图1  加工中等重量工件的机床

近几年来，一个全新的加工技术——高速铣削在制造业中掀起了一股热潮。在过去的几年中，高速铣削作为普通铣削或电加工的替代方案和补充，牢固地确立了与传统加工工艺并驾齐驱的地位。

高速铣削理论基础

用简单的定义来概括高速铣削是很难的，因为其涉及的问题太过复杂。理论上的高速铣削可以解释为：更好地利用现代刀具材料的效率、极大地提高切削速度，从而改变切屑的形成过程，提高切削效率及加工精度。

与传统加工相比，高速铣削提高了切削速度，从而使工件与前刀面的摩擦增大并导致了切屑和刀具接触面温度的提高。在该接触点，摩擦带来的高温能达到工件材料的熔点，使得切屑变软甚至液化，从而减小了对切削刀具的阻力，也就减小了切削力，使得切削变得轻快，切屑的产生也更加流畅。同时，由于加工所产生热量的70%～80%都集中在切屑上，而切屑的去除速度很快，所以传导到工件上的热量大大减少，提高了加工精度。

高速铣削带来的好处

高速铣削中切削力的减轻以及切屑形成过程的变化为加工带来了诸多好处，如提高了零件加工精度和提高零件的表面质量另一方面，由于切削力的减轻，刀具的旋转稳定性更好，因而通过采用特殊的刃具可将高速加工的应用领域扩展到：较硬材料的加工、微小结构的加工、需要利用细长刀具的加工。

对机床动态特性的要求

高速切削加工中心的动态特性常常被简化成加工速度和加速度能力，事实上这种看法是片面的。机床的动态特性至关重要，而获得高动态性能的基础是机床的各个部件应该具有最佳阻尼特性，整个系统有很高的稳定性。这些特性可以通过结构优化设计和选择合适的机床材料来获得。

比如近些年来发展的聚合物混凝土（人造大理石）床身，其减振效果比使用铸铁材料的床身优异很多，阻尼特性是铸铁的10倍。今天，几乎所有的高动态性能机床的制造商都用混凝土作为各种非移动结构部件的材料，比如用于机床床身和横梁。大动态特性的机床部件移动所产生的冲击力被混凝土床身完全吸收了。 相比之下，当制造类似主轴箱这样的移动部件时，铸铁材料的耐压和耐拉强度就更有优势一些。铸铁材料可以用于制造具有优异强度和稳定性的较轻部件。

笛卡尔机床运动学的另一个原理就是，尽可能的将切削力分配在工件和刀具上。一方面要考虑工件的重量，另一方面还要考虑主轴的重量，目标就是尽量达到质量平衡关系。图1显示了一台用于加工中等重量工件的机床，该机床设计时就特别考虑到了这一特殊要求。在此情况下，分布在工具侧的质量和分布在工件侧的质量大小相等，这样就可保证Y轴的动态特性在相当大程度上与X轴的动态特性一致 。

今天，人们对5轴高性能、高速加工的兴趣与日俱增。就高速加工产生的背景来看，机床的结构设计和旋转摆动工作台的驱动方式关系密切。常规的蜗轮蜗杆驱动的圆形旋转工作台，其动态特性无法满足五轴联动高速切削的要求，而采用直接驱动技术的旋转工作台可以提供与线性轴相匹配的进给转速和加速度，甚至提供优于线性轴性能的参数。采用直接驱动旋转工作台的另一个好处就是驱动装置中没有了易损件，因而具有显著加工效率的五轴联动高速加工就实现了。

高速加工的一个基本动态特性是能够以最快的速度达到程序中设定的进给速度，其加速度和切换值由大功率数字驱动装置提供。实现高的进给速度和进给加速度既可以通过大螺距滚珠丝杠和交流伺服电机配合来实现，也可以由线性电机直接提供。最终选择哪一种驱动方式，只有通过实践来证明，因为这两种不同的驱动方式都各有其利弊。采用何种技术方式、进给速度、加速度和切换值仍然要服从于改善零件加工精度的要求，目前市场上并没有用直线电机技术替代已经很成熟的滚珠丝杠技术的紧迫要求。

