切削技术的新发展
高速切削的定义
高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的5～10倍。
● 切削速度的提高
每齿较大的进给F 从而达到较大的金属切削量，比低转速每齿大进给的生产效率高70％～100％ 切削扭矩的减少，大大降低工件的切削变形
加工钢的切削速度可达250m/min，甚至达到350m/min
加工铝及铝合金的切削速度可达1,200m/min，甚至1,800m/min
● 机床的主轴转速不断提高，由4,000r/min提高到6,000r/min、8,000r/min 主轴转速可达
24,000r/min或更高
高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关 车削：700～7000 m/min； 铣削：300～6000 m/min； 钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削，而 400 m/min 就定义为高速钻削。
高速范围与加工材料密切相关
工件材料
10
100
1000
m/min
10000
切削速度 v c （铣削）
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论
T cr
切削温
度
T a
v 1
v cr
切削速度
v 2
萨洛蒙曲线
在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。Salomon 的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”(图中B 区) 在超高速区内(图中C 区) 进行切
削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。
不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围
高速切削 HSC 的目标
高速切削的特征
✓ 较高的金属去除率，提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间，生产时间短，降低加工
成本
✓ 高加工表面质量，提高加工精度；表面光洁度：根据需求；形状精度：根据要求 (3D形状) ✓ 低切削力，降低加工系统力变形 ✓ 高激励频率，避免自激振荡
✓ 减少后续工序 ，降低加工成本没有毛刺，无须手工抛光。
✓ 减少传递给工件的热量，切削热由切屑带走，降低工件中的热积聚现象，尤其在铣削中更是
如此；
⏹ 切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力 ⏹ 剪切角增大
⏹ 切削热大部分由切屑快速带走 ⏹ 避免积屑瘤的产生。
高速切削的应用领域
✓ 模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。 ✓ 航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大
（一般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。 ✓ 汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差） ✓ 难加工材料的加工（如：Ni 基高温合金和Ti 合金） ✓ 纤维增强复合材料加工 ✓ 精密零件加工
✓ 薄壁易变形零件的加工
实现高速切削的关键技术
• 技术层面
● 高速切削机理及工艺
● 高性能刀具材料及刀具设计制造技术 ● 高性能机床及其附件 机床结构及材料 机床设计制造技术 高速主轴系统 快速进给系统
高性能CNC 控制系统 高性能刀具及工件夹紧系统 动平衡控制；
高效高精度测量测试技术 安全防护技术
• 管理层面
高速加工理念 新的管理方法。
HSC-过程——对系统的要求
较高的系统精度 ：系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。
较高的系统刚度 ：刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。
较好的动平衡性 ：高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
高速切削系统因素
高速切削系统的两个重要指标
在切削系统中我们通常最值得关心的是下面两个重要指标：刚性和跳动。 刚性：径向刚性；轴向刚性 跳动：径向圆跳动；端面圆跳动
高刚性是先进切削系统的基础。
刚性
接口刚性影响切削系统的稳定性。
径向刚性
接口刚性
在切削系统中两个接口直接影响切削效果。
轴向刚性
接口刚性取决于以下两方面的因素：
• •
外锥和内锥的配合精度
按照目前典型的AT4级（ISO1947，GB11334-89）锥度规定的角度公差为13”，这意味配合后
端最大径向间隙高达13μm 。
机床拉杆的拉力。
当拉力增大（4~8）倍时，连接刚性可提高
(20~50)%
由于内外锥体配合精度原因，无论是在配合前端或后端的间隙，在切削过程中由于切削力的影响使得刀具跳动加大，配合后端的间隙还会引起刀柄在主轴内的摆动，会加速主轴孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。
主轴精度：现在市场上绝大部分镗铣设备主轴，孔均为7:24锥孔，锥孔精度为AT2~AT3级。
锥柄精度：国家标准对7：24锥柄精度控制按AT4级。保证锥柄与主轴孔的接触率≥85%，提高工具系统与主轴的连接接口的刚性。
锥柄角度正公差，保证锥柄大端接触，切削力支点靠前，提高系统稳定性。
锥柄角度负公差，锥柄小端接触锥孔，切削力支点靠后，降低系统稳定性。
跳动
跳动影响切削精度。
高速切削系统对机床的要求： 主轴转速非常高；
动态的主传动和稳定的机床结构，具有良好的阻尼特性； 现代的快速控制装置；
刚性好、稳定、安全的机床。
刀片的冲击力大
在5000r/min时刀片飞出的面铣刀 机床防弹玻璃破坏实例
面向高速切削的切削机床
床身等固定部件的高刚度和高抗振性 主轴的高转速和高加速度
进给系统的高进给速度和高加速度 主轴轴承的高刚度和高抗振性 优化的切屑下落及运送系统 可靠的安全防护系统。 设计特征
高速电机主轴
⏹ 驱动电机与主轴的一体化
⏹ 转速至80,000r/min，用于小直径刀具的高速切削 ⏹ 大转速范围内的高扭矩输出
⏹ 首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承
超高速电主轴结构
主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称“电主轴” 。
对进给系统的要求
● 高进给速度：>20 m/min ● 高进给加速度：
>0.5 g
要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。
传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，
由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构
的限制，进给速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。
技术指标： vf > 75 m/min a = 1-7 g
超高速机床的进给系统
直线电机直接驱动的优点是：
①控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；
②高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100～180 m/min； ③高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达2～10g ； ④无限运动长度；
⑤定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定
位精度高达0.1～0.01；
⑥起动推力大(可达12000N) ；
⑦由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳。
超高速机床的冷却系统
超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行
高速切削刀具装卡系统 要求
最小的动不平衡量，高的动平衡性 最小的径向偏差，径向跳动 高刚性 传递高扭矩 高精度
换刀时的高重复精度 高转速下的安全性 方案
用空心短锥柄（HSK 系列）取代快换锥柄（SK 系列） 通过主轴端面进行轴向定位 主轴和空心锥柄的胀塞配合 径向跳动：
在考虑刀柄的选择标准时，同心度或径向跳动应优先考虑。
在进行高精度或高速切削加工时，要求的基本条件是切削力应保持不变，而径向跳动或偏心会使切削力产生变化，这对切削加工精度极其不利。
