發展史
高速切削生產率與切削速度是有很密切關係的，切削速度的提高可以提高生產率，同時精密和超精密加工技術的發展也對切削速度有了更進一步提高的要求。
高速切削加工的概念提出後，經過長期的探索、研究和發展，才在近期被廣泛套用於工業生產。今天，在加工鋼件時切削速度已達到3000m/min，加工鑄鐵時達到3000m/min，加工鋁合金則達到7000m/min，比常用的切削速度高了許多倍。除了高速切削外，高速磨削技術也已進入實用階段。常規磨削速度為30～40m/s，而超高速磨削的速度已達到150m/s以上了。高速切削和磨削除了能大幅度提高生產率以外，還可以提高加工質量，特別是改善已加工表面質量。
高速切削是指在比常規切削速度高出很多的速度下進行的切削加工。目前各國對高速切削的速度範圍沒有統一的定義，有時候也稱為超高速切削（Ultra-High Speed Machining）。通常把比常規切削速度高5～10倍的切削稱為高速切削。
傳統的切削速度和刀具壽命的關係被假定為線性關係，即刀具的速度越高，刀具的磨損越快。20世紀上半葉，一些研究人員開始發現，在某些加工過程中，切削速度達到某個值後，情況開始發生變化，刀具磨損加劇，但是速度繼續上升，超過這一閾值，又可以恢復正常加工。經過長期的生產實踐，人們意識到對於某一特定的被加工材料來說，在比現行使用的切削速度高許多倍的區域可能存在一個十分理想的切削條件，在這個切削條件下，生產率高，刀具耐用度長，而且切削力也比較小。
德國的切削物理學家Carl Salomon博士於1929年進行了超高速模擬試驗，1931年4月發表了著名的超高速切削理論，提出了高速切削假設。Salomon認為在常規的切削速度範圍內，切削溫度隨著切削速度的增大而提高。當切削速度增大到超過一個速度範圍，切削溫度反而隨切削速度的提高而降低，同時切削力也會大幅下降。按照他的假設，在具有一定速度的高速區進行切削加工，會有比較低的切削溫度和較小的切削力。這就是著名的高速切削狀態下切削溫度的死谷理論（Dead Volley）。但這一模型預言的曲線至今仍沒有精確的令人信服的實驗可以證實。
H.Schulz等人認為：Carl Salomon所根據的實驗曲線是銑削中刀具溫度（而不是切削剪下區的溫度）與切削速度的關係。其中高速段上刀具溫度的降低是由於刀具與工件接觸時間變短所導致的結果。從切削機理研究的角度看，應當考察切削剪下區中的溫度變化及材料變形狀況。
高速切削中切削力減小是高速切削技術套用發展的物理基礎。對於為什麼速度高到一定程度，切削力會減小的問題，有人認為是由於工件材料軟化所致。這種軟化可以理解為切削速度增高，切削剪下區溫度升高，材料屈服極限降低。也有研究者認為切削加工所需的能量在某一速度範圍內達到平衡點，隨著切削速度進一步增高，切削力隨著降低，並在某一速度後保持不變，然後可能隨著切屑的動量改變略有變化。但這些推斷都還不能從材料變形機理上予以確切說明。所以，進一步的研究應當考察切削中產生材料變形所需能量是否隨材料變形速度而變化，是否在變形速度（流變速度）超過某一極限值後改變了材料變形方式，從而使變形所需能量減少了。確定這一界限，尋求最佳切削速度具有重大的工程意義。
定義
一般的定義是5～10倍於常規切削速度的切削稱為高速切削。在Salomon理論成立的前提下，特定材料切削速度達到極限速度時的切削狀態就應稱為高速切削，高速切削不僅僅通過速度來劃分，而是跟材料的物理力學性能和切削狀態密切相關。
