一已脓、高速切削的原始定義 1931年，德國切削物理學家薩洛蒙（Carl.J.Salomon）博士提出了一個假設通殃，即同年申請了德國專利（Machine with high cutting speeds）的所羅門原理：被加工材料都有一個臨界切削速度V0度液，在切削速度達到臨界速度之前，切削溫度和刀具磨損隨著切削速度增大而增大画舌，當切削速度達到普通切削速度的5～6倍時堕担，切削刃口的溫度開始隨切削速度增大而降低，刀具磨損隨切削速度增大而減小曲聂。 切削塑性材料時霹购，傳統(tǒng)的加工方式為“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大侠呛，即吃刀大贾瞪，但進給速度低，切削力大披锨。實踐證明隨著切削速度的提高习怒，切屑形態(tài)從帶狀、片狀到碎屑狀演化卖寻，所需單位切削力在初期呈上升趨勢编毒，而后急劇下降，這說明高速切削比常規(guī)切削輕快种车，兩者的機理也不同歹簸。

    二、現(xiàn)代高速切削技術的概念所羅門原理出發(fā)點是用傳統(tǒng)刀具進行高速度切削匿贝，從而提高生產(chǎn)率搬洪。到目前為止，其原理仍未被現(xiàn)代科學研究所證實丁傲。但這一原理的成功應該不只局限于此燃拥。高速切削技術是切削技術的重要發(fā)展方向之一，從現(xiàn)代科學技術的角度去確切定義高速切削匈勋，目前還沒有取得一致礼旅，因為它是一個相對概念，不同的加工方式洽洁，不同的切削材料有著不同的高速切削速度和加工參數(shù)痘系。這里包含了高速軟切削、高速硬切削饿自、高速濕切削和高速干切削等等汰翠。 事實上，高速切削技術是一個非常龐大而復雜的系統(tǒng)工程昭雌，它涵蓋了機床材料的研究及選用技術复唤，機床結(jié)構設計和制造技術健田，高性能CNC控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)佛纫，高速妓局、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統(tǒng)呈宇，高精度快速進給系統(tǒng)跟磨，高性能刀具夾持系統(tǒng)，高性能刀具材料忱痴、刀具結(jié)構設計和制造技術潭灯，高效高精度測試測量技術，高速切削機理蚪应，高速切削工藝话弹，適合高速加工的編程軟件與編程策略等等諸多相關的硬件和軟件技術。只有在這些技術充分發(fā)展的基礎上伍戚，建立起來的高速切削技術才具有真正的意義味专。所以要發(fā)揮出高速切削的優(yōu)越性能，必須是CAD/CAM系統(tǒng)透汞、CNC控制系統(tǒng)数荤、數(shù)據(jù)通訊、機床薄肉、刀具和工藝等技術的完美組合阴戚。

    三、高速切削技術的發(fā)展現(xiàn)狀與優(yōu)點自所羅門原理申請專利以來某亩，高速切削技術的發(fā)展歷經(jīng)理論探索階段笋熬，應用探索階段，初步應用階段和較成熟應用階段腻菇。特別是20世紀70年代后胳螟，各工業(yè)發(fā)達國家相繼投入大量的人力、物力筹吐、財力研究開發(fā)高速切削技術及相關技術糖耸，發(fā)展日新月異，德國丘薛、美國嘉竟、瑞典、瑞士榔袋、英國和日本等制造強國走在了世界前列周拐。近幾年，隨著科學技術的突飛猛進和經(jīng)濟發(fā)展的強大推動凰兑，高速切削機床妥粟、刀具技術和相關技術迅速進步，使高速切削（HSC-High Speed Cutting）技術以其高效率吏够、高質(zhì)量應用于航天犀进、航空、汽車织扰、模具和機床等行業(yè)中膊节，各種切削方式、各種材料幾乎無所不能率肉，尤其是高速銑削和高速車削發(fā)展神速原拉。該技術為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小剑三，切削深度小堵套，即ap與ae很小，但切削線速度大矩汪，為傳統(tǒng)的3～5倍端皮，進給速度大，為傳統(tǒng)的5～10倍拒凝。其優(yōu)點在于：

    (1) 加工時間短腰凫，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)的3～5倍牢裳。

    (2) 刀具切削狀況好逢防，切削力小，主軸軸承蒲讯、刀具和工件受力均小胞四。由于切削速度高，吃刀量很小伶椿，剪切變形區(qū)窄辜伟，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%~90%脊另。同時导狡，由于切削力小，讓刀也小偎痛，提高了加工質(zhì)量旱捧。

