高速加工技术概述摘要：本文在介绍高速加工技术概念的基础上，介绍了高速加工技术目前研究的背景和最新的研究进展，举例说明目前高速加工技术的实际应用情况，最后展望了该领域的发展前景。
关键词：高速加工；内部激励；振动；联合仿真；试验Overview of high-speed machining technologyChenXu（Nanjing Agriculture University Institute of Technology，Nanjing 210031）Abstract:This paper introduced the concept of high-speed machining technology，and then the background of the latest research developments in high-speed machining technology is introduced,and it setted some examples to illustrate the practical application of the current high-speed machining technology.Finally, the development prospects in the field is forecasted. Keywords: high-speed machining; Internal Incentive; Vibration; Co-Simulation; Experiment先进制造技术这一特有名词被提出后，立即获得世界各国的积极响应，成为当今制造业研究的重点领域之一。
先进制造技术即制造业不断地吸收机械、电子、信息、材料、能源及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于制造的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术的总称[1]。
高速加工技术（High Speed Machining，HSM）作为先进制造技术中的重要组成部分，正成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。
高速加工的理念从20世纪30年代初提出以来，经过半个多世纪艰难的理论探索和研究，并随着高速切削机床技术和高速切削刀具技术的发展和进步，直至20世纪80年代后期进入工业化应用。
目前在工业发达国家的航空航天、汽车、模具等制造业中应用广泛，取得了巨大的经济效益[2]。
1高速加工技术的概念及研究背景1.1 高速加工技术的概念高速加工技术中的“高速”是一个相对的概念。
对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速加工时应用的切削速度并不相同。
如何定义高速切削加工，至今还没有统一的认识。
目前沿用的高速加工定义主要有以下几种：（1）1978年，CIRP切削委员会提出以线速度（500~7000）m/min的切削加工为高速加工[3]。
（2）根据ISO1940标准，主轴转速高于8000r/min为高速切削加工。
（3）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）提出以高于（5~10）倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工[4]。
（4）从主轴设计的观点，以沿用多年的DN值（主轴轴承孔直径D与主轴最大转速N的乘积）来定义高速切削加工。
DN值达（5~2000）×105mm·r/min时为高速加工[4]。
（5）从刀具和主轴动力学角度来定义高速加工。
这种定义取决于刀具振动的主模式频率，它在ANSI/ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围[4]。
因此，高速加工不能简单地用某一具体的切削速度值来定义。
根据不同的切削条件，具有不同的高速切削速度范围。
虽然很难就高速加工的给出明确定义，但从实际生产考虑，高速加工中的“高速”不应仅是一个技术指标，还应是一个经济指标，是一个可由此获得较大经济效益的高速加工。
根据目前的实际情况和可能的发展，不同的工件材料的大致切削速度范围如图1所示[5]。
图1 不同工件材料大致的切削速度范围Fig.1 Different workpiece material cuttingspeed range roughly1.2高速加工技术的研究背景20世纪中后期，随着社会生产力的提高和科学技术的发展，特别是材料、信息、等领域的长足进步，对常规的金属加工效率产生了更高的要求。
需要在保证加工质量的同时能够尽快的完成金属切削加工过程，提高生产效率，缩短产品的开发周期，进而提升企业的产能，增加企业收入。
在这样的背景之下，高速加工技术概念提出20年后，从20世纪50年代后期开始，高速切削加工的理论基础研究开始在世界范围内展开。
首先是高速加工理论研究和探索阶段（1931年—1971年）。
由于当时还没有高速加工的机床，不能进行很高速的切削加工实验，于是采用了弹射实验的方法。
研究表明很多材料是可以通过高速切削来实现加工的，可以大大的提高生产效率，但是要解决高速切削过程中严重的刀具磨损和机床振动现象。
然后是高速加工应用基础研究探索阶段（1972年—1978年）。
该阶段主要探索了高速切削加工用于实际生产的可行性。
