高速加工技術(shù)（hem-hsm）實際上是一種工序復(fù)合化高速加工技術(shù)，即在一臺高功能高速數(shù)控加工中心（mc）機(jī)床上，實現(xiàn)對零件高金屬切除率mrr（metal removal rate）的高速粗加工/高速半粗加工（hem）和高零件表面積切除速率的高速半精加工/高速精加工（hsm）多種工序的復(fù)合加工，和常規(guī)切削加工和典型高速加工技術(shù)（hsm）相比，hem-hsm加工具有明顯的優(yōu)勢，是一種高加工生產(chǎn)率與高加工質(zhì)量集成融合的高速加工技術(shù)。能實現(xiàn)這種一次裝夾完成粗精工序復(fù)合加工（hem-hsm）的高速數(shù)控加工機(jī)床可稱為高速數(shù)控加工機(jī)床。
現(xiàn)今，用于hem-hsm加工應(yīng)用的高速數(shù)控mc機(jī)床多為五軸聯(lián)動和配備有高功率高轉(zhuǎn)速/高轉(zhuǎn)矩主軸，并已成為許多航宇制造業(yè)用戶特別關(guān)注的現(xiàn)代化*關(guān)鍵制造裝備之一。為此，許多世界著名的數(shù)控機(jī)床制造商都為航宇制造業(yè)推出了多種類型用于大型鋁合金材和鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件hem-hsm加工應(yīng)用的五軸聯(lián)動高速數(shù)控mc機(jī)床，實現(xiàn)率高速粗加工和高質(zhì)量高速精加工的良好融合，滿足用戶對高生產(chǎn)率大型高速加工設(shè)備的迫切需要。
應(yīng)指出的是，用于諸如鋁合金等輕合金材的hem-hsm加工設(shè)備和用于諸如鈦合金等硬合金材的hem-hsm加工設(shè)備具有較大的不同。近10多年來，適用于輕負(fù)載切削的高功率高速主軸和高速刀具設(shè)計制造技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，同時對鋁合金材hem-hsm加工技術(shù)及其工程應(yīng)用研究也已比較成熟，因而鋁合金高速數(shù)控mc機(jī)床在航宇制造業(yè)得到較廣泛應(yīng)用。
本文將僅對用于鋁合金材大型復(fù)雜整體構(gòu)件高速數(shù)控mc機(jī)床的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展作一討論與介紹。
鋁合金材hem-hsm加工需要高功率高轉(zhuǎn)速主軸
用于大型鋁合金材航宇整體結(jié)構(gòu)件hem-hsm加工應(yīng)用的高速數(shù)控mc機(jī)床，機(jī)床主軸應(yīng)具有足夠高的功率、轉(zhuǎn)速、適當(dāng)轉(zhuǎn)矩和足夠?qū)挼目烧{(diào)控的轉(zhuǎn)速范圍，也就是說要求機(jī)床主軸功率/轉(zhuǎn)矩每轉(zhuǎn)速特性應(yīng)適合于航宇鋁合金等輕合金材的高速切削加工之工藝要求。從金屬切削加工基本原理可知，對金屬材工件銑削加工時有：
mrr = ps×mrf = aeapzfz n×10-3（cm3/min）（1）
ps = spf×mrr （kw） （2）
ps/n= t/9555 ≈ t×10-4 （3）
這兒，mrr：金屬切除率，cm3/min；ps：主軸功率，kw；mrf：金屬切除指數(shù)（metal removal factor），cm3?min-1/kw；ae：切寬woc（徑向切深，radial depth of cut），mm；ap：切深doc（軸向切深，axial depth of cut）， mm；fz：刀每齒進(jìn)給量，mm/刃轉(zhuǎn)；z：刀齒數(shù)；n：主軸轉(zhuǎn)速，r/min；spf：主軸功率指數(shù)（spindle power factor），kw/cm3?min-1；且spf = 1/ mrf； t：主軸轉(zhuǎn)矩，nm。
