【正文】 高速加工做一個明確的界定，因為高速加工并不能簡單地用切削速度這一參數(shù)來定義，在不同的技術(shù)發(fā)展時期、對不同的切削條件、用不同的切削刀具、加工不同的工件材料，其合理的切削速度是不一樣的。從切削機理角度看，高速加工時，切削溫度應(yīng)隨切削速度的增大而降低；從切削技術(shù)角度看，高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)，它所采用的切削參數(shù)要比傳統(tǒng)工藝所采用的切削參數(shù)高幾倍甚至幾十倍。因此，目前通常把切削速度比常規(guī)切削速度高5~10倍以上的切削稱為高速加工，但對于不同的材料、不同的切削方式，其高速加工的切削速度并不相同，見表1和表2。表1 不同材料高速加工的切削速度(m/min)材料鋁合金銅鋼灰鑄鐵鈦合金鎳基合金切削速度1000~7000900~5000500~2000800~3000100~100050~500表2 不同切削方式高速加工的切削速度(m/min)切削方式車削銑削鉆削鉸削拉削磨削切削速度700~7000200~7000100~100020~50030~755000~10000早期高速加工主要用于航空航天工業(yè)鋁合金零件的加工，從20世紀(jì)80年代開始，由于高速加工機床功能部件（如高速主軸、進給系統(tǒng)）技術(shù)取得了一定的進展及對刀具技術(shù)的深入研究，高速加工也開始應(yīng)用于一般金屬零件的加工。進入90年代后，由于高速加工機床許多關(guān)鍵部件研究取得突破，機床性能有了很大的提高，同時設(shè)備價格開始下降，高速加工技術(shù)受到了許多制造企業(yè)的關(guān)注。對于當(dāng)今廣泛使用的數(shù)控機床、加工中心等投資費用較高的加工裝備，只有大幅度降低切削工時才能進一步提高其生產(chǎn)效率，而大幅度降低工時，只有通過提高切削速度和進給速度的方式才能實現(xiàn)，所以發(fā)展高速加工技術(shù)具有十分重要的經(jīng)濟意義。高速加工中心高速車床高速鉆床高速銑床高速磨床等高速加工機床有高速加工中心、高速車床、高速鉆床、高速銑床、高速磨床等，其中高速加工中心最為典型。按高速機床必須具備高主軸轉(zhuǎn)速和高進給速度與加速度的技術(shù)特征，通常將高速加工中心分為兩類：1) 以高轉(zhuǎn)速為主要特征的高速加工中心，即HSM（High Speed Machining）型這類機床一般只具有高轉(zhuǎn)速而沒有高進給速度。2) 以高移動速度為主要特征的高速加工中心, 即HVM（High Velocity Machining）型這類機床不僅具有高主軸轉(zhuǎn)速，且具有高進給速度。加工效率高切削力小熱變形小加工精度高簡化工藝流程 加工效率高 由于切削速度高，進給速度一般也提高5~10倍，這樣，單位時間材料切除率可提高3~6倍，因此加工效率大大提高。如高速銑削加工，當(dāng)切削深度和每齒進給量保持不變時，進給速度可比常規(guī)銑削提高5~10倍，材料切除率可提高3~5倍。切削力小 傳統(tǒng)的切削加工采用“重切削”方式，而高速加工采用“輕切削”方式，即傳統(tǒng)的切削加工方式一般采用大切削深度、低進給速度進行加工，要求機床主軸在低轉(zhuǎn)速時能提供較高的扭矩，其結(jié)果是一方面切削力大，另一方面機床和工件都承受較大的力；而高速加工則采用小切削深度、高主軸轉(zhuǎn)速和高進給速度進行加工，由于切削速度高，切屑流出的速度快，減少了切屑與刀具前面的摩擦，從而使切削力大大降低。熱變形小 高速加工過程中，由于極高的進給速度，95%的切削熱被切屑帶走，工件基本保持冷態(tài)，這樣零件不會由于溫升而導(dǎo)致變形。加工精度高 高速加工機床激振頻率很高，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出“機床刀具工件”工藝系統(tǒng)的固有頻率范圍，這使得零件幾乎處于“無振動”狀態(tài)加工；同時在高速加工速度下，積屑瘤、表面殘余應(yīng)力和加工硬化均受到抑制，減小表面硬化層深度及表面層微觀組織的熱損傷，因此用高速加工的表面幾乎可與磨削相比。簡化工藝流程 由于高速銑削的表面質(zhì)量可達(dá)磨削加工的效果，因此有些場合高速加工可作為零件的精加工工序，從而簡化了工藝流程，縮短了零件加工時間。綜上所述，高速加工是以高切削速度、高進給速度和高加工精度為主要特征的加工技術(shù)，高速加工可以縮短加工時間，提高生產(chǎn)效率和機床利用率；工件熱變形小，加工精度高，表面質(zhì)量好；適合加工薄壁、剛性較差、容易產(chǎn)生熱變形的零件，加工工藝范圍廣，因此，在實際應(yīng)用中，高速加工具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性。