高速切削加工技術是一種用比常規切削高得多的切削速度進行切削加工的高效新技術，高速切削加工可用於加工有色金屬、鑄鐵、鋼、纖維強化複合材料等，還可以用於切削加工各種難加工材料.現在，高速切削技術已漸趨成熟，並開始在製造領域中大顯身手。高速機床的單元技術和整機水平正在逐步提高。技術基礎雄厚的機床廠推出了多種高速、高精度的機床產品，並且在航空航天製造、汽車工業和模具製造、輕工產品製造等重要工業領域創造了驚人的效益。高速切削技術和高速加工機床越來越多地受到工業部門的青睞。
高速切削加工的概念和特點： 1.高速切削歷史與現狀高速切削的起源可追溯到20世紀20年代末期。德國的切削物理學家薩洛蒙(Carl壓lomon)博士於1929年進行了超高速切削模擬試驗。1931年4月發表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設。薩洛蒙指出：在常規的切削速度範圍內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高對於每一種工件材料，存在一個速度範圍，在這個範圍內，當切由於切削溫度太高，任何刀具都無法承受，切削加工不可能進行。但是，切削速度進一步提高，超過這個速度範圍后(切削溫度反而降低。同時，切削力也會大幅度下降。按照他的假設，在具有一定速度的高速區進行切削加工，會有比較低的切削溫度和比較小的切削力，有可能用現有的刀具進行超高速切削，從而大幅度減少切削時間，成倍地提高機床的生產率。
美國於1960年前後開始進行超高速切削試驗。試驗將刀具裝在加農炮里，從滑台上射向工件；或將工件當作子彈射向固定的刀具。1977年美國在一台帶有高頻電主軸的加工中心上進行了高速切削試驗，其主軸轉速可以在180～18000r / min範圍內無級變速，工作台的最大進給速度為7 . 6m / min。
1979年美國防衛技術研究總署(DARPA)發起了一項「先進加工研究計劃」，研究切削速度比塑性波還要快的超高速切削，為快速切除金屬材料提供科學依據。
在德國，1984年國家研究技術部組織了以Darmstadt工業大學的生產工程與機床研究所PTW)為首，包括41家公司參加的兩項聯合研究計劃，全面而系統地研究了超高速切削機瓜刀具、控制系統以及相關的工藝技術，分別對各種工件材料(鋼、鑄鐵、特殊合金、鋁合金、鋁鑲鑄造合金、銅合金和纖維增強塑料等)的超高速切削性能進行了深入的研究與試驗，取得了切削熱的絕大部分被切屑帶走國際公認的高水平研究成果，並在德國工廠廣泛應用，獲得了好的經濟效益。日本於20世紀60年代就著手超高速切削機理的研究。日本學者發現在超高速切削時，工件基本保持冷態，其切屑要比常規切屑熱得多。日本工業界35善於吸取各國的研究成果並及時應用到新產品開發中去，尤其在高速切削機床的研究和開發方面後來居上，現已躍居世界領先地位。進人20世紀90年代以來，以松浦(Matsuora)、牧野( Makino)、馬扎克(Mazak)和新瀉鐵(Niigata)等公司為代表的一批機床製造廠，陸續向市場推出不少超高速加工中心和數控銑床，日本廠商現已成為世界上超高速機床的主要提供者.
我國早在20世紀50年代就開始研究高速切削，但由於各種條件限制，進展緩慢。近10年來成果顯著，至今仍有多所大學、研究所開展了高速加工技術及設備的研究。
2切削速度範圍的劃分根據高速切削機理的研究結果，當切削速度達到相當高的區域時，切削力下降，工件的溫升低，熱變形小，刀具的耐用度提高等。高速切削不僅可以大幅度提高單位時間材料切除率.而且還會帶來一系列的其他優良特性。高速切削的速度範圍定義在這樣一個給切削加工帶來一系列優點的區域。這個切削速度區比傳統的切削速度高得多，因此也稱超高速切削.
通常，考慮到刀具直徑和轉速等因素，人們習慣於用切削加工最大線速度來描述切削速度，單位是m / min(米／分鐘).另一方面，由於機床主軸是提供高轉速的關鍵部件，為了更直觀和形象地表示建度，特別是描述機床的速度，也有用不同情況下的主軸轉速來劃定高速切削範圍。
各國對超高速切削的速度範圍迄今尚未作出明確統一的規定，但是通常把切削速度比常規高出5 - 10倍以上的切削加工叫做高速切削或超高速切削。
① 按不同加工工藝規定的高速切削範圍。車削700一7000m / min；銑削300一6000m / mln：鑽削200 -1100m / mm.磨削150 - 360m / s.這種劃分比常規切速幾乎提高了一個數量級，而且還有繼續提高的趨勢.
