钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展

钛合金立式高效高速数控加工机床

　　大型立式五轴数控龙门结构型面铣削加工中心机床，用于加工大型铝合金材飞机整体构件时其良好开放性受到航宇制造业用户的青睐，得到了广泛应用。同样，许多数控机床制造商继承了这类机床的结构设计技术，推出了用于钛合金材整体构件HEM-HMS加工的大型立式五轴数控龙门结构型面铣削加工中心机床。

　　大型数控机床制造商意大利JOBS公司新推出的专用于大型钛合金材HEM-HMS加工的立式五轴数控龙门加工中心Tarkus可作为这类机床的一典型实例。该机床主要用于钛合金、不锈钢和航空高温合金等硬合金的切削加工，最大特点是：机床龙门采用了全封闭立卧双框结构（ Dual-Frame HV structure ）， 其X向龙门框架为固定的，通过工作台移动实现X轴运动，工件在龙门架之下，Z向龙门框架可上下移动实现Z轴运动。主轴装置在Z向上没有任何可移动的部件，主轴Z向运动就像机床本身在运动一样。这样，刀具切削点无论是远离还是接近工作台面，对主轴装置而言都是一样的，确保了在整个Z轴行程内的高精密加工品质。同时，这种立卧双框结构设计可提高机床结构刚性，减振性能优良，工作稳定。Tarkus机床配有机械驱动与液压夹紧的高刚性带两旋转轴的主轴铣头T35，A摆动轴+120°/-15°，C旋转轴360°连续，主轴功率42kW，转矩1,470Nm，基速270r/min，最高转速4,000 r/min，刀具接口HSK-A100。机床采用了全封闭防护结构设计，X/Y/Z工作行程3,300（4,500）/2,100/1,000mm，进给速度32m/min；工作台面3,000×1,500mm，配置有70bar高压冷却润滑系统。铣头液压夹紧力达10,000Nm，可满足3坐标大负载加工应用需求。

Tarkus立式五轴数控龙门加工中心

　　著名的高速数控机床制造商德国Handtmann公司也为航空制造业新推出了专用于钛合金材HEM-HMS加工的立式龙门加工中心UBZ titanium。UBZ Ti机床采用模块化设计技术，为固定龙门架和移动工作台/托盘结构，X/Y/Z直线轴行程13,500/3,500/1,500mm，最大进给速度20m/min，加速度2m/s2，最大工作台面达12,000×2,000mm。机床配有带A摆动轴（+185°/-30°）和C旋转轴（±185°）的高刚性高转矩叉式主轴铣头，A/C轴由力矩电机驱动，使用液压夹紧锁定。主轴电机功率63kW（S6：80kW），转矩2,150Nm（S6：3,100Nm），最高转速6,000r/min，刀具接口HSK-A100或ISO 50，并配有高达200bar高压大流量切削冷却润滑系统。此外，机床设计有全封闭安全防护装置和防撞击安全玻璃，具有良好视线性；设计新颖的人性化上下料准备区，可方便地从上方或左右两边进行工件加、卸载。

UBZ titanium立式龙门加工中心机床

多主轴钛合金立式高效高速数控加工机床

　　实现钛合金材整体结构件高生产率批量生产加工已是航空飞机制造业所迫切需求的。为此，一些大型数控机床制造商采用配置多主轴实现并行加工技术来取得高生产率批量生产加工。美国MAG Cincinnati机床公司为航空制造业新推出的专用于钛合金材加工的Ti-Profiler多主轴大型五坐标数控龙门移动式铣床可作为一典型实例。Ti-Profiler机床标准配置为3个主轴，可任选配4个或5个主轴，主轴最大/最小中心距为2,032/1,016mm；每个主轴连续功率51kW，转速40～3,500r/min，基速193 r/min，转矩2,520Nm，设计有HSK-A125刀具接口。主轴最大功率/转速比高达0.25，为典型铝合金材高速数控MC机床的10多倍。机床3～5个主轴共享XYZAB轴编程，可同时加工3～5个同样零件，X/Y/Z轴行程8,230/3,149/711mm，进给速度达15/10/5m‧min-1，且X轴行程可扩展，最长可超过35m，AB轴行程±30°；进给速度3,000/min。

