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高速加工在航空工業中的應用
2013-3-14  來源:  作者:

  

圖1 采用高速加工技術制成的典型航空薄壁件


      競爭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,航空結構件生產商也需要強度更高、質量更輕、公差要求更嚴的構件。采用高速加工技術可以使制造商縮短加工循環時間,同時還能加工出比以往更精巧、壁更薄的零件。


      按照哈斯(Haas)公司加工經理Wayne Reilly的看法,許多人在使用高速加工這一術語時并不嚴謹。在Reilly看來,雖然一些人認為任何主軸轉速超過10000rpm的加工就算高速加工,但另一些人對此卻有更復雜一些的定義。他說,“實際上這取決于該術語的使用背景。工具制造商可能將其定義為轉速,而機床制造商則可能將其定義為CNC數控系統中的某些前瞻處理程序塊。高速加工的技術發展趨勢是采用更快的切削速度、進給率和負荷更輕的切削,而傳統加工通常采用負荷較重、切深較大的低速切削。”例如,哈斯公司生產的立式加工中心(VMC)為高速加工提供了高達30000rpm的額定主軸轉速和30馬力(22.4kW)的驅動系統額定功率。


      辛辛那提(MAG Cincinnati)公司的鋁件加工平臺經理Randy Von Moll表示,“與其孤立地討論主軸轉速,我倒更喜歡高效加工這個術語。”他的定義除了主軸轉速外,還包括機床的動態響應。他用了5個參數來定義高效加工:①主軸轉速;②主軸功率;③高的進給率和刀路速率;④高的加、減速度;⑤高精度。后三個條件專門定義了機床的動態響應而不是主軸特性。Von Moll說,“為了更有效地切削合金材料(如鋁合金),確實需要將高性能的主軸與機床的高動態響應結合起來。”

 

      如果將航空零件分為“薄板件”和“厚板件”兩大類,他認為可將高速加工分別定義為:對于厚度在50mm以內的薄板件,主軸轉速為30000rpm,額定功率為80馬力(60kW);對于厚度在50mm以上的厚板件,主軸轉速為18000rpm,額定功率為135馬力(100kW)。


      Von Moll解釋說,“在切削加工薄板件和厚板件時,機床的最高動態響應參數并無太大不同。對于兩種工件,加速度/減速度都應在0.5g左右,應提供盡可能快的(非切削)往復運動,至少達到1500ipm(38m/min)。”在加工復雜的凹腔類工件時,加速度/減速度對切削時間有很大影響,因為刀具在加工中必須多次改變方向。

  

  

圖2 辛辛那提公司HyperMach仿形銑床可采用單主軸或雙主軸,并配備A/B或A/C軸,X軸行程達9144mm(可加長),主軸轉速24000rpm,快速往復移動速度達4000ipm(101m/mim)

 

      機床的往復移動時間會影響切削時間,尤其是輔助時間(切削鋁合金時輔助時間可占到全部加工循環時間的20%)。輔助時間包括切削一個新工件時刀具的定位時間或刀具移動到換刀機械手的時間。按照精益制造的觀點,輔助時間是一種需要消除的浪費。幾年前,辛辛那提公司推出了可實現快速往復移動與高加/減速度完美結合的HyperMach立式仿形銑床系列(圖2)。這些機床的快速往復移動速度高達4000ipm(101m/min),其目的就是為了縮短輔助時間。HyperMach的X、Y、Z軸行程分別達到33m、3500mm和1250mm,并配置了附加的A、B或C軸,機床的主軸轉速高達30000rpm。大部分HyperMach立式仿形銑床都是在一個共用的X軸龍門結構上安裝兩個相互獨立的主軸。為了應對提高大型工件(尺寸可達2000mm×4000mm)加工效率的市場需求,辛辛那提公司將在IMTS 2008(2008年美國芝加哥國際制造技術展覽會)上展出并演示HyperMach臥式系列。


      切削出小切屑并盡可能快速地加工”是牧野(Makino)公司設計工程師Alan Hollatz對高速加工的定義。他認為,高轉速、小切深的加工方法可以減少傳入工件或刀具中的切削熱,工件和機床所受的切削力也較小。傳統的低轉速、大切深加工方法容易使現代設計中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件產生變形。較小的切削力還意味著可以降低對工件夾持的要求.


