高速切削在航空和航天工业中的应用

撰稿：兰生数控机床销售有限公司  范琦

 

由于高速切削产生的热量少，切削力小，零件的变形小，因此高速切削非常适用于轻合金加工，特别适合以轻合金为主的飞机制造。飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。其主要优点有以下几个方面：

 1 ．提高切削效率

在航空航天及其他一些行业中，为了最大限度地减轻重量和满足其他一些要求，许多机械零件采用薄壁、细筋结构。由于刚度差，不允许有较大的吃刀深度，因此，提高生产率的唯一途径就是提高切削速度和进给速度。

 2 ．整体高速加工代替组件

由于飞机上的零件对于重量要求比较苛刻，同时也为了提高可靠性和降低成本，将原来由多个饭金件铆接或焊接而成的组件，改为采用整体实心材料制造，此即“整体制造法”。在整块毛坯上切除大量材料后，形成高精度的铝合金或铁合金的复杂构件，其切削工时占整个零件制造总工时的比例很大。同时，普通的切削速度会使零件产生较大的热变形。采用超高速切削，可大幅度提高生产率和产品质量，降低制造成本，这是促使飞机制造行业开发和应用高速切削技术的主要原因。高速铣削材料的切除率可达每千瓦功率100~150cm³/min ，比传统的加工工艺工效提高 3 倍以上。美国玩 Ingersoll公司机床加工的零件，其铣削最薄壁的厚度仅为lmm 。

 3 ．难加工材料的高速切削

航空和动力工业部门还大量采用镍基合金（如 inconel718 ）和钦合金（如 TiA16V4 ）制造飞机和发动机零件。这些材料强度大、硬度高、耐冲击加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，属于难加工材料，一般采用很低的切削速度进行加工。如采用超高速切削，则其切削速度可提高到 100 ~1000m / min ，为常规切速的 10 倍左右，不但可大幅度提高生产率，而且可有效地减少刀具磨损，提高加工零件的表面质量。

波音飞机公司是世界上最大的飞机制造公司。鉴于高速切削所产生的效益，波音公司是最早应用高速切削技术加工飞机零件的大公司之一。他们研究和应用高速加工技术已有十年，在高速加工飞机零件的研究和应用中取得了很多成果，也创造了巨大的效益。

1．  采用整体制造法制造零件

波音公司在生产波音 F / 15 和 F / A 一 18E / F 战斗机中，使用高速铣床进行零件加工，使得大型飞机零件更容易制造、装配和维修，其中主要技术是“整体制造法”。采用整体加工零件代替多个零部件装配在一起，飞机的零件数目减少了42 % ，主要是薄板类和挤压成形零件。对于这种整块结构、具有大量薄壁和筋肋等其他细微特征的零件加工，高速切削的作用非常显著。高速铣削代替组装方法得到大型薄壁结构的飞机部件，取消了装配过程和准备时间，节约了资金。

采用高速切削进行大型零件的整体制造，主要优点有两个：

1 ）鉴于薄壁特征，必须要用小切深（light-depth-of-cut）加工，可使切削力比较小，使零件在加工中不会变形。高速加工的一个明显优点是在高速下切削力较小。

2 ）因需要小切深切削，普通速度机床的切削效率远远不能满足要求。必须用高主轴转速和较快的进给速度。

下面是几个典型实例。

1 高速加工 F15 战斗机上的一个零件。波音公司的一个技术负责人说：很少有零件能够像 F15 战斗机上的零件显示高速加工的效益。图10-6这是一个 11ft 长的结构件，在飞机的两个方向舵之间摆动。通常是由 500 个零部件组装而成，现在用一块整体原料高速加工完成。小切深是基本要求，因为零件包括大量薄壁和平面，很多地方厚度只有 lmm 。