Ti-Profiler多主轴大型五座标龙门移动式铣床

　　Ti-Profiler机床和该公司同系列宽范围大型五轴龙门移动式铣削中心机床Wide-Range Profiler相比，主轴转矩几乎提高了一倍，因而具有更高加工效率。据报道，在Ti-Profiler机床上使用直径76mm的CYCLO CUT 高速钢端铣刀粗加工钛合金材，金属切除率mrr达328cm3 /min，且刀具寿命可达到480min。Wide-Range Profiler机床配置有连续功率为52kW，转速40～7,000r/min，基速370 r/min，最大转矩1,342Nm，刀具接口为HSK-A100的主轴，X/Y/Z进给速度为10/10/2.5m•min-1，可用于钛合金和钢等硬合金材结构件的高效高速切削加工，也可用于铝合金高效切削加工。

　　诸如波音、Spirit（斯匹里特）航空系统公司、乌拉尔波音制造工厂（Ural Boeing Manufacturing，UBM）等许多大型飞机结构件制造商都购置Ti-Profiler系列机床。据报道， 在UBM工厂装备有多达6台Ti-Profiler机床，主要用于波音公司777/787和空客A380 /A350WXB 大型客机高强度钛合金起落架传动装置结构件的HEM-HSM切削加工。

钛合金卧式高效高速数控加工机床

　　在高效高速加工应用场合，和立式机床相比，卧式数控加工机床具有明显的优势：

（1）由于采用悬挂式工件装夹，有利于切屑掉落排送，能有效减少切屑二次切削和工件二次热变形，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。

（2）有利于高压大流量液压冷却系统更有效发挥作用，加快排屑，保持机床运行精度，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。

（3）卧式机床容易设计与实现全封闭防护，实现高自动化运行，并具有更好的刚性。

　　因此，许多新推出的钛合金高效高速加工机床多采用卧式结构。美国MAG Cincinnati公司为航宇制造业新推出的专用于大型钛合金整体构件高效高速加工的HyperMach H4000 GTi 卧式五轴数控型面铣削中心可作为一典型实例。HyperMach GTi机床适用尺寸范围2×4/6/8m宽而长的钛合金整体结构件，采用固定式立柱和移动立式工作台/托盘（X轴，其余4轴为控制刀具运动）结构，固定立柱和X轴立式工作台基础床身之间通过4个柱体锁定连接在一起，成“口”字形封闭截面的构造。这种创新性结构布局设计，有利于控制机床热变形，并使得机床在重载切削加工以及在工作区上部空间位置处切削加工时能取得最大的刚性，从而可实现保持长宽工件各处的高刚性、高质量和高精度切削加工。为提高机床定位精度与刚性，X/Y/Z直线轴都采用了水冷伺服电机驱动，以消除高速运动及高加减速时产生的热量对定位精度的影响。主轴中心高压冷却系统和外部高压大流量冷却润滑系统作为机床标准配置，确保主轴高性能运行，延长刀具使用寿命，改善零件加工质量与精度，提高生产效率。

HyperMachTM H4000 GTi卧式五轴数控型面铣削中心

　　GTi机床X轴进给速度50m/min，Y轴35m/min，旋转轴A/C通过蜗轮副驱动，转速10r/min，摆动轴A± 110° 和旋转轴C为360°连续。GTi机床可配置两种齿轮化高转矩主轴：功率30kW、转矩850 Nm和最高转速6,000r/min，或者功率30kW、转矩1,050Nm和最高转速4,800r/min，其刀具接口均为HSK-A100。托盘/零件的加载设计为从机床的左边或右边或两边进行，易于实现托盘/零件加卸载自动化或集成为柔性制造单元FMC系统，实现多机床集成进行零件生产。

　　此外，用户还可选配最新空间位置误差补偿技术软件包（Volumetric Error Compensation，VEC），MAG Cincinnati公司认为，采用VEC程序可使大型机床切削加工大型零件精度提高50%。

