近十多年来，由于刀具、驱动、控制和机床制造等技术的不断进步，高速加工和高效加工，特别是高速硬铣已在制造业中得到了广泛应用和推广，传统的电火花加工在很多场合已被高速硬铣所替代。通过高速硬铣对一次装夹下的坯件进行综合加工，不仅大大提高了加工精度和表面质量、减少了加工时间、简化了生产工艺流程，从而显著缩短了零件的制造周期，降低了零件的生产成本。
1.高速切削技术的体系结构
高速切削技术是一种采用超硬材料刀具，并能可靠地通过高精度、高自动化、高柔性的制造设备的高速运动，极大地提高切削速度，从而达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代制造加工技术。它是提高切削效果、加工质量、加工精度和降低加工成本的重要手段。
从提高生产效率的角度来分，制造技术的发展经历了三个阶段。
① 第一阶段为加工辅助时间较长阶段。在数控机床出现以前，机械零件加工过程所花的时间，超过70%是辅助时间——用于零件的上下料、测量、换刀和调整机床等。
② 第二阶段为数控加工阶段。以数控机床为基础的柔性制造自动化技术的发展与应用，大大降低了零件加工的辅助时间，极大地提高了生产效率。加工中心是数控机床进一步发展的产物，加工中心、柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）的应用，解决了自动换刀和自动装卸工件等问题，更大程度地提高了整个零件加工的自动化水平。计算机集成制造系统（CIMS）和自动化工厂（AF）的出现更使制造自动化技术达到空前的高峰，在提高生产效率的同时，大大地提高了产品质量。
③ 第三阶段为高速加工阶段。由于加工零件的辅助时间大幅度降低，在机械零件加工的总工时中，切削所占的时间比例就变得越来越大。因此，要想进一步提高机床的生产效率，除了优化生产工艺外，只能减少切削时间。降低切削工时就意味着要提高切削速度，它包括提高主轴转速和进给速度两个方面。
随着机床高速主轴、直线电动机以及新材料刀具的开发，高速切削加工在工业生产中逐渐得以广泛应用。高速切削加工主要有以下几种不同的分类方法：
① 与常规切削速度相比较，通常把切削速度比常规切削速度高5～10倍以上的切削称为高速切削。
② 按线速度的大小，1978年CIRP切削委员会提出以500～7000m/min的线速度的切削加工为高速加工。
③ 根据工件的材料对应的高速切削范围有：常用材料中，铝合金为1000～7000m/min，铜为900～5000m/min，钢为500～2000m/min，灰口铸铁为800～3000m/min，钛为100～1000m/min。
④ 按不同加工方式高速加工切削的范围有：车削700～7000m/min，钻削100～1000m/min，铣削200～7000m/min。与之对应的进给速度一般为2～25m/min，高的达60～80m/min。
⑤ 按特定主轴转速下对应的功率分类，主轴转速为10000r/min时功率为37kW，15000r/min时的功率为22kW。
高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计和制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀具夹具系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多技术的基础上综合发展而成的。图4-9反映了高速加工技术的体系结构。
图4-9 高速切削技术的体系结构
2.高速切削的特点
高速铣削加工（High Speed Milling，HSM）的概念源于德国切削物理学家C.J.Salomon博士于1931年所提出的著名切削实验及物理引申，他认为对应一定的工具材料有一个临界切削速度，达到此温度时，切削温度最高；当超过这一临界切削速度，切削温度反而会降低（见图4-10）。使用该范围的速度进行切削加工，可大幅度提高机床的生产效率，并有效地提高了零件的加工质量。
高速切削时，由于切削速度的大幅度提高，决定了高速切削具有以下特点：
1）生产效率提高
2）切削力降低
3）工件的热变形减小
4）工件振动减小 由于切削力小且变化幅度小，机床的激振频率远大于加工工艺系统的固有频率，振动对表面质量的影响很小，有利于提高零件的表面质量。
