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高速加工是零件加工的全新途径，它集成多种技术，不仅仅是高速主轴和快速精密进给在机床上的简单结合。为了应用高速加工技术，加工厂必须把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有机地结合起来。同时，也要改变工厂的运作方式和物质设施。

就缩短产品的交付周期和降低成本而言，HSM可以发挥作用并且很有价值。任何计划实施HSM的工厂都应仔细考虑，重视生产现场内外可以加快生产周期的一切技术。实施HSM没有唯一正确的途径，每种情况应当如何应用HSM也没有严格不变或立竿见影的准则。

我们可以看到，HSM终究不是理论或只有实验室才能验证的概念，而是切实可行的技术。本文分析潜心从事HSM的两家工厂的应用实例，希望能对读者有所启发。

以高速切削谋生存

如果HSM只是达到某个目的的手段，采用HSM能够谋生存吗？Mike Haverkamp 和 Brian TerBeek的回答是“能”。他们正在这样作，这两个伙伴从机械师改行程序员，然后变成HSM企业家。他们的 Cad Cam Services公司位于密执安州Grand Rapids郊外，主要致力于大型成形钢模、压铸模和其它大工件的合同加工。该公司不仅提供熔融沉积造模方式的快速原型制造、逆向工程和压铸模及注塑模的 全套生产，还继续提供CNC 程序设计技术和3D设计服务。

Haverkamp 和 TerBeek 在1991年成立自己的公司，以承包NC程序设计开始营业，这种工作很红火，但是到了九十年代中，由于功能强大、基于PC机的CAM 系统的出现，他们的工作明显受到冷落。然而他们发现本地区的工厂在生产高峰期间仍然会有程序设计“细脖子”的问题，在加工方面也可能产生瓶颈。

Haverkamp和TerBeek 看准了这个机会，能够快速完成大型模具部件的粗加工和精加工的工厂一定会使人们趋之若骛，他们认为，HSM 会给模具加工业务提供有吸引力的速度和价格。 同时他们对HSM技术有所准备：有必要的编程技能，还有稳定的客户基础，包括许多有希望的客户，于是到了1995年，他们形成了一种全新的合作策略，使 Cad Cam Services 公司致力于高速切削业务。

HSM 专用设施

Haverkamp 和TerBeek最初计划购买一台粗加工和半精加工大机床和一台调整精加工机床，但是在同伊利诺斯州Rockford机床进口商的共同努力下，买了一台 Rambaudi Ramspeed供精加工用，还有一台改型的Droop & Rein立式铣床用于粗加工。

这对合作伙伴不仅投资购买合适的机床，而且投资兴建新厂。机床的地基设计考虑了承载力和隔震性，因为震动可降低精加工精度。原来的两台机床面对面而置，以 便于在两台机床之间转送工件，而且一名操作工可以照料两台机床。 该厂房占地10000平方英尺，内部高度足以安装一个吊钩距地面20英尺的50吨天车。地下敷设了计算机网络电缆管道，电缆接到厂房里的每一台机床或工作 站。厂房前端有两层办公区，每层分别为 5000平方英尺，不过Cad Cam Services目前只占用下面的一层。

沿着生产区的墙排列着几台15马力的立式加工中心、一台升降式工具铣床、一台 EDM 和一对磨床，单凭这些机床就使Cad Cam Services构成一个设备精良的现代化模具加工厂。然而 Cad Cam 加工能力的支柱是Rambaudi Ramspeed B27L立式龙门加工中心，其X、Y和Z轴行程达到106×86×40英寸，主轴电机功率18马力，最高速度25000 rpm ，快进速度600 ipm，专门适用于高速精加工。

走廊对面是床头箱装在固定床身上的Droop & Rein三轴立铣。和Ramspeed机床相比，这台50马力机床的工作台稍长而窄，主轴速度2000 rpm。这台机床经常采用4或 5英寸镶刃端面铣刀进行粗加工操作，对于这种刀具和吃刀量大的粗加工而言，2000 rpm的速度足以产生合适的表面切削速度。

另一台大型机床LEM93-M5来自意大利制造商FPT，与其它粗加工机床相比，FPT的固定工作台适合于较重的工件。这台FPT机床的功率较小，主轴 30马力，但转速较高，同Droop & Rein相比，经常以2倍的进给速度和一半的切削深度进行操作。

大吃刀量的天地

尽管这些机床在主轴速度和进给速度上和Ramspeed 不属于同一个档次，它们仍然是Cad Cam公司HSM 策略不可分割的一部分，正象 Haverkamp 所说，“高速切削成功的一个关键在于粗加工和半精加工能力，粗加工和半精加工必须有效地切除很多金属，并给高速精加工保留很小的加工余量。”

粗加工和半精加工不仅重要而且加工量大，例如，压铸模一开始可能是两个冰箱之大、重量75000 磅的4140钢毛坯，而到精加工时，已经有20000磅的材料被铣掉了，仅留下0.020 英寸的精加工余量，而且在拐角或圆角处不能留下过多的材料，所以几何精度非常关键。

FPT所进行的一个典型粗加工例子是：先采用5英寸TiAIN镀膜镶刃端面铣刀，主轴速度450～500 rpm，进给率150～175 ipm，切削深度0.050英寸，加工时大量切屑唰唰飞落。粗加工以后大部分工件送到外面热处理。

工件一返回便开始半精加工，通常采用 2英寸球头铣刀在转速2000 rpm和进给速度125～150 ipm下半精加工。对于遵循往复铣削模式的型面切削而言，轨迹间隔在0.125英寸以内。作之字形切削时，可以采用相似的转速和进给速度以及0.020至 0.050英寸的切削深度，并采用直径2.5英寸的小半径刀头。此外，比较小的刀具还可以用来连接倒角。三台大机床均配有Fidia 控制器，使操作员的培训变得简单易行。

并非越快越好

提到高速精加工，Haverkamp信守“不一定越快越好”的准则，这个准则或许令人吃惊。他说：“我们很少用12000 rpm以上的主轴速度，”尽管 Rambaudi机床的主轴速度可达25000 rpm，“有几个经济因素必须考虑，而且它们随加工任务而变化。”他解释，“例如，我们在较低的速度下可以获得最长的刀头寿命，并且可以采用随时可得、价 格非常便宜的普通刀体和刀杆。”

一般说来，如果采用1英寸头可转位铣刀，高速精加工速度在9750～10000 rpm范围，常用的进给率是275 ipm ，切削深度和轨迹间隔各0.020英寸。该铣床最大进给速度400ipm，本来可以用比较高的主轴速度，但是保持最合适的切削力更为重要。“保守型” HSM 不仅仅为了节约刀具，还因为主轴在高转速下磨损比较大。这台机床在正常保养条件下连续使用了三年多，依然没有更换过主轴和轴承。

“无人照看或全自动加工”对于主轴转速较低的切削也是比较好的赌注，尽管Cad Cam Services公司始终只有一个操作员值班，操作员不必眼巴巴地盯着机床的每一个动作。一般可由２个操作员合作管理三台机床。另外机床在较低的速度范围 内毫不费力地保持目标精度：型面精度±0.001英寸，细部精度 ±0.0005英寸。不过机床的加、减速度是非常高的，且运动平稳。

程序设计适应生产车间的需要

Cad Cam Services 公司具有很强的刀具和刀具路径设计能力，这不足为奇，它把刀具作为一个独立的CAD/CAM车间，并且公司有5名能够设计模具并编制加工程序的专职 CAD/CAM工程师。由于设计能力与编程能力的结合，生产出可加工性很高的模具—这在当今快节奏环境下是一个优势。 TerBeek 强调，有称职的编程人员支持 HSM 非常重要，他说：“程序员必须了解生产现场的情况并且倾听机加工人的意见。”粗加工、半精加工和精加工的刀具路径程序均采用Sescoi公司的 WorkNC，首席程序员Gary Thelen偏爱WorkNC系统，因为该系统能够快速处理刀具命令，据他说程序设计在很大程度上是自动的。而且，程序设计和现场经验关系甚重， Thelen 先生解释，有经验的程序员能够分析刀具路径的仿真，并能迅速识别哪部分程序有可能在机床上出问题。

