高速加工技術（hem-hsm）實際上是一種工序復合化高速加工技術，即在一臺高功能高速數控加工中心（mc）機床上，實現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）多種工序的復合加工，和常規(guī)切削加工和典型高速加工技術（hsm）相比，hem-hsm加工具有明顯的優(yōu)勢，是一種高加工生產率與高加工質量集成融合的高速加工技術。能實現這種一次裝夾完成粗精工序復合加工（hem-hsm）的高速數控加工機床可稱為高速數控加工機床。
現今，用于hem-hsm加工應用的高速數控mc機床多為五軸聯動和配備有高功率高轉速/高轉矩主軸，并已成為許多航宇制造業(yè)用戶特別關注的現代化*關鍵制造裝備之一。為此，許多世界著名的數控機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構件hem-hsm加工應用的五軸聯動高速數控mc機床，實現率高速粗加工和高質量高速精加工的良好融合，滿足用戶對高生產率大型高速加工設備的迫切需要。
應指出的是，用于諸如鋁合金等輕合金材的hem-hsm加工設備和用于諸如鈦合金等硬合金材的hem-hsm加工設備具有較大的不同。近10多年來，適用于輕負載切削的高功率高速主軸和高速刀具設計制造技術取得了顯著進步，同時對鋁合金材hem-hsm加工技術及其工程應用研究也已比較成熟，因而鋁合金高速數控mc機床在航宇制造業(yè)得到較廣泛應用。
本文將僅對用于鋁合金材大型復雜整體構件高速數控mc機床的應用現狀和發(fā)展作一討論與介紹。
鋁合金材hem-hsm加工需要高功率高轉速主軸
用于大型鋁合金材航宇整體結構件hem-hsm加工應用的高速數控mc機床，機床主軸應具有足夠高的功率、轉速、適當轉矩和足夠寬的可調控的轉速范圍，也就是說要求機床主軸功率/轉矩每轉速特性應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（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：刀每齒進給量，mm/刃轉；z：刀齒數；n：主軸轉速，r/min；spf：主軸功率指數（spindle power factor），kw/cm3?min-1；且spf = 1/ mrf； t：主軸轉矩，nm。
從式（1）與式（2）可看出，為取得高金屬切除率mrr，作為hem-hsm加工應用的高速數控mc機床之主軸首先應具有足夠高的功率。典型鋁合金材（如7075）主軸功率指數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，這就要求主軸應具有足夠高的轉速才能和低切削負載加工應用相適應。實際上，這正是鋁合金材采用hsm實現高速精加工或半精加工的典型應用場合，即要求主軸運行在高功率高轉速區(qū)，見圖1。如對鋁合金材的hsm精加工應用場合，一般要求主軸轉速高于18000 r/min，典型為18,000~35,000 r/min；通常，hsm半精加工主軸轉速為18,000~24,000 r/min，hsm精加工主軸轉速為24,000~35,000 r/min；主軸轉矩不低于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，主軸轉速和轉矩是為相互制約的一對參數。為此，如適當降低主軸轉速可獲得較高主軸轉矩，或說可產生較大加工切削力，而這又正是鋁合金材采用hem實現高速粗加工的典型應用場合。如作為鋁合金材的hem粗加工應用場合，一般要求主軸轉速不高于15,000 r/min，通常hem粗加工主軸轉速為10,000~14,000 r/min，hem半粗加工主軸轉速為14,000~18,000 r/min，主軸轉矩要求在50~150 nm。
這就是說，用于大型鋁合金材航宇整體結構件hem-hsm加工應用的高速數控mc機床應配置高功率高轉速的電主軸，其功率通常高于40~120 kw（取決于需求的金屬切除率mrr），轉速可控范圍應寬于數千至數萬r/min；轉矩多在20~150nm，zui大功率/轉速比在0.01數量級（0.005~0.015），切削速度1500~6000m/min，切削力多為數百到1000n，加工進給速度10~20 m/min，金屬切除率mrr達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/轉矩-轉速特性曲線如圖2所示。該高速電主軸額定功率120kw（s6-40%：155kw），額定轉矩84nm（s6-40%：108nm），基速13,800 r/min，zui高轉速22,000 r/min，zui大功率/轉速比0.011，刀具接口hsk-a80，主軸軸向剛性達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等許多數控機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應用的高功率高速電主軸，并在高速數控機床上得到了廣泛實際應用。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/轉矩-轉速特性曲線，額定功率80kw（s6-60%：100kw），基本轉速12,000 r/min，基本轉矩64nm s6-60%：80 nm），zui高轉速達24,000 r/min，zui大功率/轉速比0.008，設計有hsk-a63刀具接口。這兒就不一一列舉了。
圖2 高功率高轉速電主軸特性曲線
鋁合金材立式高速數控加工機床
*，機械切削加工機床裝備是實現切削加工工藝的基本平臺。因此，為適應大型零件hem-hsm加工工藝要求，立式hem-hsm數控mc機床多繼承了傳統(tǒng)高速加工機床可使運動部件輕量化的“箱中箱”（box in box）結構設計，對傳統(tǒng)大型龍門結構機床采用一種高架立柱過橋式橫梁主軸部件可移動的、對稱式機床結構設計（簡稱“高架橋式龍門移動”結構），見圖3。這種結構機床，龍門立柱和工作臺是不動的，x/y/z軸運動分別由橫梁、主軸溜板部件來完成，a（b）、c軸運動則集中在主軸頭上來實現。高架橋式龍門移動結構設計機床優(yōu)點在于：
