刘强 北京航空航天大学教授

高速加工的概念

高速切削加工是采用比常规切削速度高出5～10倍速度下进行的切削加工。高速切削的思想起源于20世纪20年代，德国学者Carl Salomon提出了高速切削假设：“当切削速度提高到一定程度时，切削温度不升反降。”这一假设启发各国学者们进行了大量的机理研究和实验。1980年之后，随着高速数控机床和高性能切削刀具的成熟以及生产需要，高速切削首先在航空器结构件、汽车模具等零件加工中得到实际应用，使得加工效率和加工质量大幅度提高。

需要注意的是，高速加工不是简单地以是否使用高速机床，或是所使用机床主轴的转速来衡量。高速切削的本质是，不同工件材料切削加工时的线速度进入到高速切削的速度区间，从而获得优于常规切削速度下的加工质量和效率，如图1所示。图中白色部分为常规加工切削速度范围，蓝色部分为高速加工切削速度范围，常规和高速之间可能会有一段切削速度的中间过渡范围。

图1 典型工件材料的高速切削速度范围

高速切削过程的基础理论

尽管在金属切削理论中，已建立起了金属切削过程中的切屑形成、切削力、切削热和切削温度、刀具磨损和耐用度、已加工表面完整性等基础理论和规律。但由于高速切削与常规切削过程不同，会出现许多不同的变化规律和效果，呈现出新的特性。当前，高速切削过程基础理论研究的关键和热点问题包括：

（1）高速切削过程中的切削变形理论。主要研究Johnson-Cook本构方程、锯齿状切屑形成、切削过程变形区的计算机仿真等；

（2）高速加工切削力建模。研究高速切削条件下的铣削/钻削/车削等切削力数学模型、切削参数对切削力的影响规律以及高速加工切削力的特征分析。

（3）高速加工热力学建模。主要研究高速切削过程的“切屑-刀具-工件-周围介质”的生热/传热/散热等热力学特性、切削热源特性、切削温度场特点等。

（4）高速加工动力学。主要研究高速加工过程中“主轴-刀具-工件”系统的动力学特性，重点解决以高速铣削为典型切削过程的切削稳定性分析与求解，并且在加工过程动力学仿真基础上避免切削颤振、进行切削参数优化和机床结构优化。

（5）高速加工表面完整性。主要研究零件表面微观几何形状特征以及表面特理力学性能，包括表面粗糙度、加工表面硬化、表层残余应力及金相组织变化等，尤其是难加工材料(如钛合金、高温合金等)在高速切削时的表面完整性。

高速切削机床及其功能部件

高速化是数控机床发展的一个重要趋势，国内外的数控机床制造企业都在致力于研制和生产各类高速机床，高速切削机床一般具有满足如下的特征：

1. 高速主轴

高速机床的主轴应能够提供足够的转速和功率，以实现高速切削。通常，最大主轴转速高于12000r/min称为高速机床；在满足转速要求的同时，对于铝合金一类轻合金切削的高速主轴应有足够的功率；而实现高强钢、钛合金等材料的高速切削主轴还应可提供足够的扭矩，以适应切削过程中所产生大切削力和扭矩。

图2  高速切削

高速主轴一般多采用电主轴，其关键技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电动机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具（或工件）动平衡等，传统的高速低功率的电主轴技术已经十分成熟，国外可适用于钛合金高速切削的高速大功率(大扭矩)的电主轴也已开发成功。

2. 具有高动态响应的高精度进给系统

高动态响应的进给系统是实现高速高效加工的另一个重要基础。一般直线进给轴速度可达30～60m/min，甚至达到1～2g，小型的数控机床可达更高。高性能数控机床采用直线电机驱动的直线轴运动和力矩电机驱动的摆动轴运动，以简化机械传动结构，实现所谓“零传动”，并在轴运动控制器中对速度、加速度和加速度变化率的控制曲线进行优化，此外，还采用“双边同步驱动”、“重心驱动”等技术，从而可显著抑制运动过程中的谐振，获得非常高的动态响应特性。

3. 高刚度

主轴系统、进给系统和机床结构应具有良好的静态刚度和动态刚度以及热稳定性。高的静态刚度可以抵抗零部件重力和切削力引起的结构变形，保证刀具相对于工件在切削过程中的静态位移要求；优良的动态特性可防止和减小动态切削过程产生的强迫振动和自激振动(颤振)，以控制刀具相对于工件在切削过程中的动态位移；良好的热稳定性使得机床在加工过程中受到切削热、环境温度变化等作用时，热变形量尽可能小并且均衡一致。最终，机床高静动态刚度和热稳定性将使零件切削加工获得好的表面质量和高的切削效率。