② 按加工不同材料劃定高速切削範圍。德國Darmstadt工業大學的生產工程與機床研究所(PTw)在20世紀80年代對鋼、鑄鐵、鎳基合金、鈦合金、鋁合金、銅合金和纖維增強塑料等材料分別進行高速切削試驗，得到上述七種材料適合於高速切削的速度範圍(如圖2-24所其研究結果得到了國際上的公認，至今仍是大家認可的高速切削速度。
3.高速切削的優勢：高速切削加工技術和常規切削相比，具有以下方面的優勢：
① 隨切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高5 - 10倍。這樣，單位時間內的材料切除率可大大增加.同時機床快速空程速度大幅度提高也大大減少了非切削的空行程時間，從而極大地提高了機床的生產率
② 切削速度達到一定值后，切削力可降低30%以上，尤其是徑向切削力的大幅度減少，特別有利於提高薄壁細肋件等剛性差零件的高速精密加工
③ 在高速切削時，95 % - 98%以上的切削熱來不及傳給工件.被切屑飛速帶走，工件上保持冷態，因而特別適合於加工容易熱變形的零件
④高速切削時，機床的激振頻率特別高，它遠遠離開了「機床一刀具一工件」工藝系統的頻率範圍，工作平穩振動小，因而可加工出非常梢密、非常光沽的零件，零件經高速車、銑的表面質量常可達到磨削的水平日殘餘應力很小，故可省去銑削后的精加工工序。
⑤高速切削可以加工難加工材料。例如，航空和動力部門大量採用鎳基合金和鈦合金，材料強度大、硬度高、耐衝擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重。在普通加工一般採用很低的切削速度。如採用高速切削，則其切削速度可提高到100 - 1 000m / min ,規切速的10倍左右，不但可大幅度提高生產率，而且可以提高工件加工表面質量。
⑥高速切削可降低加工成本主要原因包括：零件的單件加工時間縮短奮可以在同一台機床上，一次裝夾中完成零件的粗加工、半精加工和精加工。床，但綜合上述因素，仍可大幅度降低加工成本。雖然高速機床的價格高於普通的機。高速切削加工的關健技術
德國Darmstadt工業大學生產工程和機床研究所的舒爾茲教授(H。Schul)對高速切削技術進行了多年的深入研究，他從六個方面歸納了對高速切削技術所涉及的關鍵問題。
1高速切削機理的研究
高速切削技術的應用和發展是以高速切削機理為理論基礎的提供理論指導。高速切削機理的研究主要有以下幾個方面：( l)高速切削過程和切屑形成機理對高速切削加工中切屑形成機理、切削過程的動態模型、基本切削參數等反映切削過程理的研究.有試驗和計算機模擬兩種方法。試驗表明，一般低硬度和高熱物理性能KPC(導熱係數K，密度P，比熱容C的乘積)的工材料如鋁合金、低碳鋼和未淬硬的鋼與合金鋼等在很大速度範圍內容易形成連續帶狀切屑，硬度較高和低熱物理性能KPC的工件材料，如熱處理的鋼與合金鋼、欽合金等，在很寬切削速度範圍內均形成鋸齒狀切屑，隨切削速度的提高，鋸齒化程度增加，直至形成分離的單元切屑。切削速度對鋸齒狀切屑的作用，一方面是切削速度提高，應變速度加大，導致脆性增加；另一方面切削速度提高，又會引起切屑溫度增加，導致脆性減小因此，提高切削速度對形成鋸齒狀切屑傾向具有綜合的作用。
( 2)高速加工基本規律的研究
切削力學理論分析表明，切削時切削力與工件的剪切強度、切削麵積、刀具前角、后刀面與工件的摩擦係數以及剪切角有關，而剪切強度和摩擦係數直接受切削溫度，也即受切削速度的影響，剪切角則與切削速度相關。因此，切削速度直接影響切削力的大小。在高速切削範圍內隨切削速度增加，切削溫度升高，摩擦係數減小，剪切角增大，切削力降低。切削時產生的熱量主要流人刀具、工件和被切屑帶走。隨切削速度的提高，切屑帶走的熱量增加。因此，高速切削範圍內，隨切削速度提高，切削溫度開始升高很快，但當切削速度達到一定后，因切屑帶走的熱量隨切屑深度提高而增加，切削溫度上升緩慢，直至很少有變化。
