一、概述

自20世纪30年代德国 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年代初，高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5－10倍的切削加工。因此，根据加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。目前，加工铝合金已达到2000－7500m/min；铸铁为900－5000m/min；钢为600－3000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合金达150－1000m/min；纤维增强塑料为2000－9000m/min。

高速切削是一项系统技术，图1显示了影响高速技术的各方面因素，企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。

二、高速切削的特点与应用

实践表明，高速切削具有以下加工特点：

切削力降低

工件热变形减少

有利于保证零件的尺寸、形位精度

已加工表面质量高

工艺系统振动减小

显著提高材料切除率

加工成本降低

高速切削的上述特点，反映了在其适用领域内，能够满足效率、质量和成本越来越高的要求，同时，解决了三维曲面形状高效精密加工问题，并为硬材料和薄壁件加工提供了新的解决方案。

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加工材料和加工效率等问题，特别是整体结构件高速切削，既保证了零件质量，又省去了许多装配工作；模具业中大部分模具均适用高速铣削技术，高速硬切削可加工硬度达50－60HRC的淬硬材料，因而取代了部分电火花加工，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期；高速铣削石墨可获得高质量的电火花加工电极。高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用。目前，适合高速切削的工件材料有铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石墨和石英玻璃等。2100433B

超高速加工技术简介

超高速切削机床是实现高速、超高速切削的必不可少的设备。超高速机床有以下五项基本要求：超高速的主轴部件、快速响应的数控系统、快速的进给部件、动、静、热刚度好的机床支承部件、高压大流量喷射的冷却系统和安全装置。

超高速加工技术主轴部件

电主轴和以前用于内圆磨床的内装式电机主轴有很大的区别，主要表现在：有很大的驱动功率和扭矩 ；有较宽的调速范围 ；有一系列监控主轴振动、轴承和电机温升等运行参数的传感器、测试控制和报警系统，以确保主轴超高速运转的可靠性与安全性。

超高速主轴采用的轴承有滚动轴承、气浮轴承、液体静压轴承和磁浮轴承几种形式

超高速加工技术数控系统

超高速切削对数控系统的要求不断提高，最基本的要求是保证高精度、高速度。为了适应高速，要求单个程序段处理时间短；为了在高速下保证加工精度，要有前馈和大量的超前程序段处理功能；要求快速形成刀具路径，此路径应尽可能圆滑，走样条曲线而不是逐点跟踪，少转折点、无尖转点；程序算法应保证高精度；碰到干扰能迅速调整，保持合理的进给速度，避免刀具振动等。

超高速加工技术进给系统

超高速切削在提高主轴速度的同时必须提高进给速度，并且要求进给运动能在瞬时达到高速和瞬时准停等。超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求进给系统具有大的加速度以及高的定位精度。

超高速加工技术支承部件

超高速加工机床的支承制造技术是指超高速加工机床的支承构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、托板、刀架等的制造技术。

由于超高速加工机床同时需要高主轴转速、高进给速度、高加速度，又要求用于高精度的零部件加工，因而集“三高”(高速度、高精度、高刚度)于一身就成为超高速加工机床的最主要特征。更先进、更高速的直线电动机已经发展起来，它可以取代滚珠丝杠传动，提供更高的进给速度和更好的加、减速特性。

直线电机直接驱动的优点是：①控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；②高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100～180 m/min；③高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达2～10g；④无限运动长度；⑤定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定位精度高达0.1～0.01；⑥起动推力大(可达12000N)；⑦由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳

超高速加工技术冷却系统

超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行

超高速加工技术刀具系统

超高速切削加工刀具系统由刀具材料、刀具几何角度与形状、刀体结构与刀片夹紧结构、刀具与机床的联结、刀具的冷却及切屑的清除、刀具工况监控等组成

刀具系统具有如下特点：

1、刀片在刀体上的定位夹紧牢固、安全，刀具与机床的联结可靠

2、超高速切削加工的切削力随着切削速度的提高而降低约30%

3、切削温度随着切削速度的提高而缓慢提高

4、刀具磨损主要由切削温度、刀具—切屑之间和刀具－工件之间的相对速度决定的

超高速加工技术刀具材料

超高速切削加工要求刀具材料与被加工材料的化学亲合力要小，并且具有优异的机械性能、热稳定性、抗冲击性和耐磨性涂层刀具材料。涂层刀具通过在刀具基体上涂覆金属化合物薄膜，以获得远高于基体的表面硬度和优良的切削性能金属陶瓷刀具材料。金属陶瓷具有较高的室温硬度、高温硬度及良好的耐磨性陶瓷刀具材料。陶瓷刀具材料主要有氧化铝基和氮化硅基两大类。

PCD刀具材料。 PCD是在高温高压条件下通过金属结合剂(如Co等)将金刚石微粉聚合而成的多晶材料；

CBN刀具材料。CBN刀具具有极高的硬度及红硬性，可承受高切削速度，适用于超高速加工钢铁类工件；

超高速加工技术切削机床

磨削加工按砂轮线速度Vs的高低可分为普通磨削(Vs=30～40 m/s) 和高速磨削(Vs≥45 m/s) 两类。

为了与20 世纪80 年代以前速度不超过80～120 m/s 的一般高速磨削相区别, 通常将速度为普通磨削速度5 倍以上(即Vs≥150 m/s) 的高速磨削称为超高速磨削（Super-High Speed Grinding 或Ultra-High Speed Grinding。

超高速加工技术主要包括：

超高速切削与磨削机理研究、超高速主轴单元制造技术、超高速进给单元制造技术、超高速加工用刀具与磨具制造技术、超高速加工在线自动检测与控制技术等。

通常把切削速度比常规高5～10倍以上的切削叫做超高速切削。

超高速切削加工的优越性有以下几点：

1、加工效率高。高速切削加工比常规切削加工的切削速度高5～10倍；

2、切削力小。高速切削加工切削力至少可降低30%；

3、热变形小；

4、加工精度高、加工质量好；

5、加工过程稳定

6、减少后续加工工序

7、良好的技术经济效益