图1 采用高速加工技术制成的典型航空薄壁件

图2 辛辛那提公司HyperMach仿形铣床可采用单主轴或双主轴，并配备A/B或A/C轴，X轴行程达9144mm(可加长)，主轴转速24000rpm，快速往复移动速度达4000ipm(101m/mim)

      机床的往复移动时间会影响切削时间，尤其是辅助时间(切削铝合金时辅助时间可占到全部加工循环时间的20%)。辅助时间包括切削一个新工件时刀具的定位时间或刀具移动到换刀机械手的时间。按照精益制造的观点，辅助时间是一种需要消除的浪费。几年前，辛辛那提公司推出了可实现快速往复移动与高加/减速度完美结合的HyperMach立式仿形铣床系列(图2)。这些机床的快速往复移动速度高达4000ipm(101m/min)，其目的就是为了缩短辅助时间。HyperMach的X、Y、Z轴行程分别达到33m、3500mm和1250mm，并配置了附加的A、B或C轴，机床的主轴转速高达30000rpm。大部分HyperMach立式仿形铣床都是在一个共用的X轴龙门结构上安装两个相互独立的主轴。为了应对提高大型工件(尺寸可达2000mm×4000mm)加工效率的市场需求，辛辛那提公司将在IMTS 2008(2008年美国芝加哥国际制造技术展览会)上展出并演示HyperMach卧式系列。

      切削出小切屑并尽可能快速地加工”是牧野(Makino)公司设计工程师Alan Hollatz对高速加工的定义。他认为，高转速、小切深的加工方法可以减少传入工件或刀具中的切削热，工件和机床所受的切削力也较小。传统的低转速、大切深加工方法容易使现代设计中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件产生变形。较小的切削力还意味着可以降低对工件夹持的要求.

      Hollatz建议，在精加工铝合金时，应尽可能采用高速切削，“如果主轴额定转速为30000rpm，我们将尝试全速运行。同时，我们还会限制所用刀具的直径。考虑到刀具不平衡引起的离心力，机床转速越高时，刀具直径应越小。”作为一个实例，牧野生产的一种大型机床(主轴转速33000rpm，电机功率107马力[80kW])不推荐使用任何直径大于50mm的刀具。对于大多数切削加工而言，直径为25mm或更小的刀具切削效率最高。

     与大多数机床供应商一样，Hollatz推荐在主轴转速较高时采用空心短锥柄(HSK刀柄)，而不要采用CAT型刀柄。他指出，CAT刀柄在高速加工时可能会引起Z方向的精度问题。在以高转速进行加工时，曾经出现过CAT刀柄卡住主轴的极端情况。HSK刀柄的设计特点是采用锥面和端面双重接触，因此可以控制Z方向的精度。“当主轴转速在20000rpm以下时，可以采用CAT刀柄，但当转速高达30000rpm时，除了采用HSK刀柄以外别无选择。”

图4 用牧野MC1516-5XA加工中心切削的薄壁钛合金舱壁(尺寸约为203×254×609mm)

      在航空工业中，随着新型飞机为减轻重量而采用更多复合材料，对复合材料的加工需求正变得日益迫切。波音787客机采用合成材料制造机身和机翼就是这一趋势的典型实例。铝合金的高速加工不久将成为标准工艺，将高速加工应用于其它常用航空材料似乎也具有意义，对于复合材料当然也不例外。“当采用近净成型工艺制造复合材料零件时，为了达到配合、连接和凹陷部位的精度要求，就需要进行机加工。”辛辛那提公司复合材料加工平台经理Jeff Crick解释说，“例如，利用层积加工可在机翼表面制造一个进入孔，但只能达到大约±0.5mm的精度(层积加工只能达到这种精度)。为了在要求的部位达到更高精度，就需要进行二次加工(如机加工)，就像对铝合金、钛合金或钢材进行精加工一样。”

      据Crick介绍，与加工铝合金相比，高速加工复合材料所需的功率和扭矩较小，机床本身无需像切削钛合金的机床那样厚重结实，但仍然需要有足够的刚性以克服振动和共振。大多数机床主轴的转速范围都在10－13000rpm(尽管它们可以更高速度运转)。例如，美国一家大型航空零部件制造商在一台转速为24000rpm的机床上，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深实现了对复合材料的高速加工。

