图1  图中所示的钛金属零件是典型的飞机零件。它们的特点是拥有很多带有轻薄底面和薄壁的蜂窝。在薄壁上还往往有带台阶的侧面和带有轮廓的外形。当其从实体的坯材上切削加工时，这些零件要求进行大量的粗加工作业，其目标是：以尽可能高的效率切削材料。随后是精加工操作，然而，其加工生产的表面必须光滑，并保持尺寸精度

航空航天工业中机加工车间所面临的挑战是：钛金属零件的高效率和高效益生产。而机床制造商所面临的挑战则是：如何帮助这样的车间迎接这一挑战。

对于一个加工车间而言，钛金属加工的困难有两方面。第一，用这种材料制造优质零件十分困难；第二，要想这么做，并在这方面赢得巨大的利润也十分困难。因此钛金属加工无论在技术上还是在经济上都是一个很大的挑战。为了在加工这种材料中取得成功，加工车间必须要能够达到高效率和高效益的生产水平。而且，生产工艺和生产成本问题也必须一起得到解决。

有一些加工钛金属材料的公司，可能不太关心费用问题。例如，有一家原始设备制造商，他或许会将关键的钛金属元件费用转嫁给消费者。但典型的宇航工业的工作车间可没有这种奢望。其赢得订单和保持合同的唯一途径是以适当的利润空间，严格地执行能够达到高效加工目的的技术标准。没有一家公司会根据其爱好来加工钛金属材料（图1）。

提供这种技术是供应商为钛金属加工车间提供服务的范围之一。很多机床制造商、刀具制造商和相关的企业，都将力量集中在这一市场重点产品的开发上。其中一个机床制造商就是Makino机床公司。最近，该公司在其美国总部，主办了一场“钛金属加工日”展览，以促进钛金属加工行业的发展并展示其产品。

在这个展览中，该公司推出了一种它认为非常全面的钛金属材料综合加工法。它将一系列的技术发展与具有明确经济意义的钛金属零件生产结合在一起。这种方法是值得密切关注的，因为它强调了钛金属加工的特殊性质。

例如，钛金属独有的特点使加工参数受到了无法回避的限制，造成金属切削率、表面质量、尺寸精度和刀具使用寿命等难于进一步优化。这通常应归结于金属切除率与刀具使用寿命之间的平衡问题。

Makino机床公司采用多管齐下的方法，不将其称作ADVANTiGE加工技术，旨在打破这种约束。它涉及到主轴的性能、冷却液的流量和压力、防振性能、机床刚性以及在一个集成、协同方式下的切削战略。总之，该公司认为，这些技术可导致产生较高的金属切削率和延长刀具的使用寿命。这两个因素在本质上的改进，对提高生产率和有利可图的钛金属加工是非常关键的。从Makino公司的情况来看，在采用其新方法以后，生产率提高了四倍，刀具使用寿命也比以前提高了两倍。

图2  为了满足对钛金属加工能力的急切需求，机床必须按照这一应用目的进行特别的设计。Makino公司的T4型卧式加工中心是一个向着大型、强力、单主轴机床方向发展的一个代表性产品
 

集中优势

Makino的新开发展品是T4型5轴卧式加工中心。这是到目前为止T系列中最大的机床，是专门为加工飞机钛金属零件而设计生产的系列产品，用于加工边框、塔架和舱壁（也可提供这一系列中较小的机型T2型机床）。T4型机床拥有全部五大加工技术的综合功能，其优点是克服了有限的金属切削率和刀具寿命不足的缺点。

T4机型是一种大型机床，其X轴、Y轴和Z轴的行程分别为 4200mm、2000mm和1000mm，其可承载工件的重量高达5000kg。除了该机床的规模给人们留下了深刻的印象之外，还有其巨大的立柱和床身结构，该公司声称，为了提高机床刚性，采用这种结构是完全必要的。其他的技术，特别是那些可降低机床振动的技术，只有依靠这种固有的刚性，才能发挥出它们的全部潜力。

该机床的主轴被描述成一种结构紧凑的部件，但这也只是与齿轮传动的和相当能力的主轴比较而言。T4型机床的直接驱动主轴，是该公司所生产的功率最大的主轴，比以前的任何主轴都具有更高的扭矩、马力和夹紧力。主轴头还可为5轴加工提供旋转运动，其在A轴上的旋转范围为±110°，而在C轴上可360°连续旋转（图2）。