保证同心度的目的是使刀具和主轴正确地绕同一轴线旋转，它与主轴的形式无关。
夹紧力：
在高精加工中，刀柄应具有足够的夹紧力，其夹紧力应从数千磅至液压式夹具的6000磅范围内。 在一般的加工条件下刀具的夹紧力是足够的，但在加工中产生振动时，应使用热装(热压配合) 刀柄或液压式刀柄装夹刀具，因为热装刀柄与其它形式的刀柄相比，能较好地保持刀具的位置精度。 T·M·史密斯国际工具公司曾使用几种大型扭矩扳手对油压夹头，热装刀柄的夹紧力进行了测试，热装刀柄的夹紧力最大。 动平衡性：
在高精加工中，刀柄应具有优良的动平衡性，尤其对高速切削更为重要。 为高精高速切削加工所设计的刀柄，则必须制订出高水平的动平衡指标。 但无论哪一种工具系统的动平衡都不是绝对平衡的。
刀柄或整体刀具的不均衡是很难消除的，首先是消除不平衡的大部分，之后把装在主轴上的刀具修正到满足要求的状态。
可以肯定，刀具越长，不平衡的问题就越严重。 刚性：
刀柄必须具有足够的刚性。
许多厂家使用高的主轴转速。为适应加工材料的变化，可选用的切削速度范围很宽，切削刀具的刚性对加工质量及加工性能有很大影响。
因此要把刀柄设计成刀具能绕其轴线旋转而且刀柄和刀具组合后，在切削载荷的作用下，不会产生弯曲。概括为“在空间允许的范围内，必须尽量把刀柄设计成短且刚性好的接柄。
现代机床及刀具对于刀柄有着很严格的要求. 特别是在很高的速度下使用硬质合金立铣刀及钻头时, 要求跳动量极低以实现较长的刀具寿命。
当在很高的速度下使用硬质合金立铣刀及钻头时，优质的刀柄应该满足以下三个要求： 1、小跳动量。根据经验，如果跳动量增加0.01mm ，则刀具的寿命会缩短50%。
小跳动量带来高精度
2、高夹紧力。如果在加工过程中刀具在刀柄中移动，则刀具及加工零件都会被损坏，因为离心力大大降低了可传送的扭矩，导致许多夹紧方法在高转速下无法使用。
高夹紧力带来高扭矩传送能力。
3、平衡的刀柄。不平衡性太大会产生振动，从而对刀具性能的主轴寿命均产生负面影响。
当高轴转速超过15000rpm 时，推荐使用单独平衡的刀柄。
高精度强力夹头都单独平衡。
（2）高速切削加工用刀柄的选用
正确选用与高速运转的主轴相配合的刀柄是关键因素之一。
机床主轴的高速运转如果没有合适的刀具、刀柄相配合，则会损坏机床主轴的精密轴承，降低机床的寿命。 因此，在确定采用高速切削加工时，应能在种类繁多的刀柄系统中，正确选择适合高速切削加工用的刀柄系统。
HSK 工具系统7:24锥柄工具系统
锥柄型式
传统实心长刀柄结构存在的问题：
目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题：
刀具动、静刚度低 ：刀具高速旋转时，由于离心力的作用，主轴锥孔和刀柄均会发生径向膨胀，膨胀量大小随旋转半径和转速的增大而增大。这就会造成刀柄的膨胀量小于主轴锥孔的膨胀量而出现配合间隙，使得本来只靠锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。
动平衡性差 ：标准7:24锥度柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合前段70%以上接触，而后段往往会有一定间隙。该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响刀具系统的动平衡。
重复定位精度低 ：当采用ATC(自动换刀) 方式安装刀具时，由于锥度较长，难以保证每次换刀后刀柄与主轴锥孔结合的一致性。同时，长刀柄也限制了换刀过程的高速化。
7:24锥柄
HSK 刀柄 ：HSK(德文Hohlschaftkegel 缩写) 刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。
HSK 刀柄已于1996年列入德国DIN 标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍。
HSK 刀柄由锥面(径向) 和法兰端面(轴向) 双面定位，实现与主轴的刚性连接。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，HSK 刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm 的间隙。
HSK 锥柄
在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。
HSK 刀柄结构的主要优点是
有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。
由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。
HSK 刀柄有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现ATC 的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半) 。
每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。
HSK 刀柄具有良好的高速锁紧性。刀柄与主轴间由弹性扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越大，锁紧力越大。
BT40联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。
HSK －63A 刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过这个范围精度降低。 BT 系统：刀柄锥度7：24，单面接触。 HSK 系统：刀柄锥度1：10，双面接触。
BT 刀柄（7：24） BT 刀柄与主轴接合图
HSK 刀柄（1：10） HSK 刀柄与主轴接合图 • 大锥度7:24 DIN 69871
– 相对稳定性较低 (会晃动) ； – 轴向精度低； – 有限的径向精度； – 不适合于高转速； – 重量较大，换刀较慢； – 应用广泛。
• 空心短锥 DIN 69893
– 高的静态及动态稳定性 – 高的轴向及径向精度
– 非常适合在高转速下使用，定心准确 – 重量轻，易于换刀
HSK 刀柄夹紧状态
按德国DIN 标准的规定，HSK 刀柄采用平衡式设计，其结构形式有A 、B 、C 、D 、E 、F 共6种型式，每一种型式又有多种尺寸规格。A 、B 型为自动换刀刀柄，C 、D 型为手动换刀刀柄，E 、F 型为无键连接，适用于超高速切削用刀柄。 HSK 标准的6种形式
HSK 刀柄的选用
A 型：A 型——带中心内冷的自动换刀型；大的扭距；中高的转速；达到一定转速时必须进行动平衡。
B 型：带端面内冷的自动换刀型；较大的扭距；中高转速；达到一定转速时必须进行动平衡。
C 型：带中心内冷的手动换刀型；大的扭距；中到高的转速；一般加工。
D 型：带端面内冷的手动换刀型；较大扭距；中到高的转速；车削加工。
E 型：带中心内冷的自动换刀高速型；小扭距；超高速。
F 型：无中心内冷的自动换刀高速型；大的轴向力；较小的扭距；软材料加工。
刀具与工具系统的连接方式 1. 夹； 2. 压；
3. 圆锥面自位。
夹：该连接方式多用于圆柱面工具的夹紧，以夹紧作用点可分为以下两种：
1. 三点加夹紧，如钻夹头刀柄。
2. 360°夹紧，如弹簧夹头刀柄，热装刀柄。
三点加夹紧
360°夹紧
该连接的刚性取决于径向夹持力的大小及被夹持面的多少。
热装刀柄
压：该连接方式多用于圆柱面和平面工具的夹紧，以压紧作用方向可分为以下两种：
1. 径向压紧：侧固式刀柄
径向压紧
2. 轴向压紧：面铣刀刀柄，模块工具系统
轴向压紧
圆锥面自位：该连接方式以锥面之间的磨擦力传递扭矩；如有扁尾莫式圆锥孔刀柄，无扁尾莫式圆锥孔刀柄等。
可以用于高速加工的刀具夹头有：
液压夹头
液压高精度夹头具有不同的夹紧机制，它是通过作用在包裹刀柄的膜上的压力来实现刀具夹紧的。
由于采用了液压技术，所以装卸方便，定位准确。同心度好、本体直径小、易于清洗；夹持回转精度高，减振性能好，可成倍地提高刀具寿命。但其价格很高。
液压夹紧的工作原理
热装刀柄
热装刀具夹头是继液压夹头之后开发出的新型夹头，也是一种无夹紧元件的夹头。
夹紧力比液压夹头大，可传递更大的扭矩，并且结构对称，更适合模具的高速、高效的铣削。 但不足是刀具装卸时间较长，刀具装卸费时，操作不甚方便。适用的直径范围小，可配用的刀具受到一些限制；
尽管它对所夹持的刀具有一定的要求，并需特殊的设备。但它具备了以下特点：
同心度较好； 相对小的本体直径；离心力低； 均匀的材质；夹紧力大； 动平衡度很高； 本体经热处理； 有加热系统。
关键因素：加热时间；温度分布；能量流。
ER 弹性夹套：这种夹紧系统是当前较流行的。
由于其性价比较高，在欧美及我国市场广泛认同。尽管其价格高于PG/TG弹性夹套，但因其精度高，所以适合于高速切削加工。
该系统的优点是：同心度较好； 相对小的本体直径； 夹紧力大； 需要一个平衡的螺帽系统； 不同类型的密封圈。
