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高速加工在航空工業中的應用
閱讀：680 發布時間：2012-2-8
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，將高速加工中心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JeffCrick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，zui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。
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擠壓件銑床。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*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zui大，”哈斯公司加工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DanCooper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*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*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*的設計至關重要。
Cooper介紹說，MAG的新型硬質合金*可以390fpm的表面速度進行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數zui多的*，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。”
高速加工中心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RudyCanchola說。對他來說，目前zui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。zui近，他計劃在馬扎克機床上采用各種*進行切削試驗(包括在MazakVCN-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*在MazakVortex815-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。zui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*。
鋁合金的高速加工不久將成為標準工藝，將高速加工中心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JeffCrick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，zui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。
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擠壓件銑床。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*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zui大，”哈斯公司加工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DanCooper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*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*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*的設計至關重要。
Cooper介紹說，MAG的新型硬質合金*可以390fpm的表面速度進行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數zui多的*，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。”
高速加工中心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RudyCanchola說。對他來說，目前zui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。zui近，他計劃在馬扎克機床上采用各種*進行切削試驗(包括在MazakVCN-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*在MazakVortex815-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。zui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*。