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公司動(dòng)態(tài)
高速加工在航空工業(yè)中的應(yīng)用
閱讀：665 發(fā)布時(shí)間：2012-2-8
在航空工業(yè)中，隨著新型飛機(jī)為減輕重量而采用更多復(fù)合材料，對復(fù)合材料的加工需求正變得日益迫切。波音787客機(jī)采用合成材料制造機(jī)身和機(jī)翼就是這一趨勢的典型實(shí)例。
鋁合金的高速加工不久將成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，將高速加工中心應(yīng)用于其它常用航空材料似乎也具有意義，對于復(fù)合材料當(dāng)然也不例外。“當(dāng)采用近凈成型工藝制造復(fù)合材料零件時(shí)，為了達(dá)到配合、連接和凹陷部位的精度要求，就需要進(jìn)行機(jī)加工。”辛辛那提公司復(fù)合材料加工平臺(tái)JeffCrick解釋說，“例如，利用層積加工可在機(jī)翼表面制造一個(gè)進(jìn)入孔，但只能達(dá)到大約±0.5mm的精度(層積加工只能達(dá)到這種精度)。為了在要求的部位達(dá)到更高精度，就需要進(jìn)行二次加工(如機(jī)加工)，就像對鋁合金、鈦合金或鋼材進(jìn)行精加工一樣。”
據(jù)Crick介紹，與加工鋁合金相比，高速加工復(fù)合材料所需的功率和扭矩較小，機(jī)床本身無需像切削鈦合金的機(jī)床那樣厚重結(jié)實(shí)，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動(dòng)和共振。大多數(shù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍都在10－13000rpm(盡管它們可以更高速度運(yùn)轉(zhuǎn))。例如，美國一家大型航空零部件制造商在一臺(tái)轉(zhuǎn)速為24000rpm的機(jī)床上，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合材料的高速加工。
現(xiàn)在，大部分復(fù)合材料都采用當(dāng)初為金屬切削而設(shè)計(jì)的加工單元來加工。Crick認(rèn)為，zui終的目標(biāo)是制造出重量更輕、為加工復(fù)合材料而專門設(shè)計(jì)的機(jī)床。設(shè)計(jì)這種機(jī)床時(shí)必須注意一種趨勢，即航空復(fù)合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說，“復(fù)合材料零部件的尺寸可能非常大，如長達(dá)100′(30m)機(jī)翼外覆件，甚至包括整個(gè)機(jī)身部件，如新型波音787的機(jī)艙剖面直徑超過20′(6m)，長度超過30′(9m)。在這種大型結(jié)構(gòu)中，對一節(jié)機(jī)身與另一節(jié)機(jī)身之間接合面的加工公差要求很嚴(yán)。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(fā)了一種擠壓件銑床。該機(jī)床既可以加工鋁合金也可以加工復(fù)合材料，加工尺寸范圍13′×8′(4×2.4m)，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm，采用直徑不超過25mm的12種*進(jìn)行加工，工件可長達(dá)40′(12m)。
“當(dāng)幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時(shí)，自由切削材料(如鋁合金或復(fù)合材料)受益zui大，”哈斯公司加工Reilly說，“由于采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小切深的硬銑削技術(shù)，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業(yè)越來越重要的工件材料，當(dāng)然也是受益者之一。”
“如果說鋁合金切削機(jī)床像F1賽車，鈦合金切削機(jī)床就更像推土機(jī)，”MAG維修技術(shù)公司的生產(chǎn)力解決方案DanCooper說，“它們在主軸轉(zhuǎn)速方面有很大不同，盡管高速加工原理——高轉(zhuǎn)速、小切深對于鈦合金有時(shí)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(gè)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(tǒng)工藝進(jìn)行粗加工，低轉(zhuǎn)速、大切深、大扭矩切削將導(dǎo)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(dǎo)熱性、高彈性模量與高強(qiáng)度相結(jié)合，使其成為一種難切削材料，“雖然切削扭矩和動(dòng)態(tài)剛性對于復(fù)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(huì)限制鈦合金加工速度的提高。
