高速切削技术、设备及应用
第一，高速切削技术
(I)高速切削的建议1931，德国切削物理学家卡尔博士。J.Salomon提出了一个假设，即Salomon原理，同年申请了德国专利:所有要加工的材料都有一个临界切削速度。在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度的增加而增加。当切削速度达到普通切削速度的5 ~ 6倍时，切削塑料材料时，传统的加工方法是“重切削”，每把刀具的排屑量很大，即刀具大，但进给速度低，切削力大。实践证明，随着切削速度的提高，切屑形态从条状、片状发展到碎屑状，所需单位切削力在初始阶段上升，然后急剧下降，说明高速切削比常规切削轻，两者的机理不同。
(二)现代高速切削技术的概念所罗门原理的出发点是利用传统刀具进行高速切削，从而提高生产率。迄今为止，它的原理还没有被现代科学研究所证实。但是这个原则的成功不应该仅限于此。高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一。目前从现代科学技术的角度对高速切削的确切定义还没有一致的看法，因为它是一个相对的概念，不同的加工方法和不同的切削材料有不同的高速切削速度和加工参数。这包括高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削。
实际上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究与选择技术、机床结构设计与制造技术、高性能数控控制系统、通信系统、高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统、高精度快速进给系统、高性能刀具夹紧系统、高性能刀具材料、刀具结构设计与制造技术、高效率和高精度测试与测量技术、高速切削机构和高速切削技术。只有在充分发展这些技术的基础上，既定的高速切削技术才具有真正的意义。因此，要充分发挥高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通信、机床、工具和技术的完美结合。
(三)高速切削技术的发展现状及优势这项新技术始于20世纪80年代初，美国、德国、法国等国处于领先地位，英国、日本、瑞士等国紧随其后。到了80年代后期，这些国家已经形成了新兴产业，年产值达到几十亿美元，而且还在逐年增加。最近中国台湾省省也开始了，但是大陆还是空白。同济大学现代制造技术研究所与德国达姆施塔特大学建立了项目合作关系，并取得了初步成果。
目前，工业化国家的航空、汽车、动力机械、模具、轴承、机床等行业首先受益于这一新技术，显著提高了这些行业的产品质量，大大降低了其成本，获得了市场竞争优势。超高速切削技术是未来切削加工的方向，是时代发展的产物。
二、高速切削技术与设备
(1)高速切削机床高速机床是实现高速加工的前提和基本条件。在现代机床制造中，机床的高速化是必然的发展趋势。在要求机床高速的同时，还要求机床具有高精度和高的静、动刚度。
为了适应粗加工、轻重切削和快速移动，同时保证高精度(定位精度0.005mm)，性能良好的机床是实现高速切削的关键因素。关键技术如下:
1.高速主轴。高速主轴是高速切削机床的核心部件，很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动平衡、噪声等诸多相关技术。随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿轮带变速传动系统由于自身的振动和噪声已经不能满足要求，取而代之的是一种新颖的功能部件——电主轴，它将主轴电机与机床主轴结合起来实现主轴电机。电主轴采用电子传感器控制温度，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒温。一般能控制设定温度在20 ~ 25范围内，精度0.7。同时采用油雾润滑、混合陶瓷轴承等新技术，使主轴免维护、长寿命、高精度。
2.高速精密轴承。高速轴承是高速切削机床的核心，是决定高速主轴寿命和承载能力的最关键部件。
(1)磁力轴承。磁力轴承通过电磁力无机械接触地悬浮主轴。其转速可达45000转/分，功率为20kW。该方法精度高，易于实现实时诊断和在线监测。它是一种理想的支撑元件，但其价格较高。