只有高速加工才能实现这样的零件加工，不算光整，加工大约要 30h 完成。如用普通机床，至少要好几天。

C—17运输机的舱壁，以前是用很多挤压件和薄板类零件组装而成，现在用一个金属块，高速加工就可完成。

10-7图示：高速铣削加工F/A-18E/F战斗机机翼上的一个零件

10-8图示: 高速加工C-17运输机的舱壁

2 ．波音公司的经验

高速加工是使加工更快、更好和成本更低，而且还减轻了飞机重量的一项高新技术。

 1 ）高速主轴是加工飞机大型零件的关键部件。实验和研究结果表明，主轴转速为 18 000 ~40 000r / min 是最适合的。

 2 ）大大减少了零件数量。以 F15 战斗机的零件为例，由一个整体零件代替了以前的 500个零件，使原来的加工和装配等多道工序简化为一次完成，提高了生产率。生产周期从三个月缩短到两个星期。

3 ）减少了许多薄板零件的挤压成形制造工序。

 4 ）提高了生产的柔性，改变零件只需改变加工程序即可，减少了很多分离零件的模具、夹具等制做工作。

 5 ）减少了占用的生产面积，减少了很多零件的中间制造环节，包括分散零件的存储、运输等，也减少了制造过程中的损失。

 3．波音公司使用的高速加工机床

一项新技术的应用总是要有一个过程。波音公司第一次实验整体加工法是使用高速切削加工一个整体实心材料代替五个零部件的组装零件。实心材料的毛坯装在工作台上， 45min 即完成了加工，壁厚达 0 . 03in ，没有发生变形。以后，更薄壁、更大、代替更多零部件的整体加工越来越多被采用。

波音公司在 F / A -18 战斗机制造中，重新设计飞机以适合高速整体加工的工艺要求，所获得的结果比预想的要好。从此，高速切削整体加工就成为波音公司一项减少零件、减少加工时间的重要技术。在高速切削应用的早期阶段，他们改造了三台机床来实现高速加工。

改造的机床参数见表10-2.

4．以高速加工为基础的高速、高柔性和可重组的先进飞机制造模式

现在，波音公司使用的高速机床更多了，包括各种型号和参数的机床。在使用高速加工中心的基础上，他们发展了飞机制造的柔性系统，其中，称为高速仿形（High Velocity Profiler）卧式加工中心具有两个工作台和两个主轴位置。每个主轴位置有四个转速为 20 000r / min 和功率为 76kW主轴，主轴头提供两个旋转进给运动，实现五轴加工，加速度0.3个，进给速度 1 180in / min ，并且具有八个托盘的工件交换系统。他们还计划用一个柔性制造系统于更高速、更大的飞机零件加工。

采用高速整体加工的目的之一是减少装配件。波音的商业飞机制造集团工厂，使用两个 40 000r / min 的高速加工中心生产一个由原来 20 个零件装配成的零件，结果减轻重量 80 ％。当然，减少加工时间是基本目的。在工厂的高速加工车间里，使用了四个自动生产单元共 21 根高速主轴加工 1400 个零件。这些高速单元组成了高速柔性制造系统的基本构成，主要目的是满足不断改变产品设计的柔性生产。图10-9

最新引进的两台由 Ingersonll 生产的高速加工中心，主轴转速 40 000r / min ，进给速度 38m / min ，组成了第五套高速柔性单元，使加工速度又上了一个新台阶。整体加工原来由 15~20 个零件组装成的 " Stow bin arch ”零件，这种零件一个飞机上要有 59 个。以前用上百个铆钉连接而成，重5lb。（磅）。现在由高速加工完成，重量只1lb 。这个例子说明，高速加工不仅改善了飞机零件的加工过程，也减轻了飞机的重量。