    (3) 刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走踩麦，故工件和刀具熱變形小枚赡，有效地提高了加工精度。

    (4) 刀具壽命長（這里指材質(zhì)特殊谓谦，適合高速切削的刀具）蛹拜。因刀具受力小她蛉，受熱影響小，所以破損的機率很小慰颊，磨損也慢赚兰。

    (5) 工件表面質(zhì)量好。首先ap與ae小辱折，工件粗糙度好郎石，其次切削線速度高，機床激振頻率遠高于工藝系統(tǒng)的固有頻率财调，因而工藝系統(tǒng)振動很小认吕，十分容易獲得好的表面質(zhì)量。

   (6) 高速切削刀具熱硬性好兔触，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走沼昵，可進行高速干切削，不用冷卻液尤桃，減少了對環(huán)境的污染籽榕，能實現(xiàn)綠色加工。

    (7) 可完成高硬度材料和硬度高達HRC40-62淬硬鋼的加工甘桑。如采用帶有特殊涂層（TiAlN）的硬質(zhì)合金刀具拍皮，在高速、大進給和小切削量的條件下跑杭，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工铆帽，不僅效率高出電加工（EDM）的3~6倍，而且獲得十分高的表面質(zhì)量（Ra0.4）德谅，基本上不用鉗工拋光爹橱。

    四、高速切削系統(tǒng)高速切削系統(tǒng)主要由高速切削CNC機床窄做、高性能的刀具夾持系統(tǒng)愧驱、高速切削刀具、高速切削CAM系統(tǒng)軟件等幾部分組成椭盏。

    1． 高速切削CNC機床

    （1） 高穩(wěn)定性的機床支撐部件 高速切削機床的床身等支撐部件應具有很好的動组砚、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性掏颊。大部分機床都采用高質(zhì)量糟红、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的機床公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土锌褒，以增加其抗振性和熱穩(wěn)定性匣夭，不但保證機床精度穩(wěn)定，也防止切削時刀具振顫；采用封閉式床身設計坝总，整體鑄造床身璃疫，對稱床身結(jié)構并配有密布的加強筋，如德國Deckel Maho公司的橋式結(jié)構或龍門結(jié)構的DMC系列高速立式加工中心丘隙，美國Bridgeport公司的VMC系列立式加工中心只忿，日本日立精機VS系列高速加工中心菜涯，使機床獲得了在靜態(tài)和動態(tài)方面更大限度的穩(wěn)定性伶离。 一些機床公司的研發(fā)部門在設計過程中，還采用模態(tài)分析和有限元結(jié)構計算拣末，優(yōu)化了結(jié)構诺教，使機床支撐部件更加穩(wěn)定可靠。

    （2） 高速主軸系統(tǒng) 高速主軸是高速切削技術最重要的關鍵技術饼瓮，也是高速切削機床最重要的部件碗帅。要求動平衡性很高，剛性好豹爹，回轉(zhuǎn)精度高裆悄，有良好的熱穩(wěn)定性，能傳遞足夠的力矩和功率臂聋，能承受高的離心力光稼，帶有準確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉(zhuǎn)速能力不小于40000r/min,主軸功率大于15kW孩等。通常采用主軸電機一體化的電主軸部件艾君，實現(xiàn)無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，電機大多采用感應式集成主軸電動機肄方。而隨著技術的進步冰垄，新近開發(fā)出一種使用稀有材料鈮的永磁電機，該電機能更高效权她，大功率地傳遞扭矩虹茶，且傳遞扭矩大。易于對使用中產(chǎn)生的溫升進行在線控制隅要，且冷卻簡單蝴罪，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動機體積小颂睛，結(jié)構緊湊培车，所以大有取代感應式集成主軸電動機之勢。最高主軸轉(zhuǎn)速受限于主軸軸承性能车咕，提高主軸的dn值是提高主軸轉(zhuǎn)速的關鍵割钧。目前一般使用較多的是熱壓氮化硅（Si3N4）陶瓷軸承和液體動、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多采用油-氣潤滑衔侯、噴射潤滑等技術蝉嘲。最近幾年也有采用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般采用主軸內(nèi)部水冷或氣冷迈枪。