高速切削技術是一個非常龐大而複雜的系統工程，它涵蓋了工具機材料的研究及選用技術，工具機結構設計和製造技術，高性能cnc控制系統、通訊系統，高速、高效冷卻、高精度和大功率主軸系統，高精度快速進給系統，高性能刀具夾持系統，高性能刀具材料、刀具結構設計和製造技術，高效高精度測試測量技術，高速切削機理，高速切削工藝，適合高速加工的編程軟體與編程策略等等諸多相關的硬體和軟體技術。只有在這些技術充分發展的基礎上，建立起來的高速切削技術才具有真正的意義。所以要發揮出高速切削的優越性能，必須是cad/cam系統、cnc控制系統、數據通訊、工具機、刀具和工藝等技術的完美組合。
目標
高速切削的主要目標之一是通過高生產率來降低生產成本。它主要套用於精加工工序，常常是用於加工淬硬模具鋼。另一個目標是通過縮短生產時間和交貨時間提高整體競爭力。達到這些目標的主要因素為：
一次(更少此數)裝夾的模具加工。
通過切削改善模具的幾何精度，同時可減少手工勞動和縮短試模時間。
使用CAM系統和面向車間的編程來幫助制定工藝計畫，通過工藝計畫提高工具機和車間的利用率。
高速切削的實際優點
刀具和工件可保持低溫度，這在許多情況下延長了刀具的壽命。另一方面，在高速切削套用中，切削量是淺的，切削刃的吃刀時間特別短。這就是說，進給比熱傳播的時間快。
低切削力得到小而一致的刀具彎曲。這與每種刀具和工序所需的恆定的加工餘量相結合，是高效和安全加工的先決條件之一。
由於高速切削中典型的切削深度是淺的，刀具和主軸上的徑向力低。這減少了主軸軸承、導軌和滾珠絲槓的磨損。高速切削和軸向銑削也是良好的組合，它對主軸軸承的衝擊小，使用這種方法可以使用懸伸較長的刀具而振動的風險不大。
小尺寸零件的高生產率切削，如粗加工、半精加工和精加工，在總的材料去除率相對低時有很好的經濟性。
高速切削可在一般精加工中獲得高生產率，可獲得傑出的表面質量。表面質量常低於Ra 0.2µm。
採用高速切削，使對薄壁零件的切削成為可能。使用高速切削，吃刀時間短，衝擊和彎曲減小了。
模具的幾何精度提高了，組裝就容易和更快了。無論是什麼人，技能如何，都能獲得CAM/CNC生產的表面紋理和幾何精度。如果花在切削上的時間稍多一些，費時的人工拋光工作可顯著減少。常常可減少達60-100%。一些加工，如淬火、電解加工和電火花加工(EDM)，可以大大減少。這就可降低投資成本和簡化後勤供應。用切削代替電火花加工(EDM)，模具使用壽命和質量也得到提高。
採用高速切削，可通過CAD/CAM很快改變設計，特別是在不需要生產新電極的情況下。
由於起始過程有高的加速度和減速度以及停止，導軌、滾珠絲槓和主軸軸承產生相對快的磨損。這常常導致較高的維護成本。
需要專門的工藝知識、編程設備和快速傳送數據的接口。
可能很難找到和挑選高級技術員工。
有相當長的調試和出故障時間。
加工中無需緊急停止，導致人為錯誤和軟體或硬體故障會產生許多嚴重後果。
必須有良好的加工計畫——“向飢餓的工具機提供食物”。
必須有安全保護措施：使用帶安全外罩及防碎片蓋的工具機。避免刀具的大懸伸。不要使用“重”刀具和接桿。定期檢查刀具、接桿和螺栓是否有疲勞裂紋。僅使用註明最高主軸速度的刀具。不要使用整體高速鋼(HSS)刀具。
系統組成
系統組成1、高速切削cnc工具機
(1) 高穩定性的工具機支撐部件 高速切削工具機的床身等支撐部件應具有很好的動、靜剛度，熱剛度和最佳的阻尼特性。大部分工具機都採用高質量、高剛性和高抗張性的灰鑄鐵作為支撐部件材料，有的工具機公司還在底座中添加高阻尼特性的聚合物混凝土，以增加其抗振性和熱穩定性，不但保證工具機精度穩定，也防止切削時刀具振顫；採用封閉式床身設計，整體鑄造床身，對稱床身結構並配有密布的加強筋，如德國deckel maho公司的橋式結構或龍門結構的dmc系列高速立式加工中心，美國bridgeport公司的vmc系列立式加工中心，日本日立精機vs系列高速加工中心，使工具機獲得了在靜態和動態方面更大限度的穩定性。一些工具機公司的研發部門在設計過程中，還採用模態分析和有限元結構計算，最佳化了結構，使工具機支撐部件更加穩定可靠。