　　近几年，日本Makino公司为航空制造业新推出了用于钛合金等难加工材的HEM-HSM加工而设计的两款高刚性卧式五数控加工中心机床HMC a81M和HMC T4，都配置有高功率高转矩主轴，前者针对中小尺寸零件，后者针对大尺寸零件而设计的。右图所示为HMC T4机床，其X/Y/Z直线轴行程为4,200/2,000/1,000mm，旋转轴A±110°，旋转轴C为360°连续。直线轴速度可达16m/min，旋转轴10r/min，加工零件的最大尺寸为4,000×1,500×700mm，承载5,000kg。T4机床最大特点是为取得高效率切削能力，配置有采用双逆变器驱动集成化AC主轴（稍后将有专门讨论），连续功率100 kW（S6-25%：150kW），连续转矩1,000Nm（S6-25%：1,500 Nm），基速955r/min，最高转速4,000r/min，刀具接口HSK-A125，功率转速比0.16，可提供最大20,000N的切削力，刀具夹紧力达100kN。为提高机床刚性与增强切削加工性能，T4机床除采用具有高功率高转矩和高夹紧力AC主轴外，还采用了高刚性结构设计技术，如其A轴采用高转矩（10,000Nm）驱动，主轴采用滚柱轴承支撑，特别设计的高刚性Y轴溜板结构等，设计有包括主轴中心冷却和外部加工区冷却的高压大流量冷却系统（7MPa，200L/min），并设计有通过平衡摩擦力与切削力来抑制低频加工震荡的有源阻尼系统。有源阻尼系统通过机床监测系统能够快速动态地改变机床运动导轨总摩擦力，从而抑制低频加工震荡。

HMC T4卧式五轴数控加工中心机床

　　据报道，在该机床上使用5齿5230VS12-A080R长刃刀具，挖槽切削加工Ti-6-4钛合金材时，切削速度74m/min，金属切除率mrr高达700cm3/min。Makino公司曾在该机床上加工一材料去除率mrr达80%，尺寸3,200×120×100mm的Ti-6-4航空结构件，仅用了不到10h时间，其中粗加工3h，使用Φ80mm 5齿玉米型嵌片铣刀，切宽52mm，切深78.4mm，切削速度61.6m/min，进给率123mm/min，最高金属切除率mrr达500 cm3/min；半精加工和精加工共7hr，使用Φ25mm 10齿整体碳钢铣刀，切宽0.5mm，切深25mm，切削速度120m/min，进给率1,100mm/min，平均mrr为14cm3/min，并使用7MPa，200L/min高压大流量冷却，加工周期缩短了75%多。该零件原粗加工需15hr，其中1hr金属切除率mrr为100 cm3/min，其余时间仅为20 cm3/min，半精加工和精加工共花费了30hr，平均mrr仅为3.3cm3/min。

　　随着航宇制造业对钛合金材整体结构件高效高速加工日益增长的需求，对用于钛合金材高速加工的主轴功率和转矩要求也越来越高，许多数控机床制造商新近推出的钛合金高效高速加工机床的主轴功率和转矩也趋向越来越高。

　　如前面已介绍的德国Handtmann公司UBZ Ti机床，其功率达63kW，转矩2,150Nm。又如MAG Cincinnati公司最新推出的 HMC 1250／1600系列五轴数控加工中心主轴功率达80kW，转矩2,600Nm；意大利JOBS公司新推出的五轴卧式数控加工中心JomaX 269可装备有功率75 kW，转矩2,500 Nm的高功率高转矩主轴；日本Mitsui Seiki公司HS6A五轴数控加工中心配置的主轴，其转矩则高达3,300Nm，切削加工Ti6342钛合金材时金属切除率可达260cm3/min。据报道，波音公司Portland（波特兰）工厂共装备有5台HS6A加工中心机床，用于切削加工钛合金材飞机发动机尾座零件（其中两台用于粗加工，三台用于精加工）。德国DST公司推出专用于钛合金材的HEM-HSM加工的新型卧式加工中心ECOFORCE 粗加工时可使用功率60 kW，转矩4,000Nm的高功率高转矩主轴进行三轴加工，金属切除率可达400～500cm3/min；而精加工时可使用功率40 kW，转矩1,100Nm ，最高转速5,000rpm的带A摆动轴和C旋转轴的高转矩叉式主轴头进行五轴联动加工，金属切除率可达100～200cm3/min。本文限于篇幅对此不作进一步介绍与讨论。

