高速切削技術是目前機械加工領域中的最前沿技術，又是一門綜合交叉性的學科。本文主要介紹了高速加工機床、高速切削刀具和智能刀具的情況。

　　高速切削具有：金屬切除率高于常規切削5-10倍；切削力比傳統切削低約30%，切削變形小；被加工表面有較低的切削熱；易于實現無振動切削；精加工成本低等諸多的優點。

　　高速切削技術的實施主要取決于機床、刀具、加工方法和冷卻技術的實施。當前高速機床和高速刀具技術發展較快，并由此產生出許多關鍵性技術。有高速電主軸系統、快速進給系統、高速高效CNC控制系統、高速切削刀具材料和刀具結構、高速切削刀柄系統、高速切削加工的安全防護與實時監控技術等，這些關鍵技術對高速切削技術的發展和應用起著決定性的作用。而先進加工方法和冷卻技術研究相對來說還比較落后，當然這取決于高速切削機理研究的相對落后。

　　高速切削技術是一個工程科學問題，影響因素眾多，且各因素又是相互制約，相互關聯與耦合。包括了力學、機床動力學、熱力學、化學、材料學、摩擦學和經濟學等，所以說高速切削技術是一門綜合交叉性學科。

　　高速切削機理研究的主要內容

　　高速切削機理研究主要從四個方面來進行：高速切削過程和切屑成形機理；高速加工基本規律；各種材料的高速切削機理；高速切削虛擬技術。其中：

　　（1）高速切削過程和切屑成形機理的研究是針對高速切削加工中切屑成形機理、切削過程的動態模型、基本切削參數等反映切削過程原理的研究來進行。

　　（2）高速加工基本規律的研究是針對高速切削加工中的切削力、切削溫度、刀具磨損、刀具耐用度和加工質量等現象及加工工藝參數對這些現象的影響規律進行研究；提出反映其內在聯系的數學模型、實驗方案和試驗數據處理等間題。

　　（3）各種材料的高速切削機理研究是針對各種工程材料在高速切削下的切削機理，包括輕金屬材料、鋼和鐵、復合材料、難加工合金材料等。通過系統的實驗研究和分析，建立高速切削數據庫等。

　　（4）高速切削虛擬技術研究是針對在試驗研究的基礎上，利用虛擬現實和仿真技術，虛擬高速加工過程中刀具和工件相對運動的作用過程，對切屑形成過程進行動態仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度及應力分布等，預測被加工工件的加工質量，研究切削速度、進給量、刀具和材料以及其他切削參數對加工的影響等。

　　高速機床研究的主要內容

　　高速切削加工機床與普通機床的主要區別在于高速機床必須能夠提供高的切削速度和滿足高速切削加工下的一系列功能要求。

　　適合于高速運轉的主軸單元及其驅動系統

　　高速主軸單元的設計，是實現高速加工的最關鍵的技術領域之一，同時也是高速加工機床最為關鍵的部件。它不僅要能在很高的轉速下旋轉，而且要有高的同軸度、高的傳遞力矩和傳動功率、良好的散熱或冷卻裝置，要經過嚴格的動平衡矯正，主軸部件的設計要保證具有良好的動態和熱態特性，具有極高的角加減速度來保證在極短時間內實現升、降速和在指定位置的準停。

　　有快速反應的進給系統單元和數控伺服驅動系統

　　高速機床在高速切削加工時，隨著主軸轉速的提高，機床進給速度和其加、減速度也必須大幅度提高，以保證刀具每齒或工件每轉進給量基本不變，否則會嚴重影響工件加工的表面質量和刀具壽命。同時機床空行程運動速度也必須大大提高。現代高速加工機床進給系統執行機構的運動速度要求達到（40-120）m/min，進給加速度和減速度同樣要求達到（1-8）g。