(2) 高速主軸系統 高速主軸是高速切削技術最重要的關鍵技術，也是高速切削工具機最重要的部件。要求動平衡性很高，剛性好，迴轉精度高，有良好的熱穩定性，能傳遞足夠的力矩和功率，能承受高的離心力，帶有準確的測溫裝置和高效的冷卻裝置。高速切削一般要求主軸轉速能力不小於40000r/min,主軸功率大於15kw。通常採用主軸電機一體化的電主軸部件，實現無中間環節的直接傳動，電機大多採用感應式集成主軸電動機。而隨著技術的進步，新近開發出一種使用稀有材料鈮的永磁電機，該電機能更高效，大功率地傳遞扭矩，且傳遞扭矩大。易於對使用中產生的溫升進行線上控制，且冷卻簡單，不用安裝昂貴的冷卻器，加之電動機體積小，結構緊湊，所以大有取代感應式集成主軸電動機之勢。最高主軸轉速受限於主軸軸承性能，提高主軸的dn值是提高主軸轉速的關鍵。目前一般使用較多的是熱壓氮化矽(si3n4)陶瓷軸承和液體動、靜壓軸承以及空氣軸承。潤滑多採用油-氣潤滑、噴射潤滑等技術。最近幾年也有採用性能極佳的磁力軸承的。主軸冷卻一般採用主軸內部水冷或氣冷。
(3) 高精度快速進給系統 高速切削是高切削速度、高進給率和小切削量的組合，進給速度為傳統的5～10倍。這就要求工具機進給系統很高的進給速度和良好的加減速特性。一般要求快速進給率不小於60m/min，程式可編輯進給率小於40m/min，軸向正逆向加速大於10m/s2(1g)。工具機製造商大多採用全閉環位置伺服控制的小導程、大尺寸、高質量的滾珠絲槓或大導程多頭絲槓。隨著電機技術的發展，先進的直線電動機已經問世，並成功套用於cnc工具機。先進的直線電動機驅動使cnc工具機不再有質量慣性、超前、滯後和振動等問題，加快了伺服回響速度，提高了伺服控制精度和工具機加工精度。不僅能使工具機在f=60m/min以上進給速度下進行高速加工，而且快速移動速度達f=120m/min，加速度達2g，提高了零件的加工精度。但直線電動機在使用中存在著承載力小、發熱等問題，有待改進。
(4)高效的冷卻系統 高速切削中工具機的主軸、滾珠絲槓 、導軌等產生大量的熱，如不進行有效的冷卻，將會嚴重影響工具機的精度。大多採用強力高壓、高效的冷卻系統，使用溫控循環水或其他介質來冷卻主軸電動機、主軸軸承、滾珠絲槓、直線電動機、液壓油箱等。yamazen公司將壓力為6.8mpa的冷卻液通過主軸中心孔，對工具機主軸、刀具和工件進行冷卻。日本日立精機公司研製開發出通過在中空的滾珠絲槓中傳輸冷卻液，達到冷卻絲槓穩定加工目的的滾珠絲槓冷卻器。為了避免導軌受溫升的影響，日立公司和軸承商聯合研製出eeo-eeo的導軌潤滑脂，該潤滑脂潤滑和冷卻效果好，無有害物質，能進行自動潤滑及不需專用設備等特點。日立精機工具機公司vs系列cnc高速銑就採用此潤滑脂，具有良好的使用及經濟效果。
(5) 高性能cnc控制系統 高速切削加工要求cnc控制系統有快速處理數據的能力，來保證高速加工時的插補精度。一般要求程式段傳送速率 1.6～20ms，rs232系列數據接口 19.2 kbit/s(20ms)，ethernet數據傳送 200kbit/s(1.6ms)。 新一代的高性能cnc控制系統採用32位或64位cpu，程式段處理時間短至1.6ms。 近幾年網路技術已成為cnc工具機加工中的主要通訊手段和控制工具，相信不久的將來，將形成一套先進的網路製造系統，通訊將更快和更方便。大量的加工信息可通過網路進行實時傳輸和交換，包括設計數據、圖形檔案、工藝資料和加工狀態等，極大提高了生產率。但目前用得最多的還是利用網路改善服務，給用戶提供技術支持等等。美國cincinati machine公司研製開發出了網路製造系統，用戶只要購買所需的軟體、數據機、網路攝像機和耳機等，即可上網，無需安裝網路伺服器，通過網上交換多種信息，生產率得到了提高。日立精機工具機公司開發的萬能用戶接口的開放式cnc系統，能將工具機cnc作業系統軟體和網際網路連線，進行信息交換。