三、 高速加工的關(guān)鍵技術(shù)刀具技術(shù)機床技術(shù)CAM軟件　　　　高速加工技術(shù)的開發(fā)與研究，主要集中在刀具技術(shù)、機床技術(shù)、CAM軟件等幾個方面。刀具必須具有優(yōu)良的機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊和熱疲勞特性。通常采用硬質(zhì)合金涂層刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金剛石刀具。高速加工刀具必須與工件材料的化學(xué)親和力小，具有優(yōu)良的機械性能、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊和熱疲勞特性。高速加工通常采用具有良好熱穩(wěn)定性的硬質(zhì)合金涂層刀具、立方氮化硼（CBN）、陶瓷刀具和聚晶金剛石刀具。硬質(zhì)合金涂層刀具由于刀具基體具有較高的韌性和抗彎強度，涂層材料高溫耐磨性好，因此適用于高進給速度和高切削速度的場合；陶瓷刀具與金屬的化學(xué)親和力小，高溫硬度優(yōu)于硬質(zhì)合金，所以它適用于切削速度和進給速度更高的場合；立方氮化硼刀具具有高硬度、良好的耐磨性和高溫化學(xué)穩(wěn)定性，適合于加工淬火鋼、冷硬鑄鐵、鎳基合金等材料；聚晶金剛石刀具的磨擦系數(shù)低、耐磨性極強，導(dǎo)熱性好，特別適合于加工難加工材料和粘結(jié)性強的有色金屬。刀具夾緊技術(shù)是快速安全生產(chǎn)的重要保障。由于傳統(tǒng)的長錐刀柄不適合用于高速加工，所以在高速加工中，采用刀柄錐部和端面同時與主軸內(nèi)錐孔和端面接觸的雙定位刀柄，如德國的HSK空心刀柄。這種刀柄不需要拉釘，主軸鎖緊裝置充分考慮離心力的影響，夾持力一般隨主軸轉(zhuǎn)速的提高而自動增大。主軸單元進給系統(tǒng)CNC系統(tǒng)機械系統(tǒng)等方面比普通數(shù)控機床具有更高的要求。 性能良好的數(shù)控機床是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素。從原理上說，高速加工機床與普通數(shù)控機床并沒有本質(zhì)區(qū)別。但高速機床為了適應(yīng)高速加工時主軸轉(zhuǎn)速高、進給速度快、機床運動部件加速度高等要求，在主軸單元、進給系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)和機械系統(tǒng)等方面比普通數(shù)控機床具有更高的要求。(1) 高速主軸 高速主軸是高速加工機床的核心部件。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不斷提高時，傳統(tǒng)的齒輪—皮帶變速主傳動系統(tǒng)由于本身的振動、噪聲等原因已不能適應(yīng)高速加工的要求，隨著電氣傳動技術(shù)的迅速發(fā)展和在高速加工機床中的應(yīng)用，高速加工機床的主傳動結(jié)構(gòu)已發(fā)生了很大的變化：由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動代替皮帶齒輪傳動，從而將設(shè)備振動、噪聲和主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量降低到最小，提高了主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率，也將機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。我們通常將這種機床主軸與主軸電動機結(jié)合在一起、實現(xiàn)變頻電動機與機床主軸一體化的傳動結(jié)構(gòu)形式稱為電主軸。在電主軸結(jié)構(gòu)中，機床主軸箱為電動機的定子，主軸為電動機的轉(zhuǎn)子。電主軸采用電子傳感器來控制溫度，自帶水冷或油冷循環(huán)系統(tǒng)，使主軸在高速旋轉(zhuǎn)時保持恒溫；同時使用油霧潤滑、混合陶瓷軸承等新技術(shù)，使主軸免維護、壽命長、轉(zhuǎn)速高。