一、高效加工的概念

社会的文明进步与生产力的提高是分不开的，而生产效率是生产力的重要组成部分，因此，不断提高加工效率是机床与工具产业可持续发展的永恒主题。

1.高效加工的内涵

加工(High Performance Machining)与高速加工(High Speed Machining)有什么区别?高效加工在某种程度上可以涵盖高速加工，而高速却不等于高效。高速加工是通过切削速度和进给速度的提高来加以体现，而高效加工则包括更加广泛的内涵，而且从不同的视角去看，关注重点也有所不同。

(1)技术视角：聚焦高效率 高效率是指该系统单位时间内的材料切除体积或加工的零件数量，即切削过程的效率。

(2)经济视角：聚焦高效益 高效益是指该系统的投入产出比，即零件加工的成本或利润。

(3)环境视角：聚焦高能效 该系统是否顺应发展低碳经济要求而采取有效的措施实现节能减排。

高效加工和高速加工在理念、过程和机床3个方面的差异对比。

2.高效加工是一个系统工程

加工过程是由机床、刀具和切削液三者相互作用下完成的。机床的生产效率出自刀尖，采用先进的刀具和合理的切削参数，提高和优化加工系统的材料切除率，减少切除单位体积切屑所需的能耗，提高单位能耗所创造的价值，是实施高效加工的重要环节。

切削液是参与切削过程的中间介质，它不直接创造价值，但却是加工过程中主要的污染源。随着刀具涂层技术的进步，干切削加工将会逐步获得应用。当前，采用微量润滑技术是推广高效加工的首选方案。

二、高效加工的机床

高效加工把提高和优化材料切除率放在首位。例如，在铣削时增大切屑截面积和每齿的进给量就意味需要更大的切削功率。因此，高效加工机床必须具有足够的刚度和更大的主轴功率和切削扭矩。例如，航空航天零件在高效与高速加工时对电主轴功率特性要求就明显不同。

1.DST Ecospeed系列加工中心

德国DS-Technology公司在多年积累的航空零件制造经验的基础上，推出Ecospeed 系列高效加工中心，其总体配置。

可见，主轴头配置在可沿X 轴向移动的立柱上，并且可沿立柱上的垂直导轨作Y 方向的移动。主轴头安装在由三杆并联机构的运动平台上，可实现主轴头的伸缩移动(Z 轴)和X -Y 平面内的偏转。因此，该机床配置的特点是5个轴的运动都由刀具完成，而工件固定不动，这对大型飞机结构件加工是非常有利的。

此外，该机床的工作台可以翻转90?,使工件可以在水平位置装卸，而在垂直位置加工，使得高效切除的大量切屑得以迅速排走。

Ecospeed加工中心移动部件的惯性小，可使主轴的X 轴向移动速度达到65m/min,Y 和Z 轴向移动速度达到50m/min,所有轴线的加速度达到1g ,从而保证了机床良好的动态性能。

例如，该机床在加工欧洲战机中段结构件时采用直径为16mm、刀头半径为4mm的球头铣刀。粗加工时，使用80kW电主轴的全部功率，切深ae= 4mm、ap=6mm,进给速度f = 12 000 mm/min,主轴转速n = 24 000r·min-1.

粗精加工在一台机床上完成。精加工也采用高进给速度，加工表面质量明显提高，无需人工打磨和抛光，节约了加工时间，降低了加工成本。

Ecospeed高效加工中心加工飞机结构件与20世纪70年代采用的龙门铣床加工工艺方案相比，材料切除率从小于100dm3/h提高到接近700dm3/h,而飞机结构件的平均加工时间从接近600h降低到100h以下，充分显示了高效加工的综合效益。

2.Mikron HPM系列高效加工中心

瑞士GF AgieCharmilles集团的Mikron公司是在产品谱中将高效加工中心(HPM系列)和高速加工中心(HSM系列)加以明确区别的机床制造商。 HPM系列突出了高切除率的特点，主要针对汽车、航空航天工业。HSM系列突出了高切除率的特点，主要针对模具工业。两个系列同样规格的机床在总体配置和主要技术特性方面的区别如表1所示。

从表1可见，HPM和HSM系列的区别主要表现在以下几点：①采用转速相对较低的、功率和转矩较大的电主轴，以适应高切削参数的要求。②工作台回转轴采用双支点摇篮式，力矩电动机直接驱动，以提高工作台的承载能力。③为了保证将加工过程产生的大量切屑快速移走，采用双排屑系统。

