机械加工技术正朝着高效率、高精度、高柔性和绿色制造的方向发展。在机械加工技术中，切削加工是应用最广泛的加工方法。近年来，高速切削技术蓬勃发展，已成为切削加工的主流和先进制造技术的一个重要发展方向。在数控机床出现以前，用于工件上下料、测量、换刀和调整机床等的辅助时间超过工件加工总工时的70%；以数控机床为基础的柔性制造技术的发展和应用，大大降低了工件加工的辅助时间，切削所占时间比例越来越大。因此，实现高速切削成为提高机床生产效率的重要技术手段之一。目前，高速切削技术在航空航天、模具生产和汽车制造等行业已经获得广泛应用，并产生了巨大的经济效益。我国是机床消费大国，已经超过德国，成为世界第一大机床市场。高速切削作为一种新的切削加工理念，对其深入研究具有重要意义。本文作者着重研究了高速切削的关键技术——机床技术、刀具技术和工艺技术及其应用。

　　1．高速切削技术概述

　　1.1高速切削的概念

　　高速切削（HighSpeedCutting）是一个相对概念，迄今尚未有一个确切的界定。高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5倍～10倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。也有将主轴转速达到10000r/min～60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定义为高速切削。对于不同的工件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加工的线速度，单位m/min）范围也不同。按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削700m/min～7000m/min，铣削300m/min～6000m/min，钻削200m/min～1100m/min，磨削5000m/min～10000m/min。

　　高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出的，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。他认为，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。对于每一种工件材料，都存在一个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”，在高速区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。

　　1.2高速切削技术的特点

　　高速切削速度较之常规切削速度几乎高出1个数量级，其切削机制异于常规切削。由于切削机制的改变，使得高速切削技术具有如下特点。

　　1.2.1切削力小

　　由于切削速度高，切屑流出速度加快，切屑流出阻力减少，切削变形减小，从而使切削力比常规切削降低30%以上，尤其是主轴轴承、刀具、工件受到的径向切削力大幅度减少，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件，如飞机上的机翼壁板等。

　　1.2.2工件热变形小

　　在高速切削时，90%以上的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，工件积累热量少，工件温升不会超过3℃，基本保持冷态，不会由于温升导致热变形，特别适合于加工细长易热变的工件。

　　1.2.3材料切除率高

　　随切削速度的提高，进给速度也相应提高5倍～10倍，单位时间内的材料切除率可达常规切削的3倍～6倍，适用于材料切除率要求大的场合，在航空航天、汽车和模具制造等领域，高速切削技术已成为加工整体构件最理想的制造技术。在2001年德国汉诺威举办的欧洲机床展览会（EMO）上展出的荷兰Unisign公司制造的Unipro25型五轴立式加工中心（X行程1000mm、Y行程800mm），电主轴功率100kW，最高转速25000r/min，最大扭矩90N•m，其铣削铝合金的材料切除率已达8000cm3/min～10000cm3/min。
1.2.4工艺系统振动小，可实现高精度、低粗糙度加工

　　在高速切削时，机床的激振频率很高，远远超出了“机床—刀具—工件”工艺系统的固有频率范围（50Hz～300Hz），使得加工过程平稳，振动小，可实现高精度、低粗糙度加工。高速切削加工获得的表面质量常可达磨削水平，因此常可省去铣削后的精加工工序。例如，瑞士DIXI机械公司生产的DHP50高精度卧式加工中心，工作台500mm×500mm，双托盘，行程为700mm×700mm×700mm，主轴转速为12000r/min，功率为25kW，刀库容量65把，换刀时间4s（T2T），6s（C2C），定位精度4μm，重复定位精度2μm（按ISO23022标准），测量分辨率0.5μm。高速切削尤其适合于光学等领域的加工。

　　1.2.5可加工难加工材料

　　难加工材料如高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料和耐磨铸铁等的切削加工不仅切削效率低，而且刀具寿命短。高速切削时，由于切削力小，切屑变形阻力小，刀具磨损小，故可加工一些难加工材料。例如，航空制造业中大量采用的镍基合金、钛合金材料，强度大、硬度高、耐冲击、易加工硬化，切削温度高，刀具磨损严重，在常规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，不但能大幅度提高机床生产效率，而且能有效减少刀具磨损，提高工件表面加工质量。