從式（1）與式（2）可看出，為取得高金屬切除率mrr，作為hem-hsm加工應(yīng)用的高速數(shù)控mc機(jī)床之主軸首先應(yīng)具有足夠高的功率。典型鋁合金材（如7075）主軸功率指數(shù)spf為0.015kw/cm3?min-1。對功率60~120kw電主軸，一般可具有金屬切除率mrr達(dá)4000~8000 cm3/min的高切削能力。工業(yè)實踐表明，鋁合金材相對可加工性系數(shù)kr一般大于3（2.0~7.5），屬很容易切削材，同時高速切削時所需的切削力比常規(guī)切削要低30~50%以上。而從式（3）可清晰看出，在確定的高主軸功率場合下，這就要求主軸應(yīng)具有足夠高的轉(zhuǎn)速才能和低切削負(fù)載加工應(yīng)用相適應(yīng)。實際上，這正是鋁合金材采用hsm實現(xiàn)高速精加工或半精加工的典型應(yīng)用場合，即要求主軸運(yùn)行在高功率高轉(zhuǎn)速區(qū)，見圖1。如對鋁合金材的hsm精加工應(yīng)用場合，一般要求主軸轉(zhuǎn)速高于18000 r/min，典型為18,000~35,000 r/min；通常，hsm半精加工主軸轉(zhuǎn)速為18,000~24,000 r/min，hsm精加工主軸轉(zhuǎn)速為24,000~35,000 r/min；主軸轉(zhuǎn)矩不低于5nm即可，典型值為10~50 nm。
圖1 hem-hsm加工*主軸度范圍
從式（3）還可看出，對確定的主軸功率，主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩是為相互制約的一對參數(shù)。為此，如適當(dāng)降低主軸轉(zhuǎn)速可獲得較高主軸轉(zhuǎn)矩，或說可產(chǎn)生較大加工切削力，而這又正是鋁合金材采用hem實現(xiàn)高速粗加工的典型應(yīng)用場合。如作為鋁合金材的hem粗加工應(yīng)用場合，一般要求主軸轉(zhuǎn)速不高于15,000 r/min，通常hem粗加工主軸轉(zhuǎn)速為10,000~14,000 r/min，hem半粗加工主軸轉(zhuǎn)速為14,000~18,000 r/min，主軸轉(zhuǎn)矩要求在50~150 nm。
這就是說，用于大型鋁合金材航宇整體結(jié)構(gòu)件hem-hsm加工應(yīng)用的高速數(shù)控mc機(jī)床應(yīng)配置高功率高轉(zhuǎn)速的電主軸，其功率通常高于40~120 kw（取決于需求的金屬切除率mrr），轉(zhuǎn)速可控范圍應(yīng)寬于數(shù)千至數(shù)萬r/min；轉(zhuǎn)矩多在20~150nm，zui大功率/轉(zhuǎn)速比在0.01數(shù)量級（0.005~0.015），切削速度1500~6000m/min，切削力多為數(shù)百到1000n，加工進(jìn)給速度10~20 m/min，金屬切除率mrr達(dá)4000~8000cm3/min，典型刀具接口為hsk-a63。
德國著名電主軸制造商mn公司生產(chǎn)的hcs230-22,000/120高速電主軸可作為此類電主軸的一個典型實例，其功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖2所示。該高速電主軸額定功率120kw（s6-40%：155kw），額定轉(zhuǎn)矩84nm（s6-40%：108nm），基速13,800 r/min，zui高轉(zhuǎn)速22,000 r/min，zui大功率/轉(zhuǎn)速比0.011，刀具接口hsk-a80，主軸軸向剛性達(dá)160 n/μm，徑向剛性496 n/μm。此外，諸如瑞士ibag、fischer、renaud、德國imt、jager和意大利omlat等許多數(shù)控機(jī)床電主軸制造商都能提供這類用于諸如鋁合金等輕合金材hem-hsm應(yīng)用的高功率高速電主軸，并在高速數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛實際應(yīng)用。如意大利omlat公司高速電主軸omc-230-230/635 也具有和圖2相類似的功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，額定功率80kw（s6-60%：100kw），基本轉(zhuǎn)速12,000 r/min，基本轉(zhuǎn)矩64nm s6-60%：80 nm），zui高轉(zhuǎn)速達(dá)24,000 r/min，zui大功率/轉(zhuǎn)速比0.008，設(shè)計有hsk-a63刀具接口。這兒就不一一列舉了。
圖2 高功率高轉(zhuǎn)速電主軸特性曲線
鋁合金材立式高速數(shù)控加工機(jī)床
