近十多年来，高速加工技术得到了飞速发展。这种加工方式，不但大幅度提高了切削速度和进给速度，而且明显改善工件表面品质和加工精度，因此在航空领域获得了广泛应用。随着全球化制造技术的提高，为进一步缩短辅助加工时间，有效提高生产效率，高速加工已经进入了一个新的阶段———高效加工。

      1 高效加工概述

      1.1 高效加工的定义

      高效加工是指通过提高单位时间内金属切除量和对加工过程的全面考虑及优化，进一步降低切削过程中的基本时间和辅助时间，进一步降低加工费用而采用的一种加工技术。

      1.2 高效加工的优点

      （1）金属切除率高；

      （2）加工时间减少；

      （3）切削力降低；

      （4）零件热变形减小；

      （5）加工表面质量高；

      （6）加工成本降低。

      2 高效加工的应用

      高效加工继承了高速加工具有的降低切削力、提高零件精度和表面品质等特点，并着重从提高生产效率出发，通过增大加工中的金属切除率，形成了高转速、大进给、大切深等特点。

      由于高效加工的技术优势，已广泛应用于航空制造业。如飞机上的框类零件以及大型壁板等整体结构件，其毛料的金属切除率达到75%～95%，对于如此高的材料去除量，最能满足其加工要求的，就是采用高效加工的切削方式。

      高效加工不同于传统的常规切削技术，也不完全与高速加工相同，要实现高效加工，必须掌握以下关键技术：高效加工机床、高效加工刀具与高效加工工艺。

      2.1 高效加工机床的应用

      企业为了提高自身的竞争力，要求配置效率更高、综合成本更低的加工设备。一种先进的高速铣削机床———虚拟轴，开始装备航空制造业。

      （1）虚拟轴的结构特点。虚拟轴机床的结构，即 “六杆平台结构”，属于并联式加工中心。其结构简单，传动链短，刚度大，质量小，响应快，切削效率高。3 个座板以120°等分定位，并与主轴箱相连。在每个座板上均装有线性导轨，带有一个与滚动块相连的可前后移动的鞍架。铰链连接臂与鞍架的前端相连，另一端合并成一个万向节，支撑带有内置电主轴的平台、滚珠丝杠和伺服电机驱动滑板。通过在Z 向上单独移动3 个滑板，电主轴在Z 向上水平移动，此时主轴可在+/- 40°范围内的任何空间角度实现全方位移动。

      （2）虚拟轴加工原理。工作时，机床的实际运动轴即支撑主轴部件的六驱动杆的长度不断变化，通过调节其的长度，可使主轴和刀具相对于零件作所要求的进给运动，通过控制系统对进给运动进行精确控制，就可加工出符合要求的零件。

      （3）虚拟轴功能参数。X 轴行程6 300 mm，Y 轴行程2 500 mm，Z 轴水平行程670 mm，在± 40°内行程370 mm，A、B 轴摆角范围± 40°。主轴额定功率80 kW，额定扭矩46 N·m，最大转速3 万r/min，最大进给速度5 万mm / min。

      2.2 高效加工刀具的应用

      从切削原理中得知，在切削过程中，作用在刀具上的切削力的大小，直接取决于切削区内切削温度的高低。与此同时，在高速旋转过程中产生的离心力，对刀具的影响也很大，即使很小的离心力，都会使整个切削系统产生强烈的振动，从而加剧刀具以及机床的磨损。因此，刀具的选择原则，是具有良好的耐磨性以及高强度的韧性和硬度，并且选择的刀具的几何形状，必须既能有利于降低切削力又能保证刀头强度。

      高速加工对刀具动平衡性能提出了更高要求。因为在高速切削时，不平衡的刀具会使机床产生振动，产生不均匀的切削力，从而缩短刀具和主轴的寿命，增加停机时间，降低工件加工精度。

      2.3 高效加工工艺的应用

      （1）软件的选择。在众多的CAD/CAE/CAM编程软件中，CATIA 因具有强大的模块功能和混合建模技术，已经占有全世界60％以上的航空及汽车制造业的市场。仿真检查时， 使用VERICUT 软件。

