金屬切削理論發展主要階段
    對金屬切削理論的研究可以追溯到十七世紀，1679年Hooke把他包括6個主要工作的一組報告匯集一起，出了一個單行本《論刀具切削》，這本書中至少包括了Hooke的兩個重要的科學發現，一是提出了以其名字命名的定理，這就是著名的應力與應變成正比的彈性定理。另一個發現是Hooke直覺地理解到振動著的彈簧與一個單擺是動力等價的。但真正作為一門學科來研究的話，金屬切削理論研究大致從1850年算起。 
    回顧金屬切削理論研究一百多年的歷史，根據研究重點的不同，可以分為以下三個時期： 
    第一研究階段可稱為力學或切屑形成機理時期(Mechanics or Chip Formation Period)，大致為1850～1900年五十多年的時間。1774年，J.Wilkinson發明了第一臺金屬鏜床，提高了汽缸的加工精度，減少了汽缸和活塞間的蒸汽泄漏，從而使得J.Watt的蒸汽機的應用成為可能，從這一典型事例中我們可以知道金屬切削加工在當時社會生產中具有非常重要的地位，是當時最先進的加工方法。 
    這一階段的初期，金屬切削理論主要研究方向是研究切削過程中的切削力和消耗的切削能量，主要的研究者有H.Cocquihat, Wiebe和Joessel。1851年，H.Cocquihat 研究了在鑄鐵，黃銅和石頭等材料上鉆孔時，切去一定體積材料所需要的功。1864年，Joesse探討了刀具幾何角度對切削力的影響。 
    在這一時期的后半段，主要的研究方向是塑性剪切和切屑形成機理。Timme在1870年提出切屑是經過剪切面的剪切變形而形成的。Tresca于1864～1872年間在一系列金屬擠壓實驗基礎上提出了最大剪應力屈服準則，可以認為是塑性本構關系實驗與理論研究的開始。到1873年和1878年Tresca又提出切屑的形成是工件材料受刀具擠壓，從而在垂直切削方向的平面發生剪切變形的過程。 
    這一時期也開始了切削模型的研究，在1881年，Mallock提出了類似于卡片模型的理論，而Zvorkin則在1893年建立了剪切角關系式，他假設剪切面是剪應力最大面。值得注意的還有塑性力學Durcker公設的提出者Durcker等力學家的工作。 
    回顧這一階段的歷史，可以發現，切削理論的研究一開始就是和力學的研究有著緊密的關系，金屬切削過程中所遇到的問題既給力學家們提供了新的課題，也為他們提供了驗證其力學理論可靠而又簡便的試驗手段。考察自然科學的發展史，在當時力學起著先導和基礎的作用，處于自然科學的前沿地位。所以金屬切削理論的研究起點是很高的，也是居于當時自然科學的前沿地位。這也跟金屬切削加工在當時社會生產中的地位相適應。 
    第二研究階段可稱為切削可加工性時期(Machinability Period)，大致從1900～1930年共約30年時間。在這一時期隨著社會生產力的發展，金屬切削加工技術也有了長足的進步，新的刀具材料和加工工藝不斷出現。例如，1898年Taylor和White發明高速鋼。1930年前后人們又發明了硬質合金。 
    新的刀具材料的出現使切削加工的生產效率大大提高，應用范圍越來越廣。以高速鋼的應用為例，Trent在他的名著《Metal Cutting》中寫到“高速鋼刀具的出現引起了金屬切削實踐的革命，大大提高了機械加工車間的生產率，并要求完全改變機床的結構，據估計，在最初幾年，美國的工程制造業，由于使用了價值二千萬美元的高速鋼而增加了八十億美元的產值。” 
    與此同時，生產實際也給金屬切削研究者帶來了許多急需解決的問題，例如刀具的耐用度，加工表面質量，切屑的排除等等。這一時期金屬切削理論主要的成果有，1907年Taylor在整整工作了26年切除了3萬噸切屑，掌握了10萬個以上的實驗數據的基礎上，在他經典的論文“On the Art of Cutting Metal”中提出了著名的刀具耐用度公式，第一個研究了切削速度和刀具耐用度之間的關系。這一公式對今天預測刀具耐用度仍有重要的指導意義。有些學者認為金屬切削理論的研究是從Taylor開始，雖不確切，但Taylor的工作確實是金屬切削理論史上一個重要的里程碑。 