Cooper寧愿用表面速度和進(jìn)給率而不是主軸轉(zhuǎn)速來衡量高速加工。表面速度是主軸轉(zhuǎn)速和*直徑的函數(shù)；進(jìn)給率是主軸轉(zhuǎn)速和刀齒密度的函數(shù)。由于刀齒越密、表面速度(SFM)越高，就意味著進(jìn)給率越高，因此*的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
Cooper介紹說，MAG的新型硬質(zhì)合金*可以390fpm的表面速度進(jìn)行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數(shù)zui多的*，我們只能以1500rpm的轉(zhuǎn)速和2.5m/min的速度加工，而這對于鈦合金加工已是相當(dāng)高的速度了。”
高速加工中心技術(shù)已在鋁合金加工中證明了自己的優(yōu)勢，人們期望它在加工像鈦合金一樣更新、更硬的材料時(shí)也能做到這一點(diǎn)。
“如今，鋁合金的高速加工正在成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。”馬扎克(Mazak)公司西區(qū)總部和航空技術(shù)中心的加工RudyCanchola說。對他來說，目前zui大的加工挑戰(zhàn)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(yè)的使用越來越多。zui近，他計(jì)劃在馬扎克機(jī)床上采用各種*進(jìn)行切削試驗(yàn)(包括在MazakVCN-510C立式加工中心上進(jìn)行鈦合金加工試驗(yàn))。Canchola說，“我們已經(jīng)證明用整體硬質(zhì)合金立銑刀加工鈦合金的速度可達(dá)500－600fpm。我們認(rèn)為這是非常不錯(cuò)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(jìn)行了加工15-5不銹鋼的切削試驗(yàn)。試驗(yàn)采用順銑加工方式，表面切削速度達(dá)到400－600fpm。
Canchola說，“我們的大多數(shù)機(jī)床都具有實(shí)現(xiàn)這種高表面進(jìn)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(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)”。
加工高溫合金時(shí)，機(jī)床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時(shí)那么重要，因?yàn)榇藭r(shí)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(jù)此進(jìn)行調(diào)整。馬扎克機(jī)床能夠接收來自伺服電機(jī)的反饋電信號(hào)，并調(diào)整速度使其與切削條件相互匹配，如有必要還可以停機(jī)更換*。
鋁合金的高速加工不久將成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，將高速加工中心應(yīng)用于其它常用航空材料似乎也具有意義，對于復(fù)合材料當(dāng)然也不例外。“當(dāng)采用近凈成型工藝制造復(fù)合材料零件時(shí)，為了達(dá)到配合、連接和凹陷部位的精度要求，就需要進(jìn)行機(jī)加工。”辛辛那提公司復(fù)合材料加工平臺(tái)JeffCrick解釋說，“例如，利用層積加工可在機(jī)翼表面制造一個(gè)進(jìn)入孔，但只能達(dá)到大約±0.5mm的精度(層積加工只能達(dá)到這種精度)。為了在要求的部位達(dá)到更高精度，就需要進(jìn)行二次加工(如機(jī)加工)，就像對鋁合金、鈦合金或鋼材進(jìn)行精加工一樣。”
據(jù)Crick介紹，與加工鋁合金相比，高速加工復(fù)合材料所需的功率和扭矩較小，機(jī)床本身無需像切削鈦合金的機(jī)床那樣厚重結(jié)實(shí)，但仍然需要有足夠的剛性以克服振動(dòng)和共振。大多數(shù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速范圍都在10－13000rpm(盡管它們可以更高速度運(yùn)轉(zhuǎn))。例如，美國一家大型航空零部件制造商在一臺(tái)轉(zhuǎn)速為24000rpm的機(jī)床上，采用0.012－0.016″(0.3－0.4mm)的切深實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合材料的高速加工。