      Hollatz建議,在精加工鋁合金時,應盡可能采用高速切削,“如果主軸額定轉速為30000rpm,我們將嘗試全速運行。同時,我們還會限制所用刀具的直徑??紤]到刀具不平衡引起的離心力,機床轉速越高時,刀具直徑應越小。”作為一個實例,牧野生產的一種大型機床(主軸轉速33000rpm,電機功率107馬力[80kW])不推薦使用任何直徑大于50mm的刀具。對于大多數切削加工而言,直徑為25mm或更小的刀具切削效率最高。


     與大多數機床供應商一樣,Hollatz推薦在主軸轉速較高時采用空心短錐柄(HSK刀柄),而不要采用CAT型刀柄。他指出,CAT刀柄在高速加工時可能會引起Z方向的精度問題。在以高轉速進行加工時,曾經出現過CAT刀柄卡住主軸的極端情況。HSK刀柄的設計特點是采用錐面和端面雙重接觸,因此可以控制Z方向的精度。“當主軸轉速在20000rpm以下時,可以采用CAT刀柄,但當轉速高達30000rpm時,除了采用HSK刀柄以外別無選擇。”

 


圖3 用于加工鈦合金機艙的牧野加工單元(主軸轉速6000rpm


      高速加工的另一個關鍵因素是CNC控制器及其在高速條件下精確控制機床運動的能力。具有“前瞻”功能的控制器可以根據刀具將要到達的位置控制刀具當前的速度和加/減速度,該功能與高速驅動主軸同樣重要。


      據Hollatz介紹,牧野機床控制器的標準“前瞻”功能有超過60-80個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設計的,有超過180-250個模塊。對于相同的刀具路徑,Super GI.4的運動速度比它所替代的SGI.3控制器提高了15%-30%。

  
      據哈斯公司加工經理Reilly介紹,哈斯機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給率和更復雜的刀軌,而不會使機床出現停機等故障。哈斯機床采用稱為“插補前加速度”的運動算法,并與多達80個模塊的全“前瞻”功能相結合,其高速加工控制模塊可提供高達500ipm(13m/min)的等高線進給運動,而無需冒編程的刀軌失真的風險。“這樣做的最大好處就是執行程序時具有‘前瞻’性,而且當運動方向發生任何變化時都能保持盡可能快的運動速度。”Reilly解釋說,“如果運動方向變化不大,運動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。”

 

圖4 用牧野MC1516-5XA加工中心切削的薄壁鈦合金艙壁(尺寸約為203×254×609mm)

 

      在航空工業中,隨著新型飛機為減輕重量而采用更多復合材料,對復合材料的加工需求正變得日益迫切。波音787客機采用合成材料制造機身和機翼就是這一趨勢的典型實例。鋁合金的高速加工不久將成為標準工藝,將高速加工應用于其它常用航空材料似乎也具有意義,對于復合材料當然也不例外。“當采用近凈成型工藝制造復合材料零件時,為了達到配合、連接和凹陷部位的精度要求,就需要進行機加工。”辛辛那提公司復合材料加工平臺經理Jeff Crick解釋說,“例如,利用層積加工可在機翼表面制造一個進入孔,但只能達到大約±0.5mm的精度(層積加工只能達到這種精度)。為了在要求的部位達到更高精度,就需要進行二次加工(如機加工),就像對鋁合金、鈦合金或鋼材進行精加工一樣。”


      據Crick介紹,與加工鋁合金相比,高速加工復合材料所需的功率和扭矩較小,機床本身無需像切削鈦合金的機床那樣厚重結實,但仍然需要有足夠的剛性以克服振動和共振。大多數機床主軸的轉速范圍都在10-13000rpm(盡管它們可以更高速度運轉)。例如,美國一家大型航空零部件制造商在一臺轉速為24000rpm的機床上,采用0.012-0.016″(0.3-0.4mm)的切深實現了對復合材料的高速加工。


      現在,大部分復合材料都采用當初為金屬切削而設計的加工單元來加工。Crick認為,最終的目標是制造出重量更輕、為加工復合材料而專門設計的專用機床。設計這種機床時必須注意一種趨勢,即航空復合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說,“復合材料零部件的尺寸可能非常大,如長達100′(30m)機翼外覆件,甚至包括整個機身部件,如新型波音787的機艙剖面直徑超過20′(6m),長度超過30′(9m)。在這種大型結構中,對一節機身與另一節機身之間接合面的加工公差要求很嚴。其他零部件可能既長又帶有筋板,如翼梁、縱梁、支柱和地板橫梁等。