(6) 高安全性 工具機安全門罩高速切削工具機普遍採用全封閉式安全門罩，高強度透明材料製成的觀察窗等更完備的安全保障措施，來保證工具機操作者及工具機周圍現場人員的安全，避免工具機、刀具和工件等有關設施受到損傷。一些工具機公司還在cnc系統中開發了工具機智慧型識別功能，識別並避免可能引起重大事故的工況，保證產品的產量和質量。
(7) 高精度、高速度的感測檢測技術 這包括位置檢測、刀具狀態檢測、工件狀態檢測和工具機工況監測等技術。
2、高性能的刀具
夾持系統高速銑床的刀具夾持系統要求其有很高的動平衡性，要求主軸具有30000r/min之上的動平衡能力，且具有絕對的定心性。主軸、刀柄、刀具三者在鏇轉時應具有極高的同心度，這樣才能保證高速、高精度加工。否則轉速越高離心力越大，當其達到系統的臨界狀態將會使刀具系統發生激振，其結果是加工質量下降，刀具壽命縮短，加速主軸軸承磨損，嚴重時會使刀具與主軸損壞。刀柄系統與主軸錐度穴孔應結合緊密，現在刀柄一般都採用錐部與主軸端面同時接觸的雙定位錐柄。如日本的bbt刀柄，德國的hsk空心刀柄。刀具夾持裝置一般用經動平衡處理的彈簧卡頭，不過現在已有效果更好的液壓真空裝刀，強力銑卡頭裝刀。
3、高速切削刀具
刀具技術和工具機製造，從一開始就相輔相成共同發展，可以毫不誇張的說，只有刀具技術和工具機技術的不斷發展，才推進了高速切削技術。高速切削刀具應具有良好的機械性能和熱穩定性，即具有良好的抗衝擊、耐磨損和抗熱疲勞的特性。其採用的刀具材料主要是硬質合金，並且普遍採用刀具塗層技術，塗層材料為氮化鈦(tin)、氮化鋁鈦(tialn)等等。塗層技術由單一塗層發展為多層、多種塗層材料的塗層。這一技術已成為提高高速切削能力的關鍵技術之一。世界各大硬質合金刀具製造商一般都將銷售收入的3～11%投入到研發中，其中相當一部分用於硬質合金和塗層材料的基礎研究。高速切削鋼材時，刀具材料應選用熱硬性和疲勞強度高的p類硬質合金、塗層硬質合金、立方氮化硼(cbn)與cbn複合刀具材料(WBN)等。切削鑄鐵，應選用細晶粒的k類硬質合金進行粗加工，選用複合氮化矽陶瓷或聚晶立方氮化硼(pcnb)複合刀具進行精加工。精密加工有色金屬或非金屬材料時，應選用聚晶金剛石pcd或CVD金剛石塗層刀具。選擇切削參數時，針對圓刀片和球頭銑刀，應注意有效直徑的概念。高速銑削刀具應按動平衡設計製造。刀具的前角比常規刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃連線處應修圓或導角，來增大刀尖角，防止刀尖處熱磨損。應加大刀尖附近的切削刃長度和刀具材料體積，提高刀具剛性。刀具材料與被切削材料應具有較小的化學親和力。高速銑削大多採用硬質合金刀具。在保證安全和滿足加工要求的條件下，刀具懸伸儘可能短，刀體中央韌性要好。刀柄要比刀具直徑粗壯，連線柄呈倒錐狀，以增加其剛性。儘量在刀具及刀具系統中央留有冷卻液孔。球頭立銑刀要考慮有效切削長度，刃口要儘量短，兩螺鏇槽球頭立銑刀通常用於粗銑複雜曲面，四螺鏇槽球頭立銑刀通常用於精銑複雜曲面。
4、高速切削機理