ER 弹簧套安装时应将弹簧套置于螺母中，而不是刀柄中。
油压夹头：能够提供足够的刚性和动平衡，并能使刀具柄部与夹头的轴心成一直线。
油压夹头的特点是，其内有较薄的套，此套在油压作用传递压力并能实现刀柄360°范围的夹紧。 科曼德工具公司的基弗则认为，带薄壁内套的油压夹头用于轻切削的铣削加工和钻削加工有它的局限性，钻削加工宜采用油压或热装刀柄，铣削加工宜采用热装刀柄。
用在钻削加工中，钻头承受的是轴向压力和扭矩，不会使内套承受弯曲力，而铣削加工中，内套承受侧压而产生弯曲。
林德克斯公司的富万指出，带薄壁内套的油压夹头用于夹持焊接刀具有时会发生破损的情况，油压夹具只能夹持圆柄刀具，不适合夹持非圆柄刀具。
如果用油压夹头来夹持非圆柄刀具，将会使内套产生不均匀变形，使用时间过长，就难以牢固地夹紧刀具。
特克纳克工具系统公司的项目经理塔克·约西莫特指出，油压夹头需要定期清洗维护，必须解决用户不热悉清洗维护技术而产生的问题，与其它装置比较，油压装置的维护保养需要较高的技术，装置的螺钉不能松动，密封系统必须定期检查维护。
几种刀柄的特点
夹头形变夹头
⏹ 特性
⏹ ⏹ ⏹ ⏹
无加热或冷却时间； 无加热件，无电磁场；
无过量加热，没有可移动的部件； 加载装置便宜，无动力源要求；
⏹
⏹ 优点
⏹ ⏹ ⏹ ⏹ ⏹
径向跳动 0,003 mm。
更换时间快；
易于操作且保证最佳的人员操作安全； 刀柄寿命长；
低投资成本和高的柔性； 刀具寿命长，表面精度好。
高精度弹簧夹头：
弹簧夹头的工作原理是旋紧螺母→压入套筒→套筒内经缩小→夹紧刀具。这里影响夹持精度的因素有内孔精度、螺纹精度、套筒外锥面精度、夹持孔精度、套筒压入方式等等。
高精度弹簧夹头就是提高了制造精度，并改进了套筒的压入方式，即把螺母分为内外两部分，中间安装了滚珠轴承，使得旋紧螺母的转矩不传到套筒上，仅对套筒施加压力。
这种压入方式可使夹头获得较大的夹持力和较高的夹持精度，从而满足高速铣削的要求。
强力铣夹刀柄：
这种刀柄大多适于夹持大直径刀具。主要优点是同心度好、夹紧力大。
高精度HP(High Preoi-sion)夹套 ：
采用新的技术和设计。尽管与ER 弹性夹套相似，但夹紧方式是通过定位而不是螺纹，其精度可提高3倍，其价格比液压夹套低。
该夹套的主要优点是：同心度好、夹紧力大、本体直径小、易于清洗。离心力小、易做动平衡。
高速切削刀具的平衡 刀具与主轴接口
对称设计；
轴向和径向跳动最小化 ； 重复定位精度的最大化； HSK
较少的接口；
圆柱柄部: 液压夹紧, 热套；
模块式: 不能使用径向夹紧方式； 较短的总长；
小的轴向和径向跳动⇓ 每个刀齿必须切削； 小的偏心值 ⇓ 不平衡极小；
实际条件下的动平衡 ⇓ 刀具的预平衡只是一个先决条件。
引起刀具系统不平衡的原因
在机床主轴——夹头——刀具系统中，质量不对称(不平衡量) 主要是由下列原因引起的：
1. 刀具的不对称形状； 2. 刀夹的不对称形状 ； 3. 系统构件的加工误差 ；
4. 系统构件的连接间隙和夹紧的不精确 ； 5. 主轴的圆跳动和磨损 ；
6. 在主轴锥孔和刀具上粘有杂质颗粒 ； 7. 主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移 ； 8. 冷却润滑液的影响等。
适度动平衡
高速加工的用户，应根据具体的加工任务，同时考虑在技术上的可行性和经济上的合理性，提出适度的平衡品质的等级(G)。
刀具残余不平衡量的测量是受到动平衡机测量极限和测量能力的限制。目前，采用最高水平的动平衡机，可以重复测得的刀具残余不平衡量已达到0.3gmm 。据德国技术刊物的有关报道，在德国拟订的一份“采用具有一定几何角度的回转切削刀具”动平衡极限标准草案中，规定了以2μm 的残余偏
移量为可以达到的最高平衡品质。
所以，高速加工的用户不能一味追求加工的平稳性而提出过高的平衡品质。因为，不切合实际的过高要求，一是在技术上难于实现，其次是在经济上又并不合算。
刀具系统的动平衡
对于短小又对称的整体式刀具，平衡时要修正的重量通常只有百分之几克，所以仅进行静平衡就足够了。
而对于非对称结构的悬臂刀具(悬伸长度约300mm) 必须要在二个校正平面上进行动平衡，以尽量清除不平衡量误差。
推荐对刀具、夹头和主轴单独进行动平衡，然后，夹头连同刀具一起还应再一次进行动平衡。 另外，对于一些高速加工刀具和夹头，如结构上允许，还应在刀体(刀盘) 上设置为今后进行精平衡或再平衡的螺钉或平衡环等微调机构(如Walter 公司的面铣刀和Mapal 公司的WWS 面铣刀，在刀盘上均设有平衡微调螺钉) ，或设置多个平衡孔，以便使刀具系统达到最佳的动平衡效果。
自动平衡系统
即使刀具和夹头已进行了动平衡，但是当刀具夹头装到主轴上时还会由于夹紧不精确性而产生不平衡量(对于空心锥柄HSK 接口，这个值一般在2μm 和5μm 范围内) ，另外，还有可调刀具的调整、主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移引起的不平衡以及随机出现的其他不平衡。这些连接的不精确度和变化的不平衡状态是无法进行预防性修正的。
因此，对于高速精密加工，最好是采用自动平衡系统，以便对整个刀具——主轴系统在工作过程中进行在线动平衡，以补偿上述干扰量。
目前在生产中可供使用的自动平衡系统是一种电磁动平衡系统，这种系统有两种使用方式： 一种则是将由传感器和制动机构组成的动平衡部件安装在结构相配的主轴上；
另一种则是将制动元件装在刀夹里，这种电磁动平衡系统可以在60000r/min转速下进行自动平衡。
面向高速车削的工件夹紧技术
液压卡盘
爪式卡盘用于高速切削存在的问题
F sp0
夹紧力 F F sp,min
转速 n
面向高速精密车削的卡盘
弹簧卡盘 薄膜卡盘 多摩擦片卡盘 塑变卡盘 ＋ 夹紧精度高 ＋ 允许转速高 ＋ 柔性差，可夹紧直径范围小
面向高速车削的新型爪式卡盘
轻型卡爪：铝合金，炭纤维加强复合材料（CFK ）
CFK 绷带式卡盘
面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型
x
面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型 切削过程中工件夹紧系统的外部载荷:
● 扭矩Md ● 弯矩Mk ● 轴向力Fa ● 径向力Fr 最小夹紧力：
夹紧力损失：
∆F spB =F FlB , wirk ⋅
1+
1
k r , sp , sp k red , w
在夹紧位置的有效离心力：
F FlB,wirk
F spB0
k r,sp,sp
F spB0
∆F spB
夹紧力
k red,w
高速切削的安全防护技术 高速卡盘的防护墙
F FlB
k r,sp,sp
k red,w
F
卡盘变形
工件变形
失效卡盘零部件具有可达30kNm 的能量，应尽可能在事故地点防护。
高速车床防护墙
面向高速切削的切削刀具
特点：“三高一专 ”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化。 适用于高速切削的刀具材料：
20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。
涂层刀具金属陶瓷刀具
陶瓷刀具立方氮化硼
聚晶金刚石刀具
以高强度铝合金做基体的HSC 端面铣刀
在基体上焊接刀片（材料CBN ，PCD ）的HSC 刀具
带内部冷却的钻头
2000m/min[***********][1**********]5
切削速度 v
c
[***********]00
年
刀具材料在高速加工中起到了非常关键的作用。在高速铣削时，产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此，高速铣削对刀具材料有更高得要求，主要有：
① 高硬度、高强度和耐磨性； ② 韧度高、抗冲击性能强； ③ 高的热硬性和化学稳定性； ④ 抗热冲击能力强
能够比较好地适应这些要求的刀具是硬质合金涂层刀具、CBN 涂层刀具和PCD 涂层刀具。 涂层硬质合金铣刀，由于使用了耐热性好、硬度高的涂层材料以及多层涂敷技术，使涂层硬质合金刀具的切削范围大、寿命长。其切削性能大大优于非涂层硬质合金刀具。隔热耐磨涂层的材料有TiAlN 、TiN 、TiC 、TiCN 、TiBN 、TiB 2、Al 2O 3等
涂层将刀具与工件分开，降低剪切区中的摩擦，并引导切削材料的热隔离。
高速切削加工中刀具材料的选用
高速切削加工，在材料上刀具多采用通用硬质合金铣刀或在硬质合金上采用涂层CBN, Tic等, 或采用人造金刚石PCD 等，线速度可达300~500m/min，
一般地金属陶瓷和PCBN 刀具等适合加工钢、铁等黑色金属；
PCD/CVD等刀具适合加工铝, 镁, 铜等有色金属。
不同切削材料的对比
硬度
抗拉强度 [N/mm²]
不同材料的高速切削加工速度范围
不同材料的高速切削加工速度范围
切削速度变化对切削的影响
在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。
