高速加工在航空工业中的应用

　　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，将高速加工中心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JeffCrick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，zui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。
　　
　　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挤压件铣床。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*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zui大，”哈斯公司加工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DanCooper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*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*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*的设计至关重要。
　　
　　Cooper介绍说，MAG的新型硬质合金*可以390fpm的表面速度进行加工。“用一把直径25.4mm、刀槽数zui多的*，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。”
　　
　　高速加工中心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RudyCanchola说。对他来说，目前zui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。zui近，他计划在马扎克机床上采用各种*进行切削试验(包括在MazakVCN-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*在MazakVortex815-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。zui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*。