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～0.01