前還可能需要進行高速半粗加工或高速半精加工工序钳雄，以使最終精加工的余量最佳化。這種被作為高速粗加工/半粗加工應用的高效加工技術婴悠，一般又稱之為高切除量加工匀枪，是一種高效率的高速加工，為高速加工技術范疇罐闰，但又不完全等同于典型高速加工技術凿栅。

　　(1)實際應用目標不同

　　高效加工和高速加工最基本的差異在于它們實際應用所追求的目標不同。典型高速加工技術噪芭，主要用于高速精加工或高速半精加工涝露，其關注的是高主軸轉(zhuǎn)速和進給率，即要求取得盡可能高的零件表面積切除速率楞艾，以快速取得高加工質(zhì)量的高速加工為應用目標参咙。而高效加工主要用于高速粗加工或高速半粗加工，其關注的是切削加工效率硫眯，即要求有盡可能高的金屬切除率昂勒，以取得短零件加工周期(即高效率)的高速加工為應用目標蜀细。

　　以空客英國公司為例，在高速龍門數(shù)控機床Alumax上粗加工鋁合金材飛機壁板零件時進給速度達7.5m/min(精加工時用20m/min)戈盈，金屬切除率達6554.8cm3/min奠衔，即每小時要切除超過1000kg鋁材。因此塘娶，具有高金屬切除率是高效加工技術最基本的特征归斤。

　　最近10多年來，主要得益于高速數(shù)控機床設計制造技術快速發(fā)展以及諸如高速電主軸與切削刀具等數(shù)控機床關鍵功能部件的顯著進步刁岸，高速數(shù)控機床的金屬去除率也得到了快速提高脏里，見圖2。目前虹曙，在實際工業(yè)生產(chǎn)中鋁合金材典型高效加工時金屬切除率可高達3000~6500cm3/min迫横，鈦合金材典型高效加工時mrr已達300~600cm3/min。但無論是高效加工或還是高速加工應用場合露您，通常其所能取得的mrr和常規(guī)切削加工相比都要高出許多飘缨。

　　(2)加工工藝策略不同

　　盡管高效加工和典型高速加工都屬于高速技術范疇，但二者采用的加工工藝策略卻是不一樣的烙欧，這是由于二者實際應用目標不同之所致很洽。高速加工通常采用高主軸轉(zhuǎn)速、小每齒進給量耙侵、高進給速度川痛、適當大切寬(WOC)和小切深(DOC)的加工工藝策略；高效加工通常采用中等高主軸轉(zhuǎn)速宝庵、較大刀刃進給量都炮、較高進給速度、適當大切寬和大切深的切削加工工藝策略植碳。比如對鋁合金材诉鸯，典型高速加工通常要求主軸轉(zhuǎn)速超過18000r/min，每齒進給量0.1~0.4mm/r唾浙，切深從0.25~2.5mm，允許刀具接觸弧系數(shù)(切寬WOC對刀具直徑D的百分比)達100%捂齐。而高效加工主軸轉(zhuǎn)速通常在10000~15000r/min蛮放，每齒進給量0.1~0.3mm/r，切深可為高速加工的好幾倍(取決于工件類型)奠宜，刀具接觸弧系數(shù)通常≦75%包颁。如在一立式數(shù)控MC機床上粗加工鋁合金材6061-T6工件，使用直徑51mm的5齒端銑刀压真，主軸轉(zhuǎn)速10000r/min娩嚼，切深9.5mm蘑险，切寬51mm，進給速度7620mm/min岳悟，切削速度1600m/min佃迄，每齒進給量為0.152mm/r，金屬切除率達3690cm3/min贵少。

　　這就是說呵俏，典型高速加工是一種高速精加工工藝策略，而高效加工則是一種高速粗加工工藝策略滔灶。

　　高效高速加工技術(HEM-HSM)

　　在航宇制造業(yè)普碎，許多大型復雜金屬整體結(jié)構(gòu)件采用常規(guī)加工工藝路線，通常先在普通數(shù)控MC機床上完成粗加工與半粗加工后卸下拿翠，轉(zhuǎn)序并裝夾到高速五軸數(shù)控MC機床上進行半精加工和最終精加工陡顶。這種加工工藝路線，存在有明顯的不足：