?機床結構具有較好開放性，且直接通過刀具實現五軸運動（工件不運動），適合加工大型零件；
?坐標運動部件質量輕，不但適合于高速移動，并且剛性好；
?對稱結構設計，有利于減輕溫度熱變形影響，提高了精度；
?所有導軌表面均高于刀具切削點，有利于導軌表面清潔保持，延長了導軌使用壽命；
?采用適當集成化電主軸銑頭裝置，可實現5坐標聯動和多面體加工于一臺機床上；
?設備占地面積減少；需要時x向行程容易加長。
這種大型hem-hsm數控mc機床在航宇制造業(yè)中已得到了較廣泛的應用，成為加工大型飛機整體結構件的關鍵設備。世界許多著名機床制造商都推出了用于鋁合金材hem-hsm加工的立式高速數控mc機床，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機床公司新近為航空飛機制造業(yè)推出的hypermach五軸數控型面銑削中心，可用于實現大型復雜飛機鋁合金材的hem-hsm切削加工。該機床為高架橋式龍門移動結構，工作進給速度60m/min，快速移動速度100m/min，配置有集成化a/b或a/c旋轉軸的大功率主軸頭，其功率/轉矩-轉速特性能與圖1要求相適應。帶a/b軸主軸頭標配主軸額定功率100kw（s6-40%：125kw），轉矩79nm（s6-40%：99nm），基速12,000r/min，zui高轉速18,000r/min，刀具接口hsk-a100；或可選配主軸額定功率60kw，轉矩29 nm，基速20,000r/min，zui高轉速30,000r/min，刀具接口hsk-a63。帶a/c軸主軸頭標配主軸額定功率60kw，轉矩29 nm，基速20,000r/min，zui高轉速30,000r/min，刀具接口hsk-a63；或可選配主軸額定功率85kw（s6-40%：91kw），轉矩85 nm（s6-40%：106 nm），基速9600r/min，zui高轉速20,000r/min，刀具接口hsk-a100。據cincinnati公司宣稱，在hypermach機床上加工一鋁合金材大型飛機薄壁零件，僅費時30min。同樣的零件若在典型高速銑床上加工需3hr，而在普通數控床則需8hr以上。波音公司就購置有這種高速五軸數控加工機床用于加工c-17軍用運輸機和波音787民用客機的如框、肋、壁板和梁等大型鋁合金材整體結構件，其金屬切除率mrr可高達7374cm3/min，即每分鐘可產生約20kg鋁合金切屑。
圖3 hypermach立式五軸數控型面銑削中心
據報道，俄羅斯聯合航空公司（uac）花費約900萬美元從cincinnati公司購買了一臺v1200鋪絲機和2臺額定功率85kw和zui高轉速20,000 r/min的單主軸hypermach機床（一臺床身長12.6m，另一臺18.2m）用于ms-21 系列客機結構件的制造。
圖4所示為著名數控機床制造商德國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控mc機床，機床zui大長度可達47,000mm，zui寬達5400 mm，z坐標可任選1000/1200/1500mm；直線軸快速移動速度50m/min，加速度0.5g。其結構特點是設計有兩個z向滑板，各帶一個y向銑頭，銑頭可獨立y向運動。采用這種結構，兩滑板在y和z向可自由移動且相互獨立。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。機床設計有集成化a/c旋轉軸的主軸頭，配置有和圖2特性曲線相類似的高功率高轉速電主軸，連續(xù)功率可任選為45/70/100kw，zui高轉速30,000/30,000/18,000r/min，刀具接口hsk-a63/ a100，可實現hem-hsm加工大型復雜飛機鋁合金材、復合材料和薄鋼板結構件。據報道，對鋁合金材零件加工場合，每個主軸金屬切除率mrrzui高可達約可達約8000cm3/min。
圖4 gantry ts雙主軸五軸數控mc機床
圖5所示為另一家著名數控機床制造商德國zimmermann公司新推出的fz-100高架橋式龍門移動式六軸高速數控mc機床。該機床x/y/z三直線軸行程可達2800~7800/2900~3900/1250~2000mm，進給率60m/min，加速度為0.4g。機床zui大特點是配置有*設計制造的、具有ab擺動軸和c旋轉軸的高剛性與高精度的集成化主軸銑頭m3 abc，從而可實現6軸數控加工。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)新性地設計了第3旋轉軸，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，其轉矩達825/1200/1200nm，夾緊力2000/2000/3000n，進給率180/120/120度/s，配置有連續(xù)功率60kw，轉矩95nm，基速6000r/min，zui高轉速22,000r/min電主軸，刀具接口hsk-a63。同時，b軸采用弧形導軌的設計使得銑頭在增加b軸時仍能保持結構的緊湊性。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五軸聯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構件時具有明顯的優(yōu)勢，可大幅度減少加工時間，改善零件粗糙度。a/c軸大的旋轉角度范圍，使得該三軸銑頭不僅能實現五軸聯動加工，而且能實現五面體加工。
圖5 六軸高速數控mc機床fz-100
fz-100機床除配置有*的siemens 840d數控系統(tǒng)外，為使fz-100機床六軸數控加工更有效，還配置有siemens公司為fz-100研發(fā)的空間位置誤差補償系統(tǒng)（vcs ），可進一步提高設備的加工精度。據報道，fz-100在沒有進行vcs時補償的情況下空間位置精度為150μm，而進行了vcs后在6.5×3×1.5m空間內可提高到50μm的高精度。可以預見，vcs技術必將在大型高速數控機床上得到更廣泛應用。