航宇整体结构件高效高速加工技术

现代大型飞机结构件多采用整体结构设计和切削加工的简单制造法，从而推动了高效高速加工技术（HEM-HSM）的发展与应用，而该种技术也极大地提高了航宇制造工厂的生产效率和企业的竞争能力。

With an integral design, the structural parts of modern aircrafts are mostly manufactured using simple cutting techniques. This promotes the development and application of High Efficiency Machining (HEM) and High Speed Machining (HSM) techniques, which in turn gives a big boost to aircraft manufacturers productivity of large-sized parts and compo
nents as well as their competitiveness.

20世纪90年代初开始，现代先进大型飞机结构设计制造技术出现了明显变化：更多地采用复合材料和金属整体结构件设计制造技术，以实现大幅度减少飞机零部件数量、减轻飞机结构重量、提升飞机性能、改善飞机安全可靠性和提高飞机使用寿命。其中高速加工技术在航宇制造业中得到广泛应用，推动了飞机金属结构件更加明显转向采用整体结构件设计和切削加工简单制造法，取代传统成百上千个零件通过连接技术组成的组合结构件。

典型高速加工技术（HSM）

高速加工从技术概念的提出并发展到较成熟的工业应用，大致经历了高速切削机理研究（上世纪70年代初前）、高速切削应用探索研究（上世纪70年代）、高速切削初步工程应用（上世纪70年代末到80年代中）和高速切削较成熟工程应用（上世纪80年代中至今）四个阶段。特别最近10多年来，由于诸如高速机床结构、高速主轴、快速坐标驱动、高速切削刀具、高性能控制系统和高速编程技术等许多高速加工工程应用的关键技术的发展进步，使得比常规切削加工具有许多明显优势的高速加工在金属切削加工领域得到了广泛应用，特别是在航宇、模具和汽车制造业。现今，设计制造一台主轴转速达数万转每分钟，进给速度达数十米每分钟的高速数控加工机床已不再是困难的事了。在航宇和汽车制造业，许多机加工厂现场处处可以看到先进的五轴联动高速数控加工中心（MC）机床在运行，高速加工在许多产品零件生产中得到极为广泛实际应用，并已成为现代制造企业实现高生产率产品制造的关键技术。

但直到现在，工业界对高速加工还没有一种明确、统一、权威和公认的定义。实际上，高速加工最基本技术的概念在于其切削速度是常规切削速度的5~10倍以上。同时，由于工件材料的多元性和切削加工工艺的多元性（车、铣、钻、磨、镗、拉等），因此作为呈现高速加工技术基本特征的切削速度也具有多元性特点，即不同工件材料或不同切削加工工艺时其作为高速加工定义的切削速度范围则是不同的。图1所示为若干常用金属材料和复合材料目前高速铣/车切削中所能取得的切削速度数据范围，图中并给出了确定刀具直径时的切削速度所对应的主轴转速。

图1 若干材料高速加工可取得的切削速度范围

从图1可看出高速加工实际应用中具有如下基本特征：

首先，随着工件材料相对可加工性Kr的减小，高速加工允许使用的切削速度将降低。典型工件材料相对可加工性及其分级见下表。目前，铝合金材高速加工的切削速度可达2500~7500m/min，普通钢为600~2400m/min，而钛合金材仅为100~1200m/min，淬硬钢和航空高温合金等硬合金材则更低。应指出的是，在实际生产中使用的切削速度数据范围通常要低于图1所示的。如铝合金材实际高速加工使用的切削速度目前多在1500~6000m/min。

材料相对可加工性及其分级表

其次，在给定切削速度下，使用的切削刀具直径越小，则允许的主轴转速越高。或者说低主轴转速场合，可通过大刀具直径获得高切削速度。

第三，高速加工技术中的“高速”是一种相对概念，主要取决于被加工材料的特性，如切削速度达1000m/min，对铝合金材而言可能不被视为“高速”，但对钛合金材而言则是很“高速”了，对于航空高强度高温合金材则是超“高速”了。