　　(1)工件需要二次裝夾和重新定位允合，且這些大型工件裝夾段鲜、調(diào)整和定位操作往往是既困難又費時的，增加了不少非切削加工時間帐等，還帶來二次裝夾定位誤差国赫。

　　(2)轉(zhuǎn)序加工就意味著需要工序間輔助時間，還可能需要待工颤赤，增長了零件交付時間勉窟。

　　(3)由于構(gòu)件尺寸大，結(jié)構(gòu)復雜暑锈，裝夾糊批、調(diào)整和定位操作需要有較高技能的操作者，增加了產(chǎn)品制造勞力費用哀卿。

　　(4)加工一個零件往往需有多種叛赚、多臺不同加工設備來完成，增加了設備的臺數(shù)和生產(chǎn)廠房占地面積稽揭，加重了企業(yè)的資金投入俺附，同時也就增高了零件加工成本費用。

　　因此溪掀，航宇制造企業(yè)急需一種能實現(xiàn)多工序復合加工事镣、切削加工效率高與費用低廉的大中型復雜整體構(gòu)件切削加工技術。隨著高速數(shù)控加工設備揪胃、切削刀具和高速切削工藝等技術的發(fā)展與進步璃哟，特別是高性能五軸聯(lián)動高速數(shù)控機床在現(xiàn)代制造企業(yè)中的廣泛使用，使得人們有可能創(chuàng)新性地在同一臺高速數(shù)控機床上通過一次裝夾工件就能“高效率”地連續(xù)完成大型復雜整體結(jié)構(gòu)件粗精(可含半粗或與半精)高速切削加工喊递，使一臺高速數(shù)控機床進行多工序復合加工随闪，以實現(xiàn)取得和高生產(chǎn)率的專用組合機床那樣的等同切削加工效果阳似，從根本上解決前述采用常規(guī)加工工藝路線所產(chǎn)生的問題。

　　這種在同一臺高速數(shù)控機床(如五軸聯(lián)動的高速數(shù)控MC機床或車銑復合加工中心機床等)上連續(xù)進行高效粗加工或半粗加工和高速精加工或半精加工的切削加工技術被稱為“高效高速加工”技術铐伴，或稱“高生產(chǎn)率加工”技術撮奏，也被稱為“高性能加工”技術。

　　高效高速切削加工效率也是通過金屬切除率來評估盛杰，即通過高效加工與高速加工切削加工時的mrr進行評估瘾枉。可以由以下公式確定：

　　對銑削加工有：

　　mrr=aeapF×10-3=aeapzfZn×10-3(cm3/min)

　　式中贼欧，ae：切寬WOC(徑向切深缆兆，RadialDepthofcut)，mm勤友；ap：切深DOC(軸向切深狡允，AxialDepthofcut)，mm李联；fZ：每齒進給量页本，mm/r；z：刀具齒數(shù)睬够；n：主軸轉(zhuǎn)速壮才，r/min；F：加工進給率或加工進給速度枯瞒，且F=nfZz(mm/min)口箭。

　　對車削加工有：

　　mrr=aeVCfZ=aeπDfZn×10-3(cm3/min)

　　式中，VC：切削速度吻育，m/min念秧；fZ：刀刃進給量，mm/r布疼；D：工件切削直徑摊趾，mm。

　　通常游两，高效加工應用場合的金屬切除率為典型高速加工應用場合mrr的2~5倍砾层。目前，對鋁合金材的高效高速切削加工中贱案，典型高速加工時mrr已達700~1000cm3/min肛炮，鈦合金材可達50~100cm3/min。

　　這兒還應指出的是轰坊，典型高速加工技術，如前所述主要用于高速精/半精加工祟印，其關注的是高主軸轉(zhuǎn)速和高進給率肴沫，即要求取得盡可能高的零件表面積切除速率粟害，以取得高加工質(zhì)量的高速精加工為應用目標。因此明因，作為評估高效高速加工應用中的高速加工的金屬切除率脏貌，人們也使用cm2/min作為單位來表征。

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