铝合金高效高速数控加工机床新成果

铝合金高效高速数控加工机床新成果

高效高速加工技术（HEM-HSM）实际上是一种工序复合化高速加工技术，即在一台高功能高速数控加工中心（MC）机床上，实现对零件高金属切除率mrr （metalremovalrate）的高速粗加工/高速半粗加工（HEM）和高零件表面积切除速率的高速半精加工/高速精加工（HSM）多种工序的复合加工，和常规切削加工和典型高速加工技术（HSM）相比，HEM-HSM加工具有明显的优势，是一种高加工生产率与高加工质量集成融合的高速加工技术。能实现这种一次装夹完成粗精工序复合加工（HEM-HSM）的高速数控加工机床可称为高效高速数控加工机床。

现今，用于HEM-HSM加工应用的高效高速数控MC机床多为五轴联动和配备有高功率高转速/高转矩主轴，并已成为许多航宇制造业用户特别关注的现代化先进关键制造装备之一。“目前许多世界着名的数控机床制造商都为航宇制造业推出了多种类型用于大型铝合金材和钛合金材整体结构件HEM-HSM加工应用的五轴联动高速数控MC机床，实现高效率高速粗加工和高质量高速精加工的良好融合，满足用户对高生产率大型高速加工设备的迫切需要。”国际模协秘书长罗百辉指出，用于诸如铝合金等轻合金材的HEM-HSM加工设备和用于诸如钛合金等硬合金材的HEM-HSM加工设备具有较大的不同。近10多年来，适用于轻负载切削的高功率高速主轴和高速刀具设计制造技术取得了显着进步，同时对铝合金材HEM-HSM加工技术及其工程应用研究也已比较成熟，因而铝合金高效高速数控MC机床在航宇制造业得到较广泛应用。

铝合金材HEM-HSM加工需要高功率高转速主轴

用于大型铝合金材航宇整体结构件HEM-HSM加工应用的高速数控MC机床，机床主轴应具有足够高的功率、转速、适当转矩和足够宽的可调控的转速范围，也就是说要求机床主轴功率/转矩每转速特性应适合于航宇铝合金等轻合金材的高效高速切削加工之工艺要求。从金属切削加工基本原理可知，对金属材工件铣削加工时有：

mrr=PS×MRF=aeapzfZn×10-3（cm3/min）(1)

PS=SPF×mrr（kW）(2)

PS/n=T/9555≈T×10-4(3)

这儿，mrr：金属切除率，cm3/min；PS：主轴功率，kW；MRF：金属切除指数（MetalRemovalFactor），cm3?min-1/kW；ae：切宽WOC（径向切深，RadialDepthofCut），mm；ap：切深DOC（轴向切深，AxialDepthofCut），mm；fZ：刀每齿进给量，mm/刃转；z：刀齿数；n：主轴转速，r/min；SPF：主轴功率指数（SpindlePowerFactor），kW/cm3?min-1；且SPF=1/MRF；T：主轴转矩，Nm。

从式（1）与式（2）可看出，为取得高金属切除率mrr，作为HEM-HSM加工应用的高速数控MC机床之主轴首先应具有足够高的功率。典型铝合金材（如7075）主轴功率指数SPF为0.015kW/cm3?min-1。对功率60~120kW电主轴，一般可具有金属切除率mrr达4000~8000cm3/min的高切削能力。

工业实践表明，铝合金材相对可加工性系数Kr一般大于3（2.0~7.5），属很容易切削材，同时高速切削时所需的切削力比常规切削要低30~50%以上。而从式（3）可清晰看出，在确定的高主轴功率场合下，这就要求主轴应具有足够高的转速才能和低切削负载加工应用相适应。实际上，这正是铝合金材采用HSM 实现高速精加工或半精加工的典型应用场合，即要求主轴运行在高功率高转速区。如对铝合金材的HSM精加工应用场合，一般要求主轴转速高于18000r/min，典型为18,000~35,000r/min；通常，HSM半精加工主轴转速为18,000~24,000r/min，HSM精加工主轴转速为24,000~35,000r/min；主轴转矩不低于5Nm即可，典型值为10~50Nm。

从式（3）还可看出，对确定的主轴功率，主轴转速和转矩是为相互制约的一对参数。为此，如适当降低主轴转速可获得较高主轴转矩，或说可产生较大加工切削力，而这又正是铝合金材采用HEM实现高效高速粗加工的典型应用场合。如作为铝合金材的HEM粗加工应用场合，一般要求主轴转速不高于15,000r/min，通常HEM粗加工主轴转速为10,000~14,000r/min，HEM半粗加工主轴转速为14,000~18,000r/min，主轴转矩要求在50~150Nm。

这就是说，用于大型铝合金材航宇整体结构件HEM-HSM加工应用的高效高速数控MC机床应配置高功率高转速的电主轴，其功率通常高于40~120kW（取决于需求的金属切除率mrr），转速可控范围应宽于数千至数万r/min；转矩多在20~150Nm，最大功率/转速比在0.01数量级（0.005~0.015），切削速度1500~6000m/min，切削力多为数百到1000N，加工进给速度10~20m/min，金属切除率mrr达4000~8000cm3/min，典型刀具接口为HSK-A63。

德国著名电主轴制造商MN公司生产的HCS230-22,000/120高速电主轴可作为此类电主轴的一个典型实例，其功率/转矩-转速特性曲线如图2所示。该高速电主轴额定功率120kW（S6-40%：155kW），额定转矩84Nm（S6-40%：108Nm），基速13,800r/min，最高转速22,000r/min，最大功率/转速比0.011，刀具接口HSK-A80，主轴轴向刚性达160N/μm，径向刚性496N/μm。此外，诸如瑞士IBAG、FISCHER、RENAUD、德国IMT、JAGER和意大利OMLAT等许多数控机床电主轴制造商都能提供这类用于诸如铝合金等轻合金材HEM-HSM应用的高功率高速电主轴，并在高速数控机床上得到了广泛实际应用。如意大利OMLAT公司高速电主轴OMC-230-230/635也具有和图2相类似的功率/转矩-转速特性曲线，额定功率80kW（S6-60%：100kW），基本转速12,000r/min，基本转矩

64NmS6-60%：80Nm），最高转速达24,000r/min，最大功率/转速比0.008，设计有HSK-A63刀具接口。这儿就不一一列举了。