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摘 要：实现高速切削加工的核心研究内容主要有：高速切削机理、高速加工技术、高速加工用刀具技术、高速加工工艺技术、以及高速加工测试技术等，其中高速机床是实现高速加工的前提和基础条件。
关键词：高速机床；主轴系统；进给系统
1.高速机床概况
高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速加工机床能否达到理想加工状态，主要取决于高速加工机床的关键单元。高速加工机床单元技术的研究内容主要包括：高速主轴单元、高速进给系统和高速CNC控制系统等。高速机床整机技术研究内容主要包括：机床床身、冷却系统、安全措施和加工环境等。
本文所研究的高速机床为卧式车削中心，为对置式双主轴结构，两主轴均采用内装式电主轴，并同时配备了伺服动力刀架，是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心。进给系统要求具有高加、减速度为9.8m/s2，快速移动速度为30m/min，最高主轴转速为7000r/min。
图1.1卧式车削中心整机结构图
2.高速机床的主轴系统
本文研究的卧式车削中心主轴轴承采用了日本NSK高精密陶瓷球轴承，它具有线涨系数低、弹性模量大、极限转速高和抗振动性能好的特点。主轴轴承预紧程度不但直接影响轴承的支承刚度，而且直接关系到轴承的生热，进而影响轴承的使用寿命。对于轴承来说，还需要采用合理的冷却方式，解决电主轴在高速旋转时的热传导问题。
机床第一主轴和第二主轴结构图分别如图2.1和图2.2所示。
图2.1卧式车削中心第一主轴结构示意图
图2.2卧式车削中心第二主轴结构示意图
主轴电机的转子由空心套筒、叠压的矽钢片和两端的平衡环组成，每个平衡环的圆周上均布大小相同的螺孔，用以精确地校正主轴和转子的动平衡。冷却套外面加工有螺旋槽，与主轴壳体内圆柱面一起形成冷却液管道，当电主轴运行时，通入冷却液，以吸收和带走电机产生的热量。
电主轴的动平衡精度将会大大影响其静动态特性，动平衡精度应达到GO.4级，这是电主轴在高速运转时保持良好动态性能的一个重要技术指标。为此电主轴采用了严格的对称设计原理，取消机床主轴与电机转子之间的键联接和螺纹联接，用过盈配合所产生的结合力来传递电机的扭矩，保证了高速切削条件下主轴的运动精度和传动能力。
3.高速机床的进给系统
高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；另一方面，由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给，除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副外，最近几年又出现了采用直线电机驱动这种新型的高速进给方式，从结构、性能到总体布局来看，两种方式都有很大的差别，形成了两种截然不同的高速进给系统。
（1）滚珠丝杠副传动系统
滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到19，进给速度可以达到40～60m/min，定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进给速度和加速度比较小。对于采用滚珠丝杠副的传动系统，为了提高进给加速度，可以采取以下措施：
1）加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠内部作成空心结构，这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。高速滚珠丝杠在运转时，由于摩擦产生温升，造成丝杠的热变形，将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术，对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用；
2）选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机，采用多头大导程滚珠丝杠；
3）对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。另外，为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度，可以采用小直径的氮化硅陶瓷球，并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来，减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压，减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式，一避免高速运转受临界转速的限制。滚珠丝杠其进给速度一般不超過60～80m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。