在许多情况下，为了加工工件几何形状的一个部位，程序员可以查看和采用几种方法，结果生成几个单独的刀具路径文件，供机加工人选择。如果根据刀具的表现情况有一种方式明显优于另一种，即可选定比较好的刀具路径，决对不会拖延时间等待这部分工作重新编程。

程序员还知道何时采用HSM专用的刀具路径例行程序，比如，“径向进刀”和“径向退刀”程序所生成的路径以圆弧开始或结束，而且刀具轨迹和走刀方向在空中 变化，使得采用不同编程技术加工的局部表面彼此之间光滑过渡。 TerBeek先生强调，程序员和加工车间应保持适时的通讯，这对于有效的粗加工、半精加工以及HSM都是必不可少的，他把“交流”看得很重要，因此和 Thelen 编写了一个建立资料页面的软件，用来汇集每一个刀具路径文件。页面上标识程序名，说明程序所遵循的切削策略，给出安装切削刀具的细节，规定加工所得到的刀 纹高度，并且提供其它一切有关信息。这个页面还包括相关的视图，使操作员能够直观地想象整个操作过程。“对于加工所要执行的刀具路径，我们的机床操作员说 了算，所以我们希望他们掌握全部信息，以作出正确的判断。”TerBeek 这样解释。

生产现场以装有工业型机壳的 Windows-NT PC机作为公司网络的终端，也是CNC机床的本机文件服务器。这些PC机采用Internet标准通讯协议TCP/IP进行高速数据通讯。

五轴机床新观点

Cad Cam Services 用的Rambaudi机床可以进行5轴同时动作的切削，主轴头在程序控制下可以按照切削型面的变化而倾斜和回转，以保证刀具在整个路径上的正确方向。然 而，Cad Cam Services 公司很少采用5轴方式，而主要用这台机床完成三轴机床不可能完成的操作，比如沿着落锻模内侧的周线铣倒角。

该公司发现，利用分度头的倾斜和回转并与机床Fidia 控制器的一个特殊软件功能相结合，就会格外地实用、快捷。这个软件功能称作“旋转刀具中点(RTCP)”，它使基于球头铣刀中心所计算的刀具路径和相应轴 的旋转完全对应。这个功能无须为了更改刀具长度而重新定位程序，也不必为每个轴的旋转而反复建立原始位置。BW碧威股份有限公司針對客戶端改善切削方式、 提供專業切削CNC數控刀具專業能力、製造客戶需求如：Cutting tool、切削刀具、HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、鎢鋼銑刀、航太刀具、鎢鋼鑽頭、高速剛、鉸刀、中心鑽頭、Taperd end mills、斜度銑刀、Metric end mills、公制銑刀、Miniature end mills、微小徑銑刀、鎢鋼切削刀具、Pilot reamer、領先鉸刀、Electronics cutter、電子用切削刀具、Step drill、階梯鑽頭、Metal cutting saw、金屬圓鋸片、Double margin drill、領先階梯鑽頭、Gun barrel、Angle milling cutter、角度銑刀、Carbide burrs、滾磨刀、Carbide tipped cutter、銲刃刀具、Chamfering tool、倒角銑刀、IC card engraving cutter、IC晶片卡刀、Side cutter、側銑刀、NAS tool、DIN tool、德國規範切削刀具、Special tool、特殊刀具、Metal slitting saws、Shell end mills、滾筒銑刀、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、交叉齒側銑刀、Long end mills、長刃銑刀、Stub roughing end mills、粗齒銑刀、Dovetail milling cutters、鳩尾刀具、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、鎢鋼圓鼻銑刀、Angeled carbide end mills、角度鎢鋼銑刀、Carbide torus cutters、短刃平銑刀、Carbide ball-noseed slot drills、鎢鋼球頭銑刀、Mould cutter、模具用刀具、BW微型渦流管槍、Tool manufacturer、刀具製造商等相關切削刀具、以服務客戶改善工廠加工條件、爭加競爭力。歡迎尋購～～～碧威股份有限公司www.tool- tool.com

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一、概述

自20世纪30年代德国 Carl Salomon博士首次提出高速切削概念以来，经过50年代的机理与可行性研究，70年代的工艺技术研究，80年代全面系统的高速切削技术研究，到90年 代初，高速切削技术开始进入实用化，到90年代后期，商品化高速切削机床大量涌现，21世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工 的主流技术。

根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义，高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5－10倍的切削加工。因此，根据加工材料的 不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣等，但绝大部分应用是高速铣削。目前，加工铝 合金已达到2000－7500m/min；铸铁为900－ 5000m/min；钢为600－3000m/min；耐热镍基合金达500m/min；钛合金达150－1000m/min；纤维增强塑料为2000－ 9000m/min。 高速切削是一项系统技术，图1显示了影响高速技术的各方面因素，企业必须根据产品的材料和结构特点，购置合适的高速切削机床，选择合适的切削刀具，采用最 佳的切削工艺，以达到理想的高速加工效果。

二、高速切削的特点与应用

实践表明，高速切削具有以下加工特点：

切削力降低
工件热变形减少
有利于保证零件的尺寸、形位精度
已加工表面质量高
工艺系统振动减小
显著提高材料切除率
加工成本降低 高速切削的上述特点，反映了在其适用领域内，能够满足效率、质量和成本越来越高的要求，同时，解决了三维曲面形状高效精密加工问题，并为硬材料和薄壁件加工提供了新的解决方案。

高速切削在航空航天业、模具工业、电子行业、汽车工业等领域得到越来越广泛的应用。在航空航天业主要是解决零件大余量材料去除、薄壁件加工、高精度、难加 工材料和加工效率等问题，特别是整体结构件高速切削，既保证了零件质量，又省去了许多装配工作；模具业中大部分模具均适用高速铣削技术，高速硬切削可加工 硬度达50－60HRC的淬硬材料，因而取代了部分电火花加工，并减少了钳工修磨工序，缩短了模具加工周期；高速铣削石墨可获得高质量的电火花加工电极。 高速切削的高效率使其在电子印刷线路板打孔和汽车大规模生产中得到广泛应用。目前，适合高速切削的工件材料有铝合金、钛合金、铜合金、不锈钢、淬硬钢、石 墨和石英玻璃等。

三、高速切削机床

高速切削要获得良好的应用效果，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合。高速切削机床是高速切 削应用的基本条件。高速铣床的主轴转速一般在18,000rpm以上， 30,000－60,000rpm也已在工业中实际应用，功率在十几至几十千瓦，高速状态下达到最大功率，但扭矩降到最小，同时许用的铣刀直径也将减小。 高动态的进给驱动直线工作进给速度一般在20－40m/min，采用直线电机的驱动速度在60－120m/min，加速度1－2g。回转工作台速度可达 360rmp，回转加速度达47°/s²，基本满足高速五坐标联动加工。

机床主轴和床身要有良好的刚性，优良的吸振特性和隔热性能。人造大理石床身具有很高的热稳定性，良好的吸振性能，并能根据需要制作最合理的机床结构。研究表明人造大理石的吸振性是铸铁的6倍左右。

具有快速数据处理能力的CNC控制系统是高速机床的必要保证。前视技术、大容量内存和ETH-ERNET通讯等技术是高数据处理速度的基础，NURBS曲 线插补为复杂曲面提供了短程序段和光滑插补解决方案，数字驱动克服了模拟控制微量的时间滞后问题，高分辨率反馈技术是高精度加工的保障。 此外，机床的安全防护、刀库数量、换刀速度、冷却润滑、排屑能力等等，也是设计或选购高速机床必须考虑的重要问题。

四、高速切削刀具技术

高速切削刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求，在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。

