機械加工技術正朝著高效率、高精度、高柔性和綠色制造的方向發展。在機械加工技術中，切削加工是應用最廣泛的加工方法。近年來，高速切削技術蓬勃發展，已成為切削加工的主流和先進制造技術的一個重要發展方向。在數控機床出現以前，用于工件上下料、測量、換刀和調整機床等的輔助時間超過工件加工總工時的70%；以數控機床為基礎的柔性制造技術的發展和應用，大大降低了工件加工的輔助時間，切削所占時間比例越來越大。因此，實現高速切削成為提高機床生產效率的重要技術手段之一。目前，高速切削技術在航空航天、模具生產和汽車制造等行業已經獲得廣泛應用，并產生了巨大的經濟效益。我國是機床消費大國，已經超過德國，成為世界第一大機床市場。高速切削作為一種新的切削加工理念，對其深入研究具有重要意義。本文作者著重研究了高速切削的關鍵技術——機床技術、刀具技術和工藝技術及其應用。 　　1．高速切削技術概述 　　1.1高速切削的概念 　　高速切削（HighSpeedCutting）是一個相對概念，迄今尚未有一個確切的界定。高速切削通常指比常規切削速度和進給速度高出5倍～10倍的切削加工，有時也稱為超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。也有將主軸轉速達到10000r/min～60000r/min，快速進給速度40m/min以上，平均進給速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定義為高速切削。對于不同的工件材料和加工工藝，高速切削速度（切削加工的線速度，單位m/min）范圍也不同。按工件材料劃分，當切削速度對鋼材達到380m/min以上、鑄鐵700m/min以上、銅材1000m/min以上、鋁材1100m/min以上、塑料1150m/min以上時，被認為是合適的高速切削速度范圍；按加工工藝劃分，高速切削速度范圍為：車削700m/min～7000m/min，銑削300m/min～6000m/min，鉆削200m/min～1100m/min，磨削5000m/min～10000m/min。 　　高速切削概念是德國切削物理學家薩洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出的，現在人們常用“薩洛蒙曲線”來表示。他認為，在常規切削速度范圍內，切削溫度隨著切削速度的提高而升高，一定的工件材料對應有一個臨界切削速度，此處切削溫度最高，但當切削速度超過臨界值后，切削溫度不但不升反而下降。對于每一種工件材料，都存在一個速度范圍，在該范圍內，由于切削溫度太高，刀具材料無法承受，切削加工不能進行，這個范圍稱之為“死谷”。如果切削速度能越過“死谷”，在高速區工作，則有可能用現有的刀具進行高速切削，切削溫度與常規切削基本相同，從而大大減少切削工時，大幅度提高機床生產效率。 　　1.2高速切削技術的特點 　　高速切削速度較之常規切削速度幾乎高出1個數量級，其切削機制異于常規切削。由于切削機制的改變，使得高速切削技術具有如下特點。 　　1.2.1切削力小 　　由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力減少，切削變形減小，從而使切削力比常規切削降低30%以上，尤其是主軸軸承、刀具、工件受到的徑向切削力大幅度減少，特別適合于加工薄壁類剛性差的工件，如飛機上的機翼壁板等。 　　1.2.2工件熱變形小 　　在高速切削時，90%以上的切削熱來不及傳給工件就被高速流出的切屑帶走，工件積累熱量少，工件溫升不會超過3℃，基本保持冷態，不會由于溫升導致熱變形，特別適合于加工細長易熱變的工件。 　　1.2.3材料切除率高 　　隨切削速度的提高，進給速度也相應提高5倍～10倍，單位時間內的材料切除率可達常規切削的3倍～6倍，適用于材料切除率要求大的場合，在航空航天、汽車和模具制造等領域，高速切削技術已成為加工整體構件最理想的制造技術。在2001年德國漢諾威舉辦的歐洲機床展覽會（EMO）上展出的荷蘭Unisign公司制造的Unipro25型五軸立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm），電主軸功率100kW，最高轉速25000r/min，最大扭矩90N•m，其銑削鋁合金的材料切除率已達8000cm3/min～10000cm3/min。 