高速加工对刀具材料要求更高，除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高可靠性，由此刀具的热硬性和刀具磨损问题就成为关键。

如何理解高速加工

高速加工是开启高效大门之密钥，但又不仅限于“速度带来的高效率”。最初Salomon博士对高速加工的研究只是为了提高材料去除率，但随着研究和应用的深入，我们找寻着当切削的刀刃相对于零件表面的切削运动速度超过常规切削5～10倍，能使被加工塑性金属材料在切除中的剪切滑移速度达到或超过的某一域限值和开始趋向最佳切除的条件，以使被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面温度、刀具磨损、加工表面质量等明显优于传统切削速度下的指标，而加工效率则大大高于传统切削速度下的加工效率。

这样，随着这寻找的研究和应用不断的深入，我们对因高速加工带来的切削机理、机床、刀具、 CAD/CAM、冷却润滑、动态性能等加工技术的方方面面有了更深入的认识后，我们发现，高速加工已成为机械加工领域的一项引领技术。尽管高速加工的定义仍然很模糊，然而今天，我们知道高速加工不仅仅意味着高主轴转速，进而也不单是一种缩短生产时间和提高工件精度的技术革新，它已切实上升成为企业提高生产率的生产策略，这种策略直对生产成本和生产时间，结果不仅要获得高质量高精度的工件，更为企业产品占领市场份额奠定坚实的基础。在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念，它被看作是一种管理方式，通过整合，协调加工中的各个环节，来实现企业的切削加工达到一个新高度。

高速加工的基本出发点是高速低负荷状态下的切削，可较低速高负荷状态下切削更快地切除材料，这个过程本身就有对能量的考量，而高速加工提高生产效率的结果更无疑可以减少设备的投放，生产场地及生产资料的占用，这些都有利于节能减排。还有，高速加工带来的直至对整个行业传统加工工艺的改变不仅促进了行业工艺技术的进步也对节能减排做出了贡献，如模具行业应用高速加工，能有效地加工高硬度材料和淬硬钢，获得十分光滑的加工表面，能有效地对复杂表面和极窄槽极小R角的加工，避免了电极的制造和费时的电加工(EDM)时间，大幅度减少了钳工打磨与抛光量。

高速加工区别于传统加工的要求

从高速切削机理的研究中我们看到，随着切削速度的提高，材料的高应变率(在切削速度500m/min时约为1.67×105/s，切削温度达到1400℃) 使切屑成形过程以及刀具与工件之间接触面上发生的各种现象都与传统切削条件下的情况不一样，对刀具材料，除了要求具备普通刀具材料的一些基本性能之外，还应突出要求高速切削刀具具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性，由此刀具的热硬性和刀具磨损问题就成为关键，因此，高速切削要求使用性能更高的刀片牌号。目前高速切削刀具材料主要有超细颗粒硬质合金、涂层硬质合金、金属基陶瓷、氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷、聚晶金刚石、聚晶立方氮化硼等。

1. 刀具结构、设计及参数

高速加工对刀具的要求也不同于常规加工刀具。旋转刀具刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过刀具的轴线。刀体上的槽(包括刀座槽、容屑槽、键槽)在高速旋转时更会引起应力集中，降低刀体的强度，因此更强调避免通槽和槽底带尖角。高速旋转刀具应减少刀体连接元甚至更提倡整体结构，以提高刚性和安装重复定位精度以及安全性。

为了减轻和承受离心力的作用，高速加工刀具要求刀体材料的比重要小，强度要高，对刀体材料与结构进行优化设计，简化刀体结构，减轻刀体质量，现在有的高速铣刀已采用高强度铝合金制造刀体。刀体材料的选择应取决于材料拉伸强度与密度的比值和应用的转速范围。

对于刀具的几何参数，在高速加工中，用不同于普通加工的参数，可以提高刀具的相对寿命。比如，高速加工刀具容易刀尖热磨损和刀具切削刃边界的缺口破损。因此，用于高速加工刀具的前角应比普通刀具小，后角应比普通刀具大(5°～8°)，主、副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以提高刀具刚性和减小切削刀具破损的概率，高速加工铸铁件时适当采用比普通加工更大的刃口圆弧半径也可提高刀具的寿命。

