現(xiàn)今，鋁合金材高效高速數(shù)控加工機床技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。隨著鈦合金材整體構(gòu)件在大型飛機上的應(yīng)用增多，其切削加工的低效已成為大型飛機快速制造的瓶頸，配置有高功率高轉(zhuǎn)矩主軸的鈦合金材高速數(shù)控MC機床已成為許多航宇制造業(yè)用戶特別關(guān)注和優(yōu)先考慮的現(xiàn)代化先進關(guān)鍵制造裝備之一。所有這些，促使工業(yè)界更加關(guān)注鈦合金材HEM-HSM加工技術(shù)及其裝備的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用。世界許多著名數(shù)控機床和主軸制造商也都加強了對該技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)研究力度，一些機床制造商甚至還成立專門的研發(fā)中心，積極為航宇制造業(yè)推出了多種類型用于大型復(fù)雜鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件HEM-HSM加工應(yīng)用的數(shù)控加工機床。 眾所周知，直到目前為止工業(yè)界對高速加工技術(shù)HSM還未有一種統(tǒng)一、明確、權(quán)威和公認(rèn)的定義。實際上，HSM 技術(shù)中“高速”是為一種相對性概念，對不同工件材料或不同切削工藝類型其HSM定義的“高速”速度范圍則是不同的。鈦合金材相對材料可加工性Kr僅為0.22~0.35，屬很難切削加工之金屬材，其高速切削速度范圍（100~1,200m/min）遠(yuǎn)低于鋁合金材（2,500~7,500m/min）。比如一把直徑50mm刀具，在主軸轉(zhuǎn)速4,000r/min時其切削速度為628m/min，對鋁合金材而言，這挨不上高速的邊，但對鈦合金材而言，這已是較高速了。顯然，用于鈦合金材HEM-HSM加工應(yīng)用的高速數(shù)控加工機床明顯不同于鋁合金材場合，簡單地講，對鋁合金材需要高功率高轉(zhuǎn)速主軸的數(shù)控加工機床，對鈦合金材則需要高功率高轉(zhuǎn)矩主軸的數(shù)控加工機床。 鈦合金材為何難切削加工鈦合金材具有高強度、高硬度和低密度材料特性，如鈦合金Ti-6Al-4V（簡稱Ti-6-4）抗拉強度達900MPa，硬度為250∼375HB，密度4.42 g/cm3，使得鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件除在現(xiàn)代軍用飛機上得到廣泛應(yīng)用外，在現(xiàn)代大型客機上也得到了越來越多的應(yīng)用，其用材重量占飛機結(jié)構(gòu)總重量百分比數(shù)呈現(xiàn)快速上升趨勢，并已開始超過了鋼結(jié)構(gòu)件。因此，實現(xiàn)鈦合金材結(jié)構(gòu)件高效率切削加工已成為大型飛機制造生產(chǎn)之關(guān)鍵。然而，和鋁合金材相比，鈦合金材屬很難加工金屬材，其切削加工的難點主要表現(xiàn)在如下若干方面： 大切削力眾所周知，通常金屬材料的硬度和強度越高，則其切削加工所需要的切削力就越大，切削溫度就越高，刀具磨損就越快，故相對可加工性也就越差。如鋁合金材相對可加工性系數(shù)Kr為2.0∼7.5，高強度鋼Kr為0.3∼0.7，鈦合金Kr為0.22∼0.35，而航空高強度高溫合金Kr僅0.07∼0.3。因此，和切削加工鋁合金等輕金屬材相比，鈦合金材切削加工需要更大切削力，通常需近1,000∼數(shù)千牛（Newton，N），是普通鋼材的2∼4倍，是鋁合金材的10∼40倍。如用一把4齒直徑32mm的端銑刀，切深19mm，以20 cm3/min金屬切除率切削加工鈦合金材時將會產(chǎn)生4,445N (1,000 lbs)負(fù)載力，若刀具磨損50%，負(fù)載力將增加至8,890N。