      VERICUT 是一款专为制造业设计的CNC 数控机床加工仿真和优化软件。

      （2）数控加工方法的选择。高效加工的数控编程方法，有以下特点：

      一是精加工前，先进行转角余量清除的工作；

      二是尽可能减少速度的急剧变化，在走刀方向变化较大的位置加入圆弧过渡段；

      三是粗铣外形时，径向一定要分层，给刀具留出足够的排屑空间，以减少切屑对刀具的撞击，更好地延长刀具的使用寿命；

      四是选择合理的下刀位置，接触零件后采用小角度往复摆刀或螺旋下刀的方式，铣削深度根据后续走刀方式确定，接近速度为程序速度的60％。五是五坐标加工时，如果没有特殊原因（机床行程限制、加工空间限制等），在程序开头和结尾都要安排所有转角归零程序段。

      （3）切削参数的选择。高效加工切削参数的选择，主要考虑加工效率、加工表面品质、刀具磨损以及加工成本等因素。通常随着切削速度的逐渐提高，加工效率也在提高，此时刀具磨损加剧。切削速度的提高，主要受制于刀具耐用度以及机床主轴功率和扭矩的限制。高效加工切削参数的选择原则，是选取较大的主轴转数、较大的每齿进给量、较大的轴向切深和径向切深以及中等的切削速度。

      铣切加工中经常使用的参数如下：

      N 为转数，r／min；

      F z 为每齿进给量，mm／z；

      Vc 为铣削速度，mm／min；

      Ap 为切削深度，mm；

      Ae 为切削宽度，mm；

      Vf 为进给速度，mm／min；

      Z 为铣刀齿数；

      Q 为金属切除率，cm3 / min。

      其换算关系为

      Vc = Ap × Ae × Vf

      Vf = F z × N × Z

      Vc = Ap × Ae× F z × N × Z

      Q = Ap× Ae × Vf / 1 000

      = Ap × Ae × F z × Z × N / 1 000

      通过公式可以得出：相同的刀具材料，切削同一种工件材料，在粗加工时的切削速度及每齿进给量，基本上是相同的；而不同的刀具直径，直径越大，则刀具的齿数可以相对增加，因此，大直径刀具的金属去除率，相比小直径刀具的去除率要大一些。

      3 典型铝合金壁板的高效加工实例

      3.1 零件特点

      某项零件为大型铝合金壁板。加工后外廓尺寸4828 mm× 1 283 mm× 45 mm，壁厚3～4 mm，总质量92.103 kg，金属去除率91.7 %，而且结构复杂，加工周期长。

      3.2 原加工方案分析

      （1）原加工机床为五坐标双龙门铣床，受机床、刀具等限制，转速、进给速度均较低，转速1 500～2 500 r/min，进给速度200～2 000 mm/min，单位时间内的金属切除量很低，机床占用时间较长。

      （2）由于切削速度较慢，零件表面粗糙度较差，数控加工后需钳工大量打磨，才能满足图纸要求，这使得零件加工周期很长。

      （3）由于零件高筋薄壁的特点，并且切削速度慢，加工中的切削热得不到及时释放，导致数控加工后变形较大，需要校正以达到图纸要求。

      3.3 现加工方案分析

      （1）定位、装夹方式。虚拟轴机床加工，平台螺栓孔定位，即用间距为250 mm 的M16 螺栓矩阵来把紧，直角边找正定位。

      （2）工艺流程。加工方式：粗加工→半精加工→精加工。

      加工流程：钻制平台螺栓孔→粗铣内外形→粗精铣腹板→精铣筋高→粗精铣剪切槽→粗精铣筋厚→精铣T 型筋→精铣角度面→精铣外形。

      3.4 切削参数选择

      现将零件高效加工的切削参数与普通加工的切削参数进行对比（见表1）。

      通过表1，可以明显比较出普通加工和高效加工在刀具切削参数上的差距。该零件在虚拟轴机床上加工，单件加工时间为20 h，相比以往在普通机床上的加工时间48 h，工效提高了58.3 %。并且表面品质大幅提高，节省了钳工打磨时间。零件基本消除变形，节约了校正成本。

      4 结束语

      通过高效加工技术在大型铝合金壁板上的应用，我们已经从高效加工中获益良多。但是高效加工作为一种新兴的加工工艺，国内发展历史还很短暂，涉及到的相关技术比较多，存在的技术难题也很多。目前，国内对高效加工技术的研究，还处于初级阶段，我们还没有建立起完整实用的高效加工数据库，

在这方面，还需要作大量的工作。