HSM技术最初主要用于加工铝合金材料，因为铝合金的熔解温度（660℃）低于一般刀具开始出现问题的温度（硬质合金刀具约为1000℃），同时，在加工过程中切削力较小、切削温度较低，因而容易加工。后来HSM技术被用于加工普通碳素钢及硬度小于RC50的合金结构钢等材料。

对于硬度大于RC50的硬质材料模具钢、耐热合金等，刀具只能在低切削速度下进行加工。同时，由于冷却液的使用，刀具对工件会产生很大的冲击，造成切削力过大、切削温度过高，从而引起工件内部晶格的不规则变形，产生表面冷作硬化和很大的残余应力，这都将影响工件的加工质量。同时，刀具在加工中快速磨损或破损，也增加了刀具费用。在硬质材料加工中，存在的质量差、效率低和成本高三大难题严重困扰着世界制造业的快速发展。

为解决以上难题，近年来，机床制造商、软件开发商、刀具制造商及科研人员共同努力，将日益走向成熟的干式加工技术、先进机床和模拟试验技术等运用于科学研究中，开发出许多新产品，将HSM技术拓宽至硬质材料的加工领域，发展或崭新的硬质材料的HSM技术。

干式切削技术

干式切削技术的进步，实质上是一种观念的更新。最新研究中的三个新发现加快了干式切削技术的发展， 第一，即使在很高的压力下，冷却液传送系统也不能将冷却液真正地输送到工件的切削表面，即冷却液并没有真正起到冷却作用；第二，冷却液的加注会使刀具在切削过程中产生冷、热交替变化，相当于对刀具进行多次重复淬、退火处理，切削刃会产生大小不等的裂纹；第三，加注冷却液虽然能降低切削温度，但会使刀具表面涂覆层受到严重的热损伤，从而加剧刀具磨损，使刀具的使用寿命急剧下降。

以前，人们一直认为加注冷却液有百好而无一害。现在，这一错误观念正在改变，干式切削技术将成为HSM的最好选择，因为在高速切削中，冷却液根本无法输送到工件的切削表面。目前，干式切削技术广泛应用于工件材料硬度低于RC50的高速粗、精加工领域，其优势在高速加工中得到了充分发挥。

大量的切削试验证明，对于硬质材料的加工，使用空气冷却的准干式切削方法能很好地避免由于加注冷却液而产生的热冲击。此外，使用新开发的具有高切削性能的切削刀具和加工工艺可以很好地解决硬质材料高速加工中遇到的各种技术难题。

对于加工铝合金和不锈钢等粘性很大的高韧性材料，与加注冷却液相比，使用气吹技术可使刀具寿命提高10～20倍。

当使用小直径刀具时，为了获得最好的刀具寿命和表面粗糙度，建议采用雾状冷却液对刀具进行冷却。

在加工模具时，山特维克可乐满公司建议采用干式加工，以避免对刀具产生的热冲击。

对于钛合金等耐热材料的加工，为避免在高速加工中刀具产生的化学反应和磨粒磨损，建议使用大量的冷却液，但同时它却会使刀具因热量分布不均而产生微裂纹。

硬质材料HSM机床

目前，HSM机床已经不再盲目追求最高主轴转速，因为高速不一定高效。要实现高效率生产，尤其是对硬质材料的高速加工，进给速度才是关键。目前，机床的进给速度远远大于刀具能够达到的指标，而在实际生产中，使用的都是刀具所能达到的指标。例如，在铝件的加工中，可以实现610～914 m/min的切削速度，而加工硬度为RC50的钢材时，切削速度一般只能在122～137 m/min。在加工铝件时，能实现0.5～1.3 mm/齿的进给速度，而在加工硬质钢材时只能选择0.2～0.8 mm/齿的进给速度。进给速度指标的不断提高推动着整个制造业，尤其是机床工具工业的迅速发展。

