高速加工机床是基于现代刀具材料的发展，为满足航空、航天、汽车和模具等行业的发展需要而在数控铣床、加工中心的基础上发展起来的高效、高性能加工机床，因此，它的基本特征不仅是切削速度高(是常规切削速度的5-10倍)，进给/快移速度快(达40m/min至180m/min)，加减速度大(现多为1g~2g)，而且还包含有刀具和或工件交换的时间短(在数秒至1秒以内)以及常常具有多轴联动功能等特点。 

　　由于高速加工机床具有诸多优点，如： 

　　生产效率高，材料去除率是常规切削加工机床的3~6倍，从而可大大缩短零件的加工时间和制造周期； 

　　切削力比常规速度时少30%~50%和约30%以上的切削热将被切屑所带走，所以工件温升和变形少，有利于进行薄壁件切削和提高加工精度； 

　　由于切削速度高，切削过程中产生的强迫振动频率一般远离了机床工艺系统的固有频率，故切削过程更平稳，有利于提高加工表面质量和刀具寿命，免掉许多费时费工的人工顺序作业； 

　　许多机电产品所用的零部件，无论是单件或批量需求的，都可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工。

图1 五轴联动高速加工中心机床示例

　　所以，高速加工机床自上世纪八十年代中期出现以来，便受到人们普遍的重视。随着有关技术，如高速电主轴、直线电机、功能强、性能好的数控伺服系统等的快速发展和日益完善，高速加工机床的生产与应用，现已变得很普遍；不仅大的国际有名的机床制造厂商能生产，一般的国内外机床厂也在开始制造，而且成了世界机床业中争先开发的主导产品，不仅模具，航天、航空等行业在进行单件或小批生产中应用，在汽车乃至一航机械制造业中进行批量生产时也在广泛使用，从而成了这些行业中的主流加工装备。 

　　然而，为了更好地成功开发和充分地合理地应用高速加工机床，本人以为，高速加工机床的设计、制造者和应用者仍应对下列诸方面的问题有更多、更深刻的理解和研究，并善于学习、总结和创新。

图2 人造花岗岩整体浇注的床身结构 

　　高速加工对机床结构的基本要求和设计原则

　　由于高速加工中的切削速度，进给速度和加减速度都大，因此机床的发热量，运动部件的惯量也大，容易导致机床结构的过量温升、热变形和产生冲击振动，最终会影响到加工精度、质量乃至机床和刀具的工作寿命和可靠性。所以，高速加工对机床结构的基本要求，首先是要三高，即静刚度高、动刚度高和热刚度高，也就是说， “三刚”特性要好；其次是运动部件要轻量化，即要尽量减少传动系统的惯量。为此，机床结构设计应采取的原则措施是： 

　　为了提高结构的静刚度，首先是选择弹性模量大的材料，如钢、铸铁等作为结构件的基本材料；其次是根据受力的性质(拉，压或扭)和条件(力的大小，方向和作用点)选择合理的结构截面形状、尺寸、筋壁布置和机床的总体布局；三是结构件间的接合面要平整，面积大小要适当，接触点在接合面上的分布要均匀，连接要牢固等；四是尽量采用箱形和整体型结构。 

　　为了提高结构的动刚度，首先是在保证静刚度的前提下，选择阻尼系数大的材料，如人造花岗岩，铸铁等作为基础结构件的材料；二是通过模型试验或模态分析合理设计和调整结构的质量分布和结构接合面的刚度值，以改变结构系统本身的固有振动频率，使其远离切削过程中所产生的强迫振动频率，避免产生共振的可能性；三是有意采用能增加附加阻尼的结构设计，如带夹芯的双层壁铸件和非连续焊接的焊件等；四是直线运动部件的支承导轨面间距离要尽可能宽阔，驱动力的作用线要居中并尽可能靠近运动部件的重心，传动链中应无反向间隙，以保证运动平稳，无冲击。 

　　为了提高结构的热刚度，原则上首先应采用热容量大、热胀系数小的材料和热胀系数相近的材料作为结构材料；其次是根据机床上的热源和温度场的分布情况，尽量采用热对称和方便散热或强迫冷却的结构，包括采用热补偿措施的结构等，以减少热变形带来的对机床几何精度和工作性能的影响。 

　　为了减少运动部件的重量和传动系统的惯量，一是选用比重小的材料，如铝合金和复合材料等，作为运动部件的结构材料；二是在保证刚度和承载能力的前提下，尽量去除多馀的材料；三是采用直接传动，简化传动系统，缩短传动链，以提高机床的运动品质。

　　现实中能同时满足上述条件要求的材料和结构是没有的，只能按实际要求进行综合评估后选取。

图3 现代刀具加工不同工件材料时可选用的切削速度和进给率范围 

图4 不同刀具直径和不同切速下所要求的刀具/主轴转速 

　　高速电主轴单元

　　高速加工的典型应用是以小直径的硬质合金铣刀来对各种材料的模具、模型和铝合金件进行铣削，机床主轴转速是根据现代刀具材料所能达到的经济合理切削速度范围 (图3)和按此速度及不同的铣刀直径所计算得的刀具/主轴转速(图4)来确定。可见除切削钛或镍合金时，由于刀具所能达到的合理切削速度较低 (300m/min以下)，刀具主轴最高转速可在10000r/min以下外，其他材料的切削所要求的刀具/主轴最高转速都在10000r/min以上，甚至要求达到50000r/min至80000r/min。如此高的主轴转速，采用一般机床用的主传动结构(电机加皮带轮和齿轮传动)方式是不可能实现的，一般都需采用由变频调速电机和机床主轴集成在一起的所谓“电主轴”直接驱动来实现。 

　　电主轴是通过交流变频调速和矢量控制来实现主轴的宽调速的。它的优点不仅是简化了主传动结构，减少主传动系统的转动惯量，而且降低了功耗，提高了实现更高主轴速度和加减速度的能力，从而也可实现定角度的快速准停(C轴控制)功能，这对高速加工机床是十分重要的。 

　　当然，高速主轴本身的设计制造会涉及许多特殊问题，如主轴(电机转子)支承的结构型式和润滑方式，电机的发热和冷却措施，主轴和刀具的连接以及动平衡问题等，好在这些问题已有许多科研单位进行了研究和解决，高速电主轴单元在国内外均有了专门的生产厂家进行了专业化、系列化的生产，机床设计制造者只需根据加工对象要求，确定所需的主轴转速和扭矩范围来合理地选用就是了。 

　　高速进给系统

　　高速进给系统是高速加工机床极其重要的组成部份，对它的设计要求，首先应当是能提供高速切削时所要求的高的进给/快移速度和加减速度；其次是应具有所要求的调速宽度和轨迹跟踪精度；同时还应有很好承受动、静载荷的能力和刚度，从而保证高速加工应有的效率和质量。 

　　决定高速进给系统上述性能要求的因素主要有三个方面：即进给运动的传动方式、各轴进给运动间的相互结构联系和数控伺服控制系统。 

　　进给运动的传动方式 

　　高速进给运动的传动方式，目前广为应用的主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠的间接传动，另一种是采用直线电机直接驱动。