第1章 緒論
1.1 HSM概述
1.1.1 HSM的基本概念
高速加工（High Speed Machining，HSM）也稱高速切削（High Speed Cutting，HSC）。國內外文獻對HSM的描述主要有以下幾種：
（1）國際生產工程科學院（CIRP）切削委員會在1978年提出，線速度在500～7000m/min的切削加工為高速切削加工。
（2）德國Darmstadt工業大學生產工程與機床研究所（PTW）提出，以高于普通切削速度5～10倍的切削加工為高速加工。
（3）對銑削加工，從刀具夾持裝置達到平衡要求時的速度來定義高速加工，ISO 1940標準提出，主軸轉速超過8000r/min為高速加工。
（4）從主軸設計的角度，以沿用多年的主軸轉速特征值DN值來定義高速加工，DN值在（5～15）×105mm·r/min時為高速加工。
（5）從主軸和刀具的動力學角度來進行定義，它取決于刀具振動的主模式頻率，在ANSI/ASME標準中用來進行切削性能測試時選擇轉速范圍。
一般認為，高速加工是指采用比常規切削速度和進給速度高得多（一般要大于5～10倍）的速度，來進行高效加工的先進制造技術。HSM一般采用高的主軸轉速n、高的進給速度vf，較小的切削深度ap，其切削速度伴隨著刀具材料的超硬耐磨性的發展而不斷提高，現階段一般把主軸轉速在10000～20000r/min、進給速度在30～100m/min范圍的切削，劃歸為高速加工，圖1-1表示為不同材料的切削速度與切削溫度HSM曲線圖。超過此速度范圍，即為超高速切削（Ultra High Speed Cutting，UHSC）。
圖1-1 不同材料的切削速度與切削溫度HSM曲線圖
HSM與普通數控加工在切削參數、刀具、機床等方面，是有一定的區別，如表1-1所示。
表1-1 HSM與普通數控加工的區別
1.HSM的特點
1）減少機加工時間，獲得高的加工效率
高速加工采用高的切削速度和進給速度，使單位時間內金屬切除量 Zw（Zw=v·f·ap）增大，生產效率得到提高。高速銑削一般只需進行粗、精加工，半精和清根加工則可省略，工藝方案可簡化，機加工設備種類也有所減少。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來部分代替磨削。以某模具零件的加工為例，傳統加工方法和高速加工的工藝路線如圖1-2所示。
圖1-2 模具傳統加工與HSM工序路線圖
2）獲得高的加工精度和表面質量
（1）HSM時由于ap小，對同樣的切削層，表現為切削力下降，工件變形減小。
（2）由于切削速度高，對工件切削作用時間短，大量的切削熱來不及傳導，就隨切屑排出，切削溫度下降；工件的熱變形小，僅受一次熱沖擊，工件表面損傷輕，使得表面粗糙度降低，可保持良好的表面機械性能，呈壓應力狀態。
（3）HSM時與主軸轉速有關的激振頻率遠遠高于工藝系統的固有頻率，對切削加工的不利因素如振動等被削弱。
3）有利于薄壁件加工
在常規切削條件下，由于切削力大，工件易變形，尤其是薄壁件變形更大。而HSM時，隨著切削速度的提高，切削剪切區溫度升高，工件材料軟化，材料屈服強度降低，使得單位切削力下降，如圖1-3所示，利用這一特性可加工薄壁件，且加工時間短，工件變形小，易保證加工質量。在航空工業上，特別是鋁的薄壁件加工目前已經可以切出厚度為0.1mm的成形曲面。
圖1-3 F-V曲線
4）屬于環境友好型加工方式
在一些精密加工中，如模具制造中，型面加工多采用電加工，由于電加工會產生一些有害的氣體和煙霧，生產效率也不高，這同目前低能耗、與環境相協調的“綠色制造”的發展方向不相一致，用高速銑削來代替特種加工是模具制造業的一個發展方向。HSM可以獲得較好的表面質量（Ra可達0.4μm），這不僅可省去電火花加工后的磨削、拋光等工序，而且在工件表面上可形成壓應力，提高模具的壽命。
2.HSM的應用
高速加工機床進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車生產家廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國Cincinnati公司的hypermach機床進給速度最大達60m/min，快進時為100m/min，加速度達20m/s2，主軸轉速已達60000r/min。加工一薄壁飛機零件，只用30min，而同樣的零件在一般數控銑床加工需3h，在普通銑床加工需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來部分代替磨削，簡化工藝，減少機加工設備，在現代制造中顯示出較大的優越性。
1）難加工材料的高速切削
難加工材料（如鈦合金、高溫合金、不銹鋼及高強度合金鋼等）在宇航和國防等領域的應用越來越廣，但它們的切削加工性差，普通加工只能采用低速切削，制造和應用都受到限制；采用高速切削后，切削熱大部分被切屑帶走，工件溫升不高，制造難度下降。
2）重切削
大型或重型零件在切削加工時，普遍存在的問題是：切削深度大，切削力大，切削時間長，生產效率低。而在高速加工時，由于機床和刀具的性能都較好，且切削力下降。這對提高大型工礦設備的制造效率，有著重要的意義。以新日本工機（SNK）生產大型軋輥為例，采用高速加工后生產效率比普通加工提高了5倍。
3）精密機械制造
在精密機械或光學儀器的制造中，尺寸精度、加工穩定性等往往要求較高。采用高速加工時激振頻率很高，工作平穩，易獲得較高的尺寸精度。日本研制的轉速為55000r/min的超精密銑床，在微細加工方面，它的生產率和相對精度均超過了光刻技術。
此外，HSM在干式切削、石墨電極的高速加工等方面都有著良好的應用前景。