第1章 绪论

1.1 HSM概述

1.1.1 HSM的基本概念

高速加工（High Speed Machining，HSM）也称高速切削（High Speed Cutting，HSC）。国内外文献对HSM的描述主要有以下几种：

（1）国际生产工程科学院（CIRP）切削委员会在1978年提出，线速度在500～7000m/min的切削加工为高速切削加工。

（2）德国Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）提出，以高于普通切削速度5～10倍的切削加工为高速加工。

（3）对铣削加工，从刀具夹持装置达到平衡要求时的速度来定义高速加工，ISO 1940标准提出，主轴转速超过8000r/min为高速加工。

（4）从主轴设计的角度，以沿用多年的主轴转速特征值DN值来定义高速加工，DN值在（5～15）×105mm·r/min时为高速加工。

（5）从主轴和刀具的动力学角度来进行定义，它取决于刀具振动的主模式频率，在ANSI/ASME标准中用来进行切削性能测试时选择转速范围。

一般认为，高速加工是指采用比常规切削速度和进给速度高得多（一般要大于5～10倍）的速度，来进行高效加工的先进制造技术。HSM一般采用高的主轴转速n、高的进给速度vf，较小的切削深度ap，其切削速度伴随着刀具材料的超硬耐磨性的发展而不断提高，现阶段一般把主轴转速在10000～20000r/min、进给速度在30～100m/min范围的切削，划归为高速加工，图1-1表示为不同材料的切削速度与切削温度HSM曲线图。超过此速度范围，即为超高速切削（Ultra High Speed Cutting，UHSC）。

HSM与普通数控加工在切削参数、刀具、机床等方面，是有一定的区别，如表1-1所示。

1.HSM的特点

1）减少机加工时间，获得高的加工效率

高速加工采用高的切削速度和进给速度，使单位时间内金属切除量 Zw（Zw=v·f·ap）增大，生产效率得到提高。高速铣削一般只需进行粗、精加工，半精和清根加工则可省略，工艺方案可简化，机加工设备种类也有所减少。此外，高速加工后的表面粗糙度已接近磨削加工的程度，因此可以用HSM来部分代替磨削。以某模具零件的加工为例，传统加工方法和高速加工的工艺路线如图1-2所示。

2）获得高的加工精度和表面质量

（1）HSM时由于ap小，对同样的切削层，表现为切削力下降，工件变形减小。

（2）由于切削速度高，对工件切削作用时间短，大量的切削热来不及传导，就随切屑排出，切削温度下降；工件的热变形小，仅受一次热冲击，工件表面损伤轻，使得表面粗糙度降低，可保持良好的表面机械性能，呈压应力状态。

（3）HSM时与主轴转速有关的激振频率远远高于工艺系统的固有频率，对切削加工的不利因素如振动等被削弱。

3）有利于薄壁件加工

在常规切削条件下，由于切削力大，工件易变形，尤其是薄壁件变形更大。而HSM时，随着切削速度的提高，切削剪切区温度升高，工件材料软化，材料屈服强度降低，使得单位切削力下降，如图1-3所示，利用这一特性可加工薄壁件，且加工时间短，工件变形小，易保证加工质量。在航空工业上，特别是铝的薄壁件加工目前已经可以切出厚度为0.1mm的成形曲面。

4）属于环境友好型加工方式

在一些精密加工中，如模具制造中，型面加工多采用电加工，由于电加工会产生一些有害的气体和烟雾，生产效率也不高，这同目前低能耗、与环境相协调的“绿色制造”的发展方向不相一致，用高速铣削来代替特种加工是模具制造业的一个发展方向。HSM可以获得较好的表面质量（Ra可达0.4μm），这不仅可省去电火花加工后的磨削、抛光等工序，而且在工件表面上可形成压应力，提高模具的寿命。

2.HSM的应用

高速加工机床进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车生产家厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国Cincinnati公司的hypermach机床进给速度最大达60m/min，快进时为100m/min，加速度达20m/s2，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般数控铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h。

此外，高速加工后的表面粗糙度已接近磨削加工的程度，因此可以用高速切削来部分代替磨削，简化工艺，减少机加工设备，在现代制造中显示出较大的优越性。

1）难加工材料的高速切削

难加工材料（如钛合金、高温合金、不锈钢及高强度合金钢等）在宇航和国防等领域的应用越来越广，但它们的切削加工性差，普通加工只能采用低速切削，制造和应用都受到限制；采用高速切削后，切削热大部分被切屑带走，工件温升不高，制造难度下降。

2）重切削

大型或重型零件在切削加工时，普遍存在的问题是：切削深度大，切削力大，切削时间长，生产效率低。而在高速加工时，由于机床和刀具的性能都较好，且切削力下降。这对提高大型工矿设备的制造效率，有着重要的意义。以新日本工机（SNK）生产大型轧辊为例，采用高速加工后生产效率比普通加工提高了5倍。

3）精密机械制造

在精密机械或光学仪器的制造中，尺寸精度、加工稳定性等往往要求较高。采用高速加工时激振频率很高，工作平稳，易获得较高的尺寸精度。日本研制的转速为55000r/min的超精密铣床，在微细加工方面，它的生产率和相对精度均超过了光刻技术。

此外，HSM在干式切削、石墨电极的高速加工等方面都有着良好的应用前景。