一、前言
随着汽车工业、航空航天工业、造船工业、通用机械工业等领域技术快速发展，企业对基础工件的加工和加工装备的要求越来越高，需要在保障较高加工精度的同时提高加工的效率，而数控高速加工作为先进制造技术正逐渐成为这些企业适应市场需求的必然选择。来自德国的Carl Saomon博士早在20世纪30年代就开始对高速加工进行研究，在研究中他发现随着切削速度的增加，切削温度随之增加，单位切削力也随之增加，而当切削速度增加到一定临界值时，如再增加，切削温度和切削力反而急剧下降，当加工速度继续提高，切削温度下降到刀具许可范围，这时刀具可用比普通的切削更高的速度进行加工，由此提出了高速加工（High Speed Machining，HSM）的概念。随着数控技术的发展，高速加工技术开始普及和应用。
二、数控高速加工的由来
高速加工（HSM）是当今制造业中一项快速发展的新技术。在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。自从德国Salomon博士提出高速切削概念以来，高速切削加工技术的发展经历了高速切削的理论探索、应用探索、初步应用、较成熟的应用四个发展阶段：
1)高速切削机理和理论研究阶段(1924至1960年)
理论研究的初期阶段，当德国Salomon博士提出高速加工的理论后，美国学者也对高速加工理论进行了深入研究，奠定了理论研究基础。理论研究的后期阶段，高速加工的理论研究在法国、日本、英国等发达国家也开始进入快速发展阶段。
2)高速切削应用探索阶段(1960—1978年)
美国研究小组试制出转速达18000rpm、功率为25马力的卧式高速加工中心。德国Darmstadt工业大学于1978年开始研究高速切削的切屑形成机理。法国研制出主轴转速达60000rpm、进给速度50m/min的高速铣床。
3)高速切削技术进入应用阶段(1979年—1989年)
以美国和德国为代表的国家在这一时期，对高速切削机理、高速加工刀具及高速加工工艺进行了十分全面系统的理论研究和试验探索，取得了巨大的成果，为高速切削技术的成熟和发展奠定了坚实的基础。
4)高速切削技术进入成熟阶段（1990年至今）
上世纪90年代以来，以美国、德国、法国、日本为代表的发达国家，高速加工技术日臻完善，高速机床、高速加工刀具、高速数控系统在国际市场的占有率不断提高，高速加工的CAM软件得到广泛应用。高速切削加工技术进入了产业化发展的新阶段，相关产品发展迅速，成果不断涌现，标志着高速加工己从理论研究进入工业应用阶段。
我国高速切削加工技术研究起步较晚，比国外迟了好几十年，直到国外的高速加工技术从实验室走向大规模工业生产，我国的科研机构才开始涉足该领域的研究。上世纪八十年代，上海交大在研究高速切削硬铝合金时发现了切削温度和切削力的动态关系，只有切削速度超过720m/min时，切削温度和切削力才明显的降低。南京航空航天大学进行了高速切削机理、高速切削力的研究而且完善优化了Won-sooYun瞬态切削力模型。华中科技大学在高速数控系统的研制方面取得了突破性的进展，成功的开发出了完全自主知识产权的五轴五联动高速数控系统，打破了欧美国家在该领域的垄断。
三、数控高速加工特点
通过高速加工，能使被加工塑性金属材料在切除中的剪切滑移速度达到或超过某一域限值，开始趋向最佳切除条件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，加工效率则大大高于传统切削速度下的加工。高速加工的切削速度高（为常规切削速度的5～10倍），进给速度快（40～180m/min），加减速度大（1～2g）。对于不同加工方式、不同的材料加工速度的范围也是不同的。
表1 数控高速加工与普通数控加工的区别
图1 常见加工材料的高速加工范围
数控高速加工的价值
a)缩短生产时间
采用高速加工，切削速度和进给速度成倍提高，整体切削加工效率有显著的提高，加工时间显著缩短。
b)降低制造成本
更高的生产力水平必然引起制造成本的下降。采用高速切削设备与刀具可实现批量生产下的最低制造成本。
c)高速切削吸收能量
采用高速切削加工，一方面减少了工件在加工过程中的发热，特别在铣削加工中。因发热量的降低，工件升温小，加工尺寸稳定，对刀具和设备造成的损害也小；另一方面，高速切削可加工硬质材料，这一优势是普通机床所不能比拟的。
d)改善工件的加工质量
采用高速切削加工，加工精度和切削表面的质量可大大提高，零件表面粗糙度可达到微米级，减少和消除打磨、抛光等辅助工时。
四、解析数控高速加工机床