图4-10 切削速度和切削温度的关系
1—常态切削速度范围 2—加工“死区”速度范围 3—高速切削速度范围
5）可加工各种难加工材料 镍基合金和钛合金材料的强度大、硬度高、耐冲击，加工中容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，常规加工难以实现且切削效率很低。用高速加工技术可以解决这类材料的加工问题，既能获得较高的表面质量，又能有较高的生产效率。
6）生产成本降低 生产成本的降低体现在以下几个方面：
① 零件的加工时间缩短。
② 工件一次装夹后既可以进行粗加工，也可以进行精加工。
③ 由于切削力和切削温度的降低，使得刀具磨损降低，使用寿命延长。而刀具的造价在工件加工的成本价中占有一定的比例。
④ 高速加工可以实现以切代磨。用切削工艺代替磨削工艺，具有刀具结构简化、工艺灵活性强、节省能源等优点，这些都使得工件的加工成本降低。
⑤ 与常规加工工艺比较，可以简化加工工序，从而降低加工成本。如模具型腔的加工，用常规加工工艺是：毛坯退火—粗加工—半精加工—淬火处理—电极加工—电加工—局部精加工—人工抛光；而采用高速加工技术，则加工工艺可简化为：毛坯淬火处理—粗加工—精加工—超精加工—局部加工。这样就省去了电极制作的加工工序，降低了生产成本。
3.高速切削的关键技术
（1）高速切削的理论基础
高速切削技术的应用和发展是以高速切削机理为理论基础的。通过对高速加工中的切屑形成机理、切削力、切削热、刀具磨损、表面质量等技术的研究，为开发高速机床、开发高速加工刀具、在高速切削时针对不同的材料选择合适的工艺参数提供了理论依据。高速切削机理的研究在高速切削技术中占有重要的地位，但高速切削机理和相关理论还远远没有完善，因此，要使高速切削向更高速度发展，应先大力发展对高速加工理论的研究。
（2）高速切削机床结构
高速切削机床结构是否合理是实现高速切削的关键因素。由于普通数控机床的传动与结构设计已不能适应高速切削技术的要求，因此高速切削加工机床必须进行全新设计。相对于普通数控机床，高速切削技术对机床提出了许多新的要求，概括起来有以下几点：(www.xing528.com)
① 机床结构要有优良的静、动态特性和热态特性。
② 主轴单元能够提供高转速、大功率、大转矩。
③ 进给单元能够提供大进给量。
④ 主轴和进给单元都能够提供高的加（减）速度。
针对这样的要求，高速切削加工机床全新的结构设计包括以下几方面内容：
① 高速主轴单元制造技术。高速切削机床的主轴采用内装式电主轴结构或内埋式电主轴结构。对于传统的传送带和齿轮传动，其主轴系统的最高转速不超过15000r/min，由于中间环节多，传动误差和转动惯量大，无法达到高速加工所要求的速度和加速度，同时由于侧向间隙的存在，造成跟随误差和轮廓误差的产生。采用电主轴结构可以实现零传动链传动，它具有结构紧凑、重量小、惯性小、响应速度快、可避免振动与噪声等特点。高速主轴单元制造技术所涉及的关键技术有高速主轴材料、结构、轴承的研究，高速主轴系统动态特性及热态特性研究，柔性主轴及其轴承的弹性支撑技术的研究和高速主轴系统的润滑与冷却技术研究等。
② 高速切削进给系统制造技术。高速切削进给系统是高速切削机床的重要组成部分，不仅要求进给系统能达到很高的速度，而且由于要实现在瞬时达到高速、瞬时准停等，还要求具有大的加减速度以及高的定位精度。高速进给单元技术包括进给伺服驱动技术、滚动元件技术、监测单元技术以及防尘、防屑、降噪声和冷却润滑等。所涉及的关键技术有高速位置环芯片的研制、高速精密交流伺服系统及电动机的研究、直线伺服电动机的设计与应用的研究、加减速控制技术的研究、高速进给系统的优化设计技术、高速精密滚珠丝杠副及大导程滚珠丝杠副的研制、高精度导轨及新型导轨摩擦副的研究等。
③ 高速切削机床支撑制造技术。高速切削机床的结构应确保机床的快速移动能力、承载能力、高刚性、热稳定性、耐冲击性和抗振性。高速切削机床支撑制造技术是指高速切削机床的支撑构件如床身、立柱、箱体、工作台、底座、拖板和刀架等的制造技术。它所涉及的关键技术主要有新型材料及结构的支撑构件设计制造技术、快速刀具自动交换和快速工件装夹自动交换技术、主轴和刀架总成后的动平衡技术等。它们对评定高速加工技术的高速高效、高精度、高自动化、高安全性等具有重大的影响和作用。目前，高速切削机床多采用龙门式立柱型对称结构，该结构可提高机床的承载能力和刚性、增强机床的耐冲击性和抗振性、降低机床的固有振动频率、减少机床因热变形所造成的几何误差。此外，高速切削机床也有采用箱体结构、高床身结构和防尘密封结构等。