如瑞士米克朗公司生產(chǎn)的電主軸采用了矢量式閉環(huán)控制、動平衡較好的電主軸結(jié)構(gòu)、油霧潤滑的混合陶瓷軸承、可以隨室溫調(diào)整的溫度控制系統(tǒng)等先進技術(shù)，確保主軸在全部工作時間內(nèi)保持恒溫；瑞士IBAG公司生產(chǎn)的主軸單元，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12000~80000r/min；德國KAPP公司采用磁懸浮軸承生產(chǎn)的電主軸，其最高轉(zhuǎn)速為60000r/min；美國Precise公司研制的SC40/120主軸，最高轉(zhuǎn)速已達(dá)120000r/min。電主軸使用的軸承可分為接觸式軸承和非接觸式軸承，接觸式軸承主要有滾動軸承，非接觸式軸承主要有磁懸浮軸承和流體靜壓軸承。滾動軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度高、高速性能好等優(yōu)點，因此在電主軸中應(yīng)用較多，但應(yīng)注意軸承預(yù)加載荷的自動補償和潤滑問題；磁懸浮軸承的工作原理是：電主軸依靠多副在圓周上互為180186。的電磁鐵產(chǎn)生徑向方向相反的吸力或斥力而處于懸浮狀態(tài)，使軸頸與軸承始終不直接接觸，因此沒有磨損，也不需要潤滑，由于其軸線位置可通過反饋控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，所以回轉(zhuǎn)精度極高，轉(zhuǎn)速可達(dá)45000r/min，一般用于回轉(zhuǎn)頻率和功率較高的場合，但價格也比較高；流體靜壓軸承采用流體動力和流體靜力相結(jié)合的方法，使主軸在流體薄膜支撐下旋轉(zhuǎn)，因為軸承與主軸未直接接觸，因此具有阻尼特性好、壽命長、磨損小、旋轉(zhuǎn)精度高等優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主軸工作時，帶動流體攪動使流體溫度升高、消耗功率大，目前應(yīng)用較少。(2) 進給系統(tǒng) 傳統(tǒng)的“伺服電動機+滾珠絲杠副”的進給系統(tǒng)已不能滿足高速加工機床高速度和高加速度的要求，目前高速加工機床廣泛使用直線電動機進給驅(qū)動系統(tǒng)。世界上第一家開發(fā)出直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)的是德國ExcellO公司，該公司于1993年在漢諾威國際機床博覽會上展出了應(yīng)用直線電動機驅(qū)動的高速加工中心；隨后，美國Ingersoll公司在HVM800型高速加工中心上也應(yīng)用了直線電動機驅(qū)動系統(tǒng)。直線電動機按勵磁方式可分為感應(yīng)式直線電動機和永磁式直線電動機，ExcellO公司應(yīng)用的是前者，而Ingersoll公司應(yīng)用的則是后者。直線電動機進給系統(tǒng)是由一系列安裝于機床底座的磁鐵（定子）和環(huán)繞在滑架上疊鋼片鐵芯線圈（動子）組成，利用動子脈沖電流產(chǎn)生的磁場和定子永磁場相互作用而產(chǎn)生電磁推力，帶動負(fù)載動作。高速直線電動機無旋轉(zhuǎn)運動，不受離心力作用，容易實現(xiàn)高速直線運動；同時，由于高速直線電動機克服了滾珠絲杠副反向間隙、慣性和剛度不足的缺點，實現(xiàn)了無接觸的直接驅(qū)動，因此具有速度和加速度高、定位精度高、行程不受限制、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。但由于直線電動機進給系統(tǒng)不能充分解決推力和重載荷問題，因此目前仍有一些高速加工機床采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠副傳動系統(tǒng)。(3) 高速CNC系統(tǒng) 高速加工與傳統(tǒng)數(shù)控加工雖然沒有本質(zhì)的區(qū)別，但由于高速切削機床的主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的大幅度提高，因此要求CNC系統(tǒng)運算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強，控制精度和響應(yīng)速度高；進給伺服機構(gòu)能實現(xiàn)從低速到高速很寬范圍內(nèi)的任意調(diào)節(jié)，并能克服進給伺服速度高則系統(tǒng)跟隨誤差大的矛盾，這需要CNC系統(tǒng)具有很短的伺服周期和很高的分辨率，同時具備待加工軌跡監(jiān)控和曲線插補功能。伺服周期短是指CNC系統(tǒng)對工作臺實際位置進行一次反饋并發(fā)出一次進給指令所使用的時間更短；高分辨率是指CNC系統(tǒng)具有更快的程序數(shù)據(jù)處理能力，以保證在高速切削時，特別是4~5軸坐標(biāo)聯(lián)動加工復(fù)雜曲面輪廓時仍具有良好的數(shù)據(jù)處理能力。