高速加工(HSM)通常指的是在合理的速度和較高的表面進(jìn)給速度下進(jìn)行的立銑加工。例如，在鋁制飛機(jī)框架部分掏糟的特形銑削加工中，材料去除率很高，這種加工就是高速加工。在過(guò)去60年的時(shí)間里，高速加工已經(jīng)在很寬范圍的金屬和非金屬工件材料上得到應(yīng)用，包括對(duì)要求采用特定表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的零部件進(jìn)行的生產(chǎn)以及硬度為50HRC或50HRC以上材料進(jìn)行的加工。
1. 高速加工是制造業(yè)發(fā)展的需要
為了存續(xù) 市場(chǎng)上日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)一直都在不斷設(shè)定新的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)時(shí)間和成本效益的要求變得越來(lái)越高。這已經(jīng)迫使人們必須開發(fā)新的過(guò)程和生產(chǎn)技術(shù)。高速加工為此提供了希望和解決途徑。
材料 新材料和難加工材料的發(fā)展更加突出了開辟新的加工方法的必要性。航空工業(yè)采用自己的專用耐熱和不銹鋼合金。汽車工業(yè)具有不同的雙金屬?gòu)?fù)合材料、密實(shí)石墨鐵以及用量越來(lái)越大的鋁材。模具行業(yè)主要要面臨的問(wèn)題是加工高度淬火的工具鋼，從粗加工直到精加工。
質(zhì)量 對(duì)零部件或產(chǎn)品質(zhì)量提出較高要求是激烈競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。如果將高速加工技術(shù)適當(dāng)應(yīng)用，則可以在這方面提供解決方案。可以替代手動(dòng)精加工就是一個(gè)實(shí)例。特別是對(duì)于具有復(fù)雜三維幾何形狀的模具或零部件，這一點(diǎn)尤其如此。
工藝 通過(guò)高速加工，可以在很大程度上滿足這樣的需求，即通過(guò)減少裝夾次數(shù)和簡(jiǎn)化流程(后勤)而縮短加工時(shí)間。在模具行業(yè)中一個(gè)典型的目標(biāo)是通過(guò)一次裝夾而對(duì)完全硬化的小尺寸模具完全加工好。通過(guò)高速加工還可以減少甚至免除成本高昂而費(fèi)時(shí)的EDM(電火花加工)過(guò)程。
結(jié)構(gòu)和開發(fā) 在當(dāng)今的競(jìng)爭(zhēng)中，其中一個(gè)主要特點(diǎn)就是利用新穎方面的價(jià)值而出售產(chǎn)品。汽車的平均產(chǎn)品使用壽命周期為4年，計(jì)算機(jī)及其附件為1.5年，手機(jī)為3個(gè)月……。這些結(jié)構(gòu)方面的快速發(fā)展以及產(chǎn)品方面的迅速發(fā)展其前提之一就是高速加工技術(shù)。
復(fù)雜的產(chǎn)品 在零部件方面，多功能表面越來(lái)越多、諸如一個(gè)新的蝸輪葉片結(jié)構(gòu)就既具有新穎的，也具有優(yōu)化的功能和特征。早期的設(shè)計(jì)中，可以用手或機(jī)器人(機(jī)械手)進(jìn)行拋光處理。而采用新型、較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蝸輪葉片就必須通過(guò)機(jī)加工進(jìn)行拋光，并最好是采用高速加工方式。還有越來(lái)越多需要進(jìn)行機(jī)加工的薄壁工件(醫(yī)療設(shè)備、電子元件、國(guó)防產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)零件等)實(shí)例。
