摘要:高速加工技术是继数控技术之后，给机械制造业带来又一次革命性变化的一项高新技术。介绍了高速加工技术及其刀具。

1 高速加工概念及实现的可能性

高速加工(HSM)是集高效、优质和低耗于一身的现代制造技术，它不但可大幅度提高生产效率，降低加工成本，并且具有加工表面质量好、单位切削力小和工件温升小等特点，其刀具磨损快的问题，由于新型刀具的应用而得到明显改善。所以，高速加工已成为当前切削技术的重要发展趋向，是目前人们关注的一个热门话题。

高速加工是一个相对的概念，目前尚未得到广泛认同的统一界定。通常认为，它是采用比常规切削速度高得多的切削速度进行高效加工的一种工艺方法。美国Kennametal公司的专家认为，对于不同的加工材料，当切削速度达到或超过以下数值时，才可称为高速加工。即钢为380m/min，铸件700m/min，铜材1000m/min，铝1100m/min，工程塑料1150m/min。
■传统铣削高移速加工(HVM) □高转速加工(HSM)图1 由主轴最高转速和最高移动(进给)速度划分的告诉加工科太克

德国Darmstadt大学Mr.Th.Schmitt认为，应按主轴最高转速与最高移动(进给)速度相应范围进行界定，如图1所示。

由切削理论可知，提高切削速度，可减少刀具与工件的接触时间。例如在高速铣削时，尽管切削温度随切削速度的提高而急剧增加，但刀刃与工件实际接触的时间也将随切削速度增大而减少，即热量还来不及传到工件和刀具中时，材料已被切除，刀具就已切出工件，也即刀具上温度并没有象人们想象的那样高。因此，只要选用合适的刀具材料及刃形，实现高速加工是完全可能的。

2 高速加工类型及实现条件

高速加工按其加工目的可分为两类:一类是以实现单位时间内材料切除率最大为目的的高速加工，它所采用的切削参数要比传统工艺高几倍、甚至十几倍：另一类是以获得高质量加工为目的的高速加工，例如精密模具硬质材料的型腔，采用高转速、小进给量和小吃深加工，既可获得很高的表面质量，又可替代磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间，缩短生产工艺流程，提高生产率。据调查，一般的工模具，有60%的机加工量可用高速加工工艺来完成。

高速加工除适用于加工普通钢、铸铁和有色金属材料外，现已扩展到可加工各种难加工材料，如加工高强韧钢、高合金钢、镍基合金、钛合金和纤维强化复合材料等。所以，世界各国目前都投入大量财力开发高速加工技术，日本先进技术研究会将其列为五大现代制造技术之一。

实现高速加工是一项系统工程，它除应具有新一代高刚性、高主轴转速和高进给速度的金属切削机床外，还需有CNC控制系统、新型的刀具结构与材料、刀具与机床可靠的联接，以及刀具磨损或破损的在线检测与报警装置等作支撑。

3 高速加工刀具

对高速加工刀具最突出的要求是，既要有高的硬度和高温硬度，又要有足够的断裂韧性。为此，须选用涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料。它们各有特点，适应的工件材料和切削速度范围不同。例如，高速加工铝、镁、铜等有色金属件，主要采用PCD和CVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50～67HRC)和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。涂层硬质合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等涂层)虽其加工工件材料范围广，但其抗氧化温度一般不高，所以通常只宜在400～500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对于Inconel 718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道，加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel 718合金，推荐最佳的切削条件为:切削速度700m/min，吃深为1～2mm，每齿进给量为0.1～0.18mm/z。

试验表明，硬质合金的抗弯强度随WC颗粒度的减小而增加。因此，涂层刀具宜采用超细颗粒的K类硬质合金作基体。细颗粒硬质合金的另一优点是刃口锋利，尤其适于高速精密切削粘而韧的工件材料。切削刃边界的缺口破损和刀尖处的热磨损是高速加工刀具的重要特征。因此高速加工比普通切削加工时的刀具前角要取得小些，常用零度或负前角：后角稍大，约5°～8°。为防止刀尖处热磨损，所以主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖，以增大刀尖角，加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀头材料的体积，以提高刀具刚性和减少切削刃破损的概率。

必须指出，可转位刀片现已进入材料、涂层和断屑槽型综合开发的新阶段，可根据加工材料和加工工序合理组合材料、涂层和槽型的功能，开发出具有最佳效果的刀片。例如，以色列Iscar公司推出的“霸王刀”和日本三菱公司推出的多功能车刀片和铣刀片，它们都具有空间切削刃和曲面前刀面，切削刃上的法前角可调整为零度或负值，而工作前角为合适的正值，所以切削力小，刃口强度高，高速时的抗磨损能力强，预示着高速加工刀具刃形结构发展的方向。据报道，Carboloy公司采用PVD涂层(可使切削刃比用CVD涂层更锋利)的具有超大前角的硬质合金齿冠立铣刀高速铣削硬度高达55HRC模具钢时，切削速度120m/min，进给速度7.6m/min，轴向吃深0.51mm，径向吃深0.25mm，采用干式切削，刀具使用寿命长达1.5h。