典型高速加工工程应用开发研究，主要始于针对航宇制造业中广泛使用的铝合金（轻合金）材构件的高速切削加工需求而开展的。因此，典型高速加工是一种应用高主轴转速、快进给速度和低负载的切削加工，主要应用于轻合金材工件精加工或半精加工。许多高等院校、专业研究所、数控机床/刀具制造商以及最终用户等对铝合金材的高速加工技术研究已相当广泛和深入，工业应用也较成熟，从某种意义上讲已基本趋于标准化。工业实践表明， 高速加工与常规切削加工相比具有明显优势：切削力减少约30%，进给速度可提高5~10倍，切削加工时间减少约60~80%，金属切除率提高3~5倍，刀具耐用度提高70%，表面粗糙度优于8~10μm，工件温升低，热变形与热膨胀减小，特别适宜细长、复杂薄壁零件的加工，通常可降低加工成本20~50%等等。因此高速加工技术已成为本世纪机械切削加工领域最重要的和应用极广泛的一种具有创新性的机械切削加工技术。

最近几年，高速加工技术持续发展呈现出如下两个基本趋势：

（1）向更高金属切除率的高速加工能力（即后文将要讨论的高效加工技术和工序复合加工能力（即高效高速加工技术），以实现对大型整体构件的高生产率加工发展。

（2）随着钛合金材结构件在航空飞机设计制造中所占比例的急速增加，人们开始将对铝合金材的关注转向钛合金等硬质合金材的高速加工技术的工程应用研究，取得了较大进展，并开始实现实际工业应用，推出了许多先进的用于硬质合金材高速加工的数控加工机床。nextpage

高效加工技术（HEM）

如前所述，大型航宇整体结构件多采用简单制造法，材料去除率一般可高达60~95%。整体结构件简单制造法，通常先采用高效加工技术进行高速粗加工，快速切除大部分余量，而后通过高速加工技术实施高速精加工，实现“一次装夹完成全部加工”的工艺策略。在进行精加工序前还可能需要进行高速半粗加工或高速半精加工工序，以使最终精加工的余量最佳化。这种被作为高速粗加工/半粗加工应用的高效加工技术，一般又称之为高切除量加工，是一种高效率的高速加工，为高速加工技术范畴，但又不完全等同于典型高速加工技术。

（1）实际应用目标不同

高效加工和高速加工最基本的差异在于它们实际应用所追求的目标不同。典型高速加工技术，主要用于高速精加工或高速半精加工，其关注的是高主轴转速和进给率，即要求取得尽可能高的零件表面积切除速率，以快速取得高加工质量的高速加工为应用目标。而高效加工主要用于高速粗加工或高速半粗加工，其关注的是切削加工效率，即要求有尽可能高的金属切除率，以取得短零件加工周期（即高效率）的高速加工为应用目标。

以空客英国公司为例，在高速龙门数控机床Alumax上粗加工铝合金材飞机壁板零件时进给速度达7.5m/min（精加工时用20m/min），金属切除率达6554.8cm^{3/min，即每小时要切除超过1000 kg铝材。因此，具有高金属切除率是高效加工技术最基本的特征。}

最近10多年来，主要得益于高速数控机床设计制造技术快速发展以及诸如高速电主轴与切削刀具等数控机床关键功能部件的显着进步，高速数控机床的金属去除率也得到了快速提高，见图2。目前，在实际工业生产中铝合金材典型高效加工时金属切除率可高达3000~6500cm^{3/min，钛合金材典型高效加工时mrr已达300~600cm3/min。但无论是高效加工或还是高速加工应用场合，通常其所能取得的mrr和常规切削加工相比都要高出许多。}