    切削可加工性(Machinability)這一概念是二十世紀20年代中期首先由Herbert，Rosenhain和Sturney提出，在這一時期切削加工性主要是指切削速度與刀具耐用度之間的關系，而對切削表面質量，切屑去除和尺寸精度等的研究還不深入。切削加工性被看作是與材料的硬度，韌性等有關的材料的一個重要特性。在這一時期還開始關注刀—屑溫度的重要性，并進行了初步的研究。 
    第三研究階段從二十世紀30年代至今，可以稱之為理論推廣應用時期(Amplification and Application Period)，傳統意義上的金屬切削理論研究在二十世紀六七十年代達到高峰。在這一時期總結了上兩個時期的研究成果，將切屑成形機理與切削可加工性的關系的研究發展到了一個新的高度。而在實驗手段和理論應用于生產方面也達到了前所未有的水平，這一時期比較重要的工作有： 
    Bisacres 和Chao在40年代中期首先研究了切削過程中的切削溫度分布，提出了溫度參數的概念(其中為切削速度，為切削厚度，為熱導率)。以后還有Trigger，Lowen等人的工作。 
    在正交切削模型的研究方面，Pisspen、Merchant、Lee和Shaffer、Shaw 以及Oxley等都做了重要的開創性工作。日本的工藤英明，臼井英治利用視塑性方法構造滑移線場，從而建立切削方程式的新方法也值得加以重視。我國的金屬切削理論研究者也作出了重要的貢獻。 
    這一時期研究重點是切削過程中出現的各種現象及其發生機理的研究，例如剪切角關系、切削溫度分布和刀具磨損、切屑卷曲機理以及積屑瘤形成機理等等。 
    金屬切削機理的研究可以說是在六七十年代到八十年代初期達到高峰期，新理論，新方法不斷涌現，計算機技術的飛速發展及其廣泛應用使得金屬切削機理的研究有了新的強有力的工具。在這一時期還出現了英國金屬學家Trent的《Metal Cutting》 、美國金屬切削理論家Shaw 的《Metal Cutting Principles》等全面總結性介紹金屬切削理論和實驗技術的經典著作。 
    八十年代以后隨著計算機技術，自動控制技術在金屬切削生產中的廣泛應用，金屬切削加工的研究重點逐步轉向切削加工與計算機技術和自動控制技術相結合方面。對金屬切削過程本身現象發生機理的研究相對較少。作者認為要更好地應用計算機技術、自動控制技術于金屬切削加工的生產實際中，還是應該重視金屬切削基礎理論的研究。而且隨著生產力的進一步發展，新材料、新工藝的不斷涌現以及計算機技術和自動控制技術的在金屬切削加工中更為廣泛深入的應用，必將為金屬切削基礎理論的研究開拓新的方向，提出新的要求。 
    切削溫度隨著切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削溫度不但不升高反會降低，且該切削速度值與工件材料的種類有關。對每一種工件材料都存在一個速度范圍，在該速度范圍內，由于切削溫度過高，刀具材料無法承受，即切削加工不可能進行，稱該區為“死谷”。雖然由于實驗條件的限制，當時無法付諸實踐，但這個思想給后人一個非常重要的啟示，即如能越過這個“死谷”，在高速區工作，有可能用現有刀具材料進行高速切削，切削溫度與常規切削基本相同，從而可大幅度提高生產效率。 
    高速切削是個相對的概念，究竟如何定義，目前尚無共識。由于加工方法和工件材料的不同，高速切削的高速范圍也很難給出，一般認為應是常規切削速度的5～10倍。 
    自從Salomon提出高速切削的概念并于同年申請專利以來，高速切削技術的發展經歷了高速切削理論的探索、應用探索、初步應用和較成熟應用等四個階段，現已在生產中得到了一定的推廣應用。特別是20世紀80年代以來，各工業發達國家投入了大量的人力和物力，研究開發了高速切削設備及相關技術，20世紀90年代以來發展更迅速。 
    高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計、制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件和軟件技術均得到充分發展基礎之上綜合而成的。因此，高速切削技術是一個復雜的系統工程。
2.1 高速數控切削 