　　機床進給驅動系統的設計必須突破傳統一般數控機床中的“旋轉伺服電機+普通滾珠絲杠”的進給傳動方式。在結構形式上采取的主要措施有：大幅度減輕進給移動部件的重量，在結構上實現“零傳動”，即直接采用直線電機驅動；采用多頭螺紋行星滾柱絲杠代替常規鋼球式滾珠絲杠以及采用無間隙直線滾動導軌，實現進給部件的高速移動和快速準確定位；采用快速反應的伺服驅動CNC控制系統。

　　有一個高效、快速的冷卻系統

　　在高速切削加工過程中單位時間內切削區域會產生大量的熱量，如果不能使這些熱量迅速地從切削區域帶走，不但妨礙切削工作的正常進行，而且會造成機床、刀具和工具系統的熱變形，嚴重影響加工精度和機床的動剛性。

　　高效、快速的冷卻系統是利用高壓噴射裝置把壓力為7MPa、流量為60 L/min左右的高壓冷卻液射向機床的切削部位，進行冷卻，消除切削產生的熱量。

　　也可以采用大量冷卻液以瀑布方式由機床頂部淋向機床工作臺，把大量的熱切屑立即沖走，始終保持工作臺的清潔，并形成一個恒溫的小環境。

　　高剛性的床體結構

　　高速切削加工機床在高速切削狀態下，一方面產生的切削力一般作用在床體上；另一方面因速度很高，還會產生較大的附加慣性力作用在床體上，因而機床床身受力較大。設計時必須要求其具有足夠的強度、剛度和高的阻尼特性。此外，高剛性和阻尼特性也是高速加工中保證加工質量和提高刀具壽命的需要。

　　安全防護裝置和實時監控系統

　　在高速切削加工過程中，若刀具斷裂，其初速將如同子彈一般，易于造成危險和人身傷害。為此，機床工作時必須用足夠厚的鋼板將切削區封閉起來，同時還要考慮便于人工觀察切削區的狀況。除此之外，工件和刀具必須保證夾緊牢靠，必須采用主動在線監控系統，對刀具磨損、破損和主軸運行狀況等進行在線識別和監控，確保人身和設備安全。

　　要有方便可靠的換刀裝置

　　通過新型換刀結構設計，要保證高速切削加工下換刀方便、可靠、迅捷，換刀時間短。這也是高速切削加工過程中所必需的。

　　機床具有優良的熱態特性和靜、動態特性

　　高速切削加工情況下，單位時間內其移動部件間因摩擦產生的熱量較多，熱變形較大。

　　機床結構設計必須保證其在內部熱源和外部熱源作用下，不能產生較大的熱變形。為此，高速切削加工機床上一般要采取特殊的冷卻措施，來冷卻主軸電機、主軸支撐軸承、直線電機、液壓油箱、電氣柜等，有的甚至冷卻主軸箱、橫梁、床身等大構件。

　　因高速切削加工下的動態力（慣性力、切削力、阻尼力等）和靜態力（夾緊力等）較大，機床各支撐部件和其總體必須具有足夠的動、靜剛度，不致產生較大的力變形，保證零件的加工精度和加工的安全性、可靠性。

　　高速刀具研究的主要內容

　　高速刀具研究主要包括幾個方面：刀具材料、刀具結構與幾何形狀、刀具的裝夾系統及刀具平衡等。

　　刀具材料

　　高速切削刀具材料主要有：金剛石、立方氮化硼、氧化鋁基和氮化硅基復合陶瓷、表面涂層硬質合金、超細晶粒硬質合金等。

　　刀具結構與幾何形狀

　　刀具結構和幾何形狀是決定刀具使用性能的重要因素。結構決定刀體和刀片的空間位置和安排的穩定性，保證刀具的剛性和容屑空間，又要使尺寸緊湊，還有使用的靈活與多變性。

　　現在對刀具結構和幾何形狀的研究注重以“切削模型” 為設計依據，便于尺寸調節和刀具幾何角度調節，可在不同工序中使用的組合刀具，即“復合刀具”和“模塊化刀具”。為的是提高加工效率，保證加工質量的穩定和降低成本。