从提高耐用度和可靠性角度，需要考虑：

刀具基体与涂层材料
刀尖几何结构
刀刃数和刀杆伸出量
切削用量
走刀方式 冷却条件
刀具与工件材料匹配

从提高使用安全性方面，需要考虑：

刀具系统强度与尺寸
刀杆与机床的夹持方式
刀片夹紧方式
刀具动平衡

由于高速切削高转速和快进给等特点，除了良好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料，优良的刀具涂层技术，合理的几何结构参数和高同心度的刀刃精度质量等 因素外，还需特别注意其它因素对刀具耐用度的影响。图3为不同刀具伸出量对切削路径长度的影响，可见伸出量越短，耐用度越高。一般情况下，顺铣的耐用度高 于逆铣，而往复铣的耐用度最低(见图4)。图4中向下进实际反映刀具顶着进给方向进刀，而向上进反映刀具拖着进给方向进刀，对耐用度也有较大影响。铝合金 高速铣削通常用双刃铣刀，过多的刀刃会减少容屑空间，容易引起切屑粘刀。为避开共振频率，也可采用三刃铣刀以增加冲击频率。铝合金加工容易产生积屑瘤，这 对高速铣削非常有害。要减少积屑瘤的产生，刀具表面要平滑；避免采用物理气相沉积(PVD)涂层刀具，因为TiAlN涂层很易与铝产生化学反应，可以选用 非涂层刀具，细晶金刚石涂层或类金刚石涂层刀具；如有可能，尽量采用油雾刀具内冷进行冷却润滑。点击此处查看全部新闻图片
图1 刀具伸出量对耐用度的影响


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图2 球头铁刀不同铣削方式对耐用度的影响
高 速铣削刀具结构对刀具耐用度和安全性均有很大影响，关键要点包括刀具系统的平衡设计；减少径向和轴向跳动；控制动平衡精度；与机床联接普遍采用HSK刀柄 或类似双面接触短锥刀柄；刀具的夹紧最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式)，装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后 采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧，这种结构刀具的径向跳动在4µm，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的 夹紧可靠性，特别适用于更高转速的高速铣削加工。五、高速切削工艺技术

高速切削工艺主要包括：适合高速切削的加工走刀方式，专门的CAD/CAM编程策略，优化的高速加工参数，充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等等。

高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜采用。斜线轨迹进刀方式的铣削力是逐渐加大的，因此对刀具和主轴的 冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，最适合型腔高速加工的需要。

CAD/CAM 编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进结速率变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：尽可能减少程序块，提高程序处理速度；在程序段中可加 人一些圆弧过渡段，尽可能减少速度的急剧变化；粗加工不是简单的去除材料，要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，尽可能减少铣削负荷的变化；多采用分 层顺铣方式；切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件；充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。零件在加工前必须经过 仿真，验证①刀位数据的正确性，②刀具各部位是否与零件发生干涉，③刀具与夹具附件是否发生碰撞，确保产品质量和操作安全。 高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时，加工用量会有很大差异，目前尚无完整的加工 数据。通常，随着切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命，每齿进给量和 轴向切深均存在最佳值，而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度、中等的每齿进给量fz、较小的轴向切深ap和适当大的径向 切深ae。

在高速铣削时由于金属去除率和切削热的增加，冷削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。常规的冷却液及加注方式很难进入 加工区域，反而会加大铣刀刃在切入切出过程的温度变化，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。现代刀具材料，如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、CBN 等具有较高的红硬性，如果不能解决热疲劳问题，可不使用冷却液。

微量油雾冷却一方面可以减小刀具－切屑－工件之间的摩擦，另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带 走更多的热量，目前已成为高速切削首选的冷却介质。氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作 用外，还具有抗氧化磨损等作用，在33m/min的铣削速度时，相比较空气油雾冷却，刀具耐用度提高60%，铣削力可降低20%－30%。

六、结语

高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速切削机床、与工件材料相适应的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合，充分发挥 高速切削技术的优势。高速切削工具技术也是一项关键技术，为了适应和推动我国高速切削技术的发展，我们应该充分认识到，工具制造是一个高技术含量的行业， 应加强该领域的基础研究、工程研究和应用研究；迅速发展的高速切削技术极大的刺激高性能刀具的需求，我国工具行业应重点在刀具的耐磨性、精度和可靠性方面 加强研发力度，提高刀具的竞争能力；刀具的竞争力应集中在高性能带来的整体经济效益，在应用领域推广使用高性能刀具；提供个性化技术服务；根据我国目前的 实际情况，建议重点发展涂层技术(如耐磨(硬、软)涂层、复合涂层、纳米结构涂层等)，刀具质量保障技术和刀具数据库。
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目前，在金属切削领域里正在孕育着一场革命--高速加工技术。该项技术的诞生将机床制造业推向了一个新的发展阶段。也就是说，高速加工将改变制造业目前的格局，极大地促进生产力的发展。

高速切削与传统加工方式的区别

传统加工方式强调大的切削量，低进给速度和低主轴转速。从而要求机床具有很大功率的主轴和很强的机床刚性结构。由于刀具和工件在加工过程中都要承受很大的 切削力，在刀具和工件表面将产生很高的热量，所以工件热变形很大，影响加工精度和表面质量。刀具发热、磨损加快、寿命大幅度降低。

高速加工则采用了高转速、快移动、小切削量和小的进对深度。这就极大减小了切削抗力，主轴、刀具和工件受力变小，热量几乎都被铁屑带走，速度越高，刀具和 工件承受的热量会越小。因此，工件可以得到非常好的表面质量(微米级的精度)，并且刀具的使用寿命将大幅度提高。
高速加工的要素

高速加工是一项综合性的技术。需要由高速性能的机床，好的数控系统，CAD/CAM，适宜的刀具及优化后的加工工艺等诸方面的协同配合才能得到满意结果。

其中，数控系统是其中很重要的一个环节。西班牙FAGOR公司的CNC8055数控系统就是中档高速加工机床的一个非常好的选择。对于数控铣加工的一般功 能无需多讲，我觉得关键在于：数控系统在执行CAD/CAM软件加工程序时的表现。用更准确的话描述就是：在程序的每一个拐点时的表现。

如今许多机床操作者不具有很好的数学基础，他们并不了解G代码的含义。从设计图形到得到最终的加工工件，全部由计算机和数控系统完成。所以CAD/CAM 软件生成程序的质量非常重要，好的程序能使CNC如虎添翼。生成好的程序自然需要好的软件(如UG)，好的软件能够尽可能地避免过多过小的拐角，而数控系 统的任务则是按照程序的要求，高速、准确地完成加工过程。 FAGOR CNC 8055系统可选配一块2G硬盘，上面带有网络接口，可以直接与上位机联网，准确快速地获得由CAM所生成的加工程序，并从硬盘上直接执行加工程序。

CNC 从硬盘或从DNC读到程序并不是立刻一句接着一句地开始执行，而是先进行一次处理。早期的CNC是逐段地阅读并执行加工程序，换句话说：执行当前一段的时 候并不知道下一程序段的内容。新一代的CNC对正在执行的加工程序具有强大的预处理能力，从而可保证在高速加工状态下每个拐点可以获得最佳的处理，使实际 的轨迹接近理论轨迹。打一个比喻：高速行驶的赛车沿着弯曲的赛道行驶，只有对前面的路面熟悉且掌握了高速及平稳的拐弯技巧的赛手才能获得佳绩。 FAGOR CNC8055通过G51功能可以很好地控制好每一个拐点，通过执行G51便可把程序段的预处理，拐点的加减速控制，以及剔除不必要的点结合在一起。另 外，FAGOR的数字式伺服通过SERCOS总线与CNC保持通信，具有非常灵敏的特性，可获得很高的加速度。

CNC 处理单段程序的时间是一个重要指标。在配置了内置的CPU加速板后， FAGOR CNC 8055C的单段程序处理时间可达1.4ms。在执行由 CAD/CAM生成的各种复杂程序时，该指标将对加工效率起决定性的作用。实践证明，FAGOR CNC 8055的表现是相当出色的。

FAGOR CNC 8055的另一个显著特点是他的宜人性。到目前为止，在我所接触过的各类数控系统中，FAGOR公司的产品具有易学习、易操作、易掌握、界面友好、功能多、稳定性高、开放性更强等特点。
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采用传统的加工工艺，很难再缩短加工时间。所以生产人员越来越多地使用高速加工工艺(HSC)。要想大幅度提高切削的速度，选用高效率的机床和刀具是关键。