　　1.2.6高速干切削可以实现加工过程的绿色制造

　　高速干切削就是在切削加工过程中不使用任何切削液的工艺方法，是对传统切削方式的一种技术创新。它相对于湿切削而言，是一种从源头上控制污染的绿色切削和清洁制造工艺，它消除了切削液的使用对外部系统造成的负面影响。目前，能实现高速干切削的工件材料有铸铁、铝合金、滚动轴承钢等。

　　2．高速切削的关键技术

　　高速切削是一项复杂的系统工程。高速切削不只是切削速度的提高，它的发展涉及到机床、刀具、工艺和材料等诸多领域的技术配合和技术创新。

　　2.1高速切削机床技术

　　性能良好的高速切削机床是实现高速切削的前提和关键，而具有高精度的高速主轴和控制精度高的高速进给系统，则是高速切削机床技术的关键所在。
2.1.1高速主轴

　　高速主轴是高速切削机床的核心部件，在很大程度上决定着高速切削机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。目前，适于高速切削的加工中心其主轴最高转速一般都大于10000r/min，有的高达60000r/min～100000r/min，为普通机床的10倍左右；主电动机功率15kW～80kW，以满足高速车削、高速铣削之要求。

　　随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的快速发展，高速数控机床主传动的机械结构得到极大简化，取消了齿轮传动和带传动，采用机床主轴与主轴电机一体化的传动结构形式（即所谓的电主轴），实现了机床的“零传动”。

　　轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。滚动轴承因其具有刚度高、高速性能好、结构简洁、标准化程度高和价格适中等优点，在电主轴中得到最广泛应用。滚动轴承在高速回转时，润滑极为重要，目前，电主轴主要采用两种润滑方式：油脂润滑和油-气润滑。油雾润滑尽管价廉，但因其污染环境、损害操作工人健康，不符合绿色制造和可持续发展原则，国外电主轴公司已不再使用。流体静压轴承（包括气体静压轴承和液体静压轴承）为非接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高和阻尼特性好等优点。气体静压轴承电主轴转速可高达100000r/min～200000r/min，缺点是刚度差，承载能力低；液体静压轴承刚度高，承载能力强。磁悬浮轴承又称磁力轴承，也为非接触式轴承，没有磨损，无需任何润滑。

　　目前，生产磁悬浮轴承电主轴的厂家有德国GMN公司、瑞士IBAG公司及中国洛阳轴承研究所等。

　　2.1.2高速进给系统

　　控制精度高的高速进给系统也是实现高速切削的关键技术之一。

　　传统的滚珠丝杠副传动系统对高速进给系统表现出不适应性，必须对其进行技术改进和技术创新，才能适应高速切削的要求。主要技术措施有：（1）丝杠采用中空结构，提高丝杠的支承刚度。（2）为降低高速滚珠丝杠副传动系统的发热，将冷却液通入空心丝杠内部进行强制循环冷却，以保证滚珠丝杠副传动系统的精度。（3）改进螺母结构设计，适当减小滚珠直径，钢珠采用空心结构，滚珠链中钢珠按一大一小间隔排列，可有效降低高速运行时的噪声。（4）改进滚珠材料，滚珠选用陶瓷材料，可显著降低温升。（5）采用螺母旋转、丝杠不动的驱动方案。将螺母安装于轴承中，由伺服电机带动其旋转，或将螺母与驱动电机的转子集成为一体，由转子直接驱动。
该结构由于丝杠固定不动，螺母作高速旋转的同时作轴向移动，故可消除丝杠临界转速的限制。

　　高速滚珠丝杠副传动系统的加速度范围为（0.5～1.0）g，行程范围≤6m，用于低档高速数控机床；高速进给系统采用直线电机进给驱动系统后，其加速度可高达（2～10）g，行程范围不受限制，用于高档高速数控机床和高速加工中心。直线电机进给驱动系统具有以下优点：（1）高速响应性。由于系统采用直线电机直接驱动工作台，机床实现“零传动”，故使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。（2）速度和加速度高。最大进给速度可达80～180m/min，加速度可高达（2～10）g。（3）定位精度高。直线电机进给驱动系统常用光栅尺作为位置测量元件，采用闭环控制，因而定位精度可高达0.1μm～0.01