(2)静压和静压轴承。采用流体动力和静力相结合的方法使主轴在油膜支撑中旋转，具有径向和轴向跳动小、刚性好、阻尼特性好、适用于粗加工和精加工、使用寿命长的优点。但是不具有通用性，维护难度大。
(3)混合陶瓷轴承。氮化硅材质的滚珠与钢轨道结合，是目前高速切削机床主轴上应用最广泛的支撑元件。高速旋转时，离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速可达150000r/min。它标准化程度高，易于维护，价格低廉。
3.高速伺服系统为了实现高速切削，机床不仅要有高速主轴，还要有高速伺服系统，这不仅是为了提高生产效率，也是高速切削时维持刀具正常工作的必要条件。
(1)直线电机伺服系统。直线电机是一种直接将电能转化为直线机械运动的推力装置，将机床进给传动链的长度缩短为零。动态响应敏捷，传动刚度大，精度高，加减速大，行程无限制，噪音低，成本高。是加速度大于1g时伺服系统的选择。
(2)滚珠丝杠传动装置。滚珠丝杠仍然是高速伺服系统的主要驱动装置。由交流伺服电机直接驱动，采用液压轴承。进给速度可达40 ~ 60m/min，加速度可超过0.6g，成本较低，仅为1/2.5。直线电机的4。高性能数控系统。
(2)高速刀具是机械加工的重要技术装备之一。由于离心惯性力随转速的增加而迅速增大，高速主轴的端部与刀架头部的组合在结构和尺寸上有许多特殊之处。目前基本采用HSK形式和系列，需要根据机床主轴参数确定刀架参数，使之一致。由于切削和进给速度高，高速切削加工中的刀具寿命一般会降低。需要从刀具材料、几何参数、悬伸长度、切削参数、切削几何关系、刀具轨迹、润滑和冷却等方面采取措施，将减寿降到最低。
HSC刀具的前角比普通刀具小约10°，前角比普通刀具大约5° ~ 8°。同时，HSC刀具的切削部分应尽可能短，以提高刀具的刚性，降低刀片的损坏率。
高速切削刀具应由能适应高速切削的材料制成。为了获得更高的加工质量和使用寿命，除了硬质合金、金属陶瓷、涂层切削材料和切削陶瓷外，还使用单晶和多晶切削材料。这些切削材料除了技术要求外，还应满足占据重要地位的经济性和环保性的要求。在高速切削加工中，PKD(聚晶金刚石)和立方氮化硼(CBN)可以显著提高加工效率。
除了选择合适的工具材料外，在工具设计过程中，首先要考虑离心力作用下固定工具部件的可靠性，并注意“平衡”结构。有必要测试一下工具的速度。另外，制造工具时，良好的工艺性也很重要。从刀具的预处理到刀片的制造，有价值、可靠的制造方法具有决定性的意义，特别是对于PKD或CBN刀片的刀具。
在应用HSC刀具时，为了达到加工质量和经济性能，不仅要考虑刀具本身，还要考虑刀具与夹紧系统的接口，即主轴与刀具的连接面和工件安装的稳定性。对于接口部分和延长杆，径向摆动精度、悬臂长度、振动性能和互换性尤为重要。为了满足圆柱形刀架在精加工中的径向摆动精度要求，首先选择了液压卡盘、收缩卡盘和力压卡盘的连接方式。当这些卡盘与HSC接口匹配时，径向摆动精度可达0.003毫米。
(3)高速加工机床的配套设备
1.为了缩短辅助工时，大部分HSC机床都配有15 ~ 30以上刀位的刀库和自动换刀装置，成为HSC加工中心；
2.冷却润滑系统是不可缺少的配套设备，它包括机床各部件的自动冷却润滑功能和排屑功能；
3.电子手轮和CAD/CAM系统与高速数控系统的接口是影响机床操作和控制性能的必要配套设备；
4.能够自动测量工具的直径和长度并检测损伤的激光或红外系统；
5.探头可以安装在主轴上，检测工件的轮廓外形。6.为了减少故障后停机待修的时间，在机床多、利用率高的情况下，预留高速主轴。
HSC机床的安全保护装置，包括硬件和软件，应确保即使在刀具高速折断和弹出的极端情况下，也能可靠地保护操作者的人身安全，并能防止机床部件、刀具和工件之间的意外干涉和碰撞。
三、目前高速切削的主要应用领域
(1)大量的生产领域，如汽车工业，如美国福特汽车公司和英格索尔公司开发的HVM800卧式加工中心和用于镗缸的单轴镗缸机床，实际上都用在福特的生产线上。
(2)在工件本身刚性不足的加工领域，如航空航天工业产品或一些其他产品，例如英格索尔公司采用高速切削技术铣出的工件最薄壁厚仅为1mm..
(3)加工复杂曲面，如模具和工具制造。
(4)在难加工材料领域，如英格索尔的“高速模块”，加工航空铝合金的切削速度为2438m/min，汽车铝合金为1829m/min，铸铁为1219m/min，比常规切削速度高几倍到几十倍。