采用高速切削技术(HSC即High Speed Cutting)，也称高效切削技术(HPCHigPerformance Cutting或 High Production Cutting)，可以在比传统切削更短的时间里获得更好的表面加工质量。这样，既可以省会或部分省去后续的精加工工序，又由于切削速度变快，可以使所需 的切削力相应变小，所以对薄壁的工件也可以进行加工。另一个特点是HSC的加工频率较高。“这样可以把加工频率设定在机床和工件共振频率之上。”奥地利 (Steyr市的Profactor Produktionsforschung GmbH公司总经理 Johann Kastner博士如是说，“所以在加工工件时的振动极小”。切削过程中所产生的热量几乎都能随切屑排走，因此可以使工件始终保持较低的温度状态，使之那 些对温度敏感的工件如塑料，也能进行很好的加工，而避免发生变形。

“高的切削速度也会带来一些问题。” Kastner博士一分为二地看待高速加工的优点。通常加工速度快，磨损程度也会随之加大，而刀具切削的标准路径就会变短。如果工艺参数设定不佳，会导致 工件的整体成本增加。另外，切削速度大，主轴转速高，切削作业的安全性就差，这是因为离心力变大的缘故。就许多工件而言，在目前还不清楚其最佳的HSC参 数情况下使用HSC工艺，将会导致加工费用的增加。
高速加工技术的起源可以追溯到1931年。在这个时期，有一项专利号为523594的专利问 世。该项专利对“高速切削加工工艺”作了描述。此后，大约过了30年，人们才对高速切削的切削过程和工作原理有了了解。但是只有近几年开发出相应高效的机 床附件（例如高速电主轴、高材质刀具和高质表面镀层以及相应的夹具）后，高速切削才真正步入了正轨。

“只有找到合适的刀具材料和刀具的几何形状，才能实现比传统的切削速度高出几倍的高速切削工艺。”位于杜塞尔多夫的Sandvik公司的技术经理Klaus Christoffel博士这样强调刀具的重要性。

HSC 对刀具材质的要求是多方面的：刀具需要在耐磨性、热硬度、抗负荷变换特性、抗断裂特性、韧性和边缘稳定性以及抗温度突变特性等诸多方面表现俱佳。细颗粒硬 质合金和超细颗粒硬质合金即可满足这方面的要求。金属陶瓷的传热性能要比超细颗粒合金的传热性能低三倍，所以它特别适合被用作HSC对钢材作干式加工的刀 具材质。

金属陶瓷的缺点是硬度小和抗弯强度弱。多晶金刚石(PKD)和多晶立方氮化硼(PKB)适合于对轻金属(如AlSi合金材料)进行加工。如果采用金属陶 瓷、细颗粒或超细颗粒硬质含金做刀具材料，则必须涂覆适用于HSC的镀层。因为只有这样，刀具材料才能充分展示其性能。

同时，HSC还被广泛用于汽车工业中对大型模具（如深冲模、压铸模和注射模）的制造上。在模具生产过程中，机械加工很费工时，所占费用的比例也大。对用铣 刀铣出来的模具进行精加工，需花费大量的时间。如果采用高速铣，同时配以好的铣加工策略，尽管铣的行距较小，但可以缩短加工的时间。“HSC精加工的目的 首先在于要获得完美的表面加工质量，然后是要缩短加工时间。”位于Harmersbach附近Zell市的Prototyp-Werke GmbH公司技术开发部经理Josef Gießler 这样认为。

模具制造业上HSC精加工和HPM粗加工(HPM即 High Performance Machining，高效加工)最常用到的刀具材料为硬金属。“但是，到目前为止还无法采用硬金属对钢铁进行HSC加工。”Gießler说，“因为硬金 属耐热性较差。”某些受热稳定的材料(如CBN)却又承受不住机械载荷。Gießler认为，“所能做的就是把HSC精加工和 HPM粗加工分成两部分来进行，因为用于粗加工的硬质合金刀具无论在种类和外观上，还是在镀层上都有了很大的改进。”使用相配套的夹具也是实现高速加工的 一个条件。在制造模具时，需要用到瘦长型夹具，以便能加工出完整的外形。“只要振摆精度高，动态特性好，用于模具生产的夹具即可减少到两种类型，即热收缩 型和冷收缩或受力收缩型”，位于Ostfildern的OttoBilz Werkzeugfabrik公司市场销售经理Markus Nolting这样认为。在径向和轴向载荷大的情况下进行切削加工，需要考虑收缩程度和材料刚性的关系。如果HSS刀具和硬质合金刀具使用同类夹具，在受 热收缩时只有靠感应技术来判定。

什么是HSC？

通常所谓的高速切削(HSC)是指以高于传统切削5～10倍的切削速度进行切削加工。按照科学的定义来说，高速切削是指切削时刀具的推进速度极高，以至于刀具和工件之间所产生的热量(几乎完全)不会扩散到工件的基材里。

什么是最佳的HSC加工范围，即什么是最佳的切削和进结速度，这在很大程度上要取决于所加工的工件。HSC的加工范围从加工铝材或镁材的大约 2000m/min的切削速度开始，直至目前的大约8000m/min的切削速度为止。钢材的切削速度不到1000m/min，而钛和镍合金的切削速度则 只能达到大约100m/min。这种巨大的反差反映出高速切削技术使用和效果的多样性。
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历史背景

术语高速切削(HSM)一般是指在高转速和高表面进给下的立铣。例如，以很高的金属去除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的60年中，高速切削已 经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于50 HRC的材料切削。对于大部分淬火到约为32-42 HRC的钢零件，当前的切削选项包括：

在软(退火)工况下材料的粗加工和半精加工切削
达到最终硬度= 63 HRC要求的热处理
模具的某些零件的电极加工和放电加工(EDM)(特别是金切削刀具难于接近的小半径深凹穴)
用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行的圆柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工

对于许多零件，生产过程牵涉到这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工。结果导致生产成本高和准备时间长。在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品不断改变，由于产品改变，需要进行测量与反向设计。

主要标准是模具的尺寸和表面粗糙度方面的质量水平。如果加工后的质量水平低，不能满足要求，就需手工精加工。手工精加工可产生令人满意的表面粗糙度，但是对尺寸和槽形的精度总是产生不好的影响。

这种模具制造业的主要难题之一已获解决，但现在仍然需要减少或免除手动抛光，从而提高质量、降低生产成本和缩短准备时间。

高速切削发展的主要经济和技术因素

生存 市场上日益激烈的竞争导致不断设置新的标准。对时间和成本效率的要求越来越高。这就迫使新工艺和生产技术不断发展。高速切削提供了希望和解决方案…… 材料 新的更难加工的材料已经强调了发现新的切削解决方案的必要性。航空航天业的心脏是用耐热合金钢和不锈钢制造的。汽车工业使用了不同的双金属材料、小石墨铸 铁 (Compact Graphite Iron)，并增加了铝的用量。模具制造业必须面对切削高硬度的淬火钢的问题，从粗加工到精加工。

质量 对质量的高要求是空前激烈的竞争所导致的结果。

高速切削如果使用得正确，可以在这个领域提供一些解决方案。 替代手工精加工是一个例子，这对有复杂3D槽形的模具尤为重要。

工艺 对加工时间更短的要求 －只需很少几次装卡和简化的物流(后勤)的要求在大部分情况下可由高速切削解决。模具制造业内的一个典型要求是在一次装卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以减少和免除费时费钱的EDM(放电加工)加工。

设计与发展 今日竞争中的主要方法之一是销售新奇的产品。现在小汽车的平均生命周期是4年，计算机和配件1年半，手机3个月……这种快速的改变式样和快速的开发产品的 发展的先决条件是高速切削技术。复杂产品 零件多功能表面增加了，例如新设计的涡轮机叶片有新的和优化的特性与功能。早期的设计允许用手工或机器人(机械手)来抛光。有新的、复杂的形状的涡轮机叶 片必须通过切屑来抛光，最好是用高速切削抛光。有越来越多的薄壁工件必须用切削进行精加工的例子(医疗设备、电子、国防产品、计算机零件)。