切削速度
Al 2O 3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力
PCD-材料 特性：
•
细晶粒金刚石； • 锋利的切削刃。
工件材料：
• 非铁金属材料 • 铸造铝合金 • 锻造铝合金 • 镁合金 • 铜及铜合金 • 锡、锌合金 • 塑料
• 木材及胶合板
加工铝合金的切削参数
• vc = 300-6000 m/min • fz = 0,1-0,2mm
CBN- 用于硬钢的精加工 特性：
• 含60％CBN 的规格 • 细晶粒结构 • 高的刀刃强度 • 低的导热性
适用的加工材质：
• 硬钢材 (45) 50-65 HRC
切削参数：
• vc = 300-800 m/min • fz = 0,08-0,12 • ap ≤ 0,5 mm
CBN-用于球墨铸铁的精加工 特性 ：
• 含80％CBN 的规格 • 粗晶粒结构 • 高的抗磨损特性 • 高的导热性
适用的加工材料：铁素体含量 ≤ 5%
• •
切削参数：
• • •
灰口铸铁 球墨铸铁
Vc = 600-1000 m/min fz = 0,1-0,15
ap = 0,5-1 mm
WSN 10 氮化硅陶瓷Si3N4 特性：
• 高的韧性和耐热性的陶瓷
• 能承受铸铁件粗加工时的断续切削和由于加工余量不均匀引起的冲击 • 纤维状S13N4细晶粒结构
被加工材料：
• 灰口铸铁 • 球墨铸铁
加工参数：
• Vc = 500-1000 m/min • fz = 0,1-0,3mm
高速加工铝合金 ：
易切削铝合金 ：适用的刀具有K10、K20、PCD ，切削速度在2000～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。
加工铸铝合金 ：铸铝合金根据其Si 含量的不同，选用的刀具也不同，对Si 含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si 3N 4刀具，当Si 含量大于12%时，可采用PKD(人造金刚石) 、PCD(聚晶金刚石) 及CVD 金刚石涂层刀具。对于Si 含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD 或CVD 金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。
高速加工铸铁：对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。
当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷； 切削速度在510～2000m/min时，可选用Si 3N 4陶瓷刀具； 切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN 刀具。
铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN 或Si 3N 4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，
不宜使用CBN ，而应采用陶瓷刀具。
高速加工普通钢 ：目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN 刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。
用PVD 涂层方法生产的TiN 涂层刀具其耐磨性能比用CVD 涂层法生产的涂层刀具要好，前者能很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。
以TiC-Ni-Mo 为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工；
CBN 可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。
高速加工高硬度钢：高硬度钢的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC 涂层硬质合金、PCBN 等。
金属陶瓷可用基本成分为TiC 添加TiN 的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右) 的模具钢SKD 加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。
采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。 切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm 。粒度在1µm ，TiC 含量在20%～30%的Al 2O 3-TiC 陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。
当切削速度高于1000m/min时，PCBN 是最佳刀具材料，CBN 含量大于90%的PCBN 刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢) 。
高速加工高温镍基合金 ：高温镍基合金具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。
高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN 刀具。
高速加工钛合金(Ti6Al6V2Sn) ：钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于高温镍基合金，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。
高速加工复合材料 ：先进复合材料(如Kevlar 和石墨类复合材料) ，以往用硬质合金和PCD ，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD 刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。
在实际中按照需要选用更合适的刀具材料： 粗加工时优先考虑刀具材料的韧性； 精加工时优先考虑刀具材料的硬度。
建议在粗加工时选择镀层的硬质合金(尤其是细颗粒硬质合金) ，精加工是选择金刚石或立方氮化硼。
（4）高速加工注意事项
球头铣刀使用时应注意其近中心处切削速度极小，接近于“零”，因此切削条件比较恶劣。若机床条件允许，应该是铣刀轴线与工件的法线方向有一个倾斜角。 根据试验，当这个夹角为15°左右时，刀具的寿命将达到极大值； 刀具的悬伸对高速加工中的刀具寿命将产生影响； 在仿形加工中，沿横截面轮廓的铣削方式(又称为等高铣) 优于沿纵截面轮廓的铣削方式(又称爬坡铣) 。
因为等高铣的切削条件比较一致，切削平稳，工件表面的粗糙度情况也比较好，而爬坡铣的切削条件极不稳定，刀具接近中心处极易发生崩刃，工件表面的粗糙度情况也不理想。
而在采用爬坡铣的情况下，顺铣的刀具寿命优于逆铣，向上铣的刀具寿命要优于向下铣；
在铣削内部型腔时，当刀具进给到拐角处时，由于切削包角突然增大，其径向力会急剧增大，峰值会达到正常切削值的170%左右。
建议在拐角处实施所谓的“摆线切削”，这样就可以避免切削力的突然增大，从而实现平稳切削，延长刀具的寿命。；
在冷却方面，油雾冷却(又称准干切削) 比较理想，喷气冷却、高压大流量内部冷却也较好，但应避免低压的、外部的冷却方式。
高速刀柄技术的研究
KM 刀柄 ：KM 刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国维迪亚 (Widia)公司于1987年联合开发出来的，与HSK 刀柄并存的1:10短锥空心柄。
KM 刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM 刀柄采用了1：10短锥配合，配合长度短，仅为标准7:24锥柄相近规格长度的1/3，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。另一方面，KM 刀柄与主轴锥孔间的配合过盈量较高，可达HSK 刀柄结构的2～5倍，其连接刚度比HSK 刀柄还要高。同时，与其他类型的空心锥柄连接相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，因而主轴锥孔在高速旋转时扩张小，高速性能好。
BIG-PLUS 刀柄 ：对高速切削加工用刀柄的研究改型除了德国和美国外，日本一些公司也致力于对原7:24实心长锥柄进行多种形式的改进，以达到双面定位，提高定位精度和刚度的目的，如日本NIKKEN 公司的3LOCK SYSTEM锥柄，BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG-PLUS 精密锥柄和圣和精机株式会社开发的SHOWA D-F-C 刀柄等。这些刀柄都是在原标准7:24锥柄基础上进行了一定改进。