因此，加工鈦合金等硬合金材需要大切削力就意味著需要高轉(zhuǎn)矩主軸，或就意味著僅允許使用較低切削速度，大約僅為鋁合金材時的10%。 高切削溫度切削加工鈦合金材時，通常切屑與刀具前刀接觸面較小，切削點的溫度極高，可達1,100~1,200℃左右，切削區(qū)高溫狀態(tài)易使刀尖很快熔化或粘結(jié)，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。 此外，鈦合金材熱傳導(dǎo)系數(shù)低，大約僅為合金鋼的15%，鋁合金材的5%，（鈦熱傳導(dǎo)系數(shù)15.24 W/mK；鈦合金Ti-6-4為7.56W/mK；AISI 4340合金鋼為44.6W/mK；45號鋼為50.2W/mK；7075鋁合金為130W/mK），大約80%切削加工過程中所產(chǎn)生的熱量傳入到刀具中，而不像典型高速切削加工鋁合金等金屬材那樣有75%熱量傳入到切屑中，傳到刀具僅約15%。因此，鈦合金切削過程中刀具切削點的高溫?zé)崃亢茈y由切屑快速帶走，加速了刀具磨損。這也就決定了對鈦合金材必須采用高壓大流量冷卻液切削加工。 易生成硬化層鈦化學(xué)活性高，在高溫狀態(tài)下極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致切削表面生成硬化層，其深度可達0.1∼0.15mm，致使表層硬度大幅度提高，加速了刀具磨損。同時，高化學(xué)活性導(dǎo)致加工中切屑與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，也加速了刀具磨損。 高摩擦功鈦合金摩擦系數(shù)大，導(dǎo)致在切削過程中，切屑流經(jīng)刀具前刀面時所需摩擦功大，摩擦界面溫度極高，進一步加速了刀具磨損。 易產(chǎn)生彈性變形和振動鈦合金彈性模量?。ㄢ伜辖餞i-6-4為110kN/mm2，鋼Ck45110kN/mm2，210kN/mm2），導(dǎo)致切削時易產(chǎn)生彈性變形和振動，不僅影響零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度，而且已加工面的彈性恢復(fù)較大，約為不銹鋼的2∼3倍，同樣可加速刀具磨損。 同時，鈦合金低彈性模量使其具有明顯橡膠特性趨勢，容易使刀具切削刃產(chǎn)生屑瘤，同樣也可加速刀具磨損，制約了使用高切削速度。低切削速度前面所述的鈦合金切削加工中所存在的問題，將會導(dǎo)致其切削過程刀具磨損嚴(yán)重，刀具耐用度降低。因此，為改善鈦合金材加工性能，保證切削刀具使用壽命，通常要求切削加工鈦合金材使用較低切削速度。如采用傳統(tǒng)加工方法切削加工鈦合金材零件，其切削速度一般不超過40~50m/min，粗加工時金屬切除率mrr一般不超過40cm3/min，而精加工時mrr一般不超過l0cm3/min。而采用HEM-HSM加工時，目前切削速度可達100~1,200m/min，金屬切除率mrr最高可達700cm3/min，見右圖。但在實際工業(yè)生產(chǎn)中一般均低于此最高值以確保刀具具有足夠的耐用度，典型切削速度為100~400m/min，金屬切除率mrr典型為100~400cm3/min。 小刀具接觸弧系數(shù)為維持高刀具耐用度和改善加工質(zhì)量，切削加工鈦合金材整體構(gòu)件，一般要求刀具接觸弧系數(shù)≦40%，在使用較高切削速度（≧120m/min）時則通常要求刀具接觸弧系數(shù)≦15%，普通鋼則可達50-100%。刀具接觸弧系數(shù)定義為刀具切削寬度WOC（徑向切深，Radial Depth of cut）和刀具直徑D比值之百分?jǐn)?shù)。此外，工業(yè)實踐表明：當(dāng)?shù)毒呓佑|弧系數(shù)≦25%時，切削速度可增加50%，而當(dāng)?shù)毒呓佑|弧系數(shù)≦10%時，切削速度可增加100%。 