最后发现：生产上应用切削速度（305~915）m/min 切削加工铸铁和钢；（610~3660）m/min切削加工铝合金是可行的，并且可以有效地提高表面加工质量，但要加强研究开发刀具和具有快速装卸工件与更换刀具的高速加工机床。
随后是高速加工应用研究阶段（1979年—1989年）。
此时期开始研究由磁悬浮轴承支持的高速电主轴系统，全面深入系统研究了高速铣削铁属和非铁属材料的基础理论、高速切削刀具和机床技术、高速切削加工工艺和效率以及高速切削加工技术的实际应用，获得许多有重要价值的成果。
目前是高速加工技术发展和应用阶段（1990年至今）。
1993年直线电机的出现拉开了高速进给的序幕，快速换刀和装卸工件的结构日益完善，自动新型电主轴高速切削加工中心也不断投放到国际市场。
高速切削刀具的材料、结构和可靠的刀具与主轴连接的刀柄的出现与使用，标志着高速加工技术已从理论研究进入工业应用阶段。
高速加工技术已经在工业发达国家成为切削加工主流，日益广泛的应用于模具、航空、航天、高速机车和汽车工业等，取得巨大的经济效益。
2 高速加工技术近期研究进展高速加工技术经过半个多世纪的发展到现在，主要的研究领域包括高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高速主轴系统、高速进给系统、高速CNC控制系统、高速刀柄系统、高速切削加工理论、高速切削加工工艺、高速机床结构设计等。
下面就分别来介绍一下各个领域的研究近况。
2.1 高性能刀具材料及刀具设计制造技术高速切削对刀具的材料、镀层、几何形状以提出了很高的要求。
高速加工切削刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性（刀具毛坯制造、磨削和焊接性等），且不易变形。
目前国内外性能好的刀具主要是超硬材料刀具，包括金刚石刀具、聚晶立方氮化硼刀具、陶瓷刀具TiC（N）基硬质合金刀具（金属陶瓷）、涂层刀具和超细晶粒硬质合金刀具等，如图2所示。
图2 刀具材料的发展与切削高速化的关系Fig.2 The relationship between the high speed cutting and the development of cutting tool material目前工业上使用的金刚石刀具根据成分结构和制备方法不同可分为三种：（1）天然金刚石ND（Natural Diamond）；（2）人造聚晶金刚石PCD（Artificial Polycrystalline Diamond）和复合片PDC（Polycrystalline Diamond Compact）；（3）化学气相沉积涂层金刚石CVD刀具(Chemical Vapor Deposition Diamond Coated Tools）。
在国内，上海交通大学陈明、孙方宏教授等用CVD方法制备金刚石铣刀并进行实验研究。
成都理工大学金刚石薄膜实验室龙剑平等人研究了CVD金刚石薄膜硬质合金刀具膜/基附着性能的主要因素、改善金刚薄膜与硬质合金基体之间附着力的途径以及表征膜/基附着力的测试方法等方面的研究。
2.2 高速主轴系统高速主轴系统是高速切削技术最重要的关键技术之一。
高速主轴由于转速极高，主轴零件在离心力的作用下产生振动和变形，高速运转摩擦热和大功率内装电机产生的热会引起热变形和高温，所以必须严格控制，为此对高速主轴提出如下性能要求：（1）结构紧凑、重量轻、惯性小、可避免振动和噪声，具有良好的启停性能；（2）足够的刚性和回转精度；（3）良好的热稳定性；（4）大功率；（5）先进的润滑和冷却系统；（6）可靠的主轴监控系统。
高速主轴为满足上述性能要求，结构上几乎全部是交流伺服电机直接驱动的“内装电机”集成化结构，采用集成化主轴结构由于减少传动部件，具有更高的可靠性。
高速主轴要求在极短的时间内实现升降速，在指定的区域内实现快速准停，这就要求主轴具有很高的角加速度。
为此，将主轴电机和主轴合二为一，制成电主轴，实现无中间环节的直接传动，是高速主轴单元的理想结构。
轴承是决定主轴寿命和负荷的关键部件。
为了适应高速切削加工，高速切削机床采用了先进的主轴轴承、润滑和散热等新技术。
目前高速主轴主要采用陶瓷轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和液体动、静压轴承等[6]。
如图3为一种陶瓷轴承的高速主轴。
图3 一种陶瓷电主轴结构示意图Fig.3 Schematic diagram of a ceramic spindle2.3 高速进给系统高速切削时，为了保持刀具每次进给量基本不变，随着主轴转速的提高，进给速度也必须大幅度提高。
为了适应进给运动高速化的要求，在高速加工机床上主要采取了如下措施：（1）采用新型直线滚动导轨，其中的球轴承和与钢轨之间的接触面积很小，摩擦系数为槽式导轨的1/20左右，并且爬行现象大大降低；（2）采用小螺距大尺寸高质量滚珠丝杠或粗螺距多头滚珠丝杠；（3）高速进给伺服系统已发展为数字化、智能化和软件化，使伺服系统与CNC系统在A/D与D/A 转换中不会有丢失和延迟现象；（4）为了尽量减轻工作台重量但又不损失工作台的刚度，高速进给机构通常采用碳纤维则增强复合材料；（5）直线电机消除了机械传动系统的间隙、弹性变形等问题，减小了传动摩擦力，几乎没有反向间隙，并且具有高加速、减速特性。
如图4所示为直线电机的原理示意图。
2.4 高速CNC控制系统数控高速切削加工要求CNC控制系统具有快速数据处理能力和高的功能化特性，以保证再告诉切削时特别是在4~5轴坐标联动加工复杂曲面时仍具有良好的加工性能。