（2）加工工艺策略不同

尽管高效加工和典型高速加工都属于高速技术范畴，但二者采用的加工工艺策略却是不一样的，这是由于二者实际应用目标不同之所致。高速加工通常采用高主轴转速、小每齿进给量、高进给速度、适当大切宽（WOC）和小切深（DOC）的加工工艺策略；高效加工通常采用中等高主轴转速、较大刀刃进给量、较高进给速度、适当大切宽和大切深的切削加工工艺策略。比如对铝合金材，典型高速加工通常要求主轴转速超过18000r/min，每齿进给量0.1~0.4mm/r，切深从0.25~2.5mm，允许刀具接触弧系数（切宽WOC对刀具直径D的百分比）达100%。而高效加工主轴转速通常在10000~15000 r/min，每齿进给量0.1~0.3mm/r，切深可为高速加工的好几倍（取决于工件类型），刀具接触弧系数通常≦75%。如在一立式数控MC机床上粗加工铝合金材6061-T6工件，使用直径51mm的5 齿端铣刀，主轴转速10000r/min，切深9.5mm，切宽51mm，进给速度7620mm/min，切削速度1600m/min，每齿进给量为0.152mm/r，金属切除率达3690cm^3/min。

这就是说，典型高速加工是一种高速精加工工艺策略，而高效加工则是一种高速粗加工工艺策略。

高效高速加工技术（HEM-HSM）

在航宇制造业，许多大型复杂金属整体结构件采用常规加工工艺路线，通常先在普通数控MC机床上完成粗加工与半粗加工后卸下，转序并装夹到高速五轴数控MC机床上进行半精加工和最终精加工。这种加工工艺路线，存在有明显的不足：

（1）工件需要二次装夹和重新定位，且这些大型工件装夹、调整和定位操作往往是既困难又费时的，增加了不少非切削加工时间，还带来二次装夹定位误差。

（2）转序加工就意味着需要工序间辅助时间，还可能需要待工，增长了零件交付时间。

（3）由于构件尺寸大，结构复杂，装夹、调整和定位操作需要有较高技能的操作者，增加了产品制造劳力费用。

（4）加工一个零件往往需有多种、多台不同加工设备来完成，增加了设备的台数和生产厂房占地面积，加重了企业的资金投入，同时也就增高了零件加工成本费用。

因此，航宇制造企业急需一种能实现多工序复合加工、切削加工效率高与费用低廉的大中型复杂整体构件切削加工技术。随着高速数控加工设备、切削刀具和高速切削工艺等技术的发展与进步，特别是高性能五轴联动高速数控机床在现代制造企业中的广泛使用，使得人们有可能创新性地在同一台高速数控机床上通过一次装夹工件就能“高效率”地连续完成大型复杂整体结构件粗精（可含半粗或与半精）高速切削加工，使一台高速数控机床进行多工序复合加工，以实现取得和高生产率的专用组合机床那样的等同切削加工效果，从根本上解决前述采用常规加工工艺路线所产生的问题。

这种在同一台高速数控机床（如五轴联动的高速数控MC机床或车铣复合加工中心机床等）上连续进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术被称为“高效高速加工”技术，或称 “高生产率加工”技术，也被称为 “高性能加工”技术。

高效高速切削加工效率也是通过金属切除率来评估，即通过高效加工与高速加工切削加工时的mrr进行评估。可以由以下公式确定：

对铣削加工有：
mrr = a_{eapF×10^{-3 = aeapzfZ n×10-3（cm3/min）}}

式中，a_{e：切宽WOC（径向切深，Radial Depth of cut），mm；ap：切深DOC（轴向切深，Axial Depth of cut），mm；fZ：每齿进给量，mm/r；z：刀具齿数；n：主轴转速，r/min；F：加工进给率或加工进给速度，且F = n fZ z （mm/min）。}

对车削加工有：
mrr = a_{eVC fZ = aeπD fZ n×10^{-3 （cm3/min）}}

式中，V_{C：切削速度，m/min；fZ：刀刃进给量，mm/r；D：工件切削直径，mm。}

通常，高效加工应用场合的金属切除率为典型高速加工应用场合mrr的2~5倍。目前，对铝合金材的高效高速切削加工中，典型高速加工时mrr已达700~1000cm^{3/min，钛合金材可达50~100cm3/min，见图2。}

图2 铝/钛合金材金属切除率提高的历程

这儿还应指出的是，典型高速加工技术，如前所述主要用于高速精/半精加工，其关注的是高主轴转速和高进给率，即要求取得尽可能高的零件表面积切除速率，以取得高加工质量的高速精加工为应用目标。因此，作为评估高效高速加工应用中的高速加工的金属切除率，人们也使用cm^{2/min作为单位来表征。}