鑒于上述鈦合金材切削加工之特殊性，因而和切削加工鋁合金材相比，對其加工效率、加工精度、加工表面粗糙度、刀具耐用度、顫振抑制和變形控制等都提出更高的要求。為此，世界許多著名的數(shù)控機床制造商都對傳統(tǒng)高速數(shù)控加工機床進行創(chuàng)新性發(fā)展，積極推出了適合于鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件HEM-HSM加工的各種高效高速數(shù)控加工機床。如日本Makino公司在其Mason 工廠專門成立了鈦合金加工技術(shù)研究開發(fā)中心，并在最近幾年推出了多款鈦合金材高效高速數(shù)控加工機床。 對鈦合金數(shù)控加工機床之基本要求目前，許多機床制造商推出的用于大型鋁合金等輕合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速數(shù)控機床，若將它用于對諸如高強度鋼、不銹鋼、鈦合金和航空高溫合金等一類具有高強度與高硬度的難加工金屬材料實現(xiàn)HEM-HSM加工顯然不合適，盡管它也能切削加工這些硬合金材，但其切削效率卻是往往無法讓人接受。其主要原因在于： 如前所述，加工鈦合金等硬合金材需要大切削力，或者說需要高轉(zhuǎn)矩主軸，而典型用于鋁合金等輕合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)矩多數(shù)都小于100Nm，一般不超過200Nm，不具備高效率加工鈦合金等硬合金材的切削加工能力。如前所述，加工鈦合金等硬合金材通常僅允許使用較低切削速度，即僅能使用較低主軸轉(zhuǎn)速，而典型用于鋁合金等輕合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速范圍和目前鈦合金材加工工藝要求不相適應(yīng)。因此，對用于鈦合金材HEM-HSM加工的數(shù)控加工機床結(jié)構(gòu)、剛性、動態(tài)特性、主軸與坐標(biāo)驅(qū)動、冷卻系統(tǒng)、刀具與刀具接口以及控制系統(tǒng)等許多關(guān)鍵數(shù)控部件的設(shè)計制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。 高功率高轉(zhuǎn)矩主軸從金屬切削加工基本原理可知，對金屬材銑削加工時有： 式中r：mrr——金屬切除率，cm3/min； ae——切寬WOC，mm； ap——切深DOC（軸向切深，Axial Depth of cut）， mm； fZ——每齒進給量，mm/刃轉(zhuǎn)； z——刀齒數(shù)； n——主軸轉(zhuǎn)速，r/min； PS——主軸功率，kW； T——主軸轉(zhuǎn)矩，Nm； MRF——金屬切除指數(shù)（Metal Removal Factor），cm3‧min-1/kW； SPF——主軸功率指數(shù)（Spindle Power Factor），kW/cm3‧min-1；且F = n fZ z （mm/min），F(xiàn)為加工進給率。從式（1）與（2）可看出，為取得高金屬切除率mrr，作為鈦合金材HEM-HSM加工的數(shù)控機床之主軸首先應(yīng)具有足夠高的功率。目前，對鈦合金材（Ti-6-4）主軸功率指數(shù)SPF典型為0.06kW/cm3‧min-1，為典型鋁合金材的4倍。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，綜合考慮到刀具使用壽命、機床特性、加工精度和加工質(zhì)量等諸多因素的約束，目前銑削鈦合金材（Ti-6-4）所能取得的金屬切除率mrr約40~700cm3/min（典型100~400cm3/min），僅為鋁合金材的5~10%。因而，加工鈦合金材時所需的主軸功率可能反而比加工鋁合金材時低，盡管其SPF高于鋁合金材。加工如鈦合金材時主軸功率為22.5kW，而加工如鋁合金材時主軸功率為70 kW比較合適的。