1.2.4工藝系統振動小，可實現高精度、低粗糙度加工 　　在高速切削時，機床的激振頻率很高，遠遠超出了“機床—刀具—工件”工藝系統的固有頻率范圍（50Hz～300Hz），使得加工過程平穩，振動小，可實現高精度、低粗糙度加工。高速切削加工獲得的表面質量常可達磨削水平，因此常可省去銑削后的精加工工序。例如，瑞士DIXI機械公司生產的DHP50高精度臥式加工中心，工作臺500mm×500mm，雙托盤，行程為700mm×700mm×700mm，主軸轉速為12000r/min，功率為25kW，刀庫容量65把，換刀時間4s（T2T），6s（C2C），定位精度4μm，重復定位精度2μm（按ISO23022標準），測量分辨率0.5μm。高速切削尤其適合于光學等領域的加工。 　　1.2.5可加工難加工材料 　　難加工材料如高錳鋼、淬硬鋼、奧氏體不銹鋼、復合材料和耐磨鑄鐵等的切削加工不僅切削效率低，而且刀具壽命短。高速切削時，由于切削力小，切屑變形阻力小，刀具磨損小，故可加工一些難加工材料。例如，航空制造業中大量采用的鎳基合金、鈦合金材料，強度大、硬度高、耐沖擊、易加工硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，在常規切削中一般采用很低的切削速度。如果采用高速切削，其切削速度可提高到100m/min～1000m/min，不但能大幅度提高機床生產效率，而且能有效減少刀具磨損，提高工件表面加工質量。 　　1.2.6高速干切削可以實現加工過程的綠色制造 　　高速干切削就是在切削加工過程中不使用任何切削液的工藝方法，是對傳統切削方式的一種技術創新。它相對于濕切削而言，是一種從源頭上控制污染的綠色切削和清潔制造工藝，它消除了切削液的使用對外部系統造成的負面影響。目前，能實現高速干切削的工件材料有鑄鐵、鋁合金、滾動軸承鋼等。 　　2．高速切削的關鍵技術 　　高速切削是一項復雜的系統工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的發展涉及到機床、刀具、工藝和材料等諸多領域的技術配合和技術創新。 　　2.1高速切削機床技術 　　性能良好的高速切削機床是實現高速切削的前提和關鍵，而具有高精度的高速主軸和控制精度高的高速進給系統，則是高速切削機床技術的關鍵所在。 2.1.1高速主軸 　　高速主軸是高速切削機床的核心部件，在很大程度上決定著高速切削機床所能達到的切削速度、加工精度和應用范圍。目前，適于高速切削的加工中心其主軸最高轉速一般都大于10000r/min，有的高達60000r/min～100000r/min，為普通機床的10倍左右；主電動機功率15kW～80kW，以滿足高速車削、高速銑削之要求。 　　隨著電氣傳動技術（變頻調速技術、電動機矢量控制技術等）的快速發展，高速數控機床主傳動的機械結構得到極大簡化，取消了齒輪傳動和帶傳動，采用機床主軸與主軸電機一體化的傳動結構形式（即所謂的電主軸），實現了機床的“零傳動”。 　　軸承是決定主軸壽命和負荷的關鍵部件。電主軸采用的軸承主要有滾動軸承、流體靜壓軸承和磁懸浮軸承。滾動軸承因其具有剛度高、高速性能好、結構簡潔、標準化程度高和價格適中等優點，在電主軸中得到最廣泛應用。滾動軸承在高速回轉時，潤滑極為重要，目前，電主軸主要采用兩種潤滑方式：油脂潤滑和油-氣潤滑。油霧潤滑盡管價廉，但因其污染環境、損害操作工人健康，不符合綠色制造和可持續發展原則，國外電主軸公司已不再使用。流體靜壓軸承（包括氣體靜壓軸承和液體靜壓軸承）為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉精度高和阻尼特性好等優點。氣體靜壓軸承電主軸轉速可高達100000r/min～200000r/min，缺點是剛度差，承載能力低；液體靜壓軸承剛度高，承載能力強。磁懸浮軸承又稱磁力軸承，也為非接觸式軸承，沒有磨損，無需任何潤滑。 　　目前，生產磁懸浮軸承電主軸的廠家有德國GMN公司、瑞士IBAG公司及中國洛陽軸承研究所等。 　　2.1.2高速進給系統 　　控制精度高的高速進給系統也是實現高速切削的關鍵技術之一。 　　