　　装备有电主轴的钛合金高效高速数控加工机床

　　目前，用于钛合金等硬合金材切削加工的主轴仍多以机械驱动主轴为主，特别是需要高金属切除率应用场合。

　　近几年，随着高功率高转矩电主轴技术的发展进步以及用户实际需求的变化，诸如瑞士IBAG、FISCHER、意大利OMLAT、德国GMN等许多世界著名数控加工机床电主轴制造商，都推出了专用于钛合金等硬合金材HEM-HSM加工的高功率高转矩电主轴，并在硬合金材切削加工领域得到了实际应用，以满足航宇制造业用户之迫切需求。表1所示为这些制造商生产的若干可用于钛合金材切削加工的高功率高转矩电主轴基本特性参数。目前，高功率高转矩电主轴主要有典型高转矩电主轴、集成化双电机高转矩电主轴和齿轮化高转矩电主轴三种。

表1若干高功率高转矩电主轴基本特性参数

典型高功率高转矩电主轴

　　全球著名的电主轴制造商意大利OMLAT（欧姆莱特）公司的高功率高转矩电主轴OMC-340-340/1350可作为一个典型实例，其电主轴功率/转矩每转速特性曲线见下图左所示。主轴额定功率45kW（S6：52kW），基速520 r/min，转矩830Nm（S6：973Nm），最高转速为6,000r/min，最大功率/转速比达0.1。该电主轴在1,000（3,000）r/min时连续转矩仍可保持近400（150）Nm。这些高转矩电主轴主要用于钛合金、钢和高温合金等硬合金材的HEM-HMS切削加工。使用油润滑技术的OMC-340电主轴有较宽可调控的转速，最高转速可达10,000r/min，且此时转矩可保持约40Nm（S6：50Nm），因而还可用于诸如铝合金等轻金属的HSM切削加工。另一家全球著名的电主轴制造商德国GMN公司新推出的用于钛合金的HCS280g-6000/31电主轴具有和OMC-340-340/1350相似功率/转矩每转速特性曲线，见下图右。

典型电主轴功率/转矩—转速特性曲线

　　现今，典型高功率高转矩电主轴在钛合金材HEM-HSM数控加工机床上已得到了越来越多的实际应用。如世界著名大型数控机床制造商美国Ingersoll公司生产的用于钛合金等硬金属材加工的H22-3R卧式数控加工中心机床就采用了前面已介绍的意大利OMLAT公司的高功率高转矩电主轴OMC-340-340/1350。此外，该公司为航空制造业推出了大型高效高速卧式五坐标数控型面铣中心机床PowerMill MT，可配置功率高达106kW、转矩858Nm、基速1,180r/min和最高转速8,000r/min的电主轴，用于钛合金等硬合金材整体结构件的HEM-HSM切削加工。

PowerMill MT钛合金卧式五轴数控型面铣中心

　　全球著名的数控MC机床专业生产企业——意大利MCM SPA公司，其多款3～5轴数控MC机床的主轴都采用了电主轴技术。其中Jet Five五轴卧式数控MC机床，就是为满足航空飞机制造业高生产率切削加工高强度钢、钛合金材和航空高温镍基合金结构件而设计制造的。机床配置有连续功率达60kW（S6：75kW），连续转矩615Nm（S6：1,000Nm），最高转速6,000r/min，最大功率/转速比达0.105，刀具接口HSK-A100的高功率高转矩低转速电主轴，实现了在主轴功率/转矩/转速特性曲线整个速度范围内，能同时满足对硬合金材的HEM和HSM加工应用需要。该机床X轴为立柱左右移动，Y轴为主轴头在立柱上作上下移动，Z轴为工作台前后移动；X/Y/Z轴行程3,000/1,700（A轴0°时为2,000mm）/2,000mm，快速进给速度40m/min，定位精度/重复定位精度10μm/5μm；摆角A轴+85°/90°，夹紧力矩10,000 Nm；B轴为360°连续旋转工作台，8r/min；旋转轴定位精度/重复定位精度6”/4”；并设计有大容量刀库（标配148，可扩展至999），换刀时间12s。