    （3） 高精度快速進給系統(tǒng) 高速切削是高切削速度痛的、高進給率和小切削量的組合，進給速度為傳統(tǒng)的5～10倍违酣。這就要求機床進給系統(tǒng)很高的進給速度和良好的加減速特性梆栏。一般要求快速進給率不小于60m/min，程序可編輯進給率小于40m/min受啥，軸向正逆向加速大于10m/s2(1g)做个。機床制造商大多采用全閉環(huán)位置伺服控制的小導程、大尺寸滚局、高質(zhì)量的滾珠絲杠或大導程多頭絲杠居暖。隨著電機技術的發(fā)展，先進的直線電動機已經(jīng)問世藤肢，并成功應用于CNC機床太闺。先進的直線電動機驅(qū)動使CNC機床不再有質(zhì)量慣性、超前嘁圈、滯后和振動等問題省骂，加快了伺服響應速度，提高了伺服控制精度和機床加工精度丑孩。不僅能使機床在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工冀宴，而且快速移動速度達f=120m/min，加速度達2g温学，提高了零件的加工精度略贮。但直線電動機在使用中存在著承載力小、發(fā)熱等問題仗岖，有待改進梯盹。

  （4）高效的冷卻系統(tǒng)高速切削中機床的主軸、滾珠絲杠 欲堪、導軌等產(chǎn)生大量的熱约绒，如不進行有效的冷卻，將會嚴重影響機床的精度涯蜜。大多采用強力高壓痛主、高效的冷卻系統(tǒng)，使用溫控循環(huán)水或其他介質(zhì)來冷卻主軸電動機烙锉、主軸軸承蚂芹、滾珠絲杠谱聂、直線電動機、液壓油箱等榨厚。Yamazen公司將壓力為6.8Mpa的冷卻液通過主軸中心孔桐装，對機床主軸、刀具和工件進行冷卻蒂禽。日本日立精機公司研制開發(fā)出通過在中空的滾珠絲杠中傳輸冷卻液害切，達到冷卻絲杠穩(wěn)定加工目的的滾珠絲杠冷卻器。為了避免導軌受溫升的影響逢勾，日立公司和軸承商聯(lián)合研制出Eeo-Eeo的導軌潤滑脂牡整，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質(zhì)敏沉，能進行自動潤滑及不需專用設備等特點果正。日立精機機床公司VS系列CNC高速銑就采用此潤滑脂炎码，具有良好的使用及經(jīng)濟效果盟迟。

    （5） 高性能CNC控制系統(tǒng)高速切削加工要求CNC控制系統(tǒng)有快速處理數(shù)據(jù)的能力，來保證高速加工時的插補精度潦闲。一般要求程序段傳送速率 1.6～20ms攒菠，RS232系列數(shù)據(jù)接口 19.2 Kbit/s(20ms)，Ethernet數(shù)據(jù)傳送 200Kbit/s(1.6ms)歉闰。 新一代的高性能CNC控制系統(tǒng)采用32位或64位CPU辖众，程序段處理時間短至1.6ms。 近幾年網(wǎng)絡技術已成為CNC機床加工中的主要通訊手段和控制工具和敬，相信不久的將來凹炸，將形成一套先進的網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，通訊將更快和更方便肚乓。大量的加工信息可通過網(wǎng)絡進行實時傳輸和交換运诺，包括設計數(shù)據(jù)、圖形文件案帆、工藝資料和加工狀態(tài)等幢垮，極大提高了生產(chǎn)率。但目前用得最多的還是利用網(wǎng)絡改善服務捎梢，給用戶提供技術支持等等邓刻。美國Cincinati Machine公司研制開發(fā)出了網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，用戶只要購買所需的軟件摹搂、調(diào)制解調(diào)器锦是、網(wǎng)絡攝像機和耳機等，即可上網(wǎng)指佳，無需安裝網(wǎng)絡服務器漓琢，通過網(wǎng)上交換多種信息，生產(chǎn)率得到了提高。 日立精機機床公司開發(fā)的萬能用戶接口的開放式CNC系統(tǒng)剂东，能將機床CNC操作系統(tǒng)軟件和因特網(wǎng)連接迂卢，進行信息交換。

    （6）高安全性機床安全門罩高速切削機床普遍采用全封閉式安全門罩桐汤，高強度透明材料制成的觀察窗等更完備的安全保障措施而克，來保證機床操作者及機床周圍現(xiàn)場人員的安全，避免機床怔毛、刀具和工件等有關設施受到損傷员萍。一些機床公司還在CNC系統(tǒng)中開發(fā)了機床智能識別功能，識別并避免可能引起重大事故的工況拣度，保證產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量碎绎。