傳統的滾珠絲杠副傳動系統對高速進給系統表現出不適應性，必須對其進行技術改進和技術創新，才能適應高速切削的要求。主要技術措施有：（1）絲杠采用中空結構，提高絲杠的支承剛度。（2）為降低高速滾珠絲杠副傳動系統的發熱，將冷卻液通入空心絲杠內部進行強制循環冷卻，以保證滾珠絲杠副傳動系統的精度。（3）改進螺母結構設計，適當減小滾珠直徑，鋼珠采用空心結構，滾珠鏈中鋼珠按一大一小間隔排列，可有效降低高速運行時的噪聲。（4）改進滾珠材料，滾珠選用陶瓷材料，可顯著降低溫升。（5）采用螺母旋轉、絲杠不動的驅動方案。將螺母安裝于軸承中，由伺服電機帶動其旋轉，或將螺母與驅動電機的轉子集成為一體，由轉子直接驅動。 該結構由于絲杠固定不動，螺母作高速旋轉的同時作軸向移動，故可消除絲杠臨界轉速的限制。 　　高速滾珠絲杠副傳動系統的加速度范圍為（0.5～1.0）g，行程范圍≤6m，用于低檔高速數控機床；高速進給系統采用直線電機進給驅動系統后，其加速度可高達（2～10）g，行程范圍不受限制，用于高檔高速數控機床和高速加工中心。直線電機進給驅動系統具有以下優點：（1）高速響應性。由于系統采用直線電機直接驅動工作臺，機床實現“零傳動”，故使整個閉環控制系統動態響應性能大大提高，反應異常靈敏快捷。（2）速度和加速度高。最大進給速度可達80～180m/min，加速度可高達（2～10）g。（3）定位精度高。直線電機進給驅動系統常用光柵尺作為位置測量元件，采用閉環控制，因而定位精度可高達0.1μm～0.01μm。直線電機伺服系統的價格約是高速滾珠絲杠伺服系統的2.5倍，但在加速度大于1g的情況下，前者仍是高速進給系統的唯一選擇。 　　2.2高速切削刀具技術 　　刀具技術是實現高速切削的重要保證。正確選擇刀具材料和設計刀具系統對于提高加工質量、延長刀具壽命和降低加工成本都起著重要作用。 　　2.2.1高速切削刀具材料 　　高速切削要求刀具材料具有如下性能：高硬度、高強度和耐磨性；高韌度、良好的耐熱沖擊性；高熱硬性、良好的化學穩定性。目前，高速切削加工常用的刀具材料有：涂層刀具、陶瓷刀具（Al2O3，Si3N4）、立方氮化硼（CBN）材料和聚晶金剛石（PCD）材料等。 　　2.2.1.1涂層刀具 　　目前，用于高速切削刀具的涂層主要有兩類：一類是“硬”涂層，如TiC、TiN和Al2O3等涂層刀具，其優點是硬度高、耐磨性好。其中，TiC涂層刀具具有很強的抗后刀面磨損能力，TiN涂層刀具則具有理想的抗月牙洼功能。一類是“軟”涂層，如MoS2、WS等涂層刀具，這類刀具也稱為“自潤滑刀具”，刀具、工件和切屑之間的摩擦因數很低，只有約0.01，能降低切削力和切削溫度。航空航天工業用材如高強度硬質合金、鈦合金等的加工就不適合采用“硬”涂層刀具；采用“軟”涂層刀具，可防止刀刃上產生積屑瘤，提高工件表面加工質量，延長刀具壽命。 2.2.1.2陶瓷刀具 　　陶瓷刀具是高速切削最重要的刀具材料之一。可用于高速切削的陶瓷刀具包括金屬陶瓷（Cermet）、氧化鋁陶瓷（Al2O3）和氮化硅陶瓷（Si3N4）等。陶瓷刀具具有很高的硬度和耐磨性，適于加工HRC50～65的高硬度材料；高溫性能好，在1200℃的高溫下仍能進行切削；具有良好的抗粘結性能，不容易與金屬產生粘結，化學穩定性好。但陶瓷刀具抗沖擊載荷能力差、抗熱沖擊性能差，因此，用陶瓷刀具進行切削時，不宜使用切削液，適于進行高速干切削。 　　2.2.1.3立方氮化硼（CBN） 　　立方氮化硼（CBN）材料的硬度僅次于金剛石，高達HV3200～4000，具有很高的耐磨性、熱穩定性和化學穩定性，最適于高硬度淬火鋼、高溫合金、硬化軸承鋼（HRC60～62）、工具鋼（HRC57～60）、高速鋼（HRC62）等材料的高速切削。 　　2.2.1.4　聚晶金剛石（PCD） 　　聚晶金剛石（PCD）材料的硬度約為CBN的2倍，其導熱性好、熱膨脹系數小、摩擦因數小，適于銅鋁合金、非金屬材料和復合材料的高速切削，是實現高精度、高效率、高穩定性和低表面粗糙度切削加工的重要刀具。PCD刀具主要用于輕金屬及其合金、新型陶瓷材料及難加工材料的高速切削，用于精密、超精密及光學元件的精加工。 2.2.2　高速切削刀具系統 　　刀具幾何參數對加工質量和刀具耐用度有很大影響，一般高速切削刀具的前角比普通切削刀具約小10°，后角大5°～8°。 　　