目前，用于鈦合金材零件HEM-HSM切削加工的數(shù)控MC機床，其典型主軸功率為30~60kW，并呈現(xiàn)出逐年提高的趨勢，目前最高已超過100kW。 同時，由式（3）可看出：對確定主軸功率，為取得大切削力（高轉(zhuǎn)矩），則應(yīng)采用較低主軸轉(zhuǎn)速（較低切削速度），或說要求主軸能提供足夠高的額定功率/轉(zhuǎn)速比，通常要求大于0.1。這就要求作為鈦合金材HEM-HSM加工的數(shù)控機床之主軸額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)不低于1,000Nm數(shù)量級。 通常，對鈦合金材HEM加工時要求主軸轉(zhuǎn)速低于1,000 r/min，典型為200~400 r/min，要求主軸轉(zhuǎn)矩300~1,500Nm；HSM加工時典型主軸轉(zhuǎn)速為3,000~8,000r/min，典型轉(zhuǎn)矩為80~250Nm。高效加工（HEM）新型鈦合金材（Ti-5-5-5-3）或航空高溫合金材則要使用更低主軸轉(zhuǎn)速，甚至低于100r/min，要求主軸能提供更大轉(zhuǎn)矩，甚至超過2,000~3,000Nm。右圖給出了目前用于鈦合金材HEM-HSM加工時較理想的主軸功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線趨勢。顯然，這是一種高功率高轉(zhuǎn)矩寬低轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線，和用于鋁合金材HEM-HSM加工的高功率高轉(zhuǎn)速寬轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線有明顯不同。正因為這種明顯差別，有人形象地將鋁合金材HEM-HSM加工機床比喻為F1賽車，而將鈦合金材HEM-HSM加工機床比喻為重型推土機。 高剛性與高動態(tài)響應(yīng)性由于加工鈦合金等難加工材時需要高功率高轉(zhuǎn)矩主軸，因而除要求主軸本身具有高剛性外，還要求機床應(yīng)比加工鋁合金材時具有更高的剛性（包括高靜剛性、高動剛性和高熱剛性）和更高動態(tài)響應(yīng)性（高定位/重復(fù)定位精度、高進給速度和高加速度）。同時要求機床坐標(biāo)軸驅(qū)動具有足夠高的驅(qū)動力，特別對帶旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸時，要求旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)能提供足夠高的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，一般要求不低于1,000Nm，典型為2,000~5,000Nm，對大重型機床甚至需要數(shù)千到20,000 Nm。 高可靠刀具接口使用高功率高轉(zhuǎn)矩主軸切削加工，則要求機床主軸刀具接口裝置具有足夠大的拉緊力和能傳遞大扭矩的能力。同時，為抑制低頻加工振蕩，也要求刀具接口裝置具有高剛性。因而，鈦合金材高效高速數(shù)控加工機床一般配置HSK~A100，典型為HSK~A125，甚至使用HSK~A160。 低頻加工穩(wěn)定性如前所述，高效率加工鈦合金或航空高溫合金等難加工材整體構(gòu)件時，僅允許使用較低的切削速度，即較低的主軸轉(zhuǎn)速（可低于100r/min）。因此，取得低頻加工穩(wěn)定性是用于鈦合金等硬合金材切削加工之?dāng)?shù)控機床所必須滿足的基本要求之一。 眾所周知，數(shù)控加工機床都存在有一自然頻率（也稱固有頻率，或剪切頻率，或共振頻率）。典型數(shù)控加工機床其自然頻率一般為低于350Hz。同時，構(gòu)成數(shù)控機床各部件的自然頻率也是不同的。一般認(rèn)為機床床身自然頻率約20 Hz，立柱約95 Hz，主軸約320 Hz。