刚性在机床的使用中也有着很大作用。机床在切削过程中，由于刚性不足和切削温度的升高，使机床导轨、刀具等产生的很小挠度都会导致刀具加工轨迹出现偏差。

主轴的最高、最低转速间的范围大小也是机床能否胜任高速加工的一个关键因素。一般来说，主轴的转速范围越大越好，但需配置大扭矩的主轴和电机，否则再高的主轴转速也没有用。当使用小直径刀具进行加工时，需要选择较高的主轴转速，如对于硬度为RC50的材料，使用刀具直径小于3mm时，就需要选择20000r/min的转速，用来精加工工件的细节部分。由于工件几何形状的原因，如果选择很高的主轴转速，如30000～40000 r/min，就不能选择高进给速度，否则将导致刀具摩擦待加工材料，从而磨掉了刀具表面涂层，缩短刀具的使用寿命。

实际上，硬质材料的高速加工对机床的要求并不很严格，尤其是对于工件精度要求不很高且没有先进机床的情况下，也可以实现对硬质材料的高速加工。使用具有功率足够、刚性很好、高速旋转的主轴，快速进给系统以及改装成快速处理高速运动和复杂形状加工的数控机床，也能很好地完成任务。同时，要求使用切削性能较高和使用寿命较长的整体涂覆硬质合金刀具。

当加工高强度的进口材料时，机床可装备低转速的普通主轴，因此，合理设计刀具的几何形状，尤其是涂层选择就显得非常重要。在精加工钛合金材料时，建议选择18～152 m/min的切削速度；在超精加工时，选择最高为303 m/min的切削速度，而不必用复杂的高速机床铣削钛合金。例如，用一把直径为13 mm的立铣刀在152 m/min的切削速度和4000 r/min的主轴转速下就可以满足要求。由于速度很低，因而也不需要复杂的控制系统。为了避免摩擦，将刀具设计成大前角、小螺旋角排屑槽结构，并在表面涂覆TiAlN和AlTiN，以降低切削温度。

Haas自动控制公司最近设计制造出一种用于硬质材料的HSM机床，可用于高速加工工具钢、模具钢及镍铬铁合金等难加工材料。与普通的机床相比，除机床装备有最高转速达30000r/min的主轴外，还添加了部分元部件，如线性刻度、主轴冷却器和具有特殊用途、容易操作的软件，满足了用户的特殊需要。它不仅能实现对各种材料的加工，还可根据不同需要，选配锥度为40号的最高转速为10000、12000、15000和30000r/min的主轴或锥度为50号的转速为7500～10000r/min的主轴，此外，机床还可配备具有前馈功能和能快速稳定地实行快速运动计算的控制系统。

模拟试验技术

模拟试验是在进行实际切削之前，快速、准确且经济地确定刀具/机床密切配合的加工程序的有效方法。一般对硬质材料进行高速加工前，对其汇编好的加工程序进行模拟试验，这也是硬质材料HSM技术得以迅速发展的原因之一。

模拟试验过程中，软件始终处于非常重要的位置。Third Wave公司新推出的有限元基的加工建模软件和技术服务，它不像传统的CAM软件那样仅模拟刀具的几何形状，其独特之处在于还考虑了材料性能，使用软件汇编出的加工程序能模拟出刀具将要进行的操作。用户在计算机上做实时模拟切削试验时，输入与实际加工时相同的参数，如进给量、切削速度、刀具类型等，便能够得到比在车间进行切削试验时更多的参数，包括切削力、切削温度及刀具和零件承受的切削应力等。

在此软件中，可以模拟不同材料的刀具，用户只需输入刀具的计算机辅助设计模型，然后修改其加工特征（包括涂层和刀头几何形状），就能在模拟试验中获得潜在的失效模式。

新型刀具

刀具在硬质材料高速加工中发挥着极其重要的作用。刀具制造商、机床制造商和用户共同做了大量的研究工作，开发出许多适用于硬质材料高速加工的新产品，这是硬质材料HSM技术发展的一大特征。