    （7） 高精度、高速度的傳感檢測技術這包括位置檢測抗果、刀具狀態(tài)檢測筋帖、工件狀態(tài)檢測和機床工況監(jiān)測等技術。

    2． 高性能的刀具夾持系統(tǒng)高速銑床的刀具夾持系統(tǒng)要求其有很高的動平衡性冤馏，要求主軸具有30000r/min之上的動平衡能力日麸，且具有絕對的定心性。主軸逮光、刀柄代箭、刀具三者在旋轉(zhuǎn)時應具有極高的同心度，這樣才能保證高速蔬澜、高精度加工人薯。否則轉(zhuǎn)速越高離心力越大，當其達到系統(tǒng)的臨界狀態(tài)將會使刀具系統(tǒng)發(fā)生激振阶糖，其結(jié)果是加工質(zhì)量下降吸辑，刀具壽命縮短，加速主軸軸承磨損崖郎，嚴重時會使刀具與主軸損壞巍樟。刀柄系統(tǒng)與主軸錐度穴孔應結(jié)合緊密，現(xiàn)在刀柄一般都采用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位錐柄写雾。如日本的BBT刀柄捍幽，德國的HSK空心刀柄。刀具夾持裝置一般用經(jīng)動平衡處理的彈簧卡頭蓬抖，不過現(xiàn)在已有效果更好的液壓真空裝刀衩缘，強力銑卡頭裝刀。

    3．高速切削刀具 刀具技術和機床制造肝浴，從一開始就相輔相成共同發(fā)展延都，可以毫不夸張的說雷猪，只有刀具技術和機床技術的不斷發(fā)展，才推進了高速切削技術晰房。高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩(wěn)定性求摇，即具有良好的抗沖擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性殊者。其采用的刀具材料主要是硬質(zhì)合金与境，并且普遍采用刀具涂層技術，涂層材料為氮化鈦（TiN）猖吴、氮化鋁鈦（TiALN）等等摔刁。涂層技術由單一涂層發(fā)展為多層、多種涂層材料的涂層海蔽。這一技術已成為提高高速切削能力的關鍵技術之一共屈。世界各大硬質(zhì)合金刀具制造商一般都將銷售收入的3～11%投入到研發(fā)中，其中相當一部分用于硬質(zhì)合金和涂層材料的基礎研究党窜。高速切削鋼材時拗引，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的P類硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金完骑、立方氮化硼（CBN）與CBN復合刀具材料（WBN）等剩跛。切削鑄鐵，應選用細晶粒的K類硬質(zhì)合金進行粗加工谢佩，選用復合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）復合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時呻舆，應選用聚晶金剛石PCD或CVD金剛石涂層刀具绷举。選擇切削參數(shù)時，針對圓刀片和球頭銑刀芯拇，應注意有效直徑的概念嘉散。高速銑削刀具應按動平衡設計制造。刀具的前角比常規(guī)刀具的前角要小双漫，后角略大完憨。主副切削刃連接處應修圓或?qū)Ы牵瑏碓龃蟮都饨切搪溃乐沟都馓師崮p巫庵。應加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性端伪。刀具材料與被切削材料應具有較小的化學親和力右冻。高速銑削大多采用硬質(zhì)合金刀具。在保證安全和滿足加工要求的條件下著拭，刀具懸伸盡可能短纱扭，刀體中央韌性要好牍帚。刀柄要比刀具直徑粗壯，連接柄呈倒錐狀乳蛾，以增加其剛性暗赶。盡量在刀具及刀具系統(tǒng)中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度肃叶，刃口要盡量短忆首，兩螺旋槽球頭立銑刀通常用于粗銑復雜曲面，四螺旋槽球頭立銑刀通常用于精銑復雜曲面被环。

    4.高速切削機理對高速切削機理的研究糙及，總的來說還處于一種邊探索邊應用之中。高速切削機理主要包括高速切削中切削力筛欢、切削熱變化規(guī)律浸锨，刀具磨損的規(guī)律，切屑的成型機理以及這些規(guī)律和機理對加工的影響蝴勉。目前對鋁合金的高速切削機理的研究與應用比較成功私庇，但對黑金屬和難加工材料的高速切削機理的研究與應用尚處于不斷探索之中，應用也是在不成熟的理論指導下進行生肖。另外舀蚕，高速切削機理的研究與應用已進入鉆鉸、攻絲等的切削方式中盘瞄，但還處于探索階段厢申。隨著科學技術的發(fā)展，對高速切削的切削力裹侍、切削熱钧饥、切屑成型、刀具磨損驳鸿、刀具壽命嫩誉、加工的精度和表面質(zhì)量等的變化規(guī)律將做更加深入的分析與研究。