这些柔性生产单元都没有固定在地基上，它们的布置一方面要有利于零件加工各个工序就近完成，以提高生产率；另一个重要作用是，随着加工零件的改变，能够迅速重新布置，调整位置，随着加工要求而变，即实现生产重组，能够使工厂的生产对市场的需求快速做出反应。其中，起重要作用的就是高速加工技术。高速加工不仅减少加工时间，提高了生产柔性，而且由于高速切削的高表面质量，也可减少 60 ％的手工修整时间。

5．高速加工需要解决的问题

采用高速加工整体零件需要解决很多具体的技术问题。波音公司在应用中研究解决了一系列的问题，积累了高速加工的经验。

⑴ 突破高速切削产生的振动速度范围

前已述明，主轴转速为 18 000 ~ 40 000r / min 是最适合的，这是因为高速加工需要克服振动。飞机在一定速度时会出现音障；汽车开到一定速度也会产生振动，到 40km / h 时振动加剧，而到了64km / h 时振动又消失。高速加工铝也有同样的问题，在一定速度时会出现剧烈振动，即加工系统的共振。只有突破这一速度障碍区，才能稳定切削，提高效率和加工表面质量。

工件夹具和刀具系统也会影响到高速加工的振动情况。夹具问题解决相对容易，很多加工不需要夹具，直接把铝块用螺栓固定在工作台上就行了。刀具和刀柄是另一个问题，因速度引起的振动要和机床一起考虑。避免发生在高速下切削产生颤振要对切削深度、主轴速度和使用的刀具等综合进行研究，不仅要选择合适的刀具和刀柄，而且要优化组合切削参数。波音公司实验研究和建立了主轴转速和切削深度优化组合的参数数据库，提供在各种切削条件下使用。

高速切削铝时机床系统的共振频率是可以测量的，已经得到能够避开共振区顺利进行切削的参数可以安全使用。但是一旦加工系统条件发生变化，就需要重新设定加工参数。例如，机床主轴损坏、更换新的后，加工系统的切削参数就会变化；而在普通速度切削时，这种现象较少发生。

如何更好地解决共振问题是波音公司的下一步研究目标。他们设想通过改变主轴或刀具的一些参数来比较准确地控制加工系统的共振频率。希望能有更好刚度的刀具，或可调刚度的刀具。在铝加工中，改变切削速度对振动影响不大。他们设想通过调整刀具的刚度，避开共振频率，使机床发挥最大功能。

波音公司建立了一个实验室，从事高速切削的研究工作。主要研究工作有五轴轮廓加工、研究直线电动机在 X 、 Y 、 Z 方向快速运动和高达 29 加速度的高速进给系统，以及转速达到 36 000r / min 的具有自动减振能力的主轴系统。图10-10

⑵ 飞机设计和制造过程的配合

采用整体加工要改变飞机设计，因此，高速加工技术的应用要有设计和制造过程的交流和配合。

⑶ 选择高速切削刀具

高速加工要有适于高速加工的刀具和刀柄，这些刀具应由刀具制造厂根据加工需要专门生产，特别是刀具更换不应引起机床加工系统的固有频率的改变。

另外，还要考虑刀具的重磨问题，必须有数控刀具磨床，在刀具重磨后还能满足要求，因为在高速切削中，刀具的微小偏差对加工都有很大影响。

⑷ 高速 CNC 系统

高速机床必须配备适合高速切削的 CNC 系统，以保证高速进给过程中及时输入指令数据，特别是在五轴加工中，因为多两个回转轴的进给控制，CNC 系统的处理速度就显得不够，所以进给速度会受限制，影响加工效率。

⑸ 改进加工材料

必须使用高质量的铝锭毛坯，而且毛坯的厚度也应根据整体零件的需要加大、加厚。随着高速加工的整体零件越来越大，对铝锭毛坯的质量要求也越来越高，越来越大。加工小尺寸零件可以用铝锭，大零件要用锻铝。

以下介绍美国 Remmele 飞机公司高速切削应用实例。

美国 Remmele 飞机公司采用功率为 38kW 的高速加工中心，主轴转速 40 000r / min ，快速进给 600in / min ，取得了很好的效益。