      现在，大部分复合材料都采用当初为金属切削而设计的加工单元来加工。Crick认为，最终的目标是制造出重量更轻、为加工复合材料而专门设计的专用机床。设计这种机床时必须注意一种趋势，即航空复合材料零部件的尺寸越来越大。Crick说，“复合材料零部件的尺寸可能非常大，如长达100′(30m)机翼外覆件，甚至包括整个机身部件，如新型波音787的机舱剖面直径超过20′(6m)，长度超过30′(9m)。在这种大型结构中，对一节机身与另一节机身之间接合面的加工公差要求很严。其他零部件可能既长又带有筋板，如翼梁、纵梁、支柱和地板横梁等。

 
图5 辛辛那提公司专为加工长的柔软工件而设计的挤压件铣床(主轴转速24000rpm ) 

      为了加工这些既长又薄且容易弯曲的零件(Crick形象化地将它们形容为“湿面条”)，辛辛那提公司开发了一种专用挤压件铣床(图5)。该机床既可以加工铝合金也可以加工复合材料，加工尺寸范围13′×8′(4×2.4m)，主轴转速24000rpm，采用直径不超过25mm的12种刀具进行加工，工件可长达40′(12m)。

      “当几乎所有加工方式和工件材料都可通过高速加工获益时，自由切削材料(如铝合金或复合材料)受益最大，”哈斯公司加工经理Reilly说，“由于采用高转速、大进给、小切深的硬铣削技术，淬硬模具钢也可从高速加工中获益。钛合金作为航空工业越来越重要的工件材料，当然也是受益者之一。”

      “如果说铝合金切削机床像F1赛车，钛合金切削机床就更像推土机，”MAG维修技术公司的生产力解决方案经理Dan Cooper说，“它们在主轴转速方面有很大不同，尽管高速加工原理——高转速、小切深对于钛合金有时也具有意义，尤其是薄壁零件最好采用高速加工原理加工。举例来说，一个用户的零件厚度为0.030″(0.76mm)、高度为3″(76mm)，这种大高度薄壁件不能采用老式传统工艺进行粗加工，低转速、大切深、大扭矩切削将导致工件变形和刀具偏移，对于新型5553钛合金零件的加工尤其如此。”

      Cooper指出，钛合金的低导热性、高弹性模量与高强度相结合，使其成为一种难切削材料，“虽然切削扭矩和动态刚性对于复合材料和铝合金加工也许并不太重要，但对于钛合金加工却非常重要。与铝合金加工相比，这会限制钛合金加工速度的提高。”

      Cooper宁愿用表面速度和进给率而不是主轴转速来衡量高速加工。表面速度是主轴转速和刀具直径的函数；进给率是主轴转速和刀齿密度的函数。由于刀齿越密、表面速度(SFM)越高，就意味着进给率越高，因此刀具的设计至关重要。

      Cooper介绍说，MAG的新型硬质合金刀具可以390fpm的表面速度进行加工。“用一把直径25.4mm、刀槽数最多的刀具，我们只能以1500rpm的转速和2.5m/min的速度加工，而这对于钛合金加工已是相当高的速度了。”
高速加工技术已在铝合金加工中证明了自己的优势，人们期望它在加工像钛合金一样更新、更硬的材料时也能做到这一点。

      “如今，铝合金的高速加工正在成为标准工艺。”马扎克(Mazak)公司西区总部和航空技术中心的加工经理Rudy Canchola说。对他来说，目前最大的加工挑战是高温合金(如15-5不锈钢、5553或6Al4V钛合金)，这些材料在航空工业的使用越来越多。最近，他计划在马扎克机床上采用各种刀具进行切削试验(包括在Mazak VCN-510C立式加工中心上进行钛合金加工试验)。Canchola说，“我们已经证明用整体硬质合金立铣刀加工钛合金的速度可达500－600fpm。我们认为这是非常不错的。”

      他们还分别用山高(Seco)、英格索尔(Ingersoll)、肯纳(Kennameta)和山特维克(Sandvik)的刀具在Mazak Vortex 815-II五轴加工中心上进行了加工15-5不锈钢的切削试验。试验采用顺铣加工方式，表面切削速度达到400－600fpm。

      Canchola说，“我们的大多数机床都具有实现这种高表面进给率的能力。如果用户需要切削这种材料，我们可以向他们提供在这些试验中获得的数据”。

      加工高温合金时，机床控制器的“前瞻”功能不象加工铝合金时那么重要，因为此时的切削速度并不太高。最重要的控制功能是测量主轴和轴系所承受的载荷并据此进行调整。马扎克机床能够接收来自伺服电机的反馈电信号，并调整速度使其与切削条件相互匹配，如有必要还可以停机更换刀具。