    主要針對車削和銑削。一般高速數控切削的主軸轉速比普通數控切削轉速高1～10倍。高速數控切削的另一個內涵是采用高的進給速度。維持切削力不變，提高轉速就能夠提高切除率，減少切削時間；維持進給速度在普通切削水平，提高轉速就能夠降低切削力，可以加工較細或較薄的模具零件。 
    高速主軸是高速數控切削的首要條件。目前主軸轉速可達100000轉/min，高速切削速度在5～100m/s。完全可以達到模具零件的鏡面車削和鏡面銑削。
數控加工技術 
    數控加工技術已經成為主要的加工制造技術。數控加工制造技術是以一系列機械控制碼作為加工機械的加工動作控制指令。在現代制造業中，若采用單一性能的加工機械及人工操作的方式進行加工，要達到所要求的加工精度及尺寸誤差的加工目標并不容易，同時還需要投入大量的人力物力。因此采用NC加工制造技術成為必然的趨勢。 
    數控機床因其具有寬廣的適應范圍，高的加工精度和生產效率，在現代制造業中擔當了越來越重要的角色。隨著自動編程系統的發展，如Master CAM、Pro/E等軟件的普及應用，數控機床的編程工作越來越簡化。零件加工質量的保證，除了數控機床自身的精度以外，與數控加工的工藝措施是密切相關的。無論哪一種自動編程軟件，程序編制中的工藝問題依然離不開編程人員的工藝知識與經驗。在數控機床加工過程中，工件的精度不僅與機床和控制程序有關，更受加工工藝與精度控制方法的影響。
基于數控機床的質量保證技術 
    建立完善、可靠的基于數控機床的質量保證系統，不僅是提高數控機床利用率的關鍵，也是保證產品質量和降低生產成本的關鍵。基于數控機床的質量保證技術主要包括： 
    (1)數控程序代碼的合理性檢驗檢驗由CAD／CAM生成或手工編制的 NC程序代碼的合理性，避免加工過程出現因NC代碼不合理所造成的加工中心的損壞、刀具的損壞或工件的報廢； 
    (2)數控加工的計算機仿真研究數控加工仿真建模理論，實施圖形仿真和物理仿真，預測加工過程狀態和加工質量； 
    (3)數控機床故障的快速診斷與報警采用多傳感器的數據融合技術和多模型技術，應用小波理論、神經網絡以及模糊控制技術，快速、有效地提取故障信號特征，對機床故障進行 
    (4)數控加工質量的在線檢測與質量預報采用類似(3)的諸項技術和各種快速算法，通過對刀具磨損檢測、機床工況的檢測、工件表面粗糙度的檢測，實現在線產品加工檢驗；并根據檢測結果和質量預報模型，進行質量產品預報； 
    (5)數控加工誤差的實時補償與控制根據誤差來源分類情況和在線檢測結果，研究補償方案的辦法，通過計算機與數控系統的通訊及對伺服系統的補償控制，采用模糊神經網絡等技術，在原有的設備水平的基礎上，保持或提高產品的加工質量。
數控機床誤差補償
基于切削過程的數控加工工藝參數優化 
    數控加工工藝的最新研究成果舉例 
    通過對“葉片數控加工工藝優化研究”，對三維造型、刀位計算，切削仿真、刀具及切削工藝參數優化、后處理軟件等關鍵技術進行了詳細的研究及攻關，開發了一套完整的葉片數控加工工藝。成果已應用于高壩洲、大朝山等電站的葉片和葉片壓模制造。已開始用于哈爾濱電機研究所、東方電機有限公司承制的4臺三峽機組的葉片的制造。 
    目前，許多工廠依賴校驗軟件來保證他們的程序是恰當合適的。這種軟件可以確保首個零件是合格產品，所以操作員不必站在機床前查看首個零件的生產。如此一來，空轉實驗和切削測試零件就成為歷史了。 
    另外，校驗軟件可使自動進給速率最優化，并帶來種種益處。更為精確的控制可改進循環時間、零件品質以及刀具壽命。具有優化進給速率功能的程序還可以使操作員不必專注于機床操作。
數控銑精確幾何仿真技術
　　西飛國際數控中心課題組經過歷時一年的自主研發，在原有仿真軟件仿真通用刀位文件的基礎上，查閱了大量的技術資料，建立了13類48臺各種結構、不同坐標數控機床的運動模型、運動參數庫、鋁合金切削參數庫，以及各種特殊指令文件，使該項仿真技術突破性地將局部刀具與零件的仿真運動擴大至整體機床的三維運動結構，并首次具備了直接模擬仿真G代碼機床加工程序、機庫運動、使用刀柄、工件夾具裝夾等實際加工程序和其它加工要素的能力，大幅度地提高了模擬仿真的準確性、新產品首次加工的成功率，縮短了新產品試制、工藝定型周期。同時，該技術不僅可以進行程序模擬檢查，還可進行工裝刀具系統運動干涉模擬檢查，擴展了原有仿真軟件的功能，為數控加工工藝方案的優化、提高加工過程的可靠性創造了條件。通過該項仿真技術對現有的各類數控加工程序，特別是對西飛承擔的英宇航42項零件數控加工程序進行優化驗證，徹底消除了因程序因素導致零件加工中的損傷現象，使加工后的零件與工藝模型符合率達100%，大大促進了數控加工整體水平的提高。