首先他们在航空产品中最直接需要的薄壁加工中应用了高速切削。在传统加工速度下热和应力引起的变形及翘曲限制了薄壁的最小厚度。采用高速加工，壁厚由原来的 0.5mm 降低到 0.25mm 。

由于 HVM 切削力小，减少了薄壁件振动和引起的颤振，减少了薄壁件的热变形，从而提高了所加工铝件的表面质量，其表面粗糙度可达到 Rao.32μm 。

在整体加工中，也取得了很好的效益。 图10-3

在高速切削应用中，他们又发现在有些情况下，HVM可以取代别的加工工艺。Remmele 飞机公司的一个典型的例子是用 HVM 省去铸造过程，在一块材料上一次加工直接完成零件，省去了锻造和铸造的过程。例如，在做飞机上的控制盘（图5）时，通常是用铸塑的方法。如果要在零件上做一些改动，如把一个按钮改动一个位置，若是铸造件，需要重做一个模具；用 HVM 加工，只需改变一下程序就行了，使用的时间只是铸造的一小部分。

另一个例子， Remmele 的用户需要 1200 个零件，预计要 20~30 个星期，而用 HVM 每星期100个，只要 12 个星期就完成了全部定单。

国际飞机工业采用 HVM 型高速切削技术的新发展

美国 Cincinnati 和意大利 Jobs 公司在 IMTS2000 芝加哥国际机床展览会上展出了专门用于飞机工业的大型 HVM 型高速铣床，其型号分别为 HyperMach 和 JoMach 159 。这类机床有以下特点：

⑴ 进一步提高了主轴转速和功率

由于飞机工业采用整体坯料“掏空”的方法加工零件，切削量极大，因而，主轴转速和功率可以大大增加。

据 Cincinnati 公司称，以往在飞机工业中，主轴转速 15 000r / min 和功率 22kW就算是高速机床了。随着技术的发展，先进的高速机床主轴转速已提高40000r/min ，功率 4okW。而他们的 HyperMach 已提高到 60 000r / min 和 80kW 。

⑵ 超长的 X 行程和龙门移动结构

由于“机翼”类零件为细长形零件，要求机床有很长的工作行程。意大利 JOMach 机床 X 行程长达 30m ，而 Y 轴只有 2m , Z 轴为 5m 。据称该机床用于加工欧洲下一代“台风”战斗机的机翼。美国 HyPerMach 机床的轴 X 行程最长为 46m , Y 轴只有 2m 。英国 Marwin 公司 Alumax 系列机床的双台面总长度达 100m 。如此长的 X 行程，只能是龙门（往往是多个龙门）移动的结构，而不可能是工作台移动。

（3） 采用直线电动机作高速直线运动

航空工业用的高速机床也用上了直线电动机，以取代斜齿轮齿条或蜗杆蜗母条传动，这是为了适应主轴超高速、特大功率和超长 X 行程的需要。 HyPerMach机床采用直线电动机以后，进给速度最大达 6om / min ，快速行程为 l00m / min ，加速度达2g。据 Cincinnati 公司称，他们在 HyPerMach 上曾试切一件薄壁飞机零件，只花了 30min 。同样的零件在一般高速数控铣床加工，费时3h ，而在普通数控铣床要花8h 。由此可显示出超高速机床的威力。

 JOBS 公司 2000 年推出的另一台用于航空和模具工业的 LinX 系列大型高速铣床，为桥式龙门布局，也应用了直线电动机，最高进给速度达 60m / min ，加速度达0.6g ，主轴转速 24000r / min ，功率为 44kW 。据称，由于采用高速主轴和直线电动机高速进给，加工时间可减少50 % ，机床结构还得到了进一步的简化，减了25％的零件，便于维护。

 我国飞机和模具制造业中目前使用的部分高速加工中心的技术指标见10-4.