　　刀具的裝夾系統

　　刀具高速旋轉時要保持平衡，要有高接觸精度、高的剛性、高的夾緊可靠性。而一般加工中心機床主軸孔是7：24圓錐孔，使用7：24錐度的刀柄，在高速切削中暴露出剛性不足，換刀后刀具徑向與軸向尺寸不穩定，端口處擴張造成剛度下降并影響動平衡。目前，在此領域的研究比較多。

　　如：以HSK為代表的短錐柄兩面接觸刀柄，這是一種7：24錐度的中空結構式兩面接觸刀柄。拉緊是依靠空心錐柄的收縮變形達到端面的接觸，在高速旋轉時主軸錐孔擴脹，錐柄恢復彈性變形，繼續保持錐面和端面的接觸，應用這樣的刀柄刀具的金屬切除率可提高50%。

　　近年來，德國、美國、日本等國開發了不同的適合于高速切削的刀柄結構系統。用得最多的德國阿亨大學開發的HSK刀柄系列，已列入了國際標準，錐度用1：10。美國肯納金屬公司開發了KM刀柄系列，也是用1：10錐度。日本開發了BIG-PLUS刀柄系列，屬于7：24錐度的改進型。瑞典山特維克可樂滿公司開發了CAPTO刀柄系列，是1：20的空心短錐結構。

　　刀具平衡

　　隨著高速切削技術的發展，對高速刀具提出的動平衡要求越來越高。不僅要求刀具的外觀制造要精美，而且制造精度要高，加工質量要高，刀具壽命要長。對此刀具系統要做預平衡處理。此項研究有：刀具系統的預平衡、在線動平衡工具系統等。

　　智能刀具的發展

　　一項研究報告指出：在美國加工中心刀具的正確選擇只有50%左右，刀具只有58%的切削時間是在最佳切削速度下工作的，僅有38%的刀具完全用到刀具的壽命值。其他國家刀具的正確選擇則遠低于美國。因此，提高加工效率，降低成本，研究開發“智能刀具”及多功能刀具是提高切削加工效率和精度的十分有效的方法之一。

　　智能刀具通過與機床控制器的無線耦合，實現加工尺寸偏差的調整及對刀具耐用度的識別，并可實時采集切削過程的信息，經數控系統處理后使機床始終保持在最佳狀態。

　　“智能型刀具”的研究始于20世紀80年代末，它是將各種傳感器置于刀體內，將驅動、返回、微型計算裝置、非接觸式能量和數據傳輸裝置集成在一起，實現刀具的微米級調整，并可由機床控制器的M指令加以控制。

　　中國對“智能刀具”的研究仍處于初期階段，對智能刀具系統的可調性結構研究還較少，只停留在刀具在線檢測，刀具狀態監測與加工過程的適應性控制等方面的研究。

　　德國Mapal公司和Heller機床公司首先將該技術用在對發動機汽缸體的缸孔進行鏜削加工上，該智能刀具具有三組Mapal六邊形CBN刀片，刀具呈軸向和徑向交錯排列，最高切削速度達10000r /min。其中：兩組刀片用于半精加工，第三組刀片能自動調節，用于完成精加工工序。當主軸轉速增加時，在離心力作用下，機構會將刀片位置調節一個預定的數值，并帶有內置式氣動量規測量已加工的孔徑，將測量結果傳給機床控制系統并自動調整刀具尺寸。

　　日本黛杰刀具公司也開發了在線可調刀具尺寸的“靈巧刀具”；美國肯納金屬公司研制了一種加工中心進行精確自動刀具補償精鏜刀具系統，這是一種微米級的模塊式、有級調整的精鏜刀具系統，其最小分辨率為1μm。

　　帶有測量功能并可自調的切削部件及可適應控制的和能自學的數控機床，裝有傳感器和執行元件的智能化刀具，將是未來智能化的發展方向。