采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可以大幅度降低成本。
（2）直线电机进给驱动系统
直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定性。
直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床迸给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。
使用直线电机驱动具有如下的优点：
1）高速响应性
由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件，故使整个闭环控制系统动态响应性能大为提高，反映异常灵敏快捷。
2）传动刚度高系统避免了启动、变速和换向时，因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。
3）定位高精度
系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。直线电机驱动系统，一般以光栅尺作为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台定位精度达0.1-0.01μm；
4）进给速度快、加减速度大
由于系统的高响应性，其加减速过程大大缩短。以实现启动时瞬间达到高速，高速运行又能瞬间停止。可获得较高的加速度，一般可以达到2-lOg；5）行程长度不受限制
直线电机的次级连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可以运动到哪里，使行程距离不受限制，而且不管有多远，对整个进给系统的刚度都没有任何影响。
直线电机的结构本身也存在着一些不利因素，如直线电机的磁场是敞开的，尤其是采用永磁式直线电机时，要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施，否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低，尤其在低速时比较明显，但从整个装置和系统来看，由于采用直线电机后省去中间传动装置，系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外，直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题，但是目前在加速度大于19的情况下，直线电机仍是唯一的选择。
结论
对于高速加工机床来说，机床主轴最高转速、快速进给速度和加速度是机床的重要技术指标，因此对高速数控机床来说，研究影响机床进给加速度的主要因素，如何合理地进行系统参数的配置，以实现优化进给加速性能的研究具有重要的理论和现实意义。
参考文献
[1]崔彤，薛彦华.超高速与超精密加工技术，林业机械与木工设备，2003，第6期
关键词：高速机床；主轴系统；进给系统
1.高速机床概况
高速机床技术主要包括高速单元技术和机床整机技术。高速加工机床能否达到理想加工状态，主要取决于高速加工机床的关键单元。高速加工机床单元技术的研究内容主要包括：高速主轴单元、高速进给系统和高速CNC控制系统等。高速机床整机技术研究内容主要包括：机床床身、冷却系统、安全措施和加工环境等。
本文所研究的高速机床为卧式车削中心，为对置式双主轴结构，两主轴均采用内装式电主轴，并同时配备了伺服动力刀架，是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心。进给系统要求具有高加、减速度为9.8m/s2，快速移动速度为30m/min，最高主轴转速为7000r/min。
图1.1卧式车削中心整机结构图
2.高速机床的主轴系统
本文研究的卧式车削中心主轴轴承采用了日本NSK高精密陶瓷球轴承，它具有线涨系数低、弹性模量大、极限转速高和抗振动性能好的特点。主轴轴承预紧程度不但直接影响轴承的支承刚度，而且直接关系到轴承的生热，进而影响轴承的使用寿命。对于轴承来说，还需要采用合理的冷却方式，解决电主轴在高速旋转时的热传导问题。
机床第一主轴和第二主轴结构图分别如图2.1和图2.2所示。
图2.1卧式车削中心第一主轴结构示意图
图2.2卧式车削中心第二主轴结构示意图
主轴电机的转子由空心套筒、叠压的矽钢片和两端的平衡环组成，每个平衡环的圆周上均布大小相同的螺孔，用以精确地校正主轴和转子的动平衡。冷却套外面加工有螺旋槽，与主轴壳体内圆柱面一起形成冷却液管道，当电主轴运行时，通入冷却液，以吸收和带走电机产生的热量。
电主轴的动平衡精度将会大大影响其静动态特性，动平衡精度应达到GO.4级，这是电主轴在高速运转时保持良好动态性能的一个重要技术指标。为此电主轴采用了严格的对称设计原理，取消机床主轴与电机转子之间的键联接和螺纹联接，用过盈配合所产生的结合力来传递电机的扭矩，保证了高速切削条件下主轴的运动精度和传动能力。
3.高速机床的进给系统