現(xiàn)在，大部分復(fù)合材料都采用當(dāng)初為金屬切削而設(shè)計(jì)的加工單元來加工。Crick認(rèn)為，zui終的目標(biāo)是制造出重量更輕、為加工復(fù)合材料而專門設(shè)計(jì)的機(jī)床。設(shè)計(jì)這種機(jī)床時(shí)必須注意一種趨勢，即航空復(fù)合材料零部件的尺寸越來越大。Crick說，“復(fù)合材料零部件的尺寸可能非常大，如長達(dá)100′(30m)機(jī)翼外覆件，甚至包括整個(gè)機(jī)身部件，如新型波音787的機(jī)艙剖面直徑超過20′(6m)，長度超過30′(9m)。在這種大型結(jié)構(gòu)中，對一節(jié)機(jī)身與另一節(jié)機(jī)身之間接合面的加工公差要求很嚴(yán)。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(fā)了一種擠壓件銑床。該機(jī)床既可以加工鋁合金也可以加工復(fù)合材料，加工尺寸范圍13′×8′(4×2.4m)，主軸轉(zhuǎn)速24000rpm，采用直徑不超過25mm的12種*進(jìn)行加工，工件可長達(dá)40′(12m)。
“當(dāng)幾乎所有加工方式和工件材料都可通過高速加工獲益時(shí)，自由切削材料(如鋁合金或復(fù)合材料)受益zui大，”哈斯公司加工Reilly說，“由于采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小切深的硬銑削技術(shù)，淬硬模具鋼也可從高速加工中獲益。鈦合金作為航空工業(yè)越來越重要的工件材料，當(dāng)然也是受益者之一。”
“如果說鋁合金切削機(jī)床像F1賽車，鈦合金切削機(jī)床就更像推土機(jī)，”MAG維修技術(shù)公司的生產(chǎn)力解決方案DanCooper說，“它們在主軸轉(zhuǎn)速方面有很大不同，盡管高速加工原理——高轉(zhuǎn)速、小切深對于鈦合金有時(shí)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(gè)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(tǒng)工藝進(jìn)行粗加工，低轉(zhuǎn)速、大切深、大扭矩切削將導(dǎo)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(dǎo)熱性、高彈性模量與高強(qiáng)度相結(jié)合，使其成為一種難切削材料，“雖然切削扭矩和動(dòng)態(tài)剛性對于復(fù)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(huì)限制鈦合金加工速度的提高。
Cooper寧愿用表面速度和進(jìn)給率而不是主軸轉(zhuǎn)速來衡量高速加工。表面速度是主軸轉(zhuǎn)速和*直徑的函數(shù)；進(jìn)給率是主軸轉(zhuǎn)速和刀齒密度的函數(shù)。由于刀齒越密、表面速度(SFM)越高，就意味著進(jìn)給率越高，因此*的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
Cooper介紹說，MAG的新型硬質(zhì)合金*可以390fpm的表面速度進(jìn)行加工。“用一把直徑25.4mm、刀槽數(shù)zui多的*，我們只能以1500rpm的轉(zhuǎn)速和2.5m/min的速度加工，而這對于鈦合金加工已是相當(dāng)高的速度了。”
高速加工中心技術(shù)已在鋁合金加工中證明了自己的優(yōu)勢，人們期望它在加工像鈦合金一樣更新、更硬的材料時(shí)也能做到這一點(diǎn)。
“如今，鋁合金的高速加工正在成為標(biāo)準(zhǔn)工藝。”馬扎克(Mazak)公司西區(qū)總部和航空技術(shù)中心的加工RudyCanchola說。對他來說，目前zui大的加工挑戰(zhàn)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(yè)的使用越來越多。zui近，他計(jì)劃在馬扎克機(jī)床上采用各種*進(jìn)行切削試驗(yàn)(包括在MazakVCN-510C立式加工中心上進(jìn)行鈦合金加工試驗(yàn))。Canchola說，“我們已經(jīng)證明用整體硬質(zhì)合金立銑刀加工鈦合金的速度可達(dá)500－600fpm。我們認(rèn)為這是非常不錯(cuò)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(jìn)行了加工15-5不銹鋼的切削試驗(yàn)。試驗(yàn)采用順銑加工方式，表面切削速度達(dá)到400－600fpm。
Canchola說，“我們的大多數(shù)機(jī)床都具有實(shí)現(xiàn)這種高表面進(jìn)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(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)”。
加工高溫合金時(shí)，機(jī)床控制器的“前瞻”功能不象加工鋁合金時(shí)那么重要，因?yàn)榇藭r(shí)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(jù)此進(jìn)行調(diào)整。馬扎克機(jī)床能夠接收來自伺服電機(jī)的反饋電信號(hào)，并調(diào)整速度使其與切削條件相互匹配，如有必要還可以停機(jī)更換*。