该主轴也代表了一项新的技术，用于控制由强力切削所引起的颤振。这一点是非常重要的，因为钛金属加工时的过度振动，是引起刀具磨损和发生故障的罪魁祸首。在加工过程中，用于钛金属加工的刀具是非常昂贵的，因此提高刀具的使用寿命，对其所能达到的底线有直接的影响。Makino公司的自制主轴技术解决了主轴的振动问题。安装在主轴内的传感器，可测量因过大切削力所造成的位移，并将该数据传送给控制装置。控制软件中的运算程序，将以很高的速度处理这一数据，其加工参数几乎可立即调节。其反应通常是一个较低的主轴转速，如果其接近了机床动态共振的某一个“最佳点”，那么也可获得较高的主轴速度。

机床导轨上的一个积极防振系统已成为主轴技术的一项补充。根据低频振动传感器，和通过调节摩擦力的方式，该系统可实时抑制由结构共振所产生的颤振。可以这么说，这台机床将会自动地“收紧”其导轨系统，以抑制其颤振现象。

图3  在主轴头上的A轴和C轴具有五轴加工的能力。主轴中的刀具计量长度为150mm，直径为80mm。它有5条排屑槽，每条排屑槽上带有7个镶刀片

关于冷却液

T系列机床中开发的其他两项内置技术与冷却液的传送有关。钛金属容易受到热的影响而损坏，因此保持工件冷却，从切削区迅速地清除带有热量的切屑是至关重要的。同样，采用多排屑槽刀具的非常高进给速度，要求采取强有力的排屑措施，以防止能折断刀具的切削瘤的形成。

解决这个问题的一个办法是，采用一个可向切削区直接传送大容量高压冷却液的系统。这其中包括通过喷撒的方式，从主轴头周围的喷嘴和通过主轴孔径输送冷却液。冷却液的压力和流量可分别达到1500lb/in2（1in=25.4mm）和55gl/min（1gl=3.785L）。另一个办法是，采用一套可改变这一压力和流量的系统，以满足加工操作的需要。这一切是通过控制单元中的加强型M代码功能进行处理的。

该公司还在研究“雾化”冷却液的方法。这一概念的原理是降低冷却乳剂中化学颗粒的尺寸，使它们能够更有效地渗透到刀具与工件的界面之间，从而提高该配方的冷却和润滑功能。

对刀具采取的策略

据该公司介绍，这些加工技术的组合效应对刀具的使用有两个广泛的含义。其中一个含义已经被提到，即抑制主轴和机械结构件中的振动源，以大幅度提高刀具的使用寿命。随着刀具使用寿命的延长，为钛金属加工而专门设计的高性能刀具将成为切削成本计算中的经济选择。控制振动也就意味着能够让机床以更高的进给速度和主轴转速进行加工，以提高金属的切削率。

第二个好处是，使采用创新的刀具设计变得更为切实可行。长刃刀具的使用就是一个很好的例子，那就是带有排屑槽刀刃的铣刀，用于切削蜂窝的侧壁，一次走刀就可达到全部切削深度。为了充分利用这种可能性，刀具制造商正在开发新的刀具设计，例如可变节距的排屑槽和可变前角的镶刀片。

托盘的交换

最后一个优点是，T4型机床的设计可减少非加工时间。该机床拥有两个托盘，每个托盘上配有一个可倾斜的立杆。当该立杆全部倾斜时，可从一台天车上安装一个大型工件。当立杆升起时，托盘可将该工件传送到水平方向的主轴上，以改善切屑间隙和提高冷却液的流量。

当一个工件在第二个托盘上加工时，可装卸另一个工件。据该公司声称，其切屑到切屑的时间为2min。

更易于管理

加工钛金属的规则正在发生改变。正像机床制造商那样，刀具制造商和其他供应商建立在彼此进步的基础之上，生产钛金属零件将更加便于管理。这就是说，生产工艺将建筑在更加坚定的理解基础之上，以深入地了解相关的加工力、众多变量的相互作用，以及所有成本因素的相互作用。

钛金属研究和开发中心

Makino公司已选择将其新的钛金属研究和开发中心设立在其俄亥俄州的Mason工厂，那里的一个工程师小组将继续开发钛金属材料的铣削加工技术。该工厂将包括机床、三坐标测量机及其他进一步开发钛金属材料加工技术所必要的工具。此外，专门从事加工这种难于对付材料的专家们，将出现在他们的身边。

“钛金属加工能够推动工艺的发展，这意味着必须开发适合于钛金属材料特性的特定机床、刀具、加工工艺和冷却液，”Makino公司的副总裁Tom Clark先生说。该研发中心的工作人员将与经销商、供应商和合伙人共同合作，开发和改进各种类型的钛金属应用领域。

据该公司介绍，之所以选择Mason工厂是因为钛金属材料在宇航工业中起着越来越重要的作用，而这一工业则主要集中在北美地区。