    5．高速切削的CAM系統(tǒng)軟件高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求动苍，除了要有高速切削機床和高速切削刀具尚憔，具有合適的CAM編程軟件也是至關重要的。一個優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應具有很高的計算速度帘撰，較強的插補功能跑慕，全程自動過切檢查及處理能力，自動刀柄與夾具干涉檢查骡和、繞避功能相赁，進給率優(yōu)化處理功能，待加工軌跡監(jiān)控功能慰于，刀具軌跡編輯優(yōu)化功能钮科，加工殘余分析功能等等唤衫。數(shù)控編程可分為幾何設計（CAD）和工藝安排（CAM），在使用CAM系統(tǒng)進行高速加工數(shù)控編程時绵脯，除刀具和加工參數(shù)根據(jù)具體情況選擇外佳励，加工方法的選擇和采用的編程策略就成為了關鍵。 一名出色的使用CAD/CAM工作站的編程工程師應該同時也是一名合格的設計與工藝師蛆挫，他應對零件的幾何結(jié)構有一個正確的理解赃承，具備對于理想工序安排以及合理刀具軌跡設計的知識和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性悴侵；其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)瞧剖，這會直接影響加工質(zhì)量和機床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻灌滤，這會直接影響刀具的壽命名娶。

    另外，在國內(nèi)外眾多的CAD/CAM軟件中并不是都適用于高速切削數(shù)控編程誉芙。這其中比較成熟適用于高速加工編程的有：英國DelCAM公司的PowerMill軟件模塊健娄，日本Makino公司的FFCUT軟件（其FF加工模塊已集成到美國UGS公司的CAM軟件中），以色列的Cimatron軟件尿笔，美國PTC公司的Pro/ENGINEER軟件翁焦，國內(nèi)北航海爾華正軟件有限公司的CAXA-ME軟件等。

    五临颈、高速切削加工技術的應用目前國際上高速切削加工技術主要應用于汽車工業(yè)和模具行業(yè)茎倘，尤其是在加工復雜曲面的領域，工件本身或刀具系統(tǒng)剛性要求較高的加工領域巧糖，顯示了強大的功能剩膏。其高效、高質(zhì)量為人們所推崇蜻蒋。國內(nèi)高速切削加工技術的研究與應用始于20世紀90年代，應用于模具厢岂、航空光督、航天和汽車工業(yè)。但采用的高速切削CNC機床塔粒、高速切削刀具和CAD/CAM軟件等以進口為主结借。隨著我國社會主義市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，作為制造業(yè)的重要基礎的模具行業(yè)迅速發(fā)展卒茬，這為高速銑削技術的應用和發(fā)展提供了廣闊的空間船老。高速銑削加工技術加工時間短，產(chǎn)品精度高圃酵，可以獲得十分光滑的加工表面柳畔，能有效地加工高硬度材料和淬硬鋼馍管，避免了電極的制造和費時的電加工（EDM）時間，大幅度減少了鉗工的打磨與拋光量薪韩。同時确沸，模具表面因電加工（EDM）產(chǎn)生白硬層消失了，扭變絕跡了俘陷，這樣就提高了模具的壽命境愕，減少了返修。因為電極的制造工作不需要了颁膊，所以模具改型只需通過CAD/CAM停楞，使改型加快。一些市場上越來越需要的薄壁模具工件撒殷，高速銑削可又快又好完成羔漂。而且在高速銑削CNC加工中心上，模具一次裝夾可完成多工步加工涣累。這些優(yōu)點在資金回轉(zhuǎn)要求快隆鹤、交貨時間緊急、產(chǎn)品競爭激烈的今天是非常適宜的蹦争。所以高速銑削得到了快速而廣泛的推廣汪请。反過來，這又促進了高速銑削技術的發(fā)展瑞捂。

  六贸左、結(jié)束語高速切削技術是切削加工技術的主要發(fā)展方向之一，它會隨著CNC技術酷麦、微電子技術矿卑、新材料和新結(jié)構等基礎技術的發(fā)展而邁上更高的臺階。但我們也應清醒的看到沃饶，高速切削技術自身也存在著一些急待解決的問題母廷，如高硬度材料的切削機理、刀具在載荷變化過程中的破損糊肤、建立高速切削數(shù)據(jù)庫琴昆、開發(fā)適用于高速切削加工狀態(tài)的監(jiān)控技術和綠色制造技術等等。同時高速切削所用的CNC機床馆揉，車业舍、銑、鉆等刀具升酣，CAD/CAM軟件等技術含量高舷暮，價格昂貴，使得高速切削投資大噩茄，這在一定程度上制約了高速切削技術的推廣應用下面。

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