進一步研究的數控加工工藝領域 
    回顧歷史，展望未來，作者認為金屬切削理論今后的發展方向主要有以下兩個方面： 
    1、緊密聯系生產實際，研究解決不斷涌現的新材料的切削加工機理和加工方法以及切削加工向精密化、自動化和智能化發展過程中所碰到的各種問題。在實驗和理論分析計算等方面應用計算機作為一種強有力的工具，以求得到更為精確的理論結果，開拓新的研究領域。 
    2、金屬切削過程是一個復雜的動態過程，它具有比常規力學試驗大得多的變形和高得多的應變率。金屬切削過程中既有彈性變形，又有塑性變形，還有很高的切削溫度和復雜的摩擦條件，所以金屬切削過程的力學實質到目前為止還有許多未能徹底搞清楚的地方，對金屬切削力學機理的研究必將有助于力學的發展和進步，這已經被前人的實踐所證明，也必將被未來的實踐所證實。 
    例如，當前力學研究的前沿之一是對在高應變率下材料動態力學性能的研究，切削過程正是這樣一個大應變和高應變率的過程，運用切削方法可為研究這一動態過程的力學特性提供方便可靠的實驗手段。研究切削過程中材料的變形機理應該成為這一研究方向的重要內容。 
    金屬切削加工參數的優化設計對提高生產率和經濟效益具有重要的意義，是實現自動化加工過程的必要環節。 
    刀具半徑補償指令是加工中心和數控銑床上一個常用的應用指令，但要應用好該指令，必須理解其工作原理和掌握其應用技巧。 
    高速數控加工的關鍵技術是：①高速主軸及高速進給驅動系統機床；②高速加工刀具系統；③基于CAD/CAM自動化數控編程。
數控修正加工原理
數控機床誤差補償
基于切削過程的數控加工工藝參數優化 
    MasterCAM特有的模擬仿真功能，可以進行三維真實感動態模擬加工，在仿真過程中，刀具沿著所定義的加工軌跡進行動態加工。 
    為了提高加工中心的應用水平，優選刀具及自動生成工藝參數是一個極其重要而又難以獲得滿意解決方案的課題。在實際工作中，更多的往往是依靠技術人員的經驗和知識積累，遺憾的是工廠里常常缺乏這樣的人才，這個問題在我國工廠里較為突出。因此，一方面，要尊重和培養這方面的技術人才；另一方面，要加大這方面的研究，建立基本切削數據庫，運用模糊數學，人工智能技術和基因遺傳算法等研究成果，以期為解決這一難題開辟一條新途徑。 
    切削優化的目的在于滿足工藝約束的條件下，尋求使切削過程達到最優時的刀具和切削參數。最優的目標可以是最低成本、最大生產率、最大利潤或最低成本條件下的最大生產率。　　 
    這一問題的基本思想是：以已有的切削數據庫為基礎，采用模糊數學，人工智能技術和基因遺傳算法為工具，采用問題歸約的方法，將問題分解，針對每個問題的特點采用各自最有效的算法或知識表示和推理方法，使所欲解決的問題得到簡化，相應地將知識庫也進行分解，盡量使每一子問題只涉及到與之有關的知識，以提高知識匹配和搜索效率，并采用表結構或決策矩陣和人工神經網絡以便知識在數控系統中的存儲和更新。 
    數控加工仿真利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產效率。 
    從試切環境的模型特點來看，目前NC切削過程仿真分幾何仿真和力學仿真兩個方面。幾何仿真不考慮切削參數、切削力及其它物理因素的影響，只仿真刀具工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性。它可以減少或消除因程序錯誤而導致的機床損傷、夾具破壞或刀具折斷、零件報廢等問題；同時可以減少從產品設計到制造的時間，降低生產成本。切削過程的力學仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動態力學特性來預測刀具破損、刀具振動、控制切削參數，從而達到優化切削過程的目的。