生產(chǎn)設(shè)備 切削材料、夾具、機(jī)床、控制器等的強(qiáng)勁發(fā)展，特別是CAD/CAM以及設(shè)備等方面的發(fā)展，開辟了只能用新生產(chǎn)方法和技術(shù)才能滿足相應(yīng)要求的可能性。
2. 高速加工的含意
高速加工的原始定義 索羅門理論“采用較高的切削速度”在1931年獲得了一項(xiàng)德國(guó)專利，在該理論中他指出：“在一定的切削速度(比常規(guī)加工高5～10倍)下，在切削刃處的切屑去除溫度將會(huì)開始降低……(附圖)?！苯Y(jié)論是：“這種高速加工將有可能，在較高的切削速度下采用普通刀具進(jìn)行加工而提高生產(chǎn)率……?！?br /> 很遺憾，現(xiàn)代研究卻沒(méi)有能夠完全證實(shí)該理論?，F(xiàn)實(shí)中確實(shí)存在這樣的現(xiàn)象，即對(duì)于不同的材料，在以一定的切削速度進(jìn)行切削的切削刃上，溫度有相對(duì)的降低。對(duì)于鋼和鑄鐵而言，這種溫度降低的程度較小。而對(duì)于鋁和其他非鐵金屬材料，這種溫度降低的程度較高。因此高速加工的定義必須基于其他因素。
有關(guān)高速加工的討論在某些程度上是混淆的。如今存在許多意見(jiàn)、許多說(shuō)法和許多不同的方式來(lái)定義高速加工。
真實(shí)的切削速度 由于切削速度既與主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，也與刀具直徑有關(guān)，因此高速加工應(yīng)該被定義為超出一定水準(zhǔn)的“真實(shí)的切削速度”。切削速度和進(jìn)給速度之間的線性關(guān)系導(dǎo)致了“進(jìn)給速度與轉(zhuǎn)速成正比”的關(guān)系。如果選用較小的刀具直徑進(jìn)行加工，則進(jìn)給速度甚至?xí)?，條件是各個(gè)刀齒的進(jìn)給速度以及刀齒的數(shù)量是不變的。為了對(duì)刀具直徑較小作出補(bǔ)償，必須提高轉(zhuǎn)速，以維持相同的切削速度，而轉(zhuǎn)速提高卻又導(dǎo)致了vf較高。
較淺的切痕 對(duì)于高速加工應(yīng)用而言，非常典型而必要的是切削深度ae和ap以及平均切屑厚度hm，與常規(guī)機(jī)加工相比要小得多。因此材料去除率Q也要比常規(guī)機(jī)加工中小得多。例外的情況發(fā)生在鋁材、其他非鐵材料的加工以及各種材料的精加工和超精加工中。
3. 高速加工的應(yīng)用條件
在進(jìn)行高速加工應(yīng)用時(shí)，必須采用具有特定結(jié)構(gòu)和可選項(xiàng)的剛性高、專門設(shè)計(jì)的機(jī)床和控制器。生產(chǎn)設(shè)備都必須針對(duì)高速加工的特定過(guò)程而設(shè)計(jì)。
還必須使用高級(jí)編程技術(shù)，其中要具有最合適的刀具路徑。確保各個(gè)工序和刀具的恒定切屑去除量是進(jìn)行高速加工的一個(gè)前提，并是高生產(chǎn)率和過(guò)程安全性的一個(gè)基本準(zhǔn)則。特定的切削和夾緊刀具也是這類加工的一個(gè)必備條件。
4. 高速加工對(duì)縣的選用
在模具行業(yè)，高速加工技術(shù)中適合的粗加工和精加工最大的、比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的工件尺寸為400mm×400mm×150mm(長(zhǎng)、寬、高)。最大尺寸與高速加工中相對(duì)較低的材料去除率有關(guān)。當(dāng)然，也與機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能以及尺寸有關(guān)。