三、高效加工的刀具

高效加工的特点是高切除率，不同的加工方法构成材料切除率的参数是不一样的。就铣削而言，切削深度ap起到重要的作用。典型的高效铣削过程。

铣削过程的切削力是不连续的，特别是在高效切削时由于切削深度大而容易造成切削过程的不稳定。但研究表明，铣削过程是一个非线性的，切削深度a p与切削速度v c存在一种多W形的关系，即当主轴处于特定的转速范围内(例如本案例为16 000~22 000r/min)，即使采用较大的切深(本案例最大值可达30mm)也能保持切削过程的稳定，并获得理想的切屑形状。

可见，当切削刃与工件表面相对运动速度在特定高速范围内，铣削过程的机械摩擦效应(蓝色曲线)和热效应(绿色曲线)也会出现低谷，刀具的磨损反而降低(红色曲线)。这是由于90%的切削热被切屑带走，还来不及传给刀具和工件。这个区域是采用高效铣削的理想范围。

在Ecospeed高效加工中心上加工欧洲战机铝合金结构件时采用的一组刀具。

如何才能够快捷和准确地找到高效切削的稳定区，优化切削参数，就需要借助基于加工系统动力学分析的切削过程仿真软件，例如CutPro或ShopPro等。

四、高效加工和绿色制造

1. 生态效益机床

机床是机械制造工业中广泛使用的装备，是一种用能产品(Energy Using Product,EUP)。它的设计、制造、使用和回收将受到有关法规和标准的制约。2008年10月欧盟委员会向欧洲议会提交了《用能产品生态设计指南》2009~2011年的工作计划，将机床产品列为10大用能产品之一。由德国弗朗霍夫协会的微系统装配和包装研究所和生产装备与设计技术研究所开展 “机床生态设计预研”项目，预计将在2012年出台相关法规或指令，对机床的能耗加以限制。

生态效益的机床(Eco-efficient Machine)的第一个特征是通过大幅度降低移动部件质量和减少所需功率。

生态效益机床提出一种全新理念：减少机床的重量，节省材料;同时降低机床使用时的能源消耗。实现这个目标的主要途径是采用新结构和新材料。

2.微量润滑MQL

在切削加工过程中通常需要使用切削液(冷却润滑液)。切削液的采购、存贮、使用和废弃处置需要专门的技术和物流系统，费用很高，占加工成本10%~15%。

切削液的使用与处置不当会对环境造成污染，甚至对人的健康造成危害。随着对环保的重视，处置切削液的维护成本和废弃费用不断上升。采用(Minimum Quantity Lubrication,MQL)或干切削(Dry Cutting)，正作为节省成本和节能减排的措施替代高成本、高污染和有害健康的湿切削过程。MQL与湿切削加工的比较如表2所示。

MQL是保护环境、降低成本和提高加工精度的绿色制造全面解决方案。尽管MQL切削油品的单价高于一般水基切削液，但由于系统简单、维护费用低，采用MQL的润滑冷却总费用将降低到传统切削液的40%。

五、高效源自集技术之大成

1.智能化

对Mikron HPM系列高效加工中心可选用加工过程监控模块，以便用户能够观察铣削过程是否正常。其原理是在电主轴壳体中前端轴承附近安装了加速度传感器，使铣削过程中产生的振动可以加速度“g 载荷”值的形式显示。

振动大小在0~10g 范围内分为10级，0~3g 表示加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态，3~7g 表示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具的寿命的降低，7~10g 表示危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具和工件的损坏。

采用VibroSet振动监控和抑制系统前后的效果。

该系统还可预测在该振动级主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。在过程监控系统中也可由用户设定一个g 极限值，超过此值时，系统报警和自动停机。

2.自动化

高效加工不仅体现在切削过程，还应该考虑如何缩短辅助时间，才能达到高效率和高效益的目标。就工件流而言，主要是采用托板交换装置使工件的装卸时间与加工时间重合，机床上的工件加工完毕后快速地与已经安装在托板待加工工件进行交换。例如，在HPM1000U高效加工中心的托板交换装置和塔式刀库。

进一步提升高效加工的效果仅依靠切削加工技术是不够的，它还涉及许多相关技术领域，如智能化、自动化及网络化等，需要传感技术、测量技术、自适应技术的配合，高效源自集技术之大成。