产品设备 切削材料、刀柄、机床、控制件，特别是CAD/CAM特性与设备的巨大发展就可能满足一些要求，这些要求是新的生产方法和技术提出的，是必须满足的。

高速切削的原始定义

1931年，德国一个专利中的Salomons理论讲到：“以某一高切削速度(比常规切削高5－10倍)进行切削，在切削刃上去除切屑的温度开始降低……"

由以上得出结论：“似乎有用常规刀具以高切屑速度提高生产率的机会。” 不幸的是，现代研究已经能全面验证这个理论。对于不同的材料，从某一切削速度开始切削刃上的温度有相对降低。对于钢和铸铁来说，这种温度相对降低不大。但 是，但是对铝和其它非金属则是大的。高速切削的定义必须依据其它因素。

今日的高速切削的定义是什么？

对于高速切削的讨论在一定程度上是混乱的。关于高速切削的定义，存在许多观点、许多谜团和许多方法和许多方法。让我们看一下这些定义中的几个：

在下面的讨论影响高速切削过程的参数。从实用的观点描述高速切削非常重要，这也可为高速切削的应用提供许多实用准则。

实际切削速度

因为切削速度取决于主轴转速和刀具的直径，高速切削应定义为“实际切削速度”高于一定水平 － 切削速度和常规切削的切削速度之间的线性关系。 例外是，当在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序时，在淬硬工具钢中的高速切削特性。

Vf=fz×n×z

浅深度切削

非常必要的和典型的高速切削应用是切削深度ae(径向切削深度)和ap(轴向切削深度)和平均切屑厚度hm与常规切削相比小得多的切削。因而金属去除率Q远比常规的小。例外是，在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。

Q=ap×ae×Vf/1000[cm³/min]

在淬硬工具钢中的高速切削特性

在模具制造业，最大的经济工件尺寸约为 400×400×150 (长×宽×高)。最大尺寸与高速切削中相对低的材料去除率有关。当然也与机床的动力特性和大小有关。如前面所述，大部分模具在完全的切削(单次装卡)中尺 寸相当小。进行的典型工序为粗加工、半精加工、精加工和许多情况下的超精加工。圆角和圆弧的铣削总是要为后面工序的刀具留下一定的余量。在许多情况下，要 使用3-4种刀具。

通常直径范围为1-20 mm。在 80到90%情况下，切削材料是整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀。常常使用有大圆角的立铣刀。整体硬质合金刀具的切削刃加强了，前角为零或负(主要用于硬 度在54 HRC以上的材料)。一个典型的和重要的设计特点是为了得到最大弯曲强度而加厚了芯。

使用有短切削刃和接触长度的球头立铣刀是有利的。另一个重要的设计特点是掏槽能力，当沿陡壁切削时，这必需的。也可以使用带可转位刀片的尺寸较小的切削刀 具。特别是用于粗加工和半精加工。这些刀具应有很大的刀柄稳定性和弯曲刚度。锥度刀柄提高了刚度，重金属制成的刀柄也提高了刚度。

模具的槽形应当是浅的，不能太复杂。一些槽形也适合使用具有高生产率的高速切削。 使轮廓切削刀具的路径与顺铣结合得越好，切削效果越好。

一 个精加工或半精加工时应遵循的原则是采取浅深度切削。切削深度应不超过0.2/0.2 mm(ae/ap)。这是为了避免刀柄/切削刀具产生过大的弯曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每个刀具均匀分布的余量也是保证恒定的个高的生产率的条 件。当ae/ap恒定时，切削速度和进给率应总是保持在高的水平上。这样，机械变化和切削刃上的负载会较小，刀具寿命也提高了。

切削参数

TiC,N或TiAlN涂层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢(HRC 54-58)上的典型切削参数：(HRC 54-58)

粗加工

实际切削速度vc：100 m/min，ap(轴向切削速度)：刀具直径的6-8%，ae(径向切削深度)：刀具直径的35-40%，fz(进给量每齿)：0.05-0.1mm/齿 半精加工

实际切削速度vc：150-200 m/min，ap(轴向切削速度)：刀具直径的3-4%，ae(径向切削深度)：刀具直径的20-40%，fz(进给量每齿)：0.05-,15 mm/齿

精加工和超精加工

实际切削速度vc： 200-250 m/min，ap(轴向切削速度)： 0.1-0.2 mm, ae(径向切削深度)： 0.1-0.2 mm, fz(每齿进给量)： 0.02-0.2 mm/齿

当然，这些值与外杆、悬伸、应用的稳定性、刀具直径、材料硬度等有关。这些值仅是典型值和具体的某一应用的值。在对高速切削的讨论中，有时可以看到提到的切削速度值是极高和不现实的。

高速切削的实用定义HSM不是简单意义上的高速切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。
高 速切削无需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为 常规的4到6倍。在这些情况中，切削速度vc可能是用刀具的名义直径计算的，而不是用切削的有效直径。例如：90°角的立铣刀，直径6 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速 = 13 262 r/min。球头立铣刀，名义直径为6 mm，轴向切削深度ap为0.2 mm时有效切削直径为 2.15 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速 = 36 942 r/min。在小尺寸零件的粗加工到精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味着高生产率切削。零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越 来越重要。现在，高速切削主要应用于锥度40的机床上。
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提高切削效率、降低成本是金属切削技术长期追求的目标。一般地说，提高切削效率、降低成本的主要途径有以下几个方面：提高切削速度、提高进给速度和提高切削深度。

一、高速切削

从机械加工的发展历史来看，人们以往采用的通常是通过发现和改进新的切削刀具材料来大幅度提升切削速度，从而提高切削效率，降低生产成本。切削速度的提高 为机械制造业带来了巨大的技术经济效益，还反映着机械制造整体技术水平的进步。二十世纪八十年代以来，欧美刀具业经过大量的试验研究，对切削机理的认识有 了新的突破，即当切削速度的提高超过某个临界值 (不同材料有不同的临界值)后，刀具的磨损并非按照泰勒曲线的规律急剧增加，反而在以后的一个区间内随切削速度的增加而有所减少，在经历一个谷底后再重新 上升。虽然这一现象的理论解释尚未得到统一，但这并不妨碍我们在那个谷底附近对高速加工技术进行应用。按目前看，工业发达国家的航空，汽车、动力机械、模 具、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。 理论分析和实践证明，高速切削是一个系统工程。从技术的层面上，它涉及高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、 高刚性的机床结构、数据的处理和传送、动平衡控制、超硬刀具材料和镀层工艺技术等；从管理的层面上，它涉及高速加工理念、新的管理方法等。作为系统的一部 分，各个环节只有互相协调，才能发挥其应有的效益。例如，加工模具中的曲面，如果其它环节都符合了高速加工的要求，但其CAM的数据处理只使用直线插补而 不是圆弧插补或样条曲线插补来模拟工件表面的曲线，机床的进给系统总是处在不停的加减速过程中，就无法达到预定的进给速度，从而限制了切削效率的提高和生 产成本的降低。同样，如果您在高速铣削中选用了普通结构的三刃立铣刀，由于其通常采用一齿过中心的结构，动平衡性能先天不足，同样也会不能达到您的预定转 速，使您的加工效率无法达到预定目标。