當(dāng)加工零件時，等效于刀具刀刃在周期性地敲擊機床某結(jié)構(gòu)部件，當(dāng)這種敲擊頻率接近機床某結(jié)構(gòu)部件自然頻率范圍時，就可能激發(fā)刀具產(chǎn)生顫振，進而可能發(fā)生災(zāi)難性后果。因此，為避免或抑制產(chǎn)生這種振蕩，就需要在機床設(shè)計階段改變機床結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如加厚床身，使立柱設(shè)計得更堅固，增加部件質(zhì)量并使連接更牢固等等。但對最終用戶而言，則通常僅能通過改變切削加工參數(shù)來避免這種情況產(chǎn)生。 不同數(shù)控機床和主軸裝置，其自然頻率點的范圍也是有差異的。目前，一些機床制造商開發(fā)了一種抑制加工刀具振蕩的新技術(shù)：有源阻尼系統(tǒng)（active damping），并已將之應(yīng)用在鈦合金材高效高速數(shù)控加工機床上以確保實現(xiàn)低頻加工穩(wěn)定性。有關(guān)有源阻尼系統(tǒng)技術(shù)后文將有進一步介紹。 高壓大流量冷卻系統(tǒng)盡管應(yīng)用高速切削加工可實現(xiàn)干切削或可采用MQL技術(shù)，使得數(shù)控加工機床配置液壓冷卻潤滑系統(tǒng)目前成為一個有爭議的技術(shù)問題。但是，為了有效提升設(shè)備加工生產(chǎn)率，延長設(shè)備與刀具使用壽命，改善零件加工質(zhì)量，絕大多數(shù)高速數(shù)控機床仍設(shè)計配置有完善的液壓冷卻潤滑液系統(tǒng)，特別是用于鈦合金等難加工材結(jié)構(gòu)件的HEM-HSM加工的高速數(shù)控MC機床，通常設(shè)計有高壓大流量（High Pressure High Volume，HPHV）液壓冷卻潤滑系統(tǒng)。HPHV系統(tǒng)一般包括直接貫通主軸/刀具高壓冷卻系統(tǒng)（High Pressure Through Coolant，HPTC），通過多個外部噴嘴噴射的外噴式切削刀具和工件的高壓冷卻系統(tǒng)，以保持主軸良好運行性能，快速冷卻刀具工件和沖排切屑，提高零件加工質(zhì)量，增加刀具使用壽命。高速數(shù)控加工機床液壓冷卻潤滑系統(tǒng)典型為200∼800psi（1.38∼5.5MPa），25∼80L/min。而采用HPHV冷卻潤滑系統(tǒng)的高效高速數(shù)控機床，要求大于720psi（5MPa），常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為 1,000∼2,000psi（7∼14MPa），當(dāng)壓力為1,000psi時，一般要求流量不低于30L/min（8glm）。限于篇幅，本文對此不作進一步分析討論。 高裝備與制造工藝融合集成性使用較低切削速度，就意味著加工鈦合金材構(gòu)件需要較長的加工周期。通常對鈦合金Ti-6-4零件加工時間典型為普通鋼零件的2~4倍，是典型鋁合金材的10~12倍，而加工Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 和Ti-10V-2Fe-3Al 新型鈦合金材零件一般又比加工Ti-6-4鈦合金材要長一倍時間。這就導(dǎo)致鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件切削加工生產(chǎn)率低，加工成本較高。因此，為提高鈦合金材零件切削加工生產(chǎn)率，降低加工成本，適應(yīng)批量定制生產(chǎn)，許多數(shù)控機床制造商將托盤化加工，或多主軸加工，或多工作臺（區(qū)）加工，或銑車復(fù)合加工，或輕硬合金材復(fù)合加工等制造工藝技術(shù)融合集成在鈦合金材高效高速數(shù)控加工機床上，以提高加工生產(chǎn)率，降低加工成本。后文對此將有進一步討論。