高速切削(HSC)技术

一、高速切削的原始定义

1931年，德国切削物理学家萨洛蒙（n）博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利

（Machine with high cutting speeds）的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，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增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的

5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。切削塑性材料

时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。实

践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，

而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。

二、现代高速切削技术的概念

所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。到目前为止，其原理仍未被现代科

学研究所证实。但这一原理的成功应该不只局限于此。高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从

现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方

式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿

切削和高速干切削等等。事实上，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

研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，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，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制

造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略

等等诸多相关的硬件和软件技术。只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真

正的意义。所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机

床、刀具和工艺等技术的完美组合。

三、高速切削技术的发展现状与优点

自所罗门原理申请专利以来，高速切削技术的发展历经理论探索阶段，应用探索阶段，初步应用阶段和

较成熟应用阶段。特别是 20世纪70年代后，各工业发达国家相继投入大量的人力、物力、财力研究开

发高速切削技术及相关技术，发展日新月异，德国、美国、瑞典、瑞士、英国和日本等制造强国走在了世

界前列。近几年，随着科学技术的突飞猛进和经济发展的强大推动，高速切削机床、刀具技术和相关技术

迅速进步，使高速切削（HSC- High Speed Cutting）技术以其高效率、高质量应用于航天、航空、汽

车、模具和机床等行业中，各种切削方式、各种材料几乎无所不能，尤其是高速铣削和高速车削发展神速。

该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小，但切削线速度大，为传统

的3～5倍，进给速度大，为传统的5～10 倍。其优点在于：

(1) 加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍。

(2) 刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪

切变形区窄，变形系数减小，切削力降低大概30%~90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了

加工质量。

(3) 刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，

有效地提高了加工精度。

(4) 刀具寿命长（这里指材质特殊，适合高速切削的刀具）。因刀具受力小，受热影响小，所以破损的

机率很小，磨损也慢。

(5) 工件表面质量好。首先ap与ae小，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工

艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。

(6) 高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷

却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。

(7) 可完成高硬度材料和硬度高达HRC40-62关于立春的诗词 淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层（TiAlN）的硬质

合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工

（EDM）的3~6倍，而且获得十分高的表面质量（Ra0.4），基本上不用钳工抛光。

四、高速切削系统

高速切削系统主要由高速切削CNC机床、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具、高速切削CAM系

统软件等几部分组成。

1．高速切削CNC机床

（1）高稳定性的机床支撑部件

高速切削机床的床身等支撑部件应具有很好的动、静刚度，热刚度和最佳的阻尼特性。大部分机床都采

用高质量、高刚性和高抗张性的灰铸铁作为支撑部件材料，有的机床公司还在底座中添加高阻尼特性的聚

合物混凝土，以增加其抗振性和热稳定性，不但保证机床精度稳定，也防止切削时刀具振颤；采用封闭式

床身设计，整体铸造床身，对称床身结构并配有密布的加强筋，如德国Deckel Maho公司的桥式结构或

龙门结构的DMC系列高速立式加工中心，美国Bridgeport公司的VMC系列立式加工中心，日本日立精

机VS系列高速加工中心，使机床获得了在静态和动态方面更大限度的稳定性。一些机床公司的研发部门

在设计过程中，还采用模态福娃简笔画 分析和有限元结构计算，优化了结构，使机床支撑部件更加稳定可靠。

（2）高速主轴系统

高速主轴是高速切削技术最重要的关键技术，也是高速切削机床最重要的部件。要求动平衡性很高，刚

性好，回转精度高，有良好的热稳定性，能传递足够的力矩和功率，能承受高的离心力，带有准确的测温

装置和高效的冷却装置。高速切削一般要求主轴转速能力不小于40000r/min,主轴功率大于15kW。通

常采用主轴电机一体化的电主轴部件，实现无中间环节的直接传动，电机大多采用感应式集成主轴电动机。

而随着技术的进步，新近开发出一种使用稀有材料铌的永磁电机，该电机能更高效，大功率地传递扭矩，

且传递扭矩大。易于对使用中产生的温升进行在线控制，且冷却简单，不用安装昂贵的冷却器，加之电动

机体积小，结构紧凑，所以大有取代感应式集成主轴电动机之势。最高主轴转速受限于主轴轴承性能，提

高主轴的dn值是提高主轴转速的关键。目前一般使用较多的是热压氮化硅（Si3N4）陶瓷轴承和液体动、

静压轴承以及空气轴承。润滑多采用油-气润滑、喷射润滑等技术。最近几年也有采用性能极佳的磁力轴承

的。主轴冷却一般采用主轴内部水冷或气冷。

（3）高精度快速进给系统

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，进给速度为传统的5～10倍。这就要求机床进

给系统很高的进给速度和良好的加减速特性。一般要求快速进给率不小于60m/min，程序可编辑进给率

小于40m/min，轴向正逆向加速大于10m/s2竹荪是什么 (1g)。机床制造商大多采用全闭环位置伺服控制的小导程、

大尺寸、高质量的滚珠丝杠或大导程多头丝杠。随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成

功应用于CNC机床。先进的直线电动机驱动使CNC 机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题，加