瓦尔特是世界领先的金属加工刀具企业，在与世界各地的制造业尤其是德国汽车业的合作中积累了大量的成功经验。瓦尔特(无锡)在中国早已开始了高速加工的实 践，也看到中国的高速切削正在快速的增长中，我们非常愿意与中国制造业共同分享高速切削的技术成果。作为您的系统刀具伙伴，我们认为中国的高速切削方兴未 艾，发展前景十分广阔。这里，我想就刀具在高速切削中的应用提出我的一管之见。我们在高速切削中首先应充分重视刀具安全性问题。铣削是目前高速切削应用的 主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成 为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究，在机器制造商协会的支持下，组成了由大学研究机构 刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组，从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，制定了德国国家标准并被采纳为欧洲标 准，推动了世界范围内高速切削技术的发展。瓦尔特在此过程中与工作组一起就高速铣刀的强度计算进行了研究。通过专门用于高速铣刀的有限元计算方法，分别开 发了刀体、刀座、刀片、夹紧螺钉的计算模块，还能模拟刀片在刀座里的滑动、螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形。研究计算显示，当转速达到某临界速度时，螺钉 达到临界应力而出现拉伸变形。而在达到临界速度之前，螺钉首先产生弯曲，实际长度变长，夹紧力下降，造成刀片发生位移。因此，为了安全，德国标准规定刀具 产品在至少超过厂家标称的最高转速60%的情况下才能发生位移，在至少超过厂家标称的最高转速100%的情况下才能发生解体或整体刀具的折断。在实际应用 中，瓦尔特在其2000年的综合样本上，列出了其几乎所有的扩孔、镗孔刀具和铣刀在不同直径下的的最高转速，在使用规定的其原产刀片和原产配件的条件下是 非常安全的。而在德国达姆斯塔特大学的实验中，瓦尔特标称最高转速8,000r/min的铣刀在实际转速高 36,700r/min时才发生解体，也充分说明了其刀具本身有足够的安全性。现在，欧美刀具厂商越来越多地在设计阶段就考虑对高速切削的适应性。如瓦尔 特的一部分新刀具如球头铣刀F2339，刀片底面有两个空刀窝，可与刀体上的凸起相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用，使其可以采用相对较高的 切削速度。而加工铝合金的面铣刀，由于其极高的切削速度，在大直径时转动惯量也会很大。因此，瓦尔特的加工铝合金的大直径铣刀采用了高强度铝合金刀体，极 大地降低了转动惯量，增加了刀具的安全性。而今年瓦尔特也将推出能在尺寸调节过程中自动进行平衡适应的镗刀。 除了刀具本身的安全性，刀具夹持系统的安全性和安装后的整体动平衡性能也必须充分重视。瓦尔特推荐在高速切削中使用HSK空心短锥柄作为刀具与机床的接 口，将液压式、热膨胀式作为刀柄上与刀具的接口，而将标准的圆柱柄(不带削平结构)作为刀具柄部的主要形式。在非常高的转速下，除刀具和夹持系统本身的平 衡是必要的前提条件外，安装后仍需要进行整体的平衡。因此，用于加工铝合金的大尺寸铣刀必须能进行平衡调整。一般说来，高速切削条件下的盘类刀具至少应进 行静平衡，而杆类刀具则必须进行动平衡。也可以仅但由于我国在引进高速机床的同时引进平衡设备的还比较少，希望能引起用户的注意。同时，我个人认为国内刀 具供应商也必须加强高速刀具安全性的研究，以促进我国高速切削技术的发展。

由于高转速带来高的金属切除率，即使加工铝合金也会对机床的功率提出高要求。计算表明，用直径 30mm的3齿玉米铣刀加工宽30mm、深度也为30mm的槽，如采用1,100m/min的切削速度和0.1mm/z的进给量，功率可能达到约 57.6kW。因此，瓦尔特公司推荐用户采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的进给量和小的切削深度。对于大余量加工，建议采用分层切削。

二、 高进给切削在传统的精加工中，由于工件表面粗糙度有一定的要求，刀具的进给量较小。例如，对于车削表面粗糙度要求为Ra0.4µm的圆柱表面，当刀尖圆角 为0.8mm，其进给量fz应不超过0.10mm/r。而现在刀具业已开始向用户推荐高进给的Wiper刀片。作为Wiper车刀片，一般是按照事先安排 的主偏角副切削刃上制造出一个直线形的修光刃(也有用大直径的圆弧作修光刃的)。在理论上，如果不考虑系统刚性和修光刃本身的微观缺陷，只要进给量不超过 其修光刃的宽度，工件的表面粗糙度仅受工件材料晶粒大小的影响，可以是微乎其微。在实践中，瓦尔特的Wiper车刀片在上海某汽车零部件制造企业使用 0.3mm/r的进给量，表面粗糙度达到了Ra0.4µm的要求，较其原有的加工效率提高3倍多。

瓦尔特同时也致力于大进给铣刀的开发。作为发展方向小余量加工，如何提高加工效率已经成为我们的课题。今年，瓦尔特的大进给铣刀F2330已经问世。这种 铣刀具有一个变化的主偏角(最小处为0°，外径处的主偏角约15°)，切深一般不超过2mm，而最大进给量可以达到每齿3.5mm。以工作直径52mm的 瓦尔特F2330铣刀为例，具有3个刀齿的刀具每转进给量最大可以超过10mm。

实现高进给切削时，减少由于高进给带来的进给力增加、振动倾向加重等带来的问题，我们在刀具系统方面应该采取以下措施：减少径向切削力(如减小主偏角，加大前角和刃倾角等)；

减小刀具悬伸，因为材料力学早已表明悬臂梁的刚性与其悬伸长度的3次方成反比；

采用高弹性模量的刀杆材料，如硬质合金的弹性模量比钢高约3倍，也就是说整体硬质合金刀杆的刚性比钢刀杆高约3倍；

加大刀杆直径，因为刀具的刚性与刀杆直径的4次方成正比，也就是说如果刀具直径增加25%，刀具刚性将增加到原来的接近250%。

三、大余量切削

在笔者看来，大余量切削虽然也是高效切削的一部分，但总体上并不能称为新技术。在国内，我们一般将大余量切削称为重切削。国际上原先只有少数几家刀具商制 造使用立装刀片结构的重切削铣刀，但近年来包括瓦尔特在内的一些主要刀具商都已供应多种重切削铣刀。笔者认为值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削 铣刀。通常，我们在加工型腔时采用沿等高线切削的加工方法，即使采用爬坡法也属于斜向切削。这两种加工方法均有一定的径向切削力存在，在深腔加工中由于刀 具悬伸较长，为了避免在径向切削力的周期性作用下产生振动，通常采用较低的切削用量，从而带来较低的切削效率。近年瓦尔特推出的插入式铣刀F2230，采 用完全的轴向进给，从而在铣刀上几乎没有轴向切削力，切削用量和生产效率得以大幅度提高。2002年，我们在湖南一公司粗加工用30CrMnTi制造的传 动轮，客户原先采用的是用国外著名刀具公司的玉米铣刀进行分层切削，由于整个粗加工时间长(耗时大约90分钟)，在加工到一半时还需要更换刀片，而粗加工 该工件的刀片消耗约300元人民币。现在采用瓦尔特F2230铣刀后加工效率大幅度提高，耗时减少到51分钟，一次装夹刀片后可以加工1.5-2个工件， 粗加工该工件的刀片消耗降低至约100元人民币。由于刀具费用、机床费用、换刀费用都得到减少，他们由此降低年制造费用约9.8万元人民币。

结语

依照笔者的观点，在这三类高效切削方法中，大余量切削的发展余地可能有限。因为大的加工余量代表着低的材料利用率和相对较低的经济效益。随着精密铸造、精 密锻造等工艺的不断发展，大余量切削的场合会进一步减少。因此，我们的注意力应更多地集中在高速切削和高进给量切削上。

笔者认为高速切削是在高效加工中非常值得关注的一种。首先是我们在高速切削的领域中还有许多工件材料的临界点需要在不断的实践中被确定，其次随着材料技术 尤其是纳米技术的发展，刀具材料的切削性能也会不断提升。这些刀具技术的进步必将同机床制造技术、数据处理和传输技术、切削热控制技术等相关技术形成良性 互动，从而促进高效切削技术的不断发展。

