高速切削加工是面向21世問紀的一項高新技術，它以高效率、高精度和高表面質量為基本特征，在汽車工業、航空航天、模具制造和儀器儀表等行業中獲得了越來越廣泛的應用，并已取得了重大的技術經濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。

高速切削加工的技術特征

高速切削是實現高效率制造的核心技術，工序的集約化和設備的通用化使之具有很高的生產效率。可以說，高速切削加工是一種不增加設備數量而大幅度提高加工效率所必不可少的技術。其技術特征主要表現在如下幾個方面：

1）切削速度很高，通常認為其速度超過普通切削的5～10倍：

2）機床主軸轉速很高，一般將主軸轉速在10000～20000r/min以上；

3）進給速度很高，通常達15～50m/min，最高可達90m/min

4）對于不同的切削材料和所采用的刀具材料，高速切削的含義也不盡相同；

5）切削過程中，刀刃的通過頻率（Tooth Passing Freqnency）接近于“機床-刀具-工件”系統的主導自然頻率（Dominant Natural Frequency）。

1992年，德國Darmstadt工業大學的H.Schulz教授在CIRP上提出了高速切削加工（High Speed Manu facturing，HSM）的概念及其涵蓋的范圍，如圖1所示。認為對于·不同的切削對象，圖中所示的過渡區（Transition）即為通常所謂的高速切削范圍，這也是金屬切削工藝相關的技術人員所期待的或者可望實現的切削速度。

與傳統加工相比，由于高速切削顯著地提高了切削速度，從而導致工件與前刀面的摩擦增大并導致切屑和刀具接觸面溫度的提高。在該接觸點，摩擦帶來的高溫能達到工件材料的熔點，使得切屑變軟甚至液化，因而大大減小了對切削刀具的阻力，也就是減小了切削力，使得切削變得輕快，切屑的產生更加流暢。同時由于加工產生的熱量的70%～80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，所以傳導到工件上的熱量大大減少，提高了加工精度。高速切削加工技術的優點主要在于：提高生產效率；提高加工精度和表面質量；降低切削阻力。

高速切削加工在汽車工業中的應用概況

對于有大量材料需要移除的工件，具有復雜結構或超薄結構的工件（如發動機機體、缸蓋，汽車覆蓋件模具等），傳統上需要花相當長的機動工時加工的工件以及設計變更快速、產品周期短的工件，均能顯示出高速切削所帶來的優點。下面介紹汽車發動機和汽車零件、覆蓋件模具高速切削加工。

1.汽車發動機及其配件的高速切削加工

FTL：用高速加工中心組成高效率的柔性生產線（FTL），具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內容等顯著特點。圖2為上汽集團某發動機公司利用該生產線加工發動機機體、氣缸蓋、濾清器座等工件的實例。

為了發揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術和自動換刀功能的優勢，提高加工效率，對復雜零件的加工應盡可能采用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實現多道工序的集中加工，淡化傳統的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發揮設備和刀具的高速切削功能。同時，對刀具也提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成零件不同工序的加工，減少換刀次數，節省換刀時間，以減少刀具的數量和庫存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆-銑螺紋-倒角等刀具。在批量生產線上使用一些針對性的工藝策略，還需要開發的專用刀具、復合刀具或智能刀具，以提高加工效率和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時間降至原來的1/10以下，效果十分顯著。

圖3所示為筆者專門為汽車發動機機體的頂部止口和主軸承座結合面的加工而設計的高速切削工藝。機體材料為灰鑄鐵，刀具為CBN不重磨復合刀具，主軸轉速12000r/min，切削余量為0.02mm。圖中兩處關鍵部位一次銑削到位，重要尺寸A靠復合銑刀本身保證。該工藝還有效地避免了由于單獨銑削主軸承座結合面刀桿較長而引起的顫振，大大提高了切削精度、切削效率和表面質量。

FMS：由于產品壽命周期不斷地在縮短，品種數便不斷地增加。在這種情況下，如何縮短更換品種的時間成為一大關鍵問題；由于產品設計的改變，其加工設備如何靈活地與之相適應（即具備柔性）又是一大課題。于是又出現了以高柔性的通用加工中心構成的FMS。這里所說的“高柔性的通用加工中心”不同于一般概念下的加工中心，它們是專門為批量生產而開發的，充分滿足了納入批量生產用的FMS時所具備的條件，即高生產率、省面積、易排屑、安裝移位容易及連續運轉性能優越等，是一種高速緊湊型加工中心。

日本三菱重工為適應批量生產之急需采用這種高速加工中心為主機，開發了所謂“梭式FMS”（見圖4）。該FMS由8臺M-H5A三坐標加工中心和位于機床前方的載有2個托板的無人運載車（AGV）構成，運載車用于交換托板，往復于托板裝卸工位和各機床之間。操作者只須在一個位置通過操作按鈕進行工件裝卸就可以了，不必往返于機床之間。運載車依次行至即將完成加工的機床前面等待，待機床加工完之后在機床與運載車之間實現托板交換，然后載著加工完的成品返回裝卸工位。