BIG-PLUS 刀柄的锥度仍然是7:24。其工作原理是：将刀柄装入主轴锥孔锁紧前，端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙，使刀柄端面与主轴端面贴紧，从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位，因而必须严格控制其形状精度和位置精度，其制造工艺难度比HSK 刀柄还要高。
BIG-PLUS 刀柄可与原7:24锥柄互换使用，可应用于原主轴锥孔。但从适应机床转速进一步高速化的发展要求，1:10短锥空心柄则更有发展前途。所以，更多的日本公司还是积极采用德国DIN 标准的HSK 刀柄，如NT 工具公司、黑田精工、圣和精机、三菱金属等先后引进HSK 生产技术。
高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理，提高刀柄系统的结合刚度。同时，解决好刀柄过定位带来的相关问题，并不断改善刀柄材料的性能。
切削技术的新发展
高速切削的定义
高速切削是一个相对概念，是相对常规切削而言，用较高的切削速度对工件进行切削。一般认为应是常规切削速度的5～10倍。
● 切削速度的提高
每齿较大的进给F 从而达到较大的金属切削量，比低转速每齿大进给的生产效率高70％～100％ 切削扭矩的减少，大大降低工件的切削变形
加工钢的切削速度可达250m/min，甚至达到350m/min
加工铝及铝合金的切削速度可达1,200m/min，甚至1,800m/min
● 机床的主轴转速不断提高，由4,000r/min提高到6,000r/min、8,000r/min 主轴转速可达
24,000r/min或更高
高速切削的速度范围与加工方法和工件材料密切相关 车削：700～7000 m/min； 铣削：300～6000 m/min； 钻削：200～1100 m/min； 磨削：150m/s以上。
例如：在切削灰铸铁时，1000 m/min 以上才是高速车削，而 400 m/min 就定义为高速钻削。
高速范围与加工材料密切相关
工件材料
10
100
1000
m/min
10000
切削速度 v c （铣削）
20世纪20年代德国物理学家Carl.J.Salomon 提出高速加工的理论
T cr
切削温
度
T a
v 1
v cr
切削速度
v 2
萨洛蒙曲线
在切削速度达到临界切削速度后，随着切削速度的增大切削温度反而下降。Salomon 的切削理论给人们一个重要的启示：如果切削速度能超越切削“死谷”(图中B 区) 在超高速区内(图中C 区) 进行切
削，则有可能用现有的刀具进行高速切削，从而可大大减少切削工时，成倍地提高机床的生产率。
不同加工工艺、加工材料超高速加工切削速度范围
高速切削 HSC 的目标
高速切削的特征
✓ 较高的金属去除率，提高单位时间的切除量，降低产品的制造时间，生产时间短，降低加工
成本
✓ 高加工表面质量，提高加工精度；表面光洁度：根据需求；形状精度：根据要求 (3D形状) ✓ 低切削力，降低加工系统力变形 ✓ 高激励频率，避免自激振荡
✓ 减少后续工序 ，降低加工成本没有毛刺，无须手工抛光。
✓ 减少传递给工件的热量，切削热由切屑带走，降低工件中的热积聚现象，尤其在铣削中更是
如此；
⏹ 切屑和接触面之间的接触区域产生的高温会导致温度效应并降低工件材料变形的阻力 ⏹ 剪切角增大
⏹ 切削热大部分由切屑快速带走 ⏹ 避免积屑瘤的产生。
高速切削的应用领域
✓ 模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。 ✓ 航空航天工业轻合金的加工：飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大
（一般在70％以上），采用高速切削可以大大缩短切削时间。 ✓ 汽车工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。（过去多用组合机加工，柔性差） ✓ 难加工材料的加工（如：Ni 基高温合金和Ti 合金） ✓ 纤维增强复合材料加工 ✓ 精密零件加工
✓ 薄壁易变形零件的加工
实现高速切削的关键技术
• 技术层面
● 高速切削机理及工艺
● 高性能刀具材料及刀具设计制造技术 ● 高性能机床及其附件 机床结构及材料 机床设计制造技术 高速主轴系统 快速进给系统
高性能CNC 控制系统 高性能刀具及工件夹紧系统 动平衡控制；
高效高精度测量测试技术 安全防护技术
• 管理层面
高速加工理念 新的管理方法。
HSC-过程——对系统的要求
较高的系统精度 ：系统精度包括系统定位夹持精度和刀具重复定位精度，前者指刀具与刀柄、刀柄与机床主轴的连接精度；后者指每次换刀后刀具系统精度的一致性。刀具系统具有较高的系统精度，才能保证高速加工条件下刀具系统应有的静态和动态稳定性。
较高的系统刚度 ：刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素。刀具系统刚度不足会导致刀具系统振动，从而降低加工精度，并加剧刀具的磨损，降低刀具的使用寿命。
较好的动平衡性 ：高速切削加工条件下，微小质量的不平衡都会造成巨大的离心力，在加工过程中引起机床的急剧振动。因此，高速刀具系统的动平衡非常重要。
高速切削系统因素
高速切削系统的两个重要指标
在切削系统中我们通常最值得关心的是下面两个重要指标：刚性和跳动。 刚性：径向刚性；轴向刚性 跳动：径向圆跳动；端面圆跳动
高刚性是先进切削系统的基础。
刚性
接口刚性影响切削系统的稳定性。
径向刚性
接口刚性
在切削系统中两个接口直接影响切削效果。
轴向刚性
接口刚性取决于以下两方面的因素：
• •
外锥和内锥的配合精度
按照目前典型的AT4级（ISO1947，GB11334-89）锥度规定的角度公差为13”，这意味配合后
端最大径向间隙高达13μm 。
机床拉杆的拉力。
当拉力增大（4~8）倍时，连接刚性可提高
(20~50)%
由于内外锥体配合精度原因，无论是在配合前端或后端的间隙，在切削过程中由于切削力的影响使得刀具跳动加大，配合后端的间隙还会引起刀柄在主轴内的摆动，会加速主轴孔前段的磨损，形成喇叭口，引起刀具轴向定位误差。
主轴精度：现在市场上绝大部分镗铣设备主轴，孔均为7:24锥孔，锥孔精度为AT2~AT3级。
锥柄精度：国家标准对7：24锥柄精度控制按AT4级。保证锥柄与主轴孔的接触率≥85%，提高工具系统与主轴的连接接口的刚性。
锥柄角度正公差，保证锥柄大端接触，切削力支点靠前，提高系统稳定性。
锥柄角度负公差，锥柄小端接触锥孔，切削力支点靠后，降低系统稳定性。
跳动
跳动影响切削精度。
高速切削系统对机床的要求： 主轴转速非常高；
动态的主传动和稳定的机床结构，具有良好的阻尼特性； 现代的快速控制装置；
刚性好、稳定、安全的机床。
刀片的冲击力大
在5000r/min时刀片飞出的面铣刀 机床防弹玻璃破坏实例
面向高速切削的切削机床
床身等固定部件的高刚度和高抗振性 主轴的高转速和高加速度
进给系统的高进给速度和高加速度 主轴轴承的高刚度和高抗振性 优化的切屑下落及运送系统 可靠的安全防护系统。 设计特征
高速电机主轴
⏹ 驱动电机与主轴的一体化
⏹ 转速至80,000r/min，用于小直径刀具的高速切削 ⏹ 大转速范围内的高扭矩输出
⏹ 首选球轴承、液压轴承、气压轴承或磁轴承
超高速电主轴结构
主轴电机与主轴合二为一的结构形式。即采用无外壳电机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电机主轴，简称“电主轴” 。
对进给系统的要求
● 高进给速度：>20 m/min ● 高进给加速度：
>0.5 g
要求超高速切削机床的进给系统不仅要能达到很高的进给速度，还要求有大的加速度以及高的定位精度。
传统机床采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，
由于其工作台的惯性以及受螺母丝杠本身结构
的限制，进给速度和加速度一般比较小。要获得更高的进给加速度，只有采用直线电机直接驱动的形式。
技术指标： vf > 75 m/min a = 1-7 g
超高速机床的进给系统
直线电机直接驱动的优点是：
①控制特性好、增益大、滞动小，在高速运动中保持较高位移精度；
②高运动速度，因为是直接驱动，最大进给速度可高达100～180 m/min； ③高加速度，由于结构简单、质量轻，可实现的最大加速度高达2～10g ； ④无限运动长度；
⑤定位精度和跟踪精度高，以光栅尺为定位测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台的定
位精度高达0.1～0.01；
⑥起动推力大(可达12000N) ；
⑦由于无传动环节，因而无摩擦、无往返程空隙，且运动平稳。
超高速机床的冷却系统