同时，大进给切削切削则是现代切削技术中的新应用热点，国际上现在所说的高效切削 (HPC)在狭义上就是指大进给切削。因为大进给切削的技术难点较高速切削少一些。就机床而言，它对主轴的要求与传统切削没有太大差别，而高速切削则对主 轴有一系列的要求；但两者在进给系统方面相差不大，高的进给速度和进给系统加速度。对于某些材料和刀具尺寸，即使普通机床也能实现大进给的高效切削。
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尽管文章中所描述的各个“新理念”成为相关研究和开发的主题至今已有一定时间，但是下面的题目依然是恰当的。这些理念几乎对每个读者都是新的。

以500,000 r/min进行微细铣削加工
对表面位置误差的理解
超越蠕墨铸铁中的速度极限
给有关手册一只援手

这些主题包括微观加工和宏观加工之间的区别；单单来自主轴的各种尺寸误差；通过对刀具进行根本改变而实现对难加工金属进行快速切削的机会；专门针对高速加 工计算参数的软件。这些选择加在一起，为可能影响高速加工在将来的应用方式的研究和创新提供了一些特定方式样板。

这些文章是依据可接近性而排列的。第一篇文章中所介绍的研究对象，即开发一个转速达500,000 r/min的微型主轴，可以证明是最具“野心”的一种目标。同时它也是距离实现任何实用生产应用最遥远的目标。通过对比，最后一篇文章中所描述的编程员的 新工具代表了一种戏剧性效果较低的开发……但是它是现在就可以应用的一种开发。

以500,000 r/min进行微细铣削加工

研究者旨在开发一种可以解释宏观和微观加工之间差异的主轴。

对于“微细”零部件方面的发展趋势，看看宏观世界就可以知道。以常规尺寸进行制造首先用于制造静止的目标。只有在稍后的时间它才用来制造运动组件中的零件。类似地，微细制造也是从静止物体开始向微型机械中的零部件发展的。

但是这些微型移动部件的设计和属性是受到严格限制的。它们的生产如今一般涉及成层建造，即微型石版印刷术。因此材料的选择包括硅或溅射金属，几何形状限于可以通过分层堆叠而形成的2½维形状。为什么设计者不可以用从实心钢加工的三维几何形状指定微观零件呢？

这个问题的答案主要在于速度或者说缺少速度。微细刀具需要较高的转速来实现高效切削速度及生产性金属去除率。对高效三维铣削需要多高速度所进行的分析表 明，该数值大约为500,000r/min。 对这个数字本身而言并不是很高。牙医的牙钻速度可以达到300,000 r/min。但是牙医的牙钻跳动可能达到10微米。在微细铣削中，这么高的跳动相当于切屑厚度的10倍左右。

这种与牙医的牙钻所进行的比较是佛罗里达州Gainesville市佛罗里达大学机床研究中心的教授John Ziegert提出来的。Ziegert博士正负责500,000 r/min主轴的设计和结构，这种主轴将可以铣削钢及类似金属以形成几百微米数量级的复杂特征。这种主轴将采用直径为0.010 英寸及以下，现在一般只用于诸如铝、石墨和塑料等软材料中加工简单特征的刀具。

该大学正在实验其第一个 500,000 r/min的实际产品。如果证明该主轴可以可靠地进行切削，则会被送往Sandia国家实验室进行加工试验。通过其微观系统研究项目， Sandia已经具备了制造直径小至25微米的铣刀的能力。过去对这种刀具进行的实验一直限于速度不超出30,000 r/min的主轴。这么低的速度允许的进给速度最好以每小时若干英寸表示，仅5~14英寸/小时。

微观与宏观 开发主轴的大部分工作涉及调研在微细加工方面所进行的已经形成文献资料的研究以及吸收这种早期工作所得到的教训。Ziegert博士说这种调研所得出的两个重要结论说明了微观加工和宏观加工的区别。

首先，刀具故障模式是不同的。在常规尺寸加工中，刀具会磨损。但是在用微尺寸刀具进行加工时，最终结果更可能是刀具破损。对小刀具而言，在发生比较明显的刀刃磨损之前，很容易就达到其弯曲强度极限。

第二个差异是微型加工中的切屑厚度一般小于刀刃半径。这一点与正常尺寸的加工差异很大，其中切屑的厚度比刀具的刀刃半径要大好多倍，即使在较轻的精加工过程中也是如此。如果微型加工中切屑厚度仅仅按比例推算大小，则切削力将很容易超出刀具的弯曲强度。

切屑厚度小于刀刃半径的结果是由微型铣刀明显为负的前倾角决定的。有效的前倾角可能为负50度。或者甚至可以比此数值更大。这么大的负前倾角增加了切屑产 生的切削力，这样就进一步需要减少切屑厚度。所产生的切屑负荷如此轻，因此一个非常高的主轴转速可以将“ipr”（转速）转换成生产性的“ipm”（切削 速度）。
Ziegert博士对这些与弯曲强度及切屑厚度有关的问题所进行的分析，正是导致他得出500,000r/min的估计转速的原因所在。

无刀夹

佛罗里达大学设计的速度这么高的主轴采用切削刀具的刀柄做主轴的轴。而受速度不断增加的摩擦轮的驱动，刀具会比该组件任何其它部件都转得更快。

Ziegert博士说，没有任何其它解决方案会使主轴达到所要求的低跳动。常规的铣削主轴采用刀夹使刀具成为主主轴的加长体。但是没有任何刀夹夹紧机构—弹簧夹头、热收缩配合—可以将微型刀具保持足够同心，从而可以在硬金属中进行精确的三维铣削加工。

相反，刀柄在客户空气轴承中单独自转。驱动摩擦轮的主轴以刀具速度的1/10左右运转，以50,000r/min传送0.01 Nm的转矩。 Ziegert博士说，他可以从经验中指出微观和宏观加工之间一种更根本的差异。在微观加工中，如果不借助有关设施，人眼或人耳无法确定刀具何时已经破 损。一把在（8小时的）循环一开始就断裂的刀具有可能不会一断裂就被发现，很可能要等到8小时循环周期过后才被发觉。

因此，这种主轴另一个关键元件是连续监视加工力的三轴传感器。为了让微型加工主轴可以高效进行加工，需要一个安全“警卫”来确保刀具时刻处于切削过程中。

对表面位置误差的理解

将转速改变几百r/min，刀具的有效切削半径就可能会发生变化。

许多以高主轴转速进行铣削加工的车间都可以理解为什么转速方面很少的变化可以导致切深的巨大改善。这种解释与颤振、以及高速主轴在转速范围某些窄窄的区域发生“谐振”的趋势有关。挑选一个对应于这些稳定区域之一且颤振会消失的转速，让刀具可以进行较高切深加工。

但是即使是那些对以这种方式避免颤振很熟悉的车间也会遇到相关的危险。不再颤振的刀具却依然在振动。实际上，当颤振消失后，刀具趋向于以甚至更高的振幅发 生振动，因为低颤振主轴速度发生在系统本质上趋向于振动的那些“自然频率”上。而这种振动则有可能影响刀具的切削直径。

换言之，大量跳动可能仅仅来源于主轴转速。以13,000r/min铣削到0.065英寸厚的薄壁，如果以14,000r/min铣削，则可能只有 0.061英寸厚，因为振动在两侧增加了 0.002英寸的误差。在两种情况下，机床、刀具及刀具路径都是一样的。只是主轴速度发生了变化，而仅此就足以引起加工后的表面产生不同的景象。这种现象 被称作“表面位置误差”。

误差的避免

这种现象本来一直存在，只不过是高速加工使它引起了人们的关注。上面例举的薄壁实例是比较现实的，这一点有若干原因。首先，车间习惯于认为他们自己的低颤 振速度有助于为飞机行业提供服务，加工实心铝薄壁零件。其次，实例中的误差数量级—针对1,000r/min的转速变化发生0.002英寸的误差—是一种 在对高速铣削代表性设备进行的试验中测得的典型误差。

有一个研究机床表面位置误差的研究者名叫Philip Bayly，他是密苏里州的圣路易斯华盛顿大学的一名机械工程教授。Bayly博士及这里的其他人员正在开发一种称作“时间有限元分析”的研究方法，这种 方法可以同时预测稳定性和表面位置误差。对于主轴和刀具给定的组合，这种时间有限元分析法可以用来找出使稳定性最高而误差最低的最佳主轴速度。以前也可以 进行这种预测，但是时间有限元分析法却可以进行足够快的计算，快得可以将分析在一天中就结合到在车间运行的软件中。

