为钛合金加工选择最合适的机床及其加工策略

　　在未来几年中，为什么对钛合金的加工需求会如此快速地增加？因为在不久的将来，这种材料在飞机中的使用量将大幅度上升。

　　事实上，正如波音公司的Steve Lovendahl先生所指出的那样，其在波音787飞机中使用的钛合金量已超过以前所有波音机型的钛合金使用量的总和。与此同时，这一飞机制造商的竞争对手也同样在飞机中充分地使用钛合金材料，还有新型军用飞机，也在大量地使用着钛合金。当所有这些飞机全部进入满负荷生产时，对钛合金零件的需求量将远远超过目前飞机供应链中现有的钛合金加工能力。

　　因此，对于加工行业的供应商而言，钛合金材料的加工目前显然是一个千载难逢的大好时机。

　　然而，Lovendahl先生说，在充分利用这一机会之前，这些供应商中的大多数需要重新审视自身的加工方法和资源途径。他说，只有通过重新审核，才有可能针对实际需要来选购新的机床。加工车间应该认识到这一点。然而，未必一定要订购一台价格昂贵的机床，应根据实际情况而定。

　　钛合金是一种特殊的材料

　　Lovendahl先生是Oregon州Portland市波音公司大型加工厂的一名生产专家。他和其他波音公司的工程师们在这里集中精力，向有关复杂的硬质金属结构件的加工发起了挑战，他们为解决这些挑战问题而提出的解决方案，往往可以与该公司的供货商们共同分享。他说，他自己的工作单位也经常探讨这个问题：对于一种特定的钛合金零件，究竟应该选用什么类型或什么水平的加工中心才是正确的选择。

　　例如，在需要加工波音787发动机前座的情况下，Portland工厂的工作人员，就会在最初的时候，将重点集中在寻找可供选用的和刚性最好的加工中心上。这种钛合金工件大多要求采用强力铣削的加工方式，其要求非常高，以至于他们希望通过机床的刚性来确定加工这一工件究竟能达到多高的效率。然而，根据对这一零件最好的加工操作所做出的一项分析，包括一些新颖的切削策略，表明了其对扭矩的要求一定是很高的，但其最高需求的扭矩仍然在标准机床所提供的性能范围之内，基本上与波音公司目前已在生产中使用的机床相同。

　　然后是发动机尾座的加工。这一部件的加工需要刚性极高的一台机床。在这里，对加工操作的分析显示，要求机床达到顶级切削扭矩，这超过了任何候选机床所能达到的水平。但机床制造商三井精机公司（Mitsui Seiki）做出了回应，他们将改变其现有HS6A型重型加工中心的设计，以满足这一扭矩需求。

　　Lovendahl先生说，对所需机床的加工能力进行这种分析是十分关键的，而且也是相当容易的。采用任何机械师都可获取的公式，就可以对加工操作进行逐一评价。他说，凡是涉及到价值较高的钛合金部件，这种分析可能会明确地指出，其加工需要采用一台新的机床，这主要是因为在航空航天供应链中的加工车间，常常没有适合于钛合金加工的这类设备。相反，他们却往往拥有专门用于铝材切削加工的设备。

　　钛合金是一种不同的材料。这一点看起来似乎是非常明显的，而且也是非常重要的。对于一个大型铝制工件来说，其最重要的机床加工参数（除了机床的行程之外）可能涉及到主轴的转速和驱动马力。相反，对于钛合金零件的加工而言，其最重要的参数则是主轴的扭矩以及钻削加工时冷却液沿着推力方向上的传送量。以前，机加工车间对于钛合金加工所需的相应机床参数，也许从来没有仔细地考虑过。

　　Lovendahl先生说，也许有人希望成为这样的一个人：跑到老板的面前说，加工车间是不是需要添置一套新的加工设备？不过，他仍然认为应该按照许多加工车间所希望的那样去做，而不是通过一些已经被验证了的那种不太理想的工艺去加工生产钛合金零件，如果试图以这种方式为工业的变化提供服务，那么最终付出的代价将会更大。

