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高速加工在航空工业中的应用
作者: 来源:本站原创 文章点击数:

 成功的高速加工需要重视刀具、主轴和机床动力学。工具技术和机床控制能力的进步使高速加工在航空零部件的制造中获得了越来越广泛的应用。尽管高速加工技术特别适合铝合金的加工,但在复合材料和硬金属材料的加工中也有其用武之地。

  竞争压力正不断迫使制造商以更高效的方式加工零件。与此同时,航空结构件生产商也需要强度更高、质量更轻、公差要求更严的构件。采用高速加工技术可以使制造商缩短加工循环时间,同时还能加工出比以往更精巧、壁更薄的零件。

  按照哈斯(Haas)公司加工经理Wayne Reilly的看法,许多人在使用高速加工这一术语时并不严谨。在Reilly看来,虽然一些人认为任何主轴转速超过10000rpm的加工就算高速加工,但另一些人对此却有更复杂一些的定义。他说,“实际上这取决于该术语的使用背景。工具制造商可能将其定义为转速,而机床制造商则可能将其定义为CNC数控系统中的某些前瞻处理程序块。高速加工的技术发展趋势是采用更快的切削速度、进给率和负荷更轻的切削,而传统加工通常采用负荷较重、切深较大的低速切削。”例如,哈斯公司生产的立式加工中心(VMC)为高速加工提供了高达30000rpm的额定主轴转速和30马力(22.4kW)的驱动系统额定功率。

  辛辛那提(MAG Cincinnati)公司的铝件加工平台经理Randy Von Moll表示,“与其孤立地讨论主轴转速,我倒更喜欢高效加工这个术语。”他的定义除了主轴转速外,还包括机床的动态响应。他用了5个参数来定义高效加工:①主轴转速;②主轴功率;③高的进给率和刀路速率;④高的加、减速度;⑤高精度。后三个条件专门定义了机床的动态响应而不是主轴特性。Von Moll说,“为了更有效地切削合金材料(如铝合金),确实需要将高性能的主轴与机床的高动态响应结合起来。”

  如果将航空零件分为“薄板件”和“厚板件”两大类,他认为可将高速加工分别定义为:对于厚度在50mm以内的薄板件,主轴转速为30000rpm,额定功率为80马力(60kW);对于厚度在50mm以上的厚板件,主轴转速为18000rpm,额定功率为135马力(100kW)。

  Von Moll解释说,“在切削加工薄板件和厚板件时,机床的最高动态响应参数并无太大不同。对于两种工件,加速度/减速度都应在0.5g左右,应提供尽可能快的(非切削)往复运动,至少达到1500ipm(38m/min)。”

  在加工复杂的凹腔类工件时,加速度/减速度对切削时间有很大影响,因为刀具在加工中必须多次改变方向。

  机床的往复移动时间会影响切削时间,尤其是辅助时间(切削铝合金时辅助时间可占到全部加工循环时间的20%)。辅助时间包括切削一个新工件时刀具的定位时间或刀具移动到换刀机械手的时间。按照精益制造的观点,辅助时间是一种需要消除的浪费。几年前,辛辛那提公司推出了可实现快速往复移动与高加/减速度完美结合的HyperMach立式仿形铣床系列。这些机床的快速往复移动速度高达4000ipm(101m/min),其目的就是为了缩短辅助时间。HyperMach的X、Y、Z轴行程分别达到33m、3500mm和1250mm,并配置了附加的A、B或C轴,机床的主轴转速高达30000rpm.大部分HyperMach立式仿形铣床都是在一个共用的X轴龙门结构上安装两个相互独立的主轴。为了应对提高大型工件(尺寸可达2000mm×4000mm)加工效率的市场需求,辛辛那提公司将在IMTS 2008(2008年美国芝加哥国际制造技术展览会)上展出并演示HyperMach卧式系列。

  “切削出小切屑并尽可能快速地加工”是牧野(Makino)公司设计工程师Alan Hollatz对高速加工的定义。他认为,高转速、小切深的加工方法可以减少传入工件或刀具中的切削热,工件和机床所受的切削力也较小。传统的低转速、大切深加工方法容易使现代设计中壁厚薄至0.030″(0.76mm)的工件产生变形。较小的切削力还意味着可以降低对工件夹持的要求。

  Hollatz建议,在精加工铝合金时,应尽可能采用高速切削,“如果主轴额定转速为30000rpm,我们将尝试全速运行。同时,我们还会限制所用刀具的直径。考虑到刀具不平衡引起的离心力,机床转速越高时,刀具直径应越小。”作为一个实例,牧野生产的一种大型机床(主轴转速33000rpm,电机功率107马力[80kW])不推荐使用任何直径大于50mm的刀具。对于大多数切削加工而言,直径为25mm或更小的刀具切削效率最高。

  与大多数机床供应商一样,Hollatz推荐在主轴转速较高时采用空心短锥柄(HSK刀柄),而不要采用CAT型刀柄。他指出,CAT刀柄在高速加工时可能会引起Z方向的精度问题。在以高转速进行加工时,曾经出现过CAT刀柄卡住主轴的极端情况。HSK刀柄的设计特点是采用锥面和端面双重接触,因此可以控制Z方向的精度。“当主轴转速在20000rpm以下时,可以采用CAT刀柄,但当转速高达30000rpm时,除了采用HSK刀柄以外别无选择。”

  高速加工的另一个关键因素是CNC控制器及其在高速条件下精确控制机床运动的能力。具有“前瞻”功能的控制器可以根据刀具将要到达的位置控制刀具当前的速度和加/减速度,该功能与高速驱动主轴同样重要。

  据Hollatz介绍,牧野机床控制器的标准“前瞻”功能有超过60-80个G码模块。其中的Super GI.4控制器程序包是为高速加工而专门设计的,有超过180-250个模块。对于相同的刀具路径,Super GI.4的运动速度比它所替代的SGI.3控制器提高了15%-30%.



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