1 引言
20世紀30年代，德國科學家Salomon 通過對不同材料進行切削試驗，發現了一個有趣的現象：隨著切削速度的增加，切削溫度隨之增加，單位切削力也隨之增加，而當切削速度增加到一定臨界值時，如再增加，切削溫度和切削力反而急劇下降。由此，提出了高速加工的概念，所謂高速加工就是指切削速度高于臨界速度的切削加工。對不同的切削材料和不同的切削方式來說，高速切削定義的切削速度的范圍也不同，對于銑削鋁、鎂合金，切削速度大于1000MM/MIN可稱為高速加工，而對于加工鑄鐵或鋼，切削速度大于305/MIN就可以稱為高速加工了。
隨著數控技術的發展，高速加工的概念也在不斷變化，一般而言，高速銑削除了具有高的切削速度和主軸轉速外，還應具有高的進給速度。如一般精銑加工可達到5000～15000MM/MIN 快速進給可達到20000～60000MM/MIN。與常規切削加工相比，高速加工有如下一些優點，①由于采用高的切削速度和高的進給速度，高速加工能在單位時間內切除更多的金屬材料，因而切削效率高;②在高速加工的時候，可以采用較少的步距，達到提高零件表面質量的目的，采用高速加工技術，可以使得零件表面達到磨削的效果;③由于高速加工時切削力大大降低、大部分切削熱被切屑帶走，因而工件的變形大大減少;④高的切削速度意味著高的主軸轉速，機床運轉激勵的振動頻率能大大高于工藝系統的固有頻率，因而使機床和工藝系統的振動小，工作平穩，這也有利于提高被加工零件的精度和表量;⑤由于高速加工時，切削溫度較低，單位切削力較小，因而刀具的耐用度能得到提高。由于這些優點，所以高速加工首先在航空航天制造領域得到應用。高速加工給航空航天帶來的影響有：①傳統非常難以加工薄壁零件、柔性材料零件的加工，可以利用高速加工的切削力小、切削溫度低的優點，利用高速加工技術進行加工;②高速加工的切削力小、切削效率高，可以采用長徑比很大的刀具進行加工，因而傳統的必須設計為組合件的一些零件可以設計為整體件了。如蜂窩零件、飛機的整體框梁等。由于當時高速加工屬于尖端的加工技術，并且主要應用于航空航天等國防制造領域，因而發達國家對高速加工機床的出口實行管制政策。隨著技術的進步，高速加工數控技術不斷成熟，高速加工機床的成本也不斷下降，使得高速加工技術已具有向民用制造業轉移的可能性，高速加工技術在模具制造業有廣闊的應用前景。根據高速加工數控技術的特點，高速加工技術應用于模具制造業中主要有如下一些優點：①減少加工工序，粗加工后，直接精加工，不需要半精加工;②表面質量提高，減少或不需要打磨;③精度提高，減少試模工作量;④可以使用小刀具加工模具細節，減少電極制作和電加工工序;⑤可以在高精度、大進給的方式完成淬火鋼的精加工，且達到很高的模具表面質量，因而可以減少傳統加工因精加工后再淬火引起模具變形。速加工技術主要涉及機床、刀具、和高速加工數控編程3個方面。目前，高速加工機床和刀具技術已取得了相當進展，為高速加工技術得廣泛應用奠定了基礎。
2 高速加工機床
實施高速加工數控技術，首先應有高速加工機床。高速加工機床具有不同于傳統數控機床的特點
(1)高速加工機床的主軸部件，要求采用耐高溫、高速、能承受大的負荷的軸承，同時主軸動平衡性能好，有良好的熱穩定性，能夠傳遞足夠的力距和功率且能承受高的離心力。主軸的剛性好、有恒定的力矩。帶有檢測過熱裝置和冷卻裝置。
(2)高速加工機床的進給系統一般采用直線電機驅動，能夠實現高的進給速度，達到大的加速度。
(3)高速加工機床采用高性能的數控系統，克服傳統數控機床的運算速度低和伺服滯后等缺陷，從而能實現高精密伺服控制、高速數控運算和全公差控制功能。
(4)高速加工的機床結構一般通過優化設計采用較輕的移動部件，從而能獲得高的加速度特征。
(5)為了能獲得高的靜態和動態剛度，適應高速旋轉的需要，高速加工機床對刀具有嚴格的要求，尤其是對主軸于刀柄的聯結有特殊的要求，廣泛使用的HSK刀具一般使用110的小錐度，而不使用傳統的大錐度刀柄。
(6)高速加工具有數控代碼預覽功能，即高速加工機床的數控系統在進行切削加工的過程中，其讀取的加工代碼可以有一定量的超前，以便于機床調整進給速度以適應刀具軌跡變化的需要。
3 面向高速加工的數控編程基本原則