但是即使没有这种软件，Bavly博士说车间也依然可以控制误差。这种误差的一个特征是，它趋向于发生在一个甚至比无颤振稳定加工范围还要更窄的转速范 围。这意味着，简单地通过调高/低发生误差的速度设置，就可以避免误差，却依然保持无颤振。改变100或200r/min可能就足够了。

最重要的一步是在发生误差时，简单地将它识别出来。尽管将尺寸误差归罪于装夹或一些其它更加熟悉的变化源比较容易，但是在严格控制的过程中发生故障其可能原因却更可能是因为主轴速度引起的。


超越蠕墨铸铁中的转速极限 回转式刀片加工方面的进步可能对其它难加工材料带来了一定启示。

对蠕墨铸铁（CGI）早期进行的加工实验表明，在当今的刀具技术条件下，不能采用特别高的切削速度。而对于灰铸铁，由于其中存在硫，因此可以进行比较快的 切削。金属中的硫可以产生一层MnS（硫化锰），在加工过程中，它可以对刀具起到润滑作用。但是在蠕墨铸铁中，没有硫，因此就不存在MnS的作用。没有这 种润滑作用，在蠕墨铸铁中当今还无法期待实现超出500 平方英寸/分钟的切削速度。

但是如果刀具的切削行为发生改变，那么确实可以实现更快的切削。

在过去多年的时间里，（位于密执安州Chesterfield市的）Cincinnati Lamb公司的研究者们已经通过采用回转刀片式刀具在加工蠕墨铸铁的铣削效率方面取得了巨大改善。在回转刀片式刀具中，每个切削刀片都安装在一个轴承上， 因此刀片可以自由自转。利用这种刀具设计，该公司已经在蠕墨铸铁加工中实现了超出3,000平方英寸/分钟的速度，而采用相同的陶瓷刀片材料在比较常规的 刀体上却被限于较慢的转速。刀具寿命也发生了成正比的改善。Cincinnati Lamb公司工程经理 George Georgiou指出，这种刀具工作的方式与19世纪以来所采用的金属加工方式不同。对于标准铣刀，加工涉及给工件材料施加过强的力量以剪切掉切屑，让能 量损失转换成热。回转刀片式刀具增加了该过程刀片的回转，因此某些能量花费在驱动回转方面。降低切削中的热量可以保护刀具，并改善其性能。

刀具设计本身不是一种新技术。回转刀片式刀具已经问世很长时间，在某些场合用于加工灰铸铁，延长刀具寿命。但是，对于大多数零件，这种刀具设计已经成了试 图发现某个问题的一种解决方案。配备精密轴承的刀体其成本一般无法通过刀具可以提供的工艺改善而带来的价值加以抵消。但在蠕墨铸铁中所带来的改善程度却是 一个例外。

更高功率

Georgiou 先生说，Cincinnati Lamb公司及其它金属加工供应商当前给予蠕墨铸铁的关注直接与柴油发动机的生产量提高有关。各种汽车制造商都设想重新给美国客车市场推出柴油发动机，因 为这种发动机结构在燃料方面具有更高的经济性。而蠕墨铸铁使得燃料方面的经济性甚至更高。与灰铸铁相比，用蠕墨铸铁制成的发动机能以更小的体积提供相同的 功率。
这种材料所具备的高强度使得这一点成为可能，但是同样是这种特征使得该材料很难加工。由于需要较高的力，因此Cincinnati Lamb公司在切削蠕墨铸铁方面所取得的成功不仅依赖于回转刀片式刀具，同时还归功于高功率、高刚性的机床。

该公司如今的目标是改善回转刀片式刀具的结构。这一点被看作是实现更加实用的蠕墨铸铁铣削过程所面临的主要技术挑战。轴承套筒给刀具带来了一种全新的磨损 元件，因此对这种套筒的新结构进行实验的工程师们将目标放在取得更长和更加一致的使用寿命上。同时，工程师们正努力降低刀具的最小尺寸。当前的回转刀片式 刀具可以加工直径小至3英寸的孔。Cincinnati Lamb公司希望将该极限至少降低到2英寸。

所有针对回转刀片式刀具的改善提出的一个希望是，它将不仅导致在汽车行业盈利，同时在其它应用中也如此。Georgiou先生说：“没有任何理论方面的理 由表明这种概念无法用于钛、铬镍铁合金、耐高热镍基合金、金属矩阵复合材料以及过去很难加工的其它材料。” 给有关手册一只援手

软件计算器可以提供速度、进给速度和切深等标识高速切削的最明显特征的数值。

对于高主轴速度与低切深的组合而言，有一种将许多加工数据表置之脑后的方式。切屑变薄、颤振以及球头刀具切削半径减小的可能性等都是一些可以认为（某手册 中推荐的高速加工过程）切削参数无效的共同现象。以高转速和低切深运行的车间通常必须通过在自己的车间进行物理实验才能找到最佳切削参数。

但是实验是唯一获得这些数据的方式吗？针对切屑变薄、对球头刀具的有效半径甚至针对颤振而调节的切削参数等均可以通过数学方式加以预测，条件是给该数学模型提供足够的信息。没有任何一个打印在纸上的数据表可以提供所有这些信息，但是软件设施却可以实现这一点。

这就是两名在加利福尼亚州圣地亚哥工作的CAD/CAM编程员最近开发的高速加工计算器（High Speed Machining Calculator）背后的理念。在往数据区中输入有关刀具和切削的合适信息后，计算器会给出推荐的充分考虑了高速和低切深效应的铣削参数。计算器在用 户的CAM软件顶部一个小窗口中运行。其开发者，Arnel Canja与 Terrell Moose，拥有为模具、飞机零部件以及当地海军空运库其它零件进行编程的经验。海军组织可以免费使用该软件，Canja与Moose可以将其销售给别 人。这种行销已经证明是这对夫妻所面临的挑战之一（早期的一个经销商已经申请破产）。该计算器如今可以通过Compu-快速软件（Compu- fastSoftware）获得。

高速加工效应

“切屑变薄”是这种软件要处理的效应之一。针对铣削中切屑负荷而提供的加工数据表的推荐值趋向于假定刀具完全啮合，意味着每个刀齿都通过180度旋转进行 切削。对于以较低径向深度进行精加工切削的立铣刀，刀具啮合实际要大大小于此值。当径向深度较低时，高速加工计算器通过提高进给速度而将这一点考虑进去， 以便保持切屑负荷具有生产性意义。对于球头铣刀，轴向和径向深度都要考虑。

采用三角学中可比做法来调节球头铣刀的有效半径。对于这种刀具，切削半径不一定要与刀具半径相同。任何轴向切深小于球半径的情况都不会采用球的全部直径， 从而降低有效切削半径。该计算器不仅提高了浅切削中的转速值，以维持目标切削速度“平方英寸/分钟（sfm）”数值，同时还在标准手册参数允许较高表面速 度（采用小直径刀具）的场合提高sfm数值。
对于颤振，该计算器的方法可能比此要稍微欠准确一点。低颤振主轴转速的真实计算将需要对主轴的频响进行分析。该计算器没有这种功能。相反，它依赖于用户自己的颤振特征，结合建立在声学领域的谐振式谐波理论基础上的分析。

用户将颤振描述为严重、中等或轻度。然后用户在两个可能表征颤振性能的谐波模型之间进行选择。此时，计算器已经针对这种颤振准备好了加工参数，包括发生这种颤振的转速数值在内。基于这些输入，软件会提出针对特定低颤振主轴转速的一些建议数值。

对该软件的这种特定特征还没有确切的把握。它处理颤振问题的有效性有多高只有在更多车间使用后才能得知。但是，它确实有一个很吸引人的“卖点”—可以在不具备测量机床低颤振转速技术或不进行这方面培训的情况下掌握高速加工中的颤振情况。
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