成功的高速加工需要重視
刀具、主軸和
機(jī)床動(dòng)力學(xué)。
- |V@zSKr3 C~6aX /: 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。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。
dqG+hh^ hgsE"H<V 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。與此同時(shí)，航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)商也需要強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕、
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，同時(shí)還能加工出比以往更精巧、壁更薄的零件。
}*? e w d5bj$oH 按照哈斯（Haas）公司加工經(jīng)理Wayne Reilly的看法，許多人在使用高速加工這一術(shù)語(yǔ)時(shí)并不嚴(yán)謹(jǐn)。在Reilly看來(lái)，雖然一些人認(rèn)為任何主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)10000rpm的加工就算高速加工，但另一些人對(duì)此卻有更復(fù)雜一些的定義。他說(shuō)，“實(shí)際上這取決于該術(shù)語(yǔ)的使用背景。工具制造商可能將其定義為轉(zhuǎn)速，而機(jī)床制造商則可能將其定義為CNC數(shù)控系統(tǒng)中的某些前瞻處理程序塊。高速加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用更快的切削速度、進(jìn)給率和負(fù)荷更輕的切削，而傳統(tǒng)加工通常采用負(fù)荷較重、切深較大的低速切削。”例如，哈斯公司生產(chǎn)的立式加工中心（VMC）為高速加工提供了高達(dá)30000rpm的額定主軸轉(zhuǎn)速和30馬力（22.4kW）的
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定功率。
[q_Yf!(m- 85nUR [)h 辛辛那提（MAG Cincinnati）公司的鋁件加工平臺(tái)經(jīng)理Randy Von Moll表示，“與其孤立地討論主軸轉(zhuǎn)速，我倒更喜歡高效加工這個(gè)術(shù)語(yǔ)�！彼亩x除了主軸轉(zhuǎn)速外，還包括機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。他用了5個(gè)
參數(shù)來(lái)定義高效加工：①主軸轉(zhuǎn)速；②主軸功率；③高的進(jìn)給率和刀路速率；④高的加、減速度；⑤高
精度。后三個(gè)條件專門(mén)定義了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)而不是主軸特性。Von Moll說(shuō)，“為了更有效地切削合金材料（如鋁合金），確實(shí)需要將高性能的主軸與機(jī)床的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)合起來(lái)�！�
*]F3pP[ f^0vkWI2 如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類，他認(rèn)為可將高速加工分別定義為：對(duì)于厚度在50mm以內(nèi)的薄板件，主軸轉(zhuǎn)速為30000rpm，額定功率為80馬力（60kW）；對(duì)于厚度在50mm以上的厚板件，主軸轉(zhuǎn)速為18000rpm，額定功率為135馬力（100kW）。
_}Z *%sT WL$WWA08_ Von Moll解釋說(shuō)，“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(wú)太大不同。對(duì)于兩種工件，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)，至少達(dá)到1500ipm（38m/min）�！�
V+( 8mx5K-/,y^ 在加工復(fù)雜的凹腔類工件時(shí)，加速度/減速度對(duì)切削時(shí)間有很大影響，因?yàn)榈毒咴诩庸ぶ斜仨毝啻胃淖兎较颉?
Pyk~ V)~M yqCy`TK8 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％）。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)，輔助時(shí)間是一種需要消除的浪費(fèi)。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。這些機(jī)床的快速往復(fù)移動(dòng)速度高達(dá)4000ipm（101m/min），其目的就是為了縮短輔助時(shí)間。HyperMach的X、Y、Z軸行程分別達(dá)到33m、3500mm和1250mm，并配置了附加的A、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。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，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。
NUm3E4 W.H_G.C% “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。他認(rèn)為，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，工件和機(jī)床所受的切削力也較小。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。較小的切削力還意味著可以降低對(duì)工件夾持的要求。
ts)0+x jixU9] Hollatz建議，在精加工鋁合金時(shí)，應(yīng)盡可能采用高速切削，“如果主軸額定轉(zhuǎn)速為30000rpm，我們將嘗試全速運(yùn)行。同時(shí)，我們還會(huì)限制所用刀具的直徑�？紤]到刀具不平衡引起的離心力，機(jī)床轉(zhuǎn)速越高時(shí)，刀具直徑應(yīng)越小。”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，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，直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高。
GDOaZ i nA+[[(6 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），而不要采用CAT型刀柄。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(wèn)題。在以高轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時(shí)，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)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，因此可以控制Z方向的精度�！爱�(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在20000rpm以下時(shí)，可以采用CAT刀柄，但當(dāng)轉(zhuǎn)速高達(dá)30000rpm時(shí)，除了采用HSK刀柄以外別無(wú)選擇。”
x)V .^- ^\_`0%`> 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，該功能與高速驅(qū)動(dòng)主軸同樣重要。
pY-iz M L Ry/NfF= 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(guò)60－80個(gè)G碼模塊。其中的Super GI.4控制器程序包是為高速加工而專門(mén)設(shè)計(jì)的，有超過(guò)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%。
zwAuF%U 0Z9 jlwc Q 據(jù)哈斯公司加工經(jīng)理Reilly介紹，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，而不會(huì)使機(jī)床出現(xiàn)停機(jī)等故障。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，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)，而無(wú)需冒
編程的刀軌失真的風(fēng)險(xiǎn)�！斑@樣做的最大好處就是執(zhí)行程序時(shí)具有‘前瞻’性，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�！盧eilly解釋說(shuō)，“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。速度的變化是與方向的變化成比例的�！�
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