為此，許多高速加工機床的CNC控制系統(tǒng)采用多個32位甚至64位CPU，主頻可達(dá)100~200MHz，有的甚至高達(dá)500MHz，并帶有數(shù)據(jù)庫，兼有CAM功能，；采用C語言編程，具有工具監(jiān)控功能；同時配置功能強大的后置處理軟件（如幾何補償軟件），具有加速預(yù)插補、前饋控制、精確矢量補償和最佳拐角減速度控制等功能。3. CAM軟件應(yīng)有全程自動防過切和刀具干涉檢查能力、待加工軌跡監(jiān)控、速度預(yù)控制、多軸變換與坐標(biāo)變換實現(xiàn)刀具補償、誤差補償?shù)裙δ?。高速加工必須具有全程自動防過切和刀具干涉檢查能力，待加工軌跡監(jiān)控、速度預(yù)控制、多軸變換與坐標(biāo)變換實現(xiàn)刀具補償、誤差補償?shù)裙δ堋，F(xiàn)在高速加工計算機數(shù)控一般采用NURBS樣條插補，這樣可以克服直線插補時控制精度和速度的不足，提高進給速度和切削效率，而且提高復(fù)雜輪廓表面的加工精度和人員設(shè)備的安全性。實踐證明，在同樣精度的情況下，一條樣條曲線程序段能代替5~10條直線程序段。目前大多數(shù)CAM軟件并沒有考慮高速加工問題。除了上述三種技術(shù)之外，零件毛坯制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫、測量技術(shù)、自動生產(chǎn)線技術(shù)等對高速加工能否發(fā)揮其應(yīng)有作用也有著重要的影響。四、 高速加工技術(shù)在模具制造行業(yè)的應(yīng)用　　高速加工在模具制造行業(yè)的應(yīng)用主要是電極的加工和淬硬材料的直接加工。應(yīng)用高速加工技術(shù)加工電極對電火花加工效率的提高作用非常明顯。用高速加工技術(shù)加工復(fù)雜形狀的電極，從而減少了電極的數(shù)量和電火花加工的次數(shù)；同時，高速加工也提高了電極的表面質(zhì)量和精度，大大減少了電極和模具后續(xù)處理的工作量。模具加工一般使用數(shù)控銑床（加工中心）完成，由于普通銑削加工很難達(dá)到模具表面質(zhì)量的要求，因此通常由鉗工進行手工拋光。同時，模具一般使用高硬度、耐磨性好的合金材料制成，這給模具加工帶來困難；由于這些材料用普通機械加工較難完成，因此廣泛采用電火花成形加工方法，這也是影響模具加工效率的主要原因。應(yīng)用高速加工技術(shù)可直接加工淬硬材料，特別是硬度在HRC46~60范圍內(nèi)的材料，高速加工能部分取代電火花加工，這樣省去了電極的制造，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了加工時間，縮短了生產(chǎn)周期。第三部分 逆向工程技術(shù)正向工程或順向工程（Forward Engineering）設(shè)計思路→產(chǎn)品逆向工程或反求工程RE（Reverse Engineering）產(chǎn)品→設(shè)計思路按照傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，一般從市場調(diào)研開始，在了解了市場需求后，抽象出產(chǎn)品的功能描述及產(chǎn)品規(guī)格，然后進行概念設(shè)計、總體設(shè)計、詳細(xì)的零部件設(shè)計、制定工藝流程、設(shè)計工裝夾具、完成加工、檢驗、裝配及性能測試，最終完成產(chǎn)品的開發(fā)過程。這種開發(fā)模式的前提是產(chǎn)品開發(fā)人員已完成產(chǎn)品的圖樣設(shè)計或建立CAD模型，我們把這種從“設(shè)計思路→產(chǎn)品”的產(chǎn)品設(shè)計過程稱為正向工程或順向工程（Forward Engineering）。然而，當(dāng)我們掌握的產(chǎn)品初始信息并不是圖樣或CAD模型，而是各種形式的物理模型或?qū)嵨飿蛹?；或?dāng)我們期望對已有產(chǎn)品進行分析、改進，以期得到優(yōu)化時，我們必須尋求某種方法將這些實物（樣件）轉(zhuǎn)化為CAD模型，使之能應(yīng)用CAD/CAM/PDM/RP/RT等先進技術(shù)完成有關(guān)任務(wù)。這種產(chǎn)品開發(fā)方式與正向工程正好相反，它的設(shè)計流程是從實物到設(shè)計，我們將這種由“產(chǎn)品→設(shè)計思路”的產(chǎn)品開發(fā)過程稱為逆向工程或反求