在成套(單次裝夾)加工中，大多數(shù)模具其尺寸都非常小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述尺寸。典型工序有粗加工、半精加工、精加工以及許多情況下還要涉及超精加工。始終應(yīng)該進(jìn)行拐角和半徑的剩余銑削加工，以便為后面的工序和刀具創(chuàng)立恒定切屑去除率的可能性。在許多情況下，一般采用3～4種刀具。
常用的刀具直徑范圍為1～2mm。在80%～90%的情況下切削材料為整體硬質(zhì)含金立銑刀或球頭立銑刀。通常采用具有較大拐角半徑的立銑刀。整體硬質(zhì)合金刀具具有加強(qiáng)的切削刃和中性或負(fù)傾角(主要用于加工54HRC以上的材料)。一種典型而重要的結(jié)構(gòu)特征是采用較厚的核心，以保證刀具最大的粘接韌性。
另外還最好采用切削刃接觸長(zhǎng)度較短的球頭立銑刀。另一種重要的結(jié)構(gòu)特征是掏槽能力，這種能力對(duì)于在沿陡峭而具有較小的間隙之壁部進(jìn)行加工時(shí)是必需的。還可以采用尺寸較小的、具有可轉(zhuǎn)位刀片的切削刀具。特別是對(duì)粗加工和半精加工，情況尤其如此。這些刀具應(yīng)該具有最大的刀柄穩(wěn)定性和彎曲韌性。采用錐度刀柄可以提高剛度。此外，采用用重金屬作成的刀柄也可以收到這種效果。
模具的型腔最好比較淺，并且不要太復(fù)雜。某些幾何形狀也比較適合具有高生產(chǎn)率的高速加工。將特形銑刀具路徑與順銑結(jié)合的可能性越大，獲得的加工結(jié)果就越好。
在采用高速加工方式對(duì)淬硬工具鋼進(jìn)行精加工或超精加工時(shí)，要遵循的主要參數(shù)是切痕要較淺。切深不得超出0.2/0.2mm (ae/ap)。這樣做是為了避免過(guò)高的夾具和切削刀具變形，并保證在模具加工中較高的公差水準(zhǔn)和幾何精度。每把刀具均勻分布的切屑去除率還可以保證恒定而比較高的生產(chǎn)率。當(dāng)ae/ap恒定時(shí)，切削速度和進(jìn)給速度將處于恒定的比較高的水準(zhǔn)。優(yōu)點(diǎn)是在切削刃上將存在較小的機(jī)械變化和工作負(fù)荷，還可以提高刀具壽命。
切削數(shù)據(jù) 典型的整體硬質(zhì)合金立銑刀(采用TiC,N或TiAlN涂層)切削淬硬鋼材：48-58HRC的切削數(shù)據(jù)為：
粗加工：
Vc=100m/min,
ap=刀具直徑的6%～8%，
ae=刀具直徑的35%～40%，
fz=0.05～0.1mm/齒。
半精加工：
Vc＝150～200m/min，
ap=刀具直徑的3%～4%，
ae=刀具直徑的20%～40%，
fz=0.05～0.15mm/齒。
精加工：
Vc=200～250m/min，
ap=0.1～0.2mm，
ae=0.1～0.2mm，
fz=0.02～0.2mm/齒。
5．對(duì)高速加工比較實(shí)用的定義
高速加工不是一種簡(jiǎn)單的高切削速度加工。它應(yīng)該被看作是這樣一種過(guò)程，其中操作是用非常特定的方法和生產(chǎn)設(shè)備完成的。高速加工不一定是高主軸轉(zhuǎn)速加工。許多高速加工應(yīng)用是在采用中等主軸轉(zhuǎn)速和大尺寸刀具情況下完成的。在采用高轉(zhuǎn)速和高進(jìn)結(jié)對(duì)淬硬鋼進(jìn)行精加工時(shí)，要采用高速加工，通常采用4～6倍于普通加工的切削數(shù)據(jù)。高速加工是指對(duì)小尺寸零件從粗加工到精加工進(jìn)行高生產(chǎn)率加工以及對(duì)各種尺寸的零件進(jìn)行精加工和超精加工時(shí)的高生產(chǎn)率加工。高速加工隨著零件獲得越多的凈形狀，其重要性會(huì)顯得越高。高速加工如今主要在主軸錐度為No40的機(jī)床上進(jìn)行。