對高速切削機理的研究，總的來說還處於一種邊探索邊套用之中。高速切削機理主要包括高速切削中切削力、切削熱變化規律，刀具磨損的規律，切屑的成型機理以及這些規律和機理對加工的影響。目前對鋁合金的高速切削機理的研究與套用比較成功，但對黑金屬和難加工材料的高速切削機理的研究與套用尚處於不斷探索之中，套用也是在不成熟的理論指導下進行。另外，高速切削機理的研究與套用已進入鑽鉸、攻絲等的切削方式中，但還處於探索階段。隨著科學技術的發展，對高速切削的切削力、切削熱、切屑成型、刀具磨損、刀具壽命、加工的精度和表面質量等的變化規律將做更加深入的分析與研究。
5、高速切削的cam系統軟體
高速切削工具機另外，在國內外眾多的cad/cam軟體中並不是都適用於高速切削數控編程。這其中比較成熟適用於高速加工編程的有：英國delcam公司的powermill軟體模組，日本makino公司的ffcut軟體(其ff加工模組已集成到美國ugs公司的cam軟體中)，以色列的cimatron軟體，美國ptc公司的pro/engineer軟體，國內北航海爾華正軟體有限公司的caxa-me軟體等。
對刀具要求
1、整體硬質合金：高精度磨削，徑向跳動低於3微米。
儘可能小的凸出和懸伸，最大的剛性，儘可能小的刀具彎曲變形和大的芯核直徑。
為了使振動的風險、切削力和彎曲儘可能小，切削刃和接觸長度應儘可能短。
超尺寸、錐度刀柄，這在小直徑時特別重要。
細晶粒基體和為了得到高耐磨性的TiAlN 塗層。
用於風冷或冷卻液的內冷卻孔。
適合淬硬鋼高速切削要求的堅固微槽形。
對稱刀具，最好是設計保證平衡。
2、使用可轉位刀片的刀具：
設計保證的平衡。
在刀片座和刀片上的保證跳動量小的高精度，主刀片的最大徑向跳動為10微米。
適合淬硬鋼高速切削要求的牌號和槽形。
刀具體上有適當的間隙，以避免刀具彎曲(切削力)消失時產生摩擦。
風或冷卻液的冷卻孔(立銑刀)。
刀具體上標明允許的最大轉速。
套用
速加工技術經歷了理論探索，套用探索，初步套用和較成熟套用等四個階段，現已在生產中得到了一定的推廣。特別是20世紀80年代以來，航空工業和模具工業的需求大大推動了高速加工的套用。飛機零件中有大量的薄壁零件，如翼肋、長桁、框等，它們有很薄的壁和筋，加工中金屬切除率很高，容易產生切削變形，加工比較困難；另外，飛機製造廠方也迫切要求提高零件的加工效率，從而縮短飛機的交付時間。在模具工業和汽車工業中，模具製造是一個關鍵，縮短模具交貨周期，提高模具製造質量，也是人們長期努力的目標。高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。自20世紀90年代起，高速加工逐步在製造業中推廣套用。目前，據統計，在美國和日本，大約有30%的公司已經使用高速加工，在德國，這個比例高於40%。在飛機製造業中，高速切削已經普遍用於零件的加工。目前高速切削已經有了一定的套用，但要給高速銑削下一個確切的定義還較困難，高速切削的切削速度範圍較難給出。高速切削是一個相對概念，它與加工材料、加工方式、刀具、切削參數等有很大的關係。一般認為，高速切削的切削速度是常規切削速度的5～10倍。對常用材料，一些資料給出了大致數據：鋁合金1500～5500 m/min；銅合金900 ～5000 m/min；鈦合金100～1000 m/min；鑄鐵750～4500 m/min；鋼600～800 m/min。各種材料的高速切削進給速度範圍為2～25m/min。