2. 刀具与机床——刀柄与刀具——刀体与刀片的连接方式

高速加工中，刀具与主轴的连接宜采用HSK锥柄或类似的空心短锥柄结构。可转位刀片应有中心螺钉孔或有可卡住的限位槽，可与刀体上的凸起部相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，还要控制螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，要求高刚性的夹紧方法：液压夹头或热冷胀缩夹头。以保证夹持精度更高，传递的扭矩更大，能承受更大的离心力。比如，为了保证精确度，伊斯卡研发了热缩夹头(SHRINKIN)——通过热胀冷缩原理实现夹紧的系统，通过此方式令硬质合金立铣刀夹紧达到更高刚性。新夹紧系统获得了更高的扭力、更小的跳动和更高的重复定位精度。

3. 刀具的动平衡是高速加工对刀具特殊的要求

在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响。因此《高速旋转铣刀的安全性要求》标准规定，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940/1规定的G40平衡质量等级，即铣刀的单位重量允许不平衡量e不超过 3.8197×105/nmax(mm×g/kg)。为此，在机夹铣刀的结构上要设置调节动平衡的位置。实际上，目前某些精加工高速铣刀(或镗刀)不平衡质量已达到G2.5级(e=0.23873×105/nmax)，平衡性比G40级好得多，而美国平衡技术公司推出的刀具动平衡机甚至可平衡到G1.0 级。铣刀在机床主轴上的重复安装精度也会影响铣刀旋转时的不平衡效果，使用HSK类的刀柄可以保证很高的重复安装精度。

4. 高速加工刀具系统的机械故障与预防保护措施也需要特别考虑

旋转刀具所受的离心惯性力随着转速升高以二次方规律增大，造成生产实践中高速加工刀具系统发生特殊的、不同寻常的机械故障，比如当离心惯性力大幅度增加后，薄壁处刚度低径向扩张量显著增大，使刀柄径向晃动、无法定位，同时可能发生轴向错位移动而深入主轴：刀体(刀盘)结构有明显薄弱之处时，在很大的离心惯性力作用下会发生爆裂;在离心惯性力作用下，刀片和紧固楔块可能发生径向位移而增大旋转半径，或者刀片紧固螺钉被剪断等等。

5. 加工的策略

在传统的进退刀中，快速移动与进给运动为直角，在高速加工中，则需要在进、退刀移动中增加一圆弧运动，减少进给变化给机床造成的冲击。常规加工不太常用的 “摆线加工”，非常适合应用于高速铣削，因为切削的刀具总是沿着一条具有固定半径的曲线运动，在整个加工过程中，它使刀具运动总能保持一致的进给率，稳定性对高速加工非常重要。

总之，从刀具材料、刀具设计、刀具结构及几何参数到刀具损坏与检测、刀具与机床的连接技术、刀具安全性以及加工策略等各个环节，高速加工刀具比常规刀具应有更深入的思考。

优化刀具设计

高速切削技术已应用于航空、航天、汽车、模具和机床等行业中，已应用于车、铣、镗、钻、拉、铰及攻螺纹等刀具种类，应用于加工材料铝合金、钢、淬硬钢、铸铁、钛合金、镍基合金、铅、铜及铜合金、纤维增强的合成树脂等几乎所有传统切削能加工的材料，甚至很难加工的材料，应用领域非常广泛。

高速加工应用不仅有主轴转速标准，更需要有一套稳定的工艺支持其实现。涉及的方面包括工具系统，工艺流程和控制程序，而这些将与传统加工下的要求相差甚远。在一些情况下，对工艺的选择还需要了解机床在不同主轴转速下的状态。考虑到不同机床的规格，为实现针对不同工件的高速加工，工艺设计者要将加工中的各个环节整合到一个平衡的系统中，整体的协调发展十分重要。

在刀具领域，现有的刀具材料，在高速加工有色金属和非金属材料时充分体现出了它的优越性，对常规材料的加工还可以应对，但对难加工材料，如钛合金、高温合金、超高强度高硬度钢等，现有刀具材料的寿命和切削效率很低，刀具快速磨损成为严重制约难加工材料高速加工技术发展的关键问题。

研发新的刀具材料，关系着高速加工向广度和深度进一步发展。新型刀具材料最主要的性能要有更高的强度、硬度、化学稳定性、耐热性以及抗涂层破裂性等。因此，需不断研发出添加稀有金属的硬质合金、超细颗粒硬质合金、多元多层涂层硬质合金、纳米涂层刀具、金刚石、类金刚石涂层、立方氮化硼涂层、新型陶瓷等等，以期为高速加工的全面实现创造条件。例如，伊斯卡研发的IC903牌号合金——一种钴含量 12%的超微细颗粒、TiALN PVD涂层，具有高韧性，高耐磨性的特质，适用于淬硬钢(62HRC以上)、钛合金、镍基合金和不锈钢，刀具还经过特殊的几何形状和断屑槽设计等，以适用于高速加工。