数控高速加工机床是高速加工的载体，是实现高速加工的根本。上世纪八十年代中期高速加工机床一出现，便得到业内人士普遍的重视。随着高速电主轴，直线电机，功能强、性能好的数控伺服系，高强度的机床附件等，相关技术的不断突破和改进使高速加工机床更是得到长足的发展。
图2 高速加工机床剖面图
1.高速主轴单元及驱动系统
高速主轴系统是高速加工技术最关键的技术之一，高速主轴系统不仅要提供高速的转速，而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动率、良好的散热和冷却装置，并具有动平衡精度。主轴部件的设计要保证具有良好的动态性和热态特性。与普通数控机床主轴单元的不同之处：主轴转速一般为普通数控机床的5~10倍，机床的最高转速一般都大于10000r/min，有的高达60000~100000r/min，主轴的加、减速度达到1g~8g，主轴单元电机功率一般高达20~80Kw，以满足高速、高效和高负荷的加工要求。
2.高速进给系统
在高速加工中，高速机床进给速度和加、减速速大大挺高。同时空行程运动速度也大大挺高。现代高速加工机床的进给系统的速到要求到达40~120m/min，进给加速度和减速度同样要达到1g~8g。突破一般数控机床的旋转伺服电机和滚珠丝杆的传动模式，采用直线电机驱动，多头螺纹行星滚珠丝杆，以及无间隙直线滚珠导轨，实现进给部件的高移速和快速准确定位。
3.高刚体的数控机床结构
在高速加工的情况下，高速加工机床承受高速加工带来的作用力，较大的附加惯性作用在床体上，因而承受的力较大。所以要求高速加工机床具有足够的高强度、刚度和高的阻尼特性。
4.高效、快速的冷却系统
在高速加工下，单位时间内加工会产生大量的热量和切屑，如果不能及时将热量和切屑迅速传走，不仅妨碍加工的正常进行，甚至可能导致数控机床、刀具和工具系统热性变，影响到加工精度和机床的动刚性。日本的三井精机和J.E.公司共同开发了HJH系列高压喷射装置，把压力为7MPa、流量为60L/min左右的高压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，消除切削产生的热量。另外有的加工中心则采用大量冷却液以瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，把大量的热切屑立即冲走，始终保持工作台的清洁，并形成一个恒温的小环境，保证高的加工精度。
5.安全装置和实时监控系统
在高速切削加工过程中，若刀具断裂或破损，其初速将如同子弹一般，易于造成危险和人身伤害。为此，机床工作时必须用足够坚固的板材将切削区封闭起来，同时还要考虑便于人工观察切削区状况。除此之外，工件和刀具必须保证夹紧牢靠，必须采用主动在线监控系统，对刀具磨损、破损和主轴运行状况等进行在线识别和监控，确保人身和设备安全。
6.优良的热态特性和静、动态特性
高速切削加工情况下，单位时间内其移动部件间因摩擦产生的热量较多，热变形较大。机床结构设计必须保证其在内部热源和外部热源作用下，不能产生较大的热变形。为此，高速切削加工机床上一般要采取特殊的冷却措施，来冷却主轴电机、主轴支撑轴承、直线电机、液压油箱、电气柜等，有的甚至冷却主轴箱、横梁、床身等大构件。同时因高速切削加工下的动态力（惯性力、切削力、阻尼力等）和静态力（夹紧力等）较大，机床各支撑部件和其总体必须具有足够的动、静刚度，不致产生较大的力变形，保证零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。
表2 国内外几种高速加工机床（中心）
制造厂商（国家）机床型号主轴最高转速/（r/min）最大进给速度/（m/min）快移速度/（m/min）北京第一机床厂HRA500卧式加工中心120004545沈阳机床（与意大利合作）DIGIT165卧式加工中心400003030北京机床所（与德国合作）KY-1400VB立式加工中心150004848大连机床集团DHSC500卧式加工中心100005050苏州兰光集团（与国外合作生产）MC60小型加工中心100005050北京机电研究所VMC1250立式加工中心100004848Kitamura（日本）SPRKCUT 6000加工中心1500006060Mazak（日本）FF510卧式加工中心150004060Nigita（日本）UHS10数控铣10000015>15Cincinnati（美国）MACH系列（MACRCH5）700001015Ford&Ingersoll（美国）HVM系列（HVM600）2000076.276.2GMBH（德国）XHC240卧式加工中心2400060>60DECKEL