刀具在高速旋轉時，會承受很大的離心力，其大小遠遠超過切削力，成為刀具的主要載荷，足以導致刀體破碎，造成重大事故。以高速銑刀為例，提高刀具設計的安全性技術有：（1）高速銑刀大多采用HSK空心短錐刀柄與機床主軸連接，有時做成整體式結構，以提高剛性和安裝的重復定位精度。（2）在高速旋轉時，刀具的不平衡會對主軸系統產生一個附加的徑向載荷，其大小與轉速的平方成正比。對安裝在高速主軸上的旋轉刀具來說，高精度的動平衡是至關重要的。德國于1994年起草的《高速旋轉銑刀的安全性要求》標準規定，用于高速切削的銑刀必須經過動平衡測試。 　　2.3高速切削工藝技術 　　高速切削工藝和常規切削工藝有很大不同。常規切削認為高效率來自低轉速、大切深、緩進給、單行程；而高速切削則追求高轉速、中切深、快進給、多行程的加工工藝。在進行高速切削時，工件材料不同，所選用的切削刀具、切削工藝和切削參數也有很大不同。下面著重研究輕金屬、鋼和鑄鐵的高速切削工藝技術。 　　2.3.1高速切削輕金屬技術 　　鋁合金因具有良好的耐蝕性，較高的比強度，導電性及導熱性好等優點，在汽車工業和航空航天工業中已經大量應用。鋁鎂合金大多使用鑄件，這些輕合金的最大優點就是其固有的易切特性。輕合金可采用很高的切削速度和進給速度進行加工，切削速度可高達1000m/min～7500m/min，高速切削使95%～98%的切削熱被切屑迅速帶走，工件保持室溫狀態，熱變形小，加工精度高。 　　高速銑削輕金屬時，由于加工過程存在較大的沖擊載荷，PCD和CBN刀具的壽命特性并不好。當切削速度達到1000m/min時，可使用K型硬質合金刀具；當切削速度達到2000m/min時，可使用金屬陶瓷刀具；當切削速度更高時，可使用PCD刀具；高速銑削鋁鎂合金時，可使用K10硬質合金刀具。 　　2.3.2高速切削鋼和鑄鐵技術 　　高速銑削鋼和鑄鐵時，遇到的主要問題是刀具的磨損。 　　高速銑削鋼材時，刀具使用鋒利切削刃和較大后角可減少刀具磨損，提高刀具使用壽命。刀具的磨損與工件材料的力學性能有關。如工件材料的抗拉強度增大，則刀具磨損增加，因此應減少每齒的進給量。表1給出了鋼的切削速度和每齒進給量。 高速銑削鑄鐵時，切削速度的選擇取決于刀具材料。提高切削速度和減少每齒進給量，可提高工件表面加工質量。表2給出了鑄鐵的切削速度和每齒進給量。 　　3．高速切削技術的應用 　　3.1高速切削在航空航天工業中的應用 　　航空航天工業中許多零件采用薄壁、細筋結構，由于剛度差，不允許有較大的吃刀深度，因此，高速切削成為此類零件加工工藝的唯一選擇。 　　飛機上的一些零件為了提高可靠性和降低成本，將原來由多個鉚接或焊接而成的部件，改用整體實心材料制造，此即“整體制造法”。有的整體構件的材料去除率高達90%，采用高速切削可大大提高生產效率和產品質量，降低制造成本，這也是高速切削技術在飛機制造業獲得廣泛應用的主要原因。例如，波音公司在生產波音F/15戰斗機時，采用“整體制造法”，飛機零件數量減少了42%，用高速銑削代替組裝方法得到大型薄壁構件，減少了裝配等工藝過程。 　　3.2高速切削 　　在汽車制造業中的應用以高速加工技術為基礎的敏捷柔性自動生產線被越來越多的國內外汽車制造廠家使用。國內如一汽大眾捷達轎車自動生產線，由沖壓、焊接、涂裝、總裝、發動機及傳動器等高速生產線組成，年產轎車能力15萬輛，制造節拍1150輛/min；上海大眾桑塔納轎車自動生產線等。國外如美國GM發動機總成工廠的高速柔性自動生產線、福特汽車公司和Ingersoll機床公司合作研制的以HVM800臥式加工中心為主的汽車生產線等。 　　4．結束語 　　高速切削技術已經成為切削加工的主流，高速切削技術對于機械制造業來說是一場深刻的技術革命，必將對機械制造業產生重要而深遠的影響。高速切削技術的發展和應用是一項復雜的系統工程，它涉及到刀具、機床、工藝、材料、敏捷生產、網絡化、智能化和故障診斷等諸多領域的技術發展和創新。 　　為適應快速變化的市場和顧客化的產品需求，高速切削和高速加工技術必將在生產工藝離散型和混合型企業（如模具、船舶、汽車和航空航天等制造企業）中得到進一步發展和應用。未來高速切削機床結構將會具有更高的剛度和抗振性；隨著機床技術、刀具技術和工藝技術的發展，刀具壽命將會更長，工件上下料、測量和換刀等輔助時間將會更短。