4. 智能化

智能化是新一代数控机床的重要特征。智能化主要表现在两个方面，一方面是机床控制的智能化，如在机床轴运动控制上引入前馈控制、预测控制、鲁棒控制等先进控制策略，在加工过程控制上引入自适应控制、学习控制等。另一方面是将专家系统、自动检测及自动补偿功能等嵌入数控系统，例如在数控系统中配备自动编程与仿真、机床状态监测、故障诊断、刀具自动管理及补偿、机床热变形/振动监测与补偿等功能，使数控机床具有更多的“智能”，提高数控系统的控制性能，从而实现机床和加工过程的智能化、最优化控制(具有上述特点的高速加工中心的例子如图2所示)。

高速切削的刀具技术

高速切削刀具技术是实现高速加工的关键，它不是单一的刀具问题，而是涉及刀具、刀柄及主轴接口、冷却润滑、安全防护等诸多方面的系统问题。

一方面，提高切削速度的关键制约因素之一是刀具是否能承受高的切削温度，因此，刀具材料及表面涂层和刀具结构参数等成为高速切削成功应用的重要技术。刀具材料必须具有高硬度、耐磨损、高韧性、耐高温等性能，从而满足高速切削时刀具/工件接触区高温、高压以及高频冲击等对刀具的要求，除了常用的各类硬质合金刀具材料，金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、碳(氮)化钛TiC (N)基硬质合金(金属陶瓷)、超细晶粒硬质合金等材料和涂层技术用于高速切削刀具，大大促进了高速切削加工技术的应用和发展。

图3  高速加工中心

另一方面，主轴高速旋转时会产生大的离心力以及偏心质量会产生附加的径向载荷，这是高速加工的主轴刀具系统区别于中低速加工的新的重要特点。因此要求刀具与主轴必须实现高可靠性的联接，并通过动平衡测试和调整保证刀具系统达到标准规定的允许不平衡量。以HSK、KM、CAPTO等为代表的一类刀柄，采用空心短锥和端面同时定位，并配用热缩、弹簧或液压夹头，保证了高速加工时的刀具与主轴的可靠联接，使高速切削加工技术从理论研究进入工业应用阶段。

此外，高速切削过程中，刀具及切削区的冷却润滑问题也成为重要影响因素，雾化冷却、刀具内冷、低温冷却、微量润滑等技术的应用，其本质作用就是使得冷却润滑介质可以真正进入刀具、工件的接触区，实现有效的冷却润滑，其效果比传统的浇注方式冷却润滑显著提高，而且更加绿色和环保(典型的高速加工刀具如图3所示)。

高速切削的工艺技术

高速切削工艺技术也是成功应用高速加工的关键技术，其核心就是要在高速加工过程中尽量保持恒定的切削负载、高的切削线速度和高的进给速度，从而实现高的材料去除速率和加工精度，主要涉及切削方法及走刀策略、切削参数优化技术等。高速加工时，下刀切入处、内外拐角处、封闭型腔等的切削加工对加工效率和精度影响较大，应先解决这些工艺特征处的切削方法，保证实现真正的高速切削，常用的切削方法有螺旋下刀、摆线下刀、拐角处先进行插铣等，从而使得在走刀过程中切削负载保持均匀，获得高过且过转速和进给速度。

高速加工过程切削参数优化是使高速机床真正实现高速切削的支持技术。从动力学的观点来看，高速切削也是由“机床-刀具-工件”构成的切削加工动力学系统，加工效率的提高将受到动力学系统稳定性的限制，即由切削加工过程产生自激振动（颤振）的条件决定，而不是简单地仅由机床的功率、主轴额定转速/转矩、刀具许用值等指标决定。

为了提高高速加工的切削效率，应使机床在额定功率和额定转速范围内工作时，都不产生切削自激振动，即保持数控加工过程的切削稳定性，这是高速加工动力学要研究解决的首要问题。当前，基于数控切削过程的动力学分析与仿真，对高速加工的切削参数进行优化，已成为高速切削理论研究和应用技术开发的重要方面。近年来，以北京航空航天大学高效数控加工技术研究应用中心为代表，自主研究开发了“X-Cut ”系列数控切削过程仿真优化系统，包括SimuCut、DynaCut 、OptiCut、DataCut、DeFMCut等具有不同功能的仿真软件和测试系统，为包括高速切削的数控加工过程仿真优化提供了技术方法和应用工具，已成功应用“千台数控机床增效工程”的近120家企业，取得了显著的应用成效。

以高速切削为代表的高速加工技术，随着数控机床及其控制技术、刀具技术和加工工艺技术等在过去20多年的快速发展和趋向成熟，已在航空航天、汽车、模具等领域得到了广泛应用，未来的高速加工的应用领域将进一步扩大，并向更加高效、更加优质、更加经济、更加环保的方向发展。