MAHO（德国）DMC 70/100Vhidyn18000/30000/420005050DECKEL MAHO（德国）DMC85 V linear18000/30000120120Huller-Hille（德国）SPECHT 500T加工中心1600075>75Fidia S.p.A（意大利）D165/218/318/418系列高速加工中心4000030（20）30Fidia S.p.A（意大利）K165/211/411系列高速加工中心400002424CONTINI（意大利）HS644/644P/644L洗礼高速加工中心400003030MIKRON（瑞士）HSM700型高速铣420002040Forest Line（法国）MINUMAC 高速铣削机床30000/400002020
从上表列出的国内外几个典型的高速加工机床的参数可以看出：高速加工机床的发展非常迅速主轴转速最高可达150000 r/min远远超过了高速加工的最低标准；进给速度和快移速度与高速加工探索阶段比较发展不快；一款高速加工机床的主轴速度、进给速度和快移速度很难同时具备高速运行；国内的高速加工机床和国外相比技术参数没有差距，但是厂家的数量很少，追赶的空间还有很大。
五、数控高速加工系统
高速加工机床的数控系统，从基本原理上与普通数控系统没有本质区别，只是在高速加工的条件下，主轴的转速、进给速度和加减速度非常高，在进给方向上采用直线电机驱动对数控系统的要求就更高。要求单个程序段处理时间短，在高速的下保持高精度，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，路径要尽量圆滑，不是驻点跟踪，少折点、无尖转点，程序的算法要保证高精度，抗干扰能力强，避免刀具振动。
高速加工数控系统的具有的特性有：
（1）采用32位CPU、多CPU以及64位RISC芯片结构，以保证高速处理程序段。
（2）能迅速、准确处理和控制信息流，把加工误差控制在很小，同时保证控制执行机构运动平滑、机械冲击小。
（3）CNC要有足够的容量和很大的缓存内存，以保证大量的加工程序高速运行。同时，还要求数控系统具有网络传输功能，便于实现CAD/CAM/CAE的一体化。
六、数控高速加工刀具
1.对刀具材料要求
在数控高速加工中刀具磨损的比普通的要高得多，因此高速加工使用的刀具材料有很大的不同，刀具材料是实现高速加工的关键。高速加工刀具材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。高速加工数控刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工；PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。表中列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料。
2.对刀具参数的要求
高速加工对刀具的集合角度和传统刀具有对应关系，选择合适的刀具参数，除了使刀具的切削刃保持锋利和足够的强度外，很重要的目的是能形成够厚的切削，使切屑成为切削过程的散热片。切削速度越高，产生的热量越多。所以在高速加工中很关键的问题是要想办法把切削热尽可能多地传给切屑，并利用高速切离的切屑把切屑热带走。在高速加工中刀具的合理几何参数依据加工材料的不同而不同，几何参数所起的重要作用的程度也不同。
3.对刀具结构的要求
高速加工刀具系统是有装夹刀柄和刀具所组成完整的刀具系统。刀具系统提供的装夹刀柄与机床接口相配，刀具直接加工被加工零件。在高速加工过程中随着主轴的转速提高，对刀具系统与机床接口的连接刚度、精度以及刀柄对刀具的夹持精度等都提出了很高的要求。
为了克服传统刀柄仅仅依靠锥面定位导致的不利影响，一些科研机构和刀具制造商研究开发了一种能使刀柄在主轴内孔锥面和端面同时定位的新型连接方式—两面约束过定位夹持系统。该系统具有很高的接触刚度和重复定位精度，夹紧可靠。目前，短锥柄的两面约束刀柄主要有HSK、KM、NT、BIG-PLUS等几种。
七、数控高速加工工艺
高速加工工艺和普通加工工艺有很大的不同。普通加工中高效率由低转速、大切深、缓进给、单行程等要素决定。而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程等要素实现高效率。在高速加工中，必须对切削用量参数进行合理的选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程等。