*，機(jī)械切削加工機(jī)床裝備是實現(xiàn)切削加工工藝的基本平臺。因此，為適應(yīng)大型零件hem-hsm加工工藝要求，立式hem-hsm數(shù)控mc機(jī)床多繼承了傳統(tǒng)高速加工機(jī)床可使運(yùn)動部件輕量化的“箱中箱”（box in box）結(jié)構(gòu)設(shè)計，對傳統(tǒng)大型龍門結(jié)構(gòu)機(jī)床采用一種高架立柱過橋式橫梁主軸部件可移動的、對稱式機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計（簡稱“高架橋式龍門移動”結(jié)構(gòu)），見圖3。這種結(jié)構(gòu)機(jī)床，龍門立柱和工作臺是不動的，x/y/z軸運(yùn)動分別由橫梁、主軸溜板部件來完成，a（b）、c軸運(yùn)動則集中在主軸頭上來實現(xiàn)。高架橋式龍門移動結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)床優(yōu)點(diǎn)在于：
?機(jī)床結(jié)構(gòu)具有較好開放性，且直接通過刀具實現(xiàn)五軸運(yùn)動（工件不運(yùn)動），適合加工大型零件；
?坐標(biāo)運(yùn)動部件質(zhì)量輕，不但適合于高速移動，并且剛性好；
?對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，有利于減輕溫度熱變形影響，提高了精度；
?所有導(dǎo)軌表面均高于刀具切削點(diǎn)，有利于導(dǎo)軌表面清潔保持，延長了導(dǎo)軌使用壽命；
?采用適當(dāng)集成化電主軸銑頭裝置，可實現(xiàn)5坐標(biāo)聯(lián)動和多面體加工于一臺機(jī)床上；
?設(shè)備占地面積減少；需要時x向行程容易加長。
這種大型hem-hsm數(shù)控mc機(jī)床在航宇制造業(yè)中已得到了較廣泛的應(yīng)用，成為加工大型飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵設(shè)備。世界許多著名機(jī)床制造商都推出了用于鋁合金材hem-hsm加工的立式高速數(shù)控mc機(jī)床，以滿足航宇制造業(yè)用戶之迫切需求。圖3所示的為美國mag cincinnati機(jī)床公司新近為航空飛機(jī)制造業(yè)推出的hypermach五軸數(shù)控型面銑削中心，可用于實現(xiàn)大型復(fù)雜飛機(jī)鋁合金材的hem-hsm切削加工。該機(jī)床為高架橋式龍門移動結(jié)構(gòu)，工作進(jìn)給速度60m/min，快速移動速度100m/min，配置有集成化a/b或a/c旋轉(zhuǎn)軸的大功率主軸頭，其功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性能與圖1要求相適應(yīng)。帶a/b軸主軸頭標(biāo)配主軸額定功率100kw（s6-40%：125kw），轉(zhuǎn)矩79nm（s6-40%：99nm），基速12,000r/min，zui高轉(zhuǎn)速18,000r/min，刀具接口hsk-a100；或可選配主軸額定功率60kw，轉(zhuǎn)矩29 nm，基速20,000r/min，zui高轉(zhuǎn)速30,000r/min，刀具接口hsk-a63。帶a/c軸主軸頭標(biāo)配主軸額定功率60kw，轉(zhuǎn)矩29 nm，基速20,000r/min，zui高轉(zhuǎn)速30,000r/min，刀具接口hsk-a63；或可選配主軸額定功率85kw（s6-40%：91kw），轉(zhuǎn)矩85 nm（s6-40%：106 nm），基速9600r/min，zui高轉(zhuǎn)速20,000r/min，刀具接口hsk-a100。據(jù)cincinnati公司宣稱，在hypermach機(jī)床上加工一鋁合金材大型飛機(jī)薄壁零件，僅費(fèi)時30min。同樣的零件若在典型高速銑床上加工需3hr，而在普通數(shù)控床則需8hr以上。波音公司就購置有這種高速五軸數(shù)控加工機(jī)床用于加工c-17軍用運(yùn)輸機(jī)和波音787民用客機(jī)的如框、肋、壁板和梁等大型鋁合金材整體結(jié)構(gòu)件，其金屬切除率mrr可高達(dá)7374cm3/min，即每分鐘可產(chǎn)生約20kg鋁合金切屑。
圖3 hypermach立式五軸數(shù)控型面銑削中心
據(jù)報道，俄羅斯聯(lián)合航空公司（uac）花費(fèi)約900萬美元從cincinnati公司購買了一臺v1200鋪絲機(jī)和2臺額定功率85kw和zui高轉(zhuǎn)速20,000 r/min的單主軸hypermach機(jī)床（一臺床身長12.6m，另一臺18.2m）用于ms-21 系列客機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造。