自所羅門原理申請專利以來，高速切削技術的發展歷經理論探索階段，套用探索階段，初步套用階段和較成熟套用階段。特別是20世紀70年代後，各工業已開發國家相繼投入大量的人力、物力、財力研究開發高速切削技術及相關技術，發展日新月異，德國、美國、瑞典、瑞士、英國和日本等製造強國走在了世界前列。近幾年，隨著科學技術的突飛猛進和經濟發展的強大推動，高速切削工具機、刀具技術和相關技術迅速進步，使高速切削(hsc-high speed cutting)技術以其高效率、高質量套用於航天、航空、汽車、模具和工具機等行業中，各種切削方式、各種材料幾乎無所不能，尤其是高速銑削和高速車削髮展神速。該技術為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap與ae很小，但切削線速度大，為傳統的3～5倍，進給速度大，為傳統的5～10倍。
優勢
高速切削之所以得到工業界越來越廣泛的套用，是因為它相對傳統加工具有顯著的優越性，具體說來有以下特點：1、加工時間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規的3～5倍。
2、刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由於切削速度高，吃刀量很小，剪下變形區窄，變形係數ξ減小，切削力降低大概30%~90%。同時，由於切削力小，讓刀也小，提高了加工質量。
3、刀具和工件受熱影響小。切削產生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。
4、工件表面質量好。首先ap與ae小，工件粗糙度好，其次切削線速度高，工具機激振頻率遠高於工藝系統的固有頻率，因而工藝系統振動很小，十分容易獲得好的表面質量。
5、高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進行高速乾切削，不用冷卻液，減少了對環境的污染，能實現綠色加工。
6、可完成高硬度材料和硬度高達hrc40-62淬硬鋼的加工。如採用帶有特殊塗層(tialn)的硬質合金刀具，在高速、大進給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工(edm)的3~6倍，而且獲得十分高的表面質量(ra0.4)，基本上不用鉗工拋光。
工具機選擇
高速切削工具機1．規格參數。包括主軸轉速和功率、進給速度和加速度、工作檯尺寸、數控系統、刀柄、刀庫性能、工具機尺寸等。
高速工具機的各主要部件應滿足以下基本要求：
(1)高速主軸系統。主軸的轉速和功率應根據本公司生產零件的工件材料、刀具、生產工藝流程等確定，高速加工的主軸轉速通常應不低於8 000r/min；此外，主軸應可滿足長時間高速運轉工作條件，而且精度高，剛性好、運行平穩；應具備高效的主軸冷卻系統，以減小主軸的熱變形。
(2)高速進給系統。滿足高進給速度、高加速度、高精度、高可靠性和高安全性要求，進給速度通常應不低於20m/min。採用小運動慣量輕質移動部件，以實現高加速度。
(3)工具機結構。確保工具機的承載能力、高剛性、熱穩定性、耐衝擊性和抗振性。
(4)溫控系統。應有效地改善工具機的熱穩定性。
(5)高速CNC控制系統。不僅要求運算速度快，工作穩定性好，且應具有NURBS插補、加工殘餘分析，待加工軌跡監控等高速高精度控制功能，以確保高速加工的成功實現。
(6)冷卻潤滑系統。適當的冷卻方式和噴射壓力，有利於實現高精度和高效率加工。
(7)刀柄系統。滿足剛性好、傳遞轉矩大、體積小、動平衡好、高速切削振動小等要求。
(8)切屑處理系統。可有效地排出切屑，且石墨加工專用工具機必須帶有抽塵裝置。
2．整機性能，通過性能評價試驗來綜合測定，包括定位精度、加工精度、重複定位精度、熱變形穩定性等。
3．工具機維護及保養特性、操作安全性、控制系統的適應性以及工具機供應商所能夠提供的售後服務及套用支持也必須予以重視。