超高速加工时，必然产生大量的高温热切屑，必须把它迅速从工作台上弄走，避免导致机床、工件和刀具产生热变形，以及妨碍切削加工的继续进行
高速切削刀具装卡系统 要求
最小的动不平衡量，高的动平衡性 最小的径向偏差，径向跳动 高刚性 传递高扭矩 高精度
换刀时的高重复精度 高转速下的安全性 方案
用空心短锥柄（HSK 系列）取代快换锥柄（SK 系列） 通过主轴端面进行轴向定位 主轴和空心锥柄的胀塞配合 径向跳动：
在考虑刀柄的选择标准时，同心度或径向跳动应优先考虑。
在进行高精度或高速切削加工时，要求的基本条件是切削力应保持不变，而径向跳动或偏心会使切削力产生变化，这对切削加工精度极其不利。
保证同心度的目的是使刀具和主轴正确地绕同一轴线旋转，它与主轴的形式无关。
夹紧力：
在高精加工中，刀柄应具有足够的夹紧力，其夹紧力应从数千磅至液压式夹具的6000磅范围内。 在一般的加工条件下刀具的夹紧力是足够的，但在加工中产生振动时，应使用热装(热压配合) 刀柄或液压式刀柄装夹刀具，因为热装刀柄与其它形式的刀柄相比，能较好地保持刀具的位置精度。 T·M·史密斯国际工具公司曾使用几种大型扭矩扳手对油压夹头，热装刀柄的夹紧力进行了测试，热装刀柄的夹紧力最大。 动平衡性：
在高精加工中，刀柄应具有优良的动平衡性，尤其对高速切削更为重要。 为高精高速切削加工所设计的刀柄，则必须制订出高水平的动平衡指标。 但无论哪一种工具系统的动平衡都不是绝对平衡的。
刀柄或整体刀具的不均衡是很难消除的，首先是消除不平衡的大部分，之后把装在主轴上的刀具修正到满足要求的状态。
可以肯定，刀具越长，不平衡的问题就越严重。 刚性：
刀柄必须具有足够的刚性。
许多厂家使用高的主轴转速。为适应加工材料的变化，可选用的切削速度范围很宽，切削刀具的刚性对加工质量及加工性能有很大影响。
因此要把刀柄设计成刀具能绕其轴线旋转而且刀柄和刀具组合后，在切削载荷的作用下，不会产生弯曲。概括为“在空间允许的范围内，必须尽量把刀柄设计成短且刚性好的接柄。
现代机床及刀具对于刀柄有着很严格的要求. 特别是在很高的速度下使用硬质合金立铣刀及钻头时, 要求跳动量极低以实现较长的刀具寿命。
当在很高的速度下使用硬质合金立铣刀及钻头时，优质的刀柄应该满足以下三个要求： 1、小跳动量。根据经验，如果跳动量增加0.01mm ，则刀具的寿命会缩短50%。
小跳动量带来高精度
2、高夹紧力。如果在加工过程中刀具在刀柄中移动，则刀具及加工零件都会被损坏，因为离心力大大降低了可传送的扭矩，导致许多夹紧方法在高转速下无法使用。
高夹紧力带来高扭矩传送能力。
3、平衡的刀柄。不平衡性太大会产生振动，从而对刀具性能的主轴寿命均产生负面影响。
当高轴转速超过15000rpm 时，推荐使用单独平衡的刀柄。
高精度强力夹头都单独平衡。
（2）高速切削加工用刀柄的选用
正确选用与高速运转的主轴相配合的刀柄是关键因素之一。
机床主轴的高速运转如果没有合适的刀具、刀柄相配合，则会损坏机床主轴的精密轴承，降低机床的寿命。 因此，在确定采用高速切削加工时，应能在种类繁多的刀柄系统中，正确选择适合高速切削加工用的刀柄系统。
HSK 工具系统7:24锥柄工具系统
锥柄型式
传统实心长刀柄结构存在的问题：
目前，在数控铣床、数控镗床和加工中心上使用的传统刀柄是标准7:24锥度实心长刀柄。这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙。这种刀柄结构在高速切削条件下会出现下列问题：
刀具动、静刚度低 ：刀具高速旋转时，由于离心力的作用，主轴锥孔和刀柄均会发生径向膨胀，膨胀量大小随旋转半径和转速的增大而增大。这就会造成刀柄的膨胀量小于主轴锥孔的膨胀量而出现配合间隙，使得本来只靠锥面结合的低刚性连接的刚度进一步降低。
动平衡性差 ：标准7:24锥度柄较长，很难实现全长无间隙配合，一般只要求配合前段70%以上接触，而后段往往会有一定间隙。该间隙会引起刀具的径向圆跳动，影响刀具系统的动平衡。
重复定位精度低 ：当采用ATC(自动换刀) 方式安装刀具时，由于锥度较长，难以保证每次换刀后刀柄与主轴锥孔结合的一致性。同时，长刀柄也限制了换刀过程的高速化。
7:24锥柄
HSK 刀柄 ：HSK(德文Hohlschaftkegel 缩写) 刀柄是德国阿亨(Aachen)工业大学机床研究所在20世纪90年代初开发的一种双面夹紧刀柄，它是双面夹紧刀柄中最具有代表性的。
HSK 刀柄已于1996年列入德国DIN 标准，并于2001年12月成为国际标准ISO12164。其刚度和重复定位精度较标准7:24锥度柄提高了几倍至几十倍。
HSK 刀柄由锥面(径向) 和法兰端面(轴向) 双面定位，实现与主轴的刚性连接。当刀柄在机床主轴上安装时，空心短锥柄与主轴锥孔能完全接触，起到定心作用。此时，HSK 刀柄法兰盘与主轴端面之间还存在约0.1mm 的间隙。
HSK 锥柄
在拉紧机构作用下，拉杆的向右移动使其前端的锥面将弹性夹爪径向胀开，同时夹爪的外锥面作用在空心短锥柄内孔的30°锥面上，空心短锥柄产生弹性变形，并使其端面与主轴端面靠紧，实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面同时定位和夹紧的功能。
HSK 刀柄结构的主要优点是
有效地提高刀柄与机床主轴的结合刚度。
由于采用锥面、端面过定位结合，使刀柄与主轴的有效接触面积增大，并从径向和轴向进行双面定位，大大提高了刀柄与主轴的结合刚度，克服了传统的标准7:24锥度柄在高速旋转时刚度不足的弱点。
HSK 刀柄有较高的重复定位精度，并且自动换刀动作快，有利于实现ATC 的高速化。由于采用1:10的锥度，其锥部长度短(大约是7:24锥柄相近规格的一半) 。
每次换刀后刀柄与主轴的接触面积一致性好，故提高了刀柄的重复定位精度。由于采用空心结构，质量轻，便于自动换刀。
HSK 刀柄具有良好的高速锁紧性。刀柄与主轴间由弹性扩张爪锁紧，转速越高，扩张爪的离心力越大，锁紧力越大。
BT40联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。
HSK －63A 刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过这个范围精度降低。 BT 系统：刀柄锥度7：24，单面接触。 HSK 系统：刀柄锥度1：10，双面接触。
BT 刀柄（7：24） BT 刀柄与主轴接合图
HSK 刀柄（1：10） HSK 刀柄与主轴接合图 • 大锥度7:24 DIN 69871
– 相对稳定性较低 (会晃动) ； – 轴向精度低； – 有限的径向精度； – 不适合于高转速； – 重量较大，换刀较慢； – 应用广泛。
• 空心短锥 DIN 69893
– 高的静态及动态稳定性 – 高的轴向及径向精度
– 非常适合在高转速下使用，定心准确 – 重量轻，易于换刀
HSK 刀柄夹紧状态
按德国DIN 标准的规定，HSK 刀柄采用平衡式设计，其结构形式有A 、B 、C 、D 、E 、F 共6种型式，每一种型式又有多种尺寸规格。A 、B 型为自动换刀刀柄，C 、D 型为手动换刀刀柄，E 、F 型为无键连接，适用于超高速切削用刀柄。 HSK 标准的6种形式
HSK 刀柄的选用
A 型：A 型——带中心内冷的自动换刀型；大的扭距；中高的转速；达到一定转速时必须进行动平衡。
B 型：带端面内冷的自动换刀型；较大的扭距；中高转速；达到一定转速时必须进行动平衡。
C 型：带中心内冷的手动换刀型；大的扭距；中到高的转速；一般加工。
D 型：带端面内冷的手动换刀型；较大扭距；中到高的转速；车削加工。
E 型：带中心内冷的自动换刀高速型；小扭距；超高速。
F 型：无中心内冷的自动换刀高速型；大的轴向力；较小的扭距；软材料加工。
刀具与工具系统的连接方式 1. 夹； 2. 压；
3. 圆锥面自位。
夹：该连接方式多用于圆柱面工具的夹紧，以夹紧作用点可分为以下两种：
1. 三点加夹紧，如钻夹头刀柄。
2. 360°夹紧，如弹簧夹头刀柄，热装刀柄。
三点加夹紧
360°夹紧
该连接的刚性取决于径向夹持力的大小及被夹持面的多少。
热装刀柄
压：该连接方式多用于圆柱面和平面工具的夹紧，以压紧作用方向可分为以下两种：
1. 径向压紧：侧固式刀柄
径向压紧
2. 轴向压紧：面铣刀刀柄，模块工具系统
轴向压紧
圆锥面自位：该连接方式以锥面之间的磨擦力传递扭矩；如有扁尾莫式圆锥孔刀柄，无扁尾莫式圆锥孔刀柄等。
可以用于高速加工的刀具夹头有：
液压夹头
液压高精度夹头具有不同的夹紧机制，它是通过作用在包裹刀柄的膜上的压力来实现刀具夹紧的。
由于采用了液压技术，所以装卸方便，定位准确。同心度好、本体直径小、易于清洗；夹持回转精度高，减振性能好，可成倍地提高刀具寿命。但其价格很高。
液压夹紧的工作原理
热装刀柄
热装刀具夹头是继液压夹头之后开发出的新型夹头，也是一种无夹紧元件的夹头。
夹紧力比液压夹头大，可传递更大的扭矩，并且结构对称，更适合模具的高速、高效的铣削。 但不足是刀具装卸时间较长，刀具装卸费时，操作不甚方便。适用的直径范围小，可配用的刀具受到一些限制；
尽管它对所夹持的刀具有一定的要求，并需特殊的设备。但它具备了以下特点：