高速切削時，刀具的損壞形式主要是磨損和破損，磨損的機理主要是薪結磨損和化學磨損(氧化、擴散、溶解)。金剛石、立方氮化硼和陶瓷刀具高速斷續切削高硬材料時，常發生崩刃、剝落和碎斷形式的破損。高速切削時，對以磨損為主損壞的刀具可以按磨鈍標準，根據刀具磨損壽命與切削用量和切削條件之間的關係確定刀具磨損壽命。對於以破損為主損壞的刀具，則按刀具破損壽命分佈規律，確定刀具破損壽命與切削用量和切削條件之間的關係.( 3)各種材料的高速切削加工性研究鋁合金具有極好的切削加工性，可採用很高的切削速度(1 000 - 4000m / min，有時高達5000-7500 m / min). 鈦及鈦合金的切削加工目前選用的刀具材料以YG ( K)類硬質合金為主，精細TIN塗層硬質合金刀具、PCD刀具高速切削加工鈦及鈦合金的加工效果遠好於普通硬質合金；天然金剛石刀具的加工效果更好，但其應用受加工成本制約。加工鈦合金，還廣泛應用車銑複合加工。車銑複合加工改善了刀具散熱條件，降低了切削溫度並減少了刀具磨損，從而可在較高的速度下切削加工鈦及鈦合金。
( 4)高速切削模擬技術的研究在試驗研究的基礎上，利用虛擬現實技術和模擬技術，虛擬高速切削過程中刀具和工件相對運動的作用過程，對切屑形成過程進行動態模擬，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應力分佈等，預測被加工工件的加工質量，研究切削速度、進給量、刀具和材料以及其他切削參數對加工的影響等。
2高速切削刀具
刀具是實現高速加工的關鍵技術之一。生產實踐證明，阻礙切削速度提高的關鍵因素是刀具能否承受越來越高的切削溫度在薩洛蒙高速切削假設中並沒有把刀具作為一個重要因素。但是隨著現代高速切削機理研究和高速切削試驗的不斷深人，證明高速切削的最關鍵技術之一就是所用的刀具。舒爾茲教授在第一屆德國?法國高速切削年會(1997年)上做的報告中指出：目前，在高速加工技術中有兩個基本的研究發展目標，一個是高速引起的刀具壽命問題，另一個是具有高精度的高速機床.
近30年來世界各工業發達國家都在大力發展能適應高速切削加工條件的先進切削刀具，開發出了許多高性能的刀具材料.目前國內外用於高速切削加工的刀具材料主要有：超硬刀具材料(P CD和PCBN)、陶瓷刀具、TiC ( N)基硬質合金和塗層刀具等.它們各有優勢又彼此竟爭，適應不同的工件材料和不同的切削速度範圍。塗層刀具在高速切削領域具有巨大的潛力.從資源、價格和性能等方面看陶瓷刀具在高速切削領域具有很大的優勢，尤其在資源方面，陶瓷刀具材料在自然界用之不竭；超硬刀具材料將繼續在高速切削加工中佔用重要地位；超細晶粒硬質合金和粉末高速鋼在小尺寸整體複雜高速切削加工領域還將佔主要地位；超強、超硬納米刀具材料是很有前景的高速切削加工刀具材料.
除刀具材料外，刀具結構也是刀具技術的一項研究重點。在高速切削中，常規的7 - 24銀度刀柄系統(BT , ISO等)已經不適用。各國針對高速切削特點，在刀具刃型、材料、結構、夾緊方式和動平衡等方面進行了大量的研究工作，但還不夠完善。在高速切削加工中，刀具結構的安全性和高精度的動平衡是至關重要的。高速切削刀具系統必須滿足：①很高的幾何精度和裝夾重複精度.②很高的裝夾剛度；③高速運轉時安全可靠.
為了滿足高速切削加工的要求德國開發了HSK系列刀柄系統，美國開發了KM系列刀柄系統.
HSK、KM刀柄與普通7 , 24刀柄相比有如下有點：重量約減少50 %；重複使用時裝夾和定位精度高；剛度高，並可傳遞大的力矩；裝夾力隨轉速升高而增大.HSK、KM和BT刀柄的比較見表2 . 3 .