在切削技术的研究方面，NIST公司开发出了一种新型的刀具材料，其主要特点是与工件中的钛元素几乎不起化学反应，其技术的关键在于刀具表面涂覆了包括铝、镁和硼化物在内的多层复合涂层，大大提高了刀具的切削性能，并延长了刀具的使用寿命。

SGS工具公司开发出用于模具高速加工的新型刀具系列，其主要特点是在设计中时刀具材料、几何形状和涂覆层材料等进行最佳组合，提高刀具的切削性能和加工范围，其中，Power-Carb刀具主要用于加工硬度超过RC65的模具钢，它设计有6个排屑槽，干式加工时，可加工直径为6.4～13 mm的工件；Turbo-Carb两槽球形整体硬质合金立铣刀主要用于加工形状复杂的工件，加工工件的直径范围为0.8～19 mm；Z-Carb型刀具主要用于粗加工从低碳钢到硬度为RC50左右的材料。为减少因高速重载加工而产生的刀具颤抖与切削震动，其主要特点是将刀具排屑槽设计成不等距螺旋结构。

Kennametal公司新开发的陶瓷刀具可在高达1067 m/min的切削速度下对镍钴合金材料进行粗铣加工。对于高强度材料加工，Kennametal公司建议使用先进的赛阿龙陶瓷刀具。该刀具是以Si3N4为硬质相、Al2O3为耐磨相，并添加少量的Y2O3助烧结剂浇结而成。它的抗弯强度和断裂韧性较高，故抗热振性好，耐冲击能力强且具有很高的红硬性。为了更好地排屑，Kennametal公司建议使用气吹的准干式加工技术。由于刀具的切削性能好、排屑快，所以生产效率很高，原来需要几个小时加工而成的工件现在只需几分钟即可完成。使用赛阿龙陶瓷刀具加工718 镍铬铁耐热合金时，可以选择914～1067 m/min的高切削速度，切削深度选择0.254～1.27mm，进给量为0.089 mm/齿，功率范围为15～22.5 kW。

新型涂覆技术

Hitachi工具公司最新设计的涂层刀具代表了一种从多涂层（厚度为0.001μm左右）向单一涂层发展的新理念，因为它的摩擦系数比TiAlNi降低了75%，硬度提高了3倍，所以使得切削温度下降，降低了氧化和磨损的程度，刀具寿命提高到原来的5～10倍，可以用来加工硬度超过RC80的材料。

OSG公司新开发的TiAlN涂层具有很高的耐热性能，并且在对钢、钛和镍铬铁耐热合金材料的加工中表现出极好的加工性能，同时，它还可用于加工硬质模具钢，其主要特点是涂层虽经15层涂覆，但整个涂层厚度只有0.08～0.13mm，提高了涂层的粘附强度，延长了刀具的使用寿命。为了提高涂层的粘附强度，还设计了特殊工艺，给涂层提供了最佳的涂覆底层（即附着力很好的刀体材料）。据介绍，TiAlN涂层刀具比受涂层限制的PVD多涂层刀具加工效果好很多。

对于加工模具等硬度较高的材料，可使用Exocarb高科技系列的刀具。OSG公司开发的更为成功的HSM刀具之一是同时用于粗、精加工的特别设计的双槽Exocarb球形立铣刀，能在10%的刀具直径的切削深度下加工硬度为RC40的工件材料。为了在更大去除率下进行加工，公司还开发出具有深螺旋槽结构的Exocarb MAX球形立铣刀，能在保持高切削速度和高进给量情况下，使切削深度达到刀具直径的20%。

Sandvik公司集中精力致力于刀具基体材料的研究，他们认为刀具涂层既有优点，又有缺点，刀具基体才是最主要的切削部分。例如，加工耐热合金时，一般情况下可使用涂覆刀具，但在加工航空工件时，由于污染等问题，不能使用含钛和铝的涂覆刀具。