同心度较好； 相对小的本体直径；离心力低； 均匀的材质；夹紧力大； 动平衡度很高； 本体经热处理； 有加热系统。
关键因素：加热时间；温度分布；能量流。
ER 弹性夹套：这种夹紧系统是当前较流行的。
由于其性价比较高，在欧美及我国市场广泛认同。尽管其价格高于PG/TG弹性夹套，但因其精度高，所以适合于高速切削加工。
该系统的优点是：同心度较好； 相对小的本体直径； 夹紧力大； 需要一个平衡的螺帽系统； 不同类型的密封圈。
ER 弹簧套安装时应将弹簧套置于螺母中，而不是刀柄中。
油压夹头：能够提供足够的刚性和动平衡，并能使刀具柄部与夹头的轴心成一直线。
油压夹头的特点是，其内有较薄的套，此套在油压作用传递压力并能实现刀柄360°范围的夹紧。 科曼德工具公司的基弗则认为，带薄壁内套的油压夹头用于轻切削的铣削加工和钻削加工有它的局限性，钻削加工宜采用油压或热装刀柄，铣削加工宜采用热装刀柄。
用在钻削加工中，钻头承受的是轴向压力和扭矩，不会使内套承受弯曲力，而铣削加工中，内套承受侧压而产生弯曲。
林德克斯公司的富万指出，带薄壁内套的油压夹头用于夹持焊接刀具有时会发生破损的情况，油压夹具只能夹持圆柄刀具，不适合夹持非圆柄刀具。
如果用油压夹头来夹持非圆柄刀具，将会使内套产生不均匀变形，使用时间过长，就难以牢固地夹紧刀具。
特克纳克工具系统公司的项目经理塔克·约西莫特指出，油压夹头需要定期清洗维护，必须解决用户不热悉清洗维护技术而产生的问题，与其它装置比较，油压装置的维护保养需要较高的技术，装置的螺钉不能松动，密封系统必须定期检查维护。
几种刀柄的特点
夹头形变夹头
⏹ 特性
⏹ ⏹ ⏹ ⏹
无加热或冷却时间； 无加热件，无电磁场；
无过量加热，没有可移动的部件； 加载装置便宜，无动力源要求；
⏹
⏹ 优点
⏹ ⏹ ⏹ ⏹ ⏹
径向跳动 0,003 mm。
更换时间快；
易于操作且保证最佳的人员操作安全； 刀柄寿命长；
低投资成本和高的柔性； 刀具寿命长，表面精度好。
高精度弹簧夹头：
弹簧夹头的工作原理是旋紧螺母→压入套筒→套筒内经缩小→夹紧刀具。这里影响夹持精度的因素有内孔精度、螺纹精度、套筒外锥面精度、夹持孔精度、套筒压入方式等等。
高精度弹簧夹头就是提高了制造精度，并改进了套筒的压入方式，即把螺母分为内外两部分，中间安装了滚珠轴承，使得旋紧螺母的转矩不传到套筒上，仅对套筒施加压力。
这种压入方式可使夹头获得较大的夹持力和较高的夹持精度，从而满足高速铣削的要求。
强力铣夹刀柄：
这种刀柄大多适于夹持大直径刀具。主要优点是同心度好、夹紧力大。
高精度HP(High Preoi-sion)夹套 ：
采用新的技术和设计。尽管与ER 弹性夹套相似，但夹紧方式是通过定位而不是螺纹，其精度可提高3倍，其价格比液压夹套低。
该夹套的主要优点是：同心度好、夹紧力大、本体直径小、易于清洗。离心力小、易做动平衡。
高速切削刀具的平衡 刀具与主轴接口
对称设计；
轴向和径向跳动最小化 ； 重复定位精度的最大化； HSK
较少的接口；
圆柱柄部: 液压夹紧, 热套；
模块式: 不能使用径向夹紧方式； 较短的总长；
小的轴向和径向跳动⇓ 每个刀齿必须切削； 小的偏心值 ⇓ 不平衡极小；
实际条件下的动平衡 ⇓ 刀具的预平衡只是一个先决条件。
引起刀具系统不平衡的原因
在机床主轴——夹头——刀具系统中，质量不对称(不平衡量) 主要是由下列原因引起的：
1. 刀具的不对称形状； 2. 刀夹的不对称形状 ； 3. 系统构件的加工误差 ；
4. 系统构件的连接间隙和夹紧的不精确 ； 5. 主轴的圆跳动和磨损 ；
6. 在主轴锥孔和刀具上粘有杂质颗粒 ； 7. 主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移 ； 8. 冷却润滑液的影响等。
适度动平衡
高速加工的用户，应根据具体的加工任务，同时考虑在技术上的可行性和经济上的合理性，提出适度的平衡品质的等级(G)。
刀具残余不平衡量的测量是受到动平衡机测量极限和测量能力的限制。目前，采用最高水平的动平衡机，可以重复测得的刀具残余不平衡量已达到0.3gmm 。据德国技术刊物的有关报道，在德国拟订的一份“采用具有一定几何角度的回转切削刀具”动平衡极限标准草案中，规定了以2μm 的残余偏
移量为可以达到的最高平衡品质。
所以，高速加工的用户不能一味追求加工的平稳性而提出过高的平衡品质。因为，不切合实际的过高要求，一是在技术上难于实现，其次是在经济上又并不合算。
刀具系统的动平衡
对于短小又对称的整体式刀具，平衡时要修正的重量通常只有百分之几克，所以仅进行静平衡就足够了。
而对于非对称结构的悬臂刀具(悬伸长度约300mm) 必须要在二个校正平面上进行动平衡，以尽量清除不平衡量误差。
推荐对刀具、夹头和主轴单独进行动平衡，然后，夹头连同刀具一起还应再一次进行动平衡。 另外，对于一些高速加工刀具和夹头，如结构上允许，还应在刀体(刀盘) 上设置为今后进行精平衡或再平衡的螺钉或平衡环等微调机构(如Walter 公司的面铣刀和Mapal 公司的WWS 面铣刀，在刀盘上均设有平衡微调螺钉) ，或设置多个平衡孔，以便使刀具系统达到最佳的动平衡效果。
自动平衡系统
即使刀具和夹头已进行了动平衡，但是当刀具夹头装到主轴上时还会由于夹紧不精确性而产生不平衡量(对于空心锥柄HSK 接口，这个值一般在2μm 和5μm 范围内) ，另外，还有可调刀具的调整、主轴中拉杆——叠形弹簧的偏移引起的不平衡以及随机出现的其他不平衡。这些连接的不精确度和变化的不平衡状态是无法进行预防性修正的。
因此，对于高速精密加工，最好是采用自动平衡系统，以便对整个刀具——主轴系统在工作过程中进行在线动平衡，以补偿上述干扰量。
目前在生产中可供使用的自动平衡系统是一种电磁动平衡系统，这种系统有两种使用方式： 一种则是将由传感器和制动机构组成的动平衡部件安装在结构相配的主轴上；
另一种则是将制动元件装在刀夹里，这种电磁动平衡系统可以在60000r/min转速下进行自动平衡。
面向高速车削的工件夹紧技术
液压卡盘
爪式卡盘用于高速切削存在的问题
F sp0
夹紧力 F F sp,min
转速 n
面向高速精密车削的卡盘
弹簧卡盘 薄膜卡盘 多摩擦片卡盘 塑变卡盘 ＋ 夹紧精度高 ＋ 允许转速高 ＋ 柔性差，可夹紧直径范围小
面向高速车削的新型爪式卡盘
轻型卡爪：铝合金，炭纤维加强复合材料（CFK ）
CFK 绷带式卡盘
面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型
x
面向高速车削的卡盘夹紧力计算模型 切削过程中工件夹紧系统的外部载荷:
● 扭矩Md ● 弯矩Mk ● 轴向力Fa ● 径向力Fr 最小夹紧力：
夹紧力损失：
∆F spB =F FlB , wirk ⋅
1+
1
k r , sp , sp k red , w
在夹紧位置的有效离心力：
F FlB,wirk
F spB0
k r,sp,sp
F spB0
∆F spB
夹紧力
k red,w
高速切削的安全防护技术 高速卡盘的防护墙
F FlB
k r,sp,sp
k red,w
F
卡盘变形
工件变形
失效卡盘零部件具有可达30kNm 的能量，应尽可能在事故地点防护。
高速车床防护墙
面向高速切削的切削刀具
特点：“三高一专 ”，即高效率、高精度、高可靠性和专用化。 适用于高速切削的刀具材料：
20世纪80年代以来，新型刀具材料的发展为高速切削的实际应用创造了条件。
涂层刀具金属陶瓷刀具
陶瓷刀具立方氮化硼
聚晶金刚石刀具
以高强度铝合金做基体的HSC 端面铣刀
在基体上焊接刀片（材料CBN ，PCD ）的HSC 刀具
带内部冷却的钻头
2000m/min[***********][1**********]5
切削速度 v
c
[***********]00
年
刀具材料在高速加工中起到了非常关键的作用。在高速铣削时，产生的切削热和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此，高速铣削对刀具材料有更高得要求，主要有：
① 高硬度、高强度和耐磨性； ② 韧度高、抗冲击性能强； ③ 高的热硬性和化学稳定性； ④ 抗热冲击能力强
能够比较好地适应这些要求的刀具是硬质合金涂层刀具、CBN 涂层刀具和PCD 涂层刀具。 涂层硬质合金铣刀，由于使用了耐热性好、硬度高的涂层材料以及多层涂敷技术，使涂层硬质合金刀具的切削范围大、寿命长。其切削性能大大优于非涂层硬质合金刀具。隔热耐磨涂层的材料有TiAlN 、TiN 、TiC 、TiCN 、TiBN 、TiB 2、Al 2O 3等
涂层将刀具与工件分开，降低剪切区中的摩擦，并引导切削材料的热隔离。
高速切削加工中刀具材料的选用
高速切削加工，在材料上刀具多采用通用硬质合金铣刀或在硬质合金上采用涂层CBN, Tic等, 或采用人造金刚石PCD 等，线速度可达300~500m/min，
一般地金属陶瓷和PCBN 刀具等适合加工钢、铁等黑色金属；
PCD/CVD等刀具适合加工铝, 镁, 铜等有色金属。
不同切削材料的对比
硬度
抗拉强度 [N/mm²]
不同材料的高速切削加工速度范围