　　刀具第一

　　Lovendahl说，根据分析表明，实际上，在寻求最合适型号的加工机床时，首先应该从刀具开始考虑。

　　加工车间往往先从机床开始考虑，而不是先从适合于该工件加工的机床用刀具开始考虑。然而，对于一个飞机上使用的钛合金零件而言，或对于任何其他大型和具有挑战性的高价值零件而言，其更富有成效的生产方法是：首先确定最适合于这一零件粗加工、精加工和钻削加工的刀具以及加工策略，然后再通过那些选用机床所需的切削参数，看一看究竟应推荐使用哪一种机床。

　　他说，这一工作不一定由加工车间单独完成。在工艺开发过程中，波音公司将与其供应商共同合作。当然，刀具公司本身提供的资源也是十分宝贵的。具有更丰富知识的刀具供应商能够提供适合于这一零件各种加工特点的高金属切削率的刀具，以及有效使用这些刀具的正确方法和参数。

　　分析是直接从这里开始的。对于各种不同的操作和刀具而言，首先应该考虑的是其理想的切削深度和进给速度，以及其材料系数和其他一些输入数据，然后由加工车间计算出每一次主要的机加工操作所需的驱动马力和扭矩，以及每一次钻削运动时所需的推力。Lovendahl先生说，这样做至少可以提供两个很有价值的好处：其中一个好处是可以简化搜寻合适加工机床的过程，要么是选用一台新的机床，要么就是选用车间里现有的一台设备。数据表中的这些数据就可以清楚地说明应该选用什么样性能的机床才能适合这一工件的加工。

　　另一个好处是，通过分析，也许能揭示出刀具和操作清单中的哪一个步骤应该让路。例如，有可能数据表中只有某一行数据表明，扭矩要求远远高于该工艺的其他扭矩要求。那么重新改变这一步骤，同时尽可能提高其余90%的金属切削效率，这也许能够使加工车间在某些更容易获取的机床上应用这一流水生产工艺。第三个好处正如过去波音公司在加工发动机尾座时的情况一样，如果无法立即获取适当的加工机床，超过了某一极限，那么起主要作用的就不只是主轴的性能了，就要涉及到机床的系统刚性问题。一种刚性好的结构，必须能够支持高扭矩主轴。Mitsui Seiki美国公司的总裁Scott Walker先生说，在这一应用领域，要达到波音公司的要求，需要在一定程度上关注机床的低频动态刚性，他认为这一刚性应超越任何其他机床已经达到的设计水平。该公司进一步优化了加工中心的设计，尽可能降低机床的振动，这一点在以前一直是非常重要的，甚至在强力切削条件之下。现在， 因这一加工项目而购置的HS6A型机床，能够在6342钛金属的切削加工中，达到262.2cm3/min(16in3/min）的金属切削率，这主要是因为波音公司选用的刀具和加工策略使这一零件的加工成为可能。目前，在波音公司的Portland工厂共有5台这样的加工机床，其中两台专门用于飞机发动机尾座的粗加工，而其余三台专用于这些部件的精加工。

　　足够接近

　　Lovendahl先生说，其中有一个主要误解妨碍了加工车间以他所描述的方式开发他们的加工工艺，他们首先提出了对加工操作的规范要求，然后再选用机床，他们认为在事先不可能精密地制订出一项工艺规范。例如刀具的磨损就是一个变量，它对某一特定切削加工真正需要多大的扭矩有很大的影响。

　　然而，并不要求达到这一等级的精度水平。但选用合适的机床确实是至关重要的，尽管选择的要求不那么严格。

　　与其说是在机床中精确地选用最合适的，还不如说加工车间更愿意由自己在通用型机床中按照其加工能力和性能寻找和选用合适的机床。在合适的环境条件下，这些等级中的任何机床都可能是正确的选择，有时候，所有这些机床都可以加工高价值的零件。因此，即使在这些普通级别的机床中选择，对于加工车间来说可能是困难的，其选用的机床不是水平太低，就是价格太高，不符合实际要求。

　　简而言之，对所需机床性能的分析是必要的，很简单，其主要目的是为了找到适合于该应用领域加工所需的机床。他说，如果没有数据，要更好地达到这一目标是不容易做到的。

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