（3）高速切削机床的刀具系统
高速切削机床的刀具系统要承受较高的温度和摩擦力，刀具通常采用钛基硬质合金、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼和陶瓷等材料。刀具几何角度和刀具结构要经过合理设计。高速切削的刀柄部分必须满足刚性好、传递力矩大、体积小、动平衡好、高速下切削振动小、装夹刀具后能够承受高的加减速度和应力集中等要求。高速切削刀具所涉及的关键技术有高速切削用刀具材料及制造技术和高速切削用刀具结构及几何参数的研究。在影响金属切削发展的各种因素中，刀具材料及制造技术起着决定性的作用，并推动了高速加工的实用化。
（4）高速切削的数控系统
高速切削数控系统与传统数控系统没有本质区别。但为了同时获得高速度和高精度，CNC系统必须根据被加工零件的形状、轨迹选择最佳的进给速度，在允许的误差范围内以尽量高的进给速度产生位置指令。特别在拐角处和小半径处，CNC系统应能判别在多大的加工速度变化范围内会影响精度，从而在刀具到达这样的点前使刀具的切线速度自动降低。对于模具加工，一般程序段很小，但是程序很长，因此还必须利用特殊的控制方法来实现高精度和高速度的加工。除此以外，较先进的CNC系统还应包括以下几个方面的功能：
② 工艺数据库功能。
③ 较强的图形功能。
④ 自动测量功能。
⑤ 较强的插补功能。
（5）高速切削的工艺系统
高速切削不同工件材料时，所用的刀具、工艺方法、切削用量均有很大的不同。此外高速切削编程时，还要考虑高速切削的进刀、退刀、移刀、拐角、重复加工、高效率切削加工和插入式加工等工艺。
（6）高速切削测试技术
高速切削测试技术主要指在高速切削加工过程中通过传感、分析、信号处理，对高速切削机床及其系统的状态进行实时在线的监测和控制。测试技术的成功应用可大大延长刀具寿命、保证产品质量、提高效率、保证设备及人员安全。高速监测技术所涉及的关键技术主要有基于监控参数的在线监测技术、多传感信息融合检测技术、机床功能部件的检测技术、高速加工中工件状态的测试技术和自适应控制及智能控制技术等。
4.高速加工中心的主要性能指标
HDR系列卧式高速加工中心是大连机床集团（DMTG）研制开发生产的具有国内先进水平的卧式加工中心机床，该机床广泛使用于军工、航天、汽车、模具、机械制造等行业的箱体零件、壳体零件、盘类零件、异形零件的加工，零件经一次装夹后可自动完成四个面的铣、镗、钻、扩、铰、攻螺纹的多工序加工。该加工中心特别配置了高刚性的齿轮变速主轴箱，能够同时满足低速大转矩和高速加工的要求，特别适用于高强度钢、高温合金、钛合金等难加工材料的加工。
（1）HDR系列卧式高速加工中心的特点
① 高精度。加工中心的X、Y、Z三个坐标丝杠全部采用先进的中空冷却技术，有效地控制了机床加工运动过程中的发热变形问题，提高了机床的加工精度。加工中心具有温度补偿功能，在机体的主要位置装有温度传感元件，通过数控系统分析并补偿坐标的位置，从而实现机床的高精度。
② 高性能。加工中心主轴系统的多种选项配置，能够全面满足客户的各种要求。
③ 高刚性。加工中心的主体部分全部采用树脂砂高磷铸件，床体为整体铸件，采用典型的十字滑台结构形式，三个直线坐标轴全部采用了高刚性的淬硬磨削的滑动导轨副结构形式。此外，加工中心在设计过程中通过有限元分析，以使结构更加合理。
④ 在换刀过程中，机床的机械手将主轴松、拉刀通过机械联动实现快速换刀（换刀时间为2.0秒）。
⑤ 加工中心床体为整体铸件，整机重达7.5吨，且具有高刚性。
⑥ 先进的FANUC18i—MB数控系统。
⑦ 国际先进的机床技术，如日本高可靠性的生产管理；国内生产销售的低价格。
（2）HDR系列卧式高速加工中心的主要性能指标（见表4-7）
表4-7 HDR系列卧式高速加工中心的性能指标
（续）
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