不同材料的高速切削加工速度范围
切削速度变化对切削的影响
在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。
切削速度
Al 2O 3基陶瓷刀具端铣调质45钢时的切削力
PCD-材料 特性：
•
细晶粒金刚石； • 锋利的切削刃。
工件材料：
• 非铁金属材料 • 铸造铝合金 • 锻造铝合金 • 镁合金 • 铜及铜合金 • 锡、锌合金 • 塑料
• 木材及胶合板
加工铝合金的切削参数
• vc = 300-6000 m/min • fz = 0,1-0,2mm
CBN- 用于硬钢的精加工 特性：
• 含60％CBN 的规格 • 细晶粒结构 • 高的刀刃强度 • 低的导热性
适用的加工材质：
• 硬钢材 (45) 50-65 HRC
切削参数：
• vc = 300-800 m/min • fz = 0,08-0,12 • ap ≤ 0,5 mm
CBN-用于球墨铸铁的精加工 特性 ：
• 含80％CBN 的规格 • 粗晶粒结构 • 高的抗磨损特性 • 高的导热性
适用的加工材料：铁素体含量 ≤ 5%
• •
切削参数：
• • •
灰口铸铁 球墨铸铁
Vc = 600-1000 m/min fz = 0,1-0,15
ap = 0,5-1 mm
WSN 10 氮化硅陶瓷Si3N4 特性：
• 高的韧性和耐热性的陶瓷
• 能承受铸铁件粗加工时的断续切削和由于加工余量不均匀引起的冲击 • 纤维状S13N4细晶粒结构
被加工材料：
• 灰口铸铁 • 球墨铸铁
加工参数：
• Vc = 500-1000 m/min • fz = 0,1-0,3mm
高速加工铝合金 ：
易切削铝合金 ：适用的刀具有K10、K20、PCD ，切削速度在2000～4000m/min，进给量在3～12m/min，刀具前角为12°～18°，后角为10°～18°，刃倾角可达25°。
加工铸铝合金 ：铸铝合金根据其Si 含量的不同，选用的刀具也不同，对Si 含量小于12%的铸铝合金可采用K10、Si 3N 4刀具，当Si 含量大于12%时，可采用PKD(人造金刚石) 、PCD(聚晶金刚石) 及CVD 金刚石涂层刀具。对于Si 含量达16%～18%的过硅铝合金，最好采用PCD 或CVD 金刚石涂层刀具，其切削速度可在1100m/min，进给量为0.125mm/r。
高速加工铸铁：对铸件，切削速度大于350m/min时，称为高速加工，切削速度对刀具的选用有较大影响。
当切削速度低于750m/min时，可选用涂层硬质合金、金属陶瓷； 切削速度在510～2000m/min时，可选用Si 3N 4陶瓷刀具； 切削速度在2000～4500m/min时，可使用CBN 刀具。
铸件的金相组织对高速切削刀具的选用有一定影响，加工以珠光体为主的铸件在切削速度大于500m/min时，可使用CBN 或Si 3N 4，当以铁素体为主时，由于扩散磨损的原因，使刀具磨损严重，
不宜使用CBN ，而应采用陶瓷刀具。
高速加工普通钢 ：目前，涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN 刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。其中涂层硬质合金可用切削液。
用PVD 涂层方法生产的TiN 涂层刀具其耐磨性能比用CVD 涂层法生产的涂层刀具要好，前者能很好地保持刃口形状，使加工零件获得较高的精度和表面质量。
以TiC-Ni-Mo 为基体的金属陶瓷化学稳定性好，但抗弯强度及导热性差，适于切削速度在400～800m/min的小进给量、小切深的精加工；
CBN 可用于铣削含有微量或不含铁素体组织的轴承钢或淬硬钢。
高速加工高硬度钢：高硬度钢的高速切削刀具可用金属陶瓷、陶瓷、TiC 涂层硬质合金、PCBN 等。
金属陶瓷可用基本成分为TiC 添加TiN 的金属陶瓷，其硬度和断裂韧性与硬质合金大致相当，而导热系数不到硬质合金的1/10，并具有优异的耐氧化性、抗粘结性和耐磨性。另外其高温下机械性能好，与钢的亲和力小，适合于中高速(在200m/min左右) 的模具钢SKD 加工。金属陶瓷尤其适合于切槽加工。
采用陶瓷刀具可切削硬度达HRC63的工件材料，如进行工件淬火后再切削，实现“以切代磨”。 切削淬火硬度达HRC48～58的45钢时，切削速度可取150～180m/min，进给量在0.3～0.4min/r，切深可取2～4mm 。粒度在1µm ，TiC 含量在20%～30%的Al 2O 3-TiC 陶瓷刀具，在切削速度为100m/min左右时，可用于加工具有较高抗剥落性能的高硬度钢。
当切削速度高于1000m/min时，PCBN 是最佳刀具材料，CBN 含量大于90%的PCBN 刀具适合加工淬硬工具钢(如HRC55的H13工具钢) 。
高速加工高温镍基合金 ：高温镍基合金具有较高的高温强度、动态剪切强度，热扩散系数较小，切削时易产生加工硬化，这将导致刀具切削区温度高、磨损速度加快。
高速切削该合金时，主要使用陶瓷和CBN 刀具。
高速加工钛合金(Ti6Al6V2Sn) ：钛合金强度、冲击韧性大，硬度稍低于高温镍基合金，但其加工硬化非常严重，故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。
高速加工复合材料 ：先进复合材料(如Kevlar 和石墨类复合材料) ，以往用硬质合金和PCD ，硬质合金的切削速度受到限制，而在900℃以上高温下PCD 刀片与硬质合金或高速钢刀体焊接处熔化，用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。
在实际中按照需要选用更合适的刀具材料： 粗加工时优先考虑刀具材料的韧性； 精加工时优先考虑刀具材料的硬度。
建议在粗加工时选择镀层的硬质合金(尤其是细颗粒硬质合金) ，精加工是选择金刚石或立方氮化硼。
（4）高速加工注意事项
球头铣刀使用时应注意其近中心处切削速度极小，接近于“零”，因此切削条件比较恶劣。若机床条件允许，应该是铣刀轴线与工件的法线方向有一个倾斜角。 根据试验，当这个夹角为15°左右时，刀具的寿命将达到极大值； 刀具的悬伸对高速加工中的刀具寿命将产生影响； 在仿形加工中，沿横截面轮廓的铣削方式(又称为等高铣) 优于沿纵截面轮廓的铣削方式(又称爬坡铣) 。
因为等高铣的切削条件比较一致，切削平稳，工件表面的粗糙度情况也比较好，而爬坡铣的切削条件极不稳定，刀具接近中心处极易发生崩刃，工件表面的粗糙度情况也不理想。
而在采用爬坡铣的情况下，顺铣的刀具寿命优于逆铣，向上铣的刀具寿命要优于向下铣；
在铣削内部型腔时，当刀具进给到拐角处时，由于切削包角突然增大，其径向力会急剧增大，峰值会达到正常切削值的170%左右。
建议在拐角处实施所谓的“摆线切削”，这样就可以避免切削力的突然增大，从而实现平稳切削，延长刀具的寿命。；
在冷却方面，油雾冷却(又称准干切削) 比较理想，喷气冷却、高压大流量内部冷却也较好，但应避免低压的、外部的冷却方式。
高速刀柄技术的研究
KM 刀柄 ：KM 刀柄是美国肯纳(Kennametal)公司与德国维迪亚 (Widia)公司于1987年联合开发出来的，与HSK 刀柄并存的1:10短锥空心柄。
KM 刀柄首次提出了端面与锥面双面定位原理。KM 刀柄采用了1：10短锥配合，配合长度短，仅为标准7:24锥柄相近规格长度的1/3，部分解决了端面与锥面同时定位而产生的干涉问题。另一方面，KM 刀柄与主轴锥孔间的配合过盈量较高，可达HSK 刀柄结构的2～5倍，其连接刚度比HSK 刀柄还要高。同时，与其他类型的空心锥柄连接相比，相同法兰外径采用的锥柄直径较小，因而主轴锥孔在高速旋转时扩张小，高速性能好。
BIG-PLUS 刀柄 ：对高速切削加工用刀柄的研究改型除了德国和美国外，日本一些公司也致力于对原7:24实心长锥柄进行多种形式的改进，以达到双面定位，提高定位精度和刚度的目的，如日本NIKKEN 公司的3LOCK SYSTEM锥柄，BIG DAISHOWA SEIKI公司的BIG-PLUS 精密锥柄和圣和精机株式会社开发的SHOWA D-F-C 刀柄等。这些刀柄都是在原标准7:24锥柄基础上进行了一定改进。
BIG-PLUS 刀柄的锥度仍然是7:24。其工作原理是：将刀柄装入主轴锥孔锁紧前，端面的间隙小。锁紧后利用主轴内孔的弹性膨胀补偿端面间隙，使刀柄端面与主轴端面贴紧，从而增大其刚度。这种刀柄同样采用了过定位，因而必须严格控制其形状精度和位置精度，其制造工艺难度比HSK 刀柄还要高。
BIG-PLUS 刀柄可与原7:24锥柄互换使用，可应用于原主轴锥孔。但从适应机床转速进一步高速化的发展要求，1:10短锥空心柄则更有发展前途。所以，更多的日本公司还是积极采用德国DIN 标准的HSK 刀柄，如NT 工具公司、黑田精工、圣和精机、三菱金属等先后引进HSK 生产技术。
高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理，提高刀柄系统的结合刚度。同时，解决好刀柄过定位带来的相关问题，并不断改善刀柄材料的性能。