2.汽車覆蓋件及零件模具的高速切削加工

高速銑削技術在加工三維自由曲面、超硬材料方面的具有顯著優勢。

汽車零件模具：一種型號的汽車往往需上千副模具，為了盡快適應新車型的需要，汽車外、內覆蓋件模具和樹脂防沖擋的成形模具等均必須縮短制作周期和降低生產成本。因此，高速切削加工是此類模具加工制造的首選工藝方案。模具經過高速、少切削精加工后，鉗工修模工作量大為減少，模具制造周期可縮短40%。例如對安全門鎖的注塑模采用高速銑削加工，材料硬度為HRC54的模具鋼，可使用的最小刀具直徑為（φ0.6mm，最大切深可達4.8mm，加工時間為3h，表面粗糙度達Ra0.4μm，不再需要鉗工工序，大大縮短了加工時間。

汽車覆蓋件：汽車的內、外覆蓋件、儀表盤等大都采用注塑模具批量制造，而這些注塑模具一般都是復雜型腔和薄殼結構，普通的切削加工往往不能同時滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此還需施以適當的手工精修加工。而采用高速切削加工，能夠帶來多方面的好處：1）與傳統的精加工相比，進一步實現高精度化；2）高速切削加工的每次切除量相當小，可以高速地實現多次精密切削加工，從而大大減少了人工修整的工作量，大大提高了覆蓋件模具的加工效率；3）由于切削速度極大提高，與過去的精加工工序相比，加工周期大幅度縮短。

如汽車覆蓋件模具大多由各種自由曲面構成，高速銑削用高轉速、小切深、大進給的加工方法，能提高模具的制造精度，延長模具的使用壽命，從而提高注塑件的質量。而且在大進給速度條件下，高速銑削機床具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補。

又如，對于前圍檔板沖壓模具的精加工，主要應保證型面的質量。一般情況下，大面積精銑時要求銑削過程中不更換銑刀或刀刃，一次完成整個型面的銑削，這對銑刀的精度和耐用度要求相當高。利用高速切削的技術特征，選用高切削速度、微進給量和多次切削的精加工工藝，恰恰可以做到揚長避尹短，滿足覆蓋件模具自由曲面加工的要求。為保證沖壓過程中容易進料，應使加工刀紋與沖壓材料進料方向一致，因此宜采取射狀走刀。為確保表面加工質量，切削深度定為0.2mm，切削進給量為0.2mm/r，切削速度為200m/min，初次刀具半徑為20mm球頭銑刀，清根銑時刀具半徑為8mm球頭銑刀。像這種原來只能用人工（高級鉗工）來進行精修加工的工藝過程，現在完全可以采用高速切削來完成，模具的整體加工效率得到明顯提高。

高速切削機床

在刀具直徑確定的情況下提高切削線速度，則無疑需要較高的主軸轉速；為了通過高速使得刀具的每個齒都獲得適當的進給率，則高的進給速度和加速度也是必須的。這一切需要全新的機床制造技術的應用，如高速電主軸，高進給率的大螺距滾珠絲杠等。同時，為了將產生熱源的切屑盡快地去除，并更好地潤滑前后刀面，油霧潤滑冷卻裝置的應用也尤為重要。顯然，為了滿足高速切削工藝的要求，首先是對機床本身提出了非常高的要求：高速切削機床必須具備足夠高的主軸轉速、高的動力學性能、以及高剛度和吸振性能。

如瑞士米克朗公司開發的5軸聯動高速加工機床HSMU系列，采用了新型的人造大理石床身材料，整體成型的封閉O形結構，為機床的吸振性和剛性打下了良好的基礎。大螺距的滾珠絲杠由水冷的伺服電機驅動，保證了高進給速度下機床的穩定性。標準配置的機上激光對刀儀保證了高轉速下刀具尺寸的測量精確性，從而保證了加工精度。我國浙江萬向集團、煙臺霍富汽車鎖公司和長春一汽富奧等汽車制造及汽車零部件制造企業已引進了米克朗的高速加工中心及高速5軸聯動加工中心。

近十年來，上海暨華東地區汽車工業的飛速發展，為高速切削加工提供了巨大的市場需求。上汽集團旗下的大眾、通用、匯眾、上柴、拖內、荻原等公司正在組建高速切削柔性生產線或高速銑、鏜、鉆削加工單元，用于汽車內外覆蓋件模具及汽車發動機的切削加工。比較常用的切削參數是：主軸轉速8000～12000r/min，進給速度40～80m/min，切削深度0.01～0.05mm：毛坯材料為鑄鋼、鍛材、灰鑄鐵或鋁合金等；采用的刀具主要有高速工具鋼、硬質合金、CBN、PCD、鈦涂層刀具或陶瓷刀具。因此，上述參數范圍內的機床設備及刀具材料具有較大的市場需求。