(a)原始状态
(b)施加外力
(c)插入刀具
(d)去掉外力图2 三棱精压夹头科太克

4 刀具装夹结构

高速加工条件下，刀具与机床联接界面的结构非常重要，刀具的装夹要牢靠，工具系统应有足够的整体刚性，切削头须能快换。回转刀具的装夹结构除应满足一般切削要求之外(如力和转矩的传递)，还应具有高的定位精度和联接刚性，并尽量减小径向尺寸和质量。因此，对直线运动刀具，须使用杠杆式和上压式相结合的高刚性夹紧机构。对回转的带柄刀具，不能采用弹簧夹头和螺钉等传统的刀具装夹方法，须用高精度的液压夹头(如德国开发的1:10短锥空心锥柄自动快换夹头)、热装夹头、三棱变形夹头、内装动平衡机构的刀柄、转矩监控夹头等新品。这些夹头的特点是:夹紧精度高，在悬伸3D(D为刀具直径)处定位精度≤3µm，可保证加工精度：传递转矩大，可适应高效切削的需要：结构对称性好，有利于刀具动平衡：外形尺寸小，可加大刀具悬伸量，扩大加工范围。图2所示为在第六届中国国际机床工具展览会(CIMT’99)上SCHUNK公司展出的三棱静压夹头，利用夹头本身的变形力来夹紧刀具，定位精度≤3µm。该夹头在自由状态下其内孔为三棱形，三棱的内切圆直径小于要装夹的刀柄直径，利用一个液压加力装置，对夹头施加外力，使用夹头变形，内孔变为圆孔，孔径略大于刀柄直径，此时插入刀柄，然后卸掉所加外力，内孔重新收缩成三棱形，对刀柄实行三点夹紧。此夹头结构紧凑、对称、精度高，与热装夹头比较，刀具装卸简单，其加力装置也比加热冷却装置简单。热装夹头也是一种无夹紧元件的夹头，其夹紧力比液压夹头大，可传递更大的转矩，并且结构对称，更适合模具铣刀高效和超高速的切削。Epb公司在CIMT’99上展出了这种夹头及其配套的加热冷却装置，该装置可实现刀具装夹过程(加热—冷却)的自动循环，加热温度200℃，一次装夹时间为2.5～3min。

为保证高速精密切削时的加工精度和可靠性，刀具装夹到机床主轴上之前须先做动平衡，以确保加工系统的安全性。Epb公司推出了一种内装动平衡机构的工具系统刀柄，可转动补偿环移动内部配重，补偿刀具的不平衡量，而补偿环上的刻度可指示调节量。

5 高速加工在生产中应用

目前高速加工在车削和铣削上的应用已日益普遍，在钻削、铰削和滚齿方面也有重大突破。例如在美国航天工业中，已经采用7500m/min的切削速度来加工铝合金：加工钢和铸件的实用切削速度已达到1000～1500m/min。用陶瓷和CBN超硬刀具加工铸件，采用的切削速度为914～1219m/min，进给速度为1270～5080mm/min，其材料切除率高达49cm³/min，为传统加工的3倍。我国兰州石油化工机械厂用PCBN刀具车削10万kW发电机副励磁机滑环，切削速度为1885m/min。德国Guhring公司用陶瓷钻头干式钻孔时的切削速度高于200m/min。日本使用TiN涂层的硬质合金单刃铰刀(有冷却孔)高速铰孔时的切削速度高达150～400m/min。欧美等国采用细颗粒的涂层硬质合金滚刀和创新的排屑方法，干式滚齿时的切削速度高达350～400m/min。

随着对外开放和技术引进，高速加工已在我国汽车工业和模具制造业中得到了应用。例如，上海橡胶模具厂为奥地利客户加工的铝质橡胶扶手带模具，模具型腔长达1500mm，尺寸精度要求达到±0.05mm，表面粗糙度Ra0.8µm，原制造工艺为粗刨—半精刨—精刨—手工铲刮—手工抛光，制造周期60h，但型腔的加工精度仍无法控制。后该厂在两台引进的五轴五联动DIGIT-218高速铣床上加工，半精加工采用的主轴转速为18000r/min，吃深2mm，进给速度5m/min：精加工时的主轴转速采用20000r/min，吃深0.2mm，进给速度8m/min，加工周期6h，模具质量能满足客户的要求。目前诸如塑料模、压铸模、冲压模、锻模以及大型汽车覆盖件模具的型腔均可用高速加工来完成。

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