　　前面已介绍的大型数控机床制造商意大利JOBS公司Tarkus铣削中心机床还可配置JOBS公司产品最常使用的五坐标机床集成化电主轴铣头T3K，其A摆动轴+95°/-120°，C轴±200° 连续，主轴功率44kW，转矩200Nm，最高转速15,000 r/min，刀具接口HSK-A100，主要用于铸模和冲模的高速精铣削加工，但也可用于钛合金和铝合金材加工。

集成化双电机高转矩电主轴

　　下图为全球著名电主轴制造商瑞士IBAG公司的HF300AI 10电主轴功率/转矩/转速特性曲线。实际上，这是一种通过多绕组电机线圈设计和采用两套逆变器控制技术而将两个不同功率/转矩/转速特性的电机集成在一起，即实现了集成化双电机设计：星形连接电机功率50kW，转矩318Nm，基速1500r/min，最高转速2,820r/min；三角形连接电机功率50kW，转矩183Nm，基速2,600r/min，最高转速12,000r/min。实际使用效果等效于一功率50kW，转矩318Nm，基速1,500r/min，最高转速12,000r/min的电主轴，从而获得低转速高转矩特性，并扩展了高转矩速度范围，可克服传统通过机械减速传动装置来取得高转矩所存在的许多不足。显然，这种电主轴在低速段能提供较高的转矩与刚性，而在高速段也能提供足够高功率与刚性，以适应不同加工之需要，能用于不锈钢、钛合金或高温合金等难加工硬合金材的高效高速切削加工，同时也可用于铝合金材的高速切削加工。

HF300AI 10电主轴功率/转矩—转速特性曲线

　　如前面已讨论的日本Makino公司T系列（T2/T4）和a81M加工中心机床均采用了集成化双电机驱动技术的筒形结构电主轴。

齿轮化高转矩电主轴

　　众所周知，提升旋转传动装置转矩的最简单方法是通过齿轮减速装置。目前，许多应用于钛合金材等硬金属材高效切削加工的高转矩主轴仍采用这种技术。这种内装齿轮减速装置的，或嵌入齿轮减速装置的主轴通常被称为齿轮化主轴（geared spindle）。

　　行星减速装置具有高刚性，高精度和高传动效率（单级达97～98%）。因此行星减速技术也被作为内装齿轮减速器在电主轴装置中得到了应用，德国CYTEC公司的CSG-50-240电主轴可作为一典型实例。实际上，这是一种通过主轴装置内部集成了行星齿轮副来实现电机化主轴减速而增大转矩的。从该图可看出，该主轴特性曲线和之前介绍的IBAG公司的HF300AI 10电主轴很相似，但其转矩较高，转速调控范围较窄。实际使用效果等同于一主轴功率50kW，转矩591Nm，基速800r/min，最高转速10,000r/min的电主轴，从而获得低转速高转矩特性，并扩展了电机高转矩速度范围，使得粗加工和精加工可在同一机床上进行。如MAG Cincinnati 通用型Mega H系列卧式五坐标数控MC机床，就配置有2级速度齿轮化的XT主轴，可用于诸如钢、钛合金和航空高温合金等硬合金材切削加工。XT主轴连续功率37kW（S6：45kW），转矩942Nm（S6：1,146Nm），基速375r/min，最高转速6,000r/min和可选配ANSI 50或HSK-A100刀具接口。最高功率转速比达0.12，加工钛合金材金属切除率可达400cm3/min。

CSG-50-240齿轮化电主轴功率/转矩—转速特性曲线

结束语

　　本文较详细讨论了钛合金材切削加工之特点，以及对用于钛合金实现HEM-HSM加工的数控加工机床应满足的若干基本要求，具体介绍了几家全球著名的数控机床制造商近几年新推出的典型钛合金高效高速数控加工机床，最后讨论了高功率高转矩电主轴在钛合金HEM-HSM加工中应用，并通过这些介绍呈现了钛合金高效高速数控加工机床工业应用现状与发展趋势。

　　同时，本文所介绍的这些钛合金高效高速数控加工机床基本上都为专用型的，实际上近几年许多数控机床制造商还推出一种既可用于钛合金等硬合金材又可用于铝合金等轻合金材实现HEM-HSM加工的通用型高效高速数控加工机床，本文限于篇幅对此并未作讨论与介绍。

（北京航空制造工程研究所 林胜）

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