快了伺服响应速度，提高了伺服控制精度和机床加工精度。不仅能使机床在f=60m/min以上进给速度下

进行高速加工，而且快速移动速度达f=120m/min，加速度达2g，提高了零件的加工精度。但直线电动

机在使用中存在着承载力小、发热等问题，有待改进。

（4）高效的冷却系统

高速切削中机床的主轴、滚珠丝杠、导轨等产生大量的热，如不进行有效的冷却，将会严重影响机床的

精度。大多采用强力高压、高效的冷却系统，使用温控循环水或其他介质来冷却主轴电动机、主轴轴承、

滚珠丝杠、直线电动机、液压油箱等。Yamazen公司将压力为6.8Mpa的冷却液通过主轴中心孔，对机

床主轴、刀具和工件进行冷却。日本日立精机公司研制开发出通过在中空的滚珠丝杠中传输冷却液，达到

冷却丝杠稳定加工目的的滚珠丝杠冷却器。为了避免导轨受温升的影响，日立公司和轴承商联合研制出

Eeo-Eeo的导轨润滑脂，该润滑脂润滑和冷却效果好，无有害物质，能进行自动润滑及不需专用设备等特

点。日立精机机床公司VS系列CNC高速铣就采用此润滑脂，具有良好的使用及经济效果。

（5）高性能CNC控制系统

高速切削加工要求CNC控制系统有快速处理数据的能力，来保证高速加工时的插补精度。一般要求程

序段传送速率 1.6～20ms，RS232系列数据接口 19.2 Kbit/s(20ms)，Ethernet数据传送

200Kbit/s(1.6ms)。新一代的高性能CNC控制系统采用32位或64位CPU，程序段处理时间短至

1.6ms。近几年网络技术已成为CNC机床加工中的主要通讯手段和控制工具，相信不久的将来，将形成

一套先进的网络制造系统，通讯将更快和更方便。大量的加工信息可通过网络进行实时传输和交换，包括

设计数据、图形文件、工艺资料和加工状态等，极大提高了生产率。但目前用得最多的还是利用网络改善

服务，给用户提供技术支持等等。美国Cincinati Machine公司研制开发出了网络制造系统，用户只要购

买所需的软件、调制解调器、网络摄像机和耳机等，即可上网，无需安装网络服务器，通过网上交换多种

信息，生产率得到了提高。日立精机机床公司开发的万能用户接口的开放式CNC系统，能将机床CNC操

作系统软件和因特网连接，进行信息交换。

（6）高安全性机床安全门罩

高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩，高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保障措施，来

保证机床操作者及机床周围现场人员的安全，避免机床、刀具和工件等有关设施受到损伤。一些机床公司

还在CNC系统中开发了机床智能识别功能，识别并避免可能引起重大事故的工况，保证产品的产量和质

量。

（7）高精度、高速度的传感检测技术 这包括位置检测、刀具状态检测、工件状态检测和机床工况监

测等技术。

2．高性能的刀具夹持系统

高速铣床的刀具夹持系统要求其有很高的动平衡性，要求主轴具有30000r/min之上的动平衡能力，

且具有绝对的定心性。主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度，这样才能保证高速、高精度

加工。否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态将会使刀具系统发生激振，其结果是加工质量

下降，刀具寿命缩短，加速主轴轴承磨损，严重时会使刀具与主轴损坏。刀柄系统与主轴锥度穴孔应结合

紧密，现在刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位锥柄。如日本的BBT刀柄，德国的HSK空

心刀柄。刀具夹持装置一般用经动平衡处理的弹簧卡头，不过现在已有效果更好的液压真空装刀，强力铣

卡头装刀。

3．高速切削刀具刀具技术和机床制造，从一开始就相辅相成共同发展，可以毫不夸张的说，只有刀具

技术和机床技术的不断发展，才推进了高速切削技术。高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，

即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。其采用的刀具材料主要是硬质合金，并且普遍采用刀具

涂层技术，涂层材料为氮化钛（TiN）、氮化铝钛（TiALN）等等。涂层技术由单一涂层发展为多层、多种

涂层材料的涂层。这一技术已成为提高高速切削能力的关键技术之一。世界各大硬质合金刀具制造商一般

都将销售收入的3～11%投入到研发中，其中相当一部分用于硬质合金和涂层材料的基础研究。高速切削

钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼（CBN）与

CBN复合刀具材料（WBN）等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅

陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶

金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。选择切削参数时，针对圆刀片和球头铣刀，应注意有效直径的概念。