  
圖5 辛辛那提公司專為加工長的柔軟工件而設計的擠壓件銑床(主軸轉速24000rpm ) 

 

      為了加工這些既長又薄且容易彎曲的零件(Crick形象化地將它們形容為“濕面條”),辛辛那提公司開發了一種專用擠壓件銑床(圖5)。該機床既可以加工鋁合金也可以加工復合材料,加工尺寸范圍13′×8′(4×2.4m),主軸轉速24000rpm,采用直徑不超過25mm的12種刀具進行加工,工件可長達40′(12m)。


      “當幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時,自由切削材料(如鋁合金或復合材料)受益最大,”哈斯公司加工經理Reilly說,“由于采用高轉速、大進給、小切深的硬銑削技術,淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業越來越重要的工件材料,當然也是受益者之一。”


      “如果說鋁合金切削機床像F1賽車,鈦合金切削機床就更像推土機,”MAG維修技術公司的生產力解決方案經理Dan Cooper說,“它們在主軸轉速方面有很大不同,盡管高速加工原理——高轉速、小切深對于鈦合金有時也具有意義,尤其是薄壁零件最好采用高速加工原理加工。舉例來說,一個用戶的零件厚度為0.030″(0.76mm)、高度為3″(76mm),這種大高度薄壁件不能采用老式傳統工藝進行粗加工,低轉速、大切深、大扭矩切削將導致工件變形和刀具偏移,對于新型5553鈦合金零件的加工尤其如此。”


      Cooper指出,鈦合金的低導熱性、高彈性模量與高強度相結合,使其成為一種難切削材料,“雖然切削扭矩和動態剛性對于復合材料和鋁合金加工也許并不太重要,但對于鈦合金加工卻非常重要。與鋁合金加工相比,這會限制鈦合金加工速度的提高。”


      Cooper寧愿用表面速度和進給率而不是主軸轉速來衡量高速加工。表面速度是主軸轉速和刀具直徑的函數;進給率是主軸轉速和刀齒密度的函數。由于刀齒越密、表面速度(SFM)越高,就意味著進給率越高,因此刀具的設計至關重要。


      Cooper介紹說,MAG的新型硬質合金刀具可以390fpm的表面速度進行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數最多的刀具,我們只能以1500rpm的轉速和2.5m/min的速度加工,而這對于鈦合金加工已是相當高的速度了。”
高速加工技術已在鋁合金加工中證明了自己的優勢,人們期望它在加工像鈦合金一樣更新、更硬的材料時也能做到這一點。


      “如今,鋁合金的高速加工正在成為標準工藝。”馬扎克(Mazak)公司西區總部和航空技術中心的加工經理Rudy Canchola說。對他來說,目前最大的加工挑戰是高溫合金(如15-5不銹鋼、5553或6Al4V鈦合金),這些材料在航空工業的使用越來越多。最近,他計劃在馬扎克機床上采用各種刀具進行切削試驗(包括在Mazak VCN-510C立式加工中心上進行鈦合金加工試驗)。Canchola說,“我們已經證明用整體硬質合金立銑刀加工鈦合金的速度可達500-600fpm。我們認為這是非常不錯的。”


      他們還分別用山高(Seco)、英格索爾(Ingersoll)、肯納(Kennameta)和山特維克(Sandvik)的刀具在Mazak Vortex 815-II五軸加工中心上進行了加工15-5不銹鋼的切削試驗。試驗采用順銑加工方式,表面切削速度達到400-600fpm。


      Canchola說,“我們的大多數機床都具有實現這種高表面進給率的能力。如果用戶需要切削這種材料,我們可以向他們提供在這些試驗中獲得的數據”。


      加工高溫合金時,機床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時那么重要,因為此時的切削速度并不太高。最重要的控制功能是測量主軸和軸系所承受的載荷并據此進行調整。馬扎克機床能夠接收來自伺服電機的反饋電信號,并調整速度使其與切削條件相互匹配,如有必要還可以停機更換刀具。

  

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