圖4所示為著名數(shù)控機(jī)床制造商德國handtmann公司新推出的gantry ts雙主軸高架橋式龍門移動式高速五軸數(shù)控mc機(jī)床，機(jī)床zui大長度可達(dá)47,000mm，zui寬達(dá)5400 mm，z坐標(biāo)可任選1000/1200/1500mm；直線軸快速移動速度50m/min，加速度0.5g。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是設(shè)計有兩個z向滑板，各帶一個y向銑頭，銑頭可獨(dú)立y向運(yùn)動。采用這種結(jié)構(gòu)，兩滑板在y和z向可自由移動且相互獨(dú)立。安裝在y軸上的兩主軸y行程為2×2300 mm，或2×2400mm。因此，通過合適的編程，兩主軸可同時加工兩個相同的或鏡像對稱的兩個零件。機(jī)床設(shè)計有集成化a/c旋轉(zhuǎn)軸的主軸頭，配置有和圖2特性曲線相類似的高功率高轉(zhuǎn)速電主軸，連續(xù)功率可任選為45/70/100kw，zui高轉(zhuǎn)速30,000/30,000/18,000r/min，刀具接口hsk-a63/ a100，可實現(xiàn)hem-hsm加工大型復(fù)雜飛機(jī)鋁合金材、復(fù)合材料和薄鋼板結(jié)構(gòu)件。據(jù)報道，對鋁合金材零件加工場合，每個主軸金屬切除率mrrzui高可達(dá)約可達(dá)約8000cm3/min。
圖4 gantry ts雙主軸五軸數(shù)控mc機(jī)床
圖5所示為另一家著名數(shù)控機(jī)床制造商德國zimmermann公司新推出的fz-100高架橋式龍門移動式六軸高速數(shù)控mc機(jī)床。該機(jī)床x/y/z三直線軸行程可達(dá)2800~7800/2900~3900/1250~2000mm，進(jìn)給率60m/min，加速度為0.4g。機(jī)床zui大特點(diǎn)是配置有*設(shè)計制造的、具有ab擺動軸和c旋轉(zhuǎn)軸的高剛性與高精度的集成化主軸銑頭m3 abc，從而可實現(xiàn)6軸數(shù)控加工。m3 abc三軸銑頭從外觀上很像傳統(tǒng)帶a/c軸叉式主軸銑頭，但它創(chuàng)新性地設(shè)計了第3旋轉(zhuǎn)軸，即b擺動軸，見圖5右上。該三軸銑頭a/b/c三軸行程為±1100/±150/±3600，其轉(zhuǎn)矩達(dá)825/1200/1200nm，夾緊力2000/2000/3000n，進(jìn)給率180/120/120度/s，配置有連續(xù)功率60kw，轉(zhuǎn)矩95nm，基速6000r/min，zui高轉(zhuǎn)速22,000r/min電主軸，刀具接口hsk-a63。同時，b軸采用弧形導(dǎo)軌的設(shè)計使得銑頭在增加b軸時仍能保持結(jié)構(gòu)的緊湊性。和傳統(tǒng)帶a/c軸叉式主軸銑頭相比，具有高動態(tài)特性的m3 abc三軸銑頭不僅給實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工增加了靈活性和加工性能，特別在切削加工那些帶有小傾角筋壁或小傾角槽壁的大型框類航空結(jié)構(gòu)件時具有明顯的優(yōu)勢，可大幅度減少加工時間，改善零件粗糙度。a/c軸大的旋轉(zhuǎn)角度范圍，使得該三軸銑頭不僅能實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工，而且能實現(xiàn)五面體加工。
圖5 六軸高速數(shù)控mc機(jī)床fz-100
fz-100機(jī)床除配置有*的siemens 840d數(shù)控系統(tǒng)外，為使fz-100機(jī)床六軸數(shù)控加工更有效，還配置有siemens公司為fz-100研發(fā)的空間位置誤差補(bǔ)償系統(tǒng)（vcs ），可進(jìn)一步提高設(shè)備的加工精度。據(jù)報道，fz-100在沒有進(jìn)行vcs時補(bǔ)償?shù)那闆r下空間位置精度為150μm，而進(jìn)行了vcs后在6.5×3×1.5m空間內(nèi)可提高到50μm的高精度?？梢灶A(yù)見，vcs技術(shù)必將在大型高速數(shù)控機(jī)床上得到更廣泛應(yīng)用。