高速机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，这不仅是为了提高生产率，也是为了达到高速切削中刀具正常工作的条件，否则会造成刀具急剧磨损，破坏加工工件的表面质量。在进行高速切削时，为了保证零件的加工精度，随着机床转速的提高，进给速度也必须大幅度提高，以便保证刀具每齿进给量不变；另一方面，由于大多数零件在机床上加工的工作行程不长，一般只有几十毫米到几百毫米，进给系统只有在很短的时间内达到高速和在很短的时间内实现准停才有意义。为了实现高速进给，除了可以继续采用经过改进的滚珠丝杠副外，最近几年又出现了采用直线电机驱动这种新型的高速进给方式，从结构、性能到总体布局来看，两种方式都有很大的差别，形成了两种截然不同的高速进给系统。
（1）滚珠丝杠副传动系统
滚珠丝杠副传动系统采用交流伺服电机驱动，进给加速度可以达到19，进给速度可以达到40～60m/min，定位精度可以达到20～25μm。相对于采用直线电机驱动的进给系统，采用旋转电机带动滚珠丝杠的进给方案，因为受工作台的惯性以及滚珠丝杠副结构限制，能够实现的进给速度和加速度比较小。对于采用滚珠丝杠副的传动系统，为了提高进给加速度，可以采取以下措施：
1）加大滚珠丝杠直径以提高其刚度，且丝杠内部作成空心结构，这样可以强制通冷却液来降低丝杠温升。高速滚珠丝杠在运转时，由于摩擦产生温升，造成丝杠的热变形，将直接影响高速机床的加工精度。通过采用滚珠丝杠强行冷却技术，对于保持滚珠丝杠副温度的恒定有非常重要的作用。该项措施对于提高大中型滚珠丝杠的性能有非常重要的作用；
2）选用大额定扭矩的伺服电机。为了更加合理地利用伺服电机，采用多头大导程滚珠丝杠；
3）对于关键轴采用双伺服电机和双滚珠丝杠同步驱动。另外，为了减小高速下滚珠的自旋速度和公转速度，可以采用小直径的氮化硅陶瓷球，并且采用特殊树脂材料造成的保持架把滚珠分离开来，减小滚珠之间的摩擦、碰撞和挤压，减少丝杠的发热和引起的噪声。也可以采用丝杠固定、螺母旋转的工作方式，一避免高速运转受临界转速的限制。滚珠丝杠其进给速度一般不超過60～80m/min，加速度小于1.5g。它在高速加工中心上的应用仍受到一定的限制。
采用滚珠丝杠副传动实现的高速进给系统与采用直线电机驱动的进给系统相比，可以大幅度降低成本。
（2）直线电机进给驱动系统
直线电机驱动实现了无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，可获得高精度的高速移动，并具有极好的稳定性。
直线电机的实质是把旋转电机径向剖切开，然后拉直演变而成。直线电机的转子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，在机床进给系统中采用直线电机后可以把机床迸给传动链的长度缩短为零，从而实现所谓的“零传动”。
使用直线电机驱动具有如下的优点：
1）高速响应性
由于系统取消了各种响应时间常数较大的机械传动件，故使整个闭环控制系统动态响应性能大为提高，反映异常灵敏快捷。
2）传动刚度高系统避免了启动、变速和换向时，因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时提高了其传动刚度。
3）定位高精度
系统从根本上取消了由于机械机构引起的传动误差，减少了插补时因传动系统滞后带来的跟踪误差。直线电机驱动系统，一般以光栅尺作为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工作台定位精度达0.1-0.01μm；
4）进给速度快、加减速度大
由于系统的高响应性，其加减速过程大大缩短。以实现启动时瞬间达到高速，高速运行又能瞬间停止。可获得较高的加速度，一般可以达到2-lOg；5）行程长度不受限制
直线电机的次级连续铺在机床床身上，次级铺到哪里，初级（工作台）就可以运动到哪里，使行程距离不受限制，而且不管有多远，对整个进给系统的刚度都没有任何影响。
直线电机的结构本身也存在着一些不利因素，如直线电机的磁场是敞开的，尤其是采用永磁式直线电机时，要在机床床身上安装一排磁力强大的永久磁铁。因此必须采取适当的隔磁措施，否则对其磁场周围的灰尘和切屑有吸收作用。与同容量的旋转电机相比，直线电机的效率和功率因数要低，尤其在低速时比较明显，但从整个装置和系统来看，由于采用直线电机后省去中间传动装置，系统的效率有时还是比采用旋转电机的高。另外，直线电机特别是直线感应电动机的起动推力受电源电压的影响较大，故需要采取有关措施保证电源的稳定或改变电机的有关特性来减小或消除这种影响。虽然采用直线电机驱动的数控机床需要解决如上问题，但是目前在加速度大于19的情况下，直线电机仍是唯一的选择。
结论
对于高速加工机床来说，机床主轴最高转速、快速进给速度和加速度是机床的重要技术指标，因此对高速数控机床来说，研究影响机床进给加速度的主要因素，如何合理地进行系统参数的配置，以实现优化进给加速性能的研究具有重要的理论和现实意义。
参考文献
[1]崔彤，薛彦华.超高速与超精密加工技术，林业机械与木工设备，2003，第6期