高速铣削刀具应按动平衡设计制造。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应

修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀

具刚性。刀具材料与被切削材料应具有较小的化学亲和力。高速铣削大多采用硬质合金刀具。在保证安全

和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。刀柄要比刀具直径粗壮，连接柄呈倒

锥状，以增加其刚性。尽量在刀具及刀具系统中央留有冷却液孔。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口

要尽量短，两螺旋槽球头立铣刀通常用于粗铣复杂曲面，四螺旋槽球头立铣刀通常用于精铣复杂曲面。

4.高速切削山药炖鸡腿 机理对高速切削机理的研究，总的来说还处于一种边探索边应用之中。高速切削机理主要包

括高速切削中切削力、切削热变化规律，刀具磨损的规律，切屑的成型机理以及这些规律和机理对加工的

影响。目前对铝合金的高速切削机理的研究与应用比较成功，但对黑金属和难加工材料的高速切削机理的

研究与应用尚处于不断探索之中，应用也是在不成熟的理论指导下进行。另外，高速切削机理的研究与伟大英语 应

用已进入钻铰、攻丝等的切削方式中，但还处于探索阶段。随着科学技术的发展，对高速切削的切削力、

切削热、切屑成型、刀具磨损、刀具寿命、加工的精度和表面质量等的变化规律将做更加深入的分析与研

究。

5．高速切削的CAM系统软件

高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的CAM

编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工CAM编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，

全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹

监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。数控编程可分为几何设计（CAD）和工艺安

排（CAM），在使用CAM系统进行高速加工数控编程时，除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工

方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名出色的使用CAD/CAM工作站的编程工程师应该同时也

是一名合格的设计与工艺师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，具备对于理想工序安排以及合理

刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光

滑平稳，这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命；最后要尽量使刀具载咽喉炎的治疗方法 荷均匀，这会直接影响刀

具的寿命。

另外，在国内外众多的CAD/CAM软件中并不是都适用于高速切削数控编程。这其中比较成熟适用于

高速加工编程的有：英国DelCAM公司的 PowerMill软件模块，日本Makino公司的FFCUT软件（其

FF加工模块已集成到美国UGS公司的CAM软件中），以色列的Cimatron 软件，美国PTC公司的

Pro/ENGINEER软件，国内北航海尔华正软件有限公司的CAXA-ME软件等。

五、高速切削加工技术的应用

目前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业和模具行业，尤其是在加工复杂曲面的领域，工件本

身或刀具系统刚性要求较高的加工领域，显示了强大的功能。其高效、高质量为人们所推崇。国内高速切

削加工技术的研究与应用始于20世纪90年代，应用于模具、航空、航天和汽车工业。但采用的高速切削

CNC机床、高速切削刀具和CAD/CAM软件等以进口为主。随着我国社会主义市场经济的蓬勃发展，作

为制造业的重要基础的模具行业迅速发展，这为高速铣削技术的应用和发展提供了广阔的空间。高速铣削

加工技术加工时间短，产品精度高，可以获得十分光滑的加工表面，能有效地加工高硬度材料和淬硬钢，

避免了电极的制造和费时的电加工（EDM）时间，大幅度减少了钳工的打磨与抛光量。同时，模具表面因

电加工（EDM）产生白硬层消失了，扭变绝迹了，这样就提高了模具的寿命，减少了返修。因为电极的制

造工作不需要了，所以模具改型只需通过CAD/CAM，使改型加快。一些市场上越来越需要的薄壁模具工

件，高速铣削可又快又好完成。而且在高速铣削CNC加工中心上，模具一次装夹可完成多工步加工。这

些优点在资金回转要求快、怎么找回qq密码 交货时间紧急、产品竞争激烈的今天是非常适宜的。所以高速铣削得到了快速

而广泛的推广。反过来，这又促进了高速铣削技术的发展。

六、结束语

高速切削技术是切削加工技术的主要发展方向之一，它会随着CNC技术、微电子技术、新材料和新结

构等基础技术的发展而迈上更高的台阶。但我们也应清醒的看到，高速切削技术自身也存在着一些急待解

决的问题，如高硬度材料的切削机理、刀具在载荷变化过程中的破损、建立高速切削数据库、开发适用于

高速切削加工状态的监控技术和绿色制造技术等等。同时高速切削所用的五字对联 CNC机床，车、铣、钻等刀具，

CAD/CAM软件等技术含量高，价格昂贵，使得高速切削投资大，这在一定程度上制约了高速切削技术的

推广应用。