鈦合金不同于鋁合金需要低頻加工

目前，許多機(jī)床制造大型鋁合金等輕金屬高效高速加工數(shù)控機(jī)床，如果是用于高溫合金等高強(qiáng)度鋼，不銹鋼制品加工，鈦和航空航天等難加工金屬材料具有高強(qiáng)度和高硬度達(dá)到加工顯然是不合適的，雖然它也可以被切割的硬質(zhì)合金材料，但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是：正如前面所提到的硬質(zhì)合金材料，鈦和其他處理需要較大的切削力，或需要高扭矩主軸，高效高速數(shù)控機(jī)床主軸通常用于鋁等輕金屬切削扭矩多數(shù)小于100nm，一般不超過200nm，沒有硬質(zhì)合金高效加工鈦和能力材料切割。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切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)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(duì)用于鈦合金材加工的數(shù)控加工機(jī)床結(jié)構(gòu)、剛性、動(dòng)態(tài)特性、主軸與坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)、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(jì)制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。

由于加工鈦合金等難加工材時(shí)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(jī)床應(yīng)比加工鋁合金材時(shí)具有更高的剛性（包括高靜剛性、高動(dòng)剛性和高熱剛性）和更高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性（高定位/重復(fù)定位精度、高進(jìn)給速度和高加速度）。同時(shí)要求機(jī)床坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)具有足夠高的驅(qū)動(dòng)力，特別對(duì)帶旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸時(shí)，要求旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)能提供足夠高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般要求不低于1,000Nm，典型為2,000~5,000Nm，對(duì)大重型機(jī)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(jī)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(shí)，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(jī)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(shí)，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(jī)床所必須滿足的基本要求之一。眾所周知，數(shù)控加工機(jī)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(jī)床其自然頻率一般為低于350Hz。同時(shí)，構(gòu)成數(shù)控機(jī)床各部件的自然頻率也是不同的。一般認(rèn)為機(jī)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(shí)，等效于刀具刀刃在周期性地敲擊機(jī)床某結(jié)構(gòu)部件，當(dāng)這種敲擊頻率接近機(jī)床某結(jié)構(gòu)部件自然頻率范圍時(shí)，就可能激發(fā)刀具產(chǎn)生顫振，進(jìn)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(jī)床設(shè)計(jì)階段改變機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如加厚床身，使立柱設(shè)計(jì)得更堅(jiān)固，增加部件質(zhì)量并使連接更牢固等等。但對(duì)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(jī)床和主軸裝置，其自然頻率點(diǎn)的范圍也是有差異的。目前，一些機(jī)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)，并已將之應(yīng)用在鈦合金材高效高速數(shù)控加工機(jī)床上以確保實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)干切削或可采用MQL技術(shù)，使得數(shù)控加工機(jī)床配置液壓冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)目前成為一個(gè)有爭(zhēng)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(zhǎng)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(jī)床仍設(shè)計(jì)配置有完善的液壓冷卻潤(rùn)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(jī)床，通常設(shè)計(jì)有高壓大流量液壓冷卻潤(rùn)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)，通過多個(gè)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(yùn)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(jī)床液壓冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)典型為200～800psi（1.38～5.5MPa），25～80L/min。而采用HPHV冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的高效高速數(shù)控機(jī)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(shí)，一般要求流量不低于30L/min（8glm）。

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(zhǎng)的加工周期。通常對(duì)鈦合金Ti-6AL-4V零件加工時(shí)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(zhǎng)一倍時(shí)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(jī)床制造商將托盤化加工，或多主軸加工，或多工作臺(tái)（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(jī)床上，以提高加工生產(chǎn)率，降低加工成本。