3.高速切削機床
高速機床技術主要包括高速單元技術(或稱功能部件)和機床整機技術。單元技術包括高速主軸、高速進給系統、高速CNC控制系統等；機床整機技術包括機床床身、冷卻系統、安全設施和加工環境等。
( 1)高速主軸單元高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分，是高速切削加工機床的核心部件，在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應用範圍。高速主軸單元的性能取決於主軸的設計方法、材料、結構、軸承、潤滑冷卻、動平衡、雜訊等多項相關技術，其中一些技術又是相互制約的，包括高轉速和高剛度的矛盾、高速度和大轉矩的矛盾等等。因此提高主軸轉速和精度是一項很困難的工作，設計和製造高速主軸必須綜合考慮滿足多方面的技術要求。
( 2)高速進給系統進給系統的高速性也是評價高速機床性能的重要指標之一，不僅對提高生產率有重要意義，而且也是維持高速切削刀具正常工作的必要條件。對高速進給系統的要求不僅僅能夠達到高速運動，而且要求瞬時達到高速、瞬時准停等，所以要求具有很大的加速度以及很高的定位精度高速進給系統包括進給伺服驅動技術、滾動元件導向技術、高速測量與反饋控制技術和其他周邊技術，如冷卻和潤滑、防塵、防切屑、降噪及安全技術等。目前常用的高速進給系統有三種主要驅動方式.高速滾珠絲杠、直線電動機和虛擬軸機構等。與高速進給系統相關聯的還有工作台(拖板)和導軌的設計製造技術等。
〔3)高速CNC控制系統相對而言，現有的控制系統對超高速機床所需的進給速度來說顯得太慢了，超高速機床要求其CNC系統的數據處理時間要快得多，高的進給速度要求CNC系統不便要有很高的內部數據處理速度，而且還應有較大的程序存儲量。CNC控制系統的關鍵技術主要包括決速處理刀具軌跡、預先前饋控制、決速反應的伺服系統等。
〔4)床身、立柱和工作台高速機床設計的另一個關鍵點，是如何在降低運動部件質量的同時，保持基礎支承部件的高靜剛度、動剛度和熱剛度。通過計算機輔助設計，特別是應用有限元及優化設計埋論能獲得輕質量、高剛度的床身、立柱和工作台結構為獲得較好的動態性能，有些高速機床床身由聚合物混凝土材料製成，同濟大學在高速機床混凝土床身的製造方面取得了很好的成果.
( 5)切屑處理和冷卻系統高速切削過程會產生大量的切屑，單位時間內高的切屑切除量需要高效的切屑處理和清陳裝置·高壓大流量的切削液不但可以冷卻機床的加工區，而且也是一種行之有效的清理切屑的方法，但它會對環境造成嚴重的污染·切削液的使用井不是對高速切削的任何場合都適用，例如，對抗熱衝擊性能差的刀具，在有些情況下，切削液反而會降低刀具的使用壽命·這時可採用千切削，並用吹氣或吸氣的方法清理切屑.
( 6)安全裝置高速運動的機床部件、大量高速流出的切屑及高壓噴射的切削液等都要求高速機床有一個足夠大的密封工作室，工作室的倉壁一定要能吸收噴射部分的能量。刀具破損時的安全防護尤為重要；此外，防護裝置還必須有靈活的控制系統，以保證操作人員在不直接接觸切削區情況下的操作安全.
4.高速切削加工中的測試技術
高速切削加工是在密封的機床工作區間里進行的，在加工過程中，操作人員很難直接進行觀察、操作和控制，因此機床本身有必要對加工情況、刀具的磨損狀態等進行監控、實時地對加工過程在線監測，這樣才能保證產品質量，提高加工效率延長刀具使用壽命，確保人員和設備的安全. 高速加工的測試技術包括感測技術、信號分析和處理等技術.近年來.在線測試技術在高速機床中使用得越來越多。現在已經在機床使用的有主軸發熱情況測試、滾珠絲杠發熱測試、刀具磨損狀態測試、工件加工狀態監測等。測量感測器有熱感測器、測試刀具的聲發射感測器、工件加工可視監視器等。
智能技術已經應用於測試信號的分析和處理。例如，神經網路技術被應用於刀具磨損狀態的識別。