高速加工對加工工藝走刀方式有著特殊的要求，高速加工的數控編程是一項非常復雜的技術，NC代碼的編程員必須了解高速加工的工藝過程，再編制數控加工程序時，將這些加工工藝考慮進去，一般來說，在利用高速加工技術進行模具加工時，應注意如下一些原則：
(1)高速加工時，由于進給速度和切削速度很高，應當避免刀具突然切入和切出工件，避免切削力的突然變化減少沖擊。因而，編程者應當能夠充分預見刀具是如何切入工件，如何切出工件，盡量采用平穩的切入切出方式，下刀或行間、層間的過渡部分最好采用斜式下刀或圓弧下刀，避免垂直下刀直接接近工件材料。
(2)在進行高速加工時遇到加工方向改變時，機床為了保證加工的精度，避免過切，通過其預覽功能，在加工方向進行改變時一般會自動進行進給速度的調整。但是，當加工方向突然改變時，由于機床的加速度是有限制的，因而，有可能做不到及時的速度調整，造成過切或(欠切)，嚴重的將造成刀具斷裂。同時，不斷地調整進給速度會嚴重降低生產效率。因而，編寫高速加工數控加工程序時，應盡量避免加工方向的突然改變。行切的端點采用圓弧連接，避免直線連接、層間應采用螺旋式連接，避免直線連接。
(3)要盡可能維持恒定切削負載，切削深度、進給量和切削線速度一定要協調好。當遇到某處切削深度有可能增加時，應降低進給速度，以保持恒定的負載。編寫高速加工的數控程序時，應能充分考慮殘留余量的效應，最好編程軟件有殘留余量的分析功能，做基于殘留余量的刀具軌跡計算。同時，要注意刀具的實際切削位置，避免切削線速度減低的現象發生，確實處于正常的高速加工切削速度范圍，應盡量使用多坐標編程，通過刀軸旋轉來維持恒定的切觸點位置，維持恒定的切削速度。
(4)刀具路徑越簡單越好，應盡量采用圓弧、曲線等插補功能，傳統的加工模具時采用的密集點數據刀具路徑，不太適合于高速加工，一方面數據量太大，加重數控系統的數據處理負擔，造成進給速度要適應數控系統的處理速度而減低。另一方面，密集的直線段之間，是CO連續的，因而數控系統要不斷地調整進給速度，造成進給速度升不上去，嚴重影響加工效率。
(5)在進行高速加工編程時，無論從加工精度還是加工安全性考慮，都應該進行充分的干涉檢查和加工過程仿真。
(6)注意進行多種加工方案的對比分析，選取最佳的切削方案。
4 高速加工對NCP系統的要求
為了能適應高速加工數控編程的要求，針對高速加工的數控編程系統應該滿足相應的特殊要求。
(1)NCP系統應該具有高的計算編程速度，在高速加工中，一般可采用非常小的進給量和切削深度，因而計算量較傳統的數控編程大得多。同時，由于高速加工對工藝的嚴格要求一般需要不同方案的對比分析，這更加大了編程工作量，所以要求編程系統應該具有高的編程計算速度。
(2)NCP系統應該具有全程自動防過切能力和自動的干涉檢查能力。高速加工以高出傳統數控加工近10倍的切削速度和進給速度，一旦發生過切或干涉，其后果將十分嚴重。傳統的模具數控加工編程系統一般采用面向曲面的局部加工，比較容易發生過切現象，一般都是靠人工選擇干預的方式來防止，很難保證過切防護的安全性。另外，高速加工在模具的加工制造中經常用于模具細節部分的加工，以取代傳統的電極加工，這是，比較容易發生刀柄的干涉，這就要求NCP編程系統能自動檢查報告。
(3)適合高速加工的NCP系統，應該能自動進行進給速率和切削速度的優化處理，從而保證在高速加工時的最大的切削效率、最佳的切削條件和切削加工的安全性。
(4)高速加工編程系統應有刀具軌跡的編輯優化功能，避免多余的空刀和通過對刀具軌跡的鏡向、復制、移動、旋轉等操作避免重復計算，提高編程效率。
(5)高速加工編程系統應該有NURBS曲線插補的編程功能，通過使用NURBS插補編程，減少程序長度。
(6)適合高速加工編程的系統應該有符合高速加工工藝要求的加工策略。如豐富的行間、層間連接方法，豐富的進刀和退刀方法，基于殘留余量的刀具軌跡計算方法。
(7)適合高速加工變編程系統，最好能引入工藝系統的參數、材料的最佳切削條件、機床的允許加速度等參數，能夠自動確定允許的加工方向變化的程度(即確定不同曲率半徑的圓弧段允許的進給速度的變化程度)，軌跡上最小的曲率半徑與進給速度的關系，能夠滿足高速加工對切削線速度的自動的調整。
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