高速加工工艺的关键有三点：第一保持切削的载荷平稳：第二最小的进给率损失：第三最大的程序处理速度。其中控制切削载荷最为重要，它是实现后两点的基础。一般来说，粗加工采用常规加工，因为它有较高的金属去除率；精加工采用高速加工，因为它能达到很高的走刀速度，并能切削更多的表面积（对小零件粗加工到精加工都可采用高速加工）。但是对在粗加工后的半成品工件上的残留毛坯，需要用半精加工去除那些不均匀的多余材料，留下一个余量比较均匀的半成品，为精加工采用高速加工创造条件。
对于一个高速加工任务来说，要把粗加工、半精加工和精加工作为一个整体来考虑，设计出合理的加工方案，从总体上达到高效率和高质量的要求，充分发挥高速加工的优势，要遵循以下原则:
①在高速加工中尽可能增加切削时间占整个工作时间的比例，减少非加工时间（如换刀、调整、空行程等）。
②高速加工不仅仅是高的切削速度，应该把它看成一个过程，各个工序转接要流畅，因此需要对高速加工工艺规划进行非常细致的设计。
③高速加工不一定就是高的主轴转速，许多高速切削的应用是在中等主轴转速下用大尺寸刀具完成的。
④高速加工可以对淬硬材料进行加工，如在精加工淬硬的钢材时可采用比常规加工高4～6倍的切削速度和进给率。
⑤高速加工是一种高效加工，一般来说，对于小尺寸的工件，适合从粗加工到精加工；对于大尺寸的工件，适合精加工和超精加工。
工艺路径的拟定是制定加工工艺的总体布局，目前主要考虑是如何选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序等。拟定工艺路径时，先确定各个表面的加工方法，根据零件的实际情况保证加工精度与表面质量，再根据最优化原则，确定最短的走刀路线和最少的换刀次数，以减少加工辅助时间。
八、数控高速加工应用及发展趋势
数控高速加工技术作为金属切削加工领域的一种新技术，它的高速度、高效率、高精度的优点得到越来越多加工企业的重视，广泛应用于航空工业、汽车工业、模具行业、精密制造业。
1.航空工业
航空工业是高速加工的主要应用行业，飞机上的一些零件为了提高可靠性和降低成本，采用整体的制造法，将原来多个铆接或焊接的部件改成整体实心材料的制造。其中很多零件为薄壁、细筋结构由于刚度差，不能有很大的吃刀量，因此高速加工成为此类零件加工工艺的唯一选择。飞机用材如钛合金、高温合金及高强度合金，属于难加工材料，采用高速加工后，切削力小切削热大部分切屑带走，工件温度不高，制造难度下降。
2.汽车工业
当前汽车产品多样化，汽车产品的换型越来越快，产品纷繁多样化，由原来单一工件的大批量生产变成了多种工件各自的较小批量叠加成的大批量生产。因此，多年来在汽车制造行业占统治地位的组合机床（专机）生产线已无法满足汽车行业快速更新的现实需要。以高速加工技术为基础的敏捷柔性生产线被越来越多的汽车制造厂家所采用。
3.模具工业
在模具行业，高速加工采用的是典型的高转速、多速进给、低切削量的加工方法，由于它可以取代传统的磨削、电火花加工及光整加工，无论是在减少加工准备时间、缩短工艺流程，还是缩短切削时间提高生产效率方面都具有极大的优势。
4.精密制造业
在精密机械或光学仪器制造中，尺寸精度、加工稳定性等往往要求较高，采用高速加工激振频率高，工作平稳容易获得较高的尺寸精度。
数控高速加工的发展趋势
1.高速加工成本降低。数控高速加工技术的推广应用受经济限制高速切削机床价格昂贵，对刀具的切削性能、精度和动平衡等要求较高，国定资产投资较大，刀具费用也高。高速机床的日常的维修保养的费用也远大于普通机床。成本降低将会大力推动高速加工的普及。
2.完善的高速加工参数方案。作为一种全新的加工模式，目前尚没有完整的参数表可供选择，也没有更多加工实例可供参考，依赖于以往的经验和大量的试切。形成完善的方案将会进一步提高效率。
3.高速加工刀具系统化、标准化。刀具是高速加工中的一个关键问题，由于相关的技术资料和情报不能共享，各个公司生产的高速刀具的规格和标准都不一样，自成一体，需要对高速刀具和刀具材料进行统一的系统化，标准化。
4.适用于高速加工的新一代CAM软件。高速加工模式同传统加工模式的工艺要求差别很大，除了要有高速加工机床和高速加工刀具外，合适的CAM编程软件也是至关重要的。新一代CAM编程系统不仅要有很高的计算速度，而且要有曲线插补功能，来消除传统直线、圆弧插补的固有缺点。
(审核编辑: 智汇小新)
