一． 起 源
溜逸
1931年，德国切削物理学家萨洛蒙(Carl.J.Salomon)博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。通过长期的研究，从上世纪90年代中期起，高速加工进入实用化阶段。用户可以享受高速加工的高效率，高精度和成本优势。 德国OPS-INGERSOLL公司是目前世界上最好的高速加工中心制造商之一。
二． 高速加工的定义
高速加工是指转速在30,000RPM以上，实际加工切削进给保持8-12m/min的恒定进给。
我们从定义中看出，高速加工的一个关键要素是高速恒定进给。由于高速加工时，转速上万转，特别在加工高硬度材料时，瞬间产生大量热量，所以必须保持高速进给，使产生的85%以上的热量被铁屑带走。但在模具加工过程中，硬度通常在HRC50以上，且为复杂的曲面或拐角，所以高速机床必须做到在加工曲面或拐角时仍能高速进给。另外实际加工中，刀具都有一个最佳切削参数，如能保持恒定进给，对刀具寿命，切削精度和加工表面质量都有提高。
由此看出，高速加工不仅是高速主轴，而且也是机床伺服系统的综合。事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。
三． 高速加工优点
1． 加工时间短，效率高。高速加工虽切削量很小，到由于高速切削进给，实际的高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍。
2． 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低大概30%~90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。可以加工铝合金等薄壁件。
3． 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，切削过程中刀具和工件不烫手，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度和延长刀具寿命。
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4． 工件表面质量好。首先ap与ae小，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。
5． 高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿加工。
6． 可完成高硬度材料和硬度高达HRC50-62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(TiAlN)的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工(EDM)的3~6倍，而且获得十分高的表面质量(Ra0.1)，基本上不用钳工抛光。
7． 加工范围广，可直接加工高硬度材料，石墨电极；也可加工复合材料，钛合金，铝合金，等普通加工难以加工的材料。
四． 高速加工要素
1．CNC 机床 (机械要素)
（1） 机床结构
机床结构要求满足高刚性，高动态性和动态稳定性。
随着主轴转速的大幅度提高，切削力将迅速减小。但这并不意味着对机床刚性和抗振性的要求降低。高速加工中各进给轴的高移动速度（刀尖就向提速和刹车时汽车内的乘客），
也使得各移动部件对床身的冲击力加大。因此，高速铣削机床应采用尽可能对称的结构形式，使机床的固有振动频率降至最小。同时应采用受力封闭的结构形式，如龙门式或封闭式框架结构，增加机床的耐冲击性和抗振性。
床身采用聚合物混凝土(人造大理石)床身，其减振效果比使用铸铁材料的床身大大提高了，阻尼特性是铸铁的10倍。今天，几乎所有的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料。
普通机床，多采用工作台移动式，由于进给低，对动态特性要求不高。但高速加工需要恒定的动态特性，多采用工作台固定，所有移动都由刀尖运动。由于切削立很小，基本可以忽略，机床各轴的动态特性恒定。
移动部件，尽可能的轻，动静质量比在1：5-8之间最合适，这样能做到很高的加速性能。
（2）驱动系统
由于高速加工实际加工中进给在8～12m/min，所以驱动系统不同与普通机床。其导轨采用高精度无磨损线轨，其移动速度、摩擦阻力、动态响应，甚至阻尼效果都发生了质的改
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变。滚珠丝杠选用预紧大导程滚珠丝杠，只有采用合适的预紧力，驱动系统才能正常运转，此时的系统稳定性最大、磨损量最小、产生的热量最小。另外滚珠丝杠需要两端固定。
机床加工时，由于X/Y运动比较频繁（采用等高线加工），为保持X和Y轴运动的平衡，龙门式结构时，Y轴采用两个电机双驱动。
采用中心润滑系统，自动对导轨和丝杠进行润滑。
（3） 主 轴
高速主轴多采用电子传感器来控制温度，自有的水冷或油冷循环系统，使得主轴在高速下成为“恒温”（FISHER公司主轴+/-0.02℃）；Z向0补偿，使Z向随转速不同的误差降为零。世界上领先的高速主轴制造商如FISHER，IMT等。
2． CNC 控制系统 (电学要素)
.OPS-INGERSOOL公司采用的ANDRONIC2060系统已经可以同时控制16根以上的轴，实
利乐包现五轴五联动。采用两个CPU，一个CPU专门运算指令，每一个数据块的处理时间恒定为0.25ms；同时，均配置功能强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强且具备程序运行中的“前视”功能，随时干预，随时修改。外接插口，数据传输速度快，可以与INTERNET直联；加上全闭环的测量系统， 配合使用数字伺服驱动技术，机床的线性移动可以实现1～2g的加速和减速运动。3 .CAD / CAM 系统 (软件要素)
高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。数控编程可分为几何设计(CAD)和工艺安排(CAM)，在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；
最后要尽量使刀具载荷均匀，这会直接影响刀具的寿命。
4．HSC 切削刀具 (刀具要素)夹持系统高速铣床的刀具夹持系统要求其有很高的动平衡性，要求主轴具有30000r/min之上的动平衡能力，且具有绝对的定心性。主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度，这样才能保证高速、高精度加工。否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态将会使刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降，刀具寿命缩短，加速主轴轴承磨损，严重时会使刀具与主轴损坏。如德国的HSK刀柄，刀柄系统与主轴锥度穴孔应结合紧密，现在刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位锥柄。
芯片破解用于高速加工的刀柄有热涨式，液压式和夹头式。
刀具技术和机床制造，从一开始就相辅相成共同发展，可以毫不夸张的说，只有刀具技术和机床技术的不断发展，才推进了高速切削技术。高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。其采用的刀具材料主要是硬质合金，并且普遍采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛(TiN)、氮化铝钛(TiALN)等等。涂层技术由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层。这一技术已成为提高高速切削能
力的关键技术之一。世界各大硬质合金刀具制造商一般都将销售收入的3～11%投入到研发中，其中相当一部分用于硬质合金和涂层材料的基础研究。高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼(CBN)与CBN复合刀具材料(WBN)等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼(PCNB)复合刀具进行精加工。精密加工有金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。选择切削参数时，针对圆刀片和球头铣刀，应注意有效直径的概念。高速铣削刀具应按动平衡设计制造。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。刀具材料与被切削材料应具有较小的化学亲和力。高速铣削大多采用硬质合金刀具。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。刀柄要比刀具直径粗壮，连接柄呈倒锥状，以增加其刚性。尽量在刀具及刀具系统中央留有冷却液孔。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。
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