对于以循环滚珠原理为基础的各种设计，包括滚珠丝杠和带有滚动滑块的线性导轨，初始的预紧力相当重要。只有采用合适的预紧力，驱动系统才能正常运转，此时的系统稳定性最大、磨损量最小、产生的热量最小。另外滚珠丝杠需要两端固定。

对于中小型机床，线性导轨采用集中布局，其间距越远越好。为了达到更好的检测效果，线性光栅尺也应安装在线性导轨之间，而且要尽量靠近加工点。首先，这种集中布局提供了一定程度的保护，可防止被污染；第二，进给速度被对称地传递给线性导轨，而且实际记录的位置就是被加工的位置。为了更准确地记录位置和速度，就要使用包括高精度旋转编码器和线性测量装置在内的双反馈系统。

对加工中心电主轴的要求

现代高速加工的电主轴的特点是转速大、使用现代的轴承材料、整体冷却回路和HSK锥柄。电主轴上装有集成电路传感器，可以记录任何振动现象，而且可以计算电主轴的热特性，利用智能运算法则进行补偿。采用矢量控制技术，也就是由闭合控制回路控制，可以精确地定位角位置。与传统的开环控制回路驱动的电主轴相比，这种方法提供了一些非常有用的优势。首先，可以充分利用整个转速范围，从50～200r/min一直到最大转速，而且在低转速时就可以获得大的切削扭矩。这样就可以用20000r/min以上的高速主轴完成某些条件下的螺纹切削，并可使用大直径刀具进行铣削加工。

混合陶瓷轴承是由淬硬钢制成的轴承内外圈和复合陶瓷制成的滚珠组成的，与传统的钢珠轴承相比，轴承的刚性、耐磨性和回转精度提高了，并增强了温度的稳定性。假如没有这种轴承，现代电主轴的使用寿命将不可想象。通过轴承外圈直接喷入的油气混合物保证了最优化的润滑和极长的使用寿命。

主轴鼻端和刀柄的HSK接口现在已经确立了其在高速加工中的作用。由于此种结构大大提高了刀柄的连接刚性，因此也显著地提高了加工精度。通过测试SK-40和HSK-A63承受径向力的能力，发现HSK接口的径向扰动是SK40的一半，其轴向伸长比SK接口降低了约一半。

所有高速主轴共有的一个问题是高速转动时的发热问题。设计上采取的措施是将主轴轴承尽量靠近主轴鼻端安装，主轴发热造成的伸长被传递到了后部，也就是非重要的方向上。如果热量传递到机床的其它部件上时，比如主轴溜板或刀柄上，就会对工件的加工精度产生影响。解决这个问题既要靠机床操作人员，又要依赖机床制造商，因为操作人员可以通过有效的系统程序来控制这种影响；而机床制造商可以通过相应的传感器和控制系统提供的运算法则来计算位移数值。很明显，后一种方案是用户友好的，因此更具优越性。然而在此应该指出，在高速加工过程中，优异的加工精度是操作人员和系统交互作用的结果，因为对热量对刀具长度的影响进行温度补偿时，系统的工作方法是不可或缺的。在此，机床制造商增加一些必要的辅助手段也是非常重要的，比如增加自动激光刀具测量装置等。

振动对主轴轴承的有效使用寿命、刀具的使用寿命和工件的加工质量都有负面的影响，所以应尽一切努力避免这种事情的发生。为此，米克朗的电主轴上都装了振动传感器，用于记录加工过程实时的振动情况。这些测量装置测量到的有关加工过程的数据可以通过数控系统显示，操作人员就可利用这些数据对加工过程进行系统的优化，比如，调整主轴转速和进给速度、测试各种铣床的加工效果、确定重要的加工方法和进行适当的修改等等。

对加工中心控制系统的要求

近几年来，控制系统技术有了很大进步，特别是在五轴联动高速加工时，最有意义的方面是大大降低了程序块处理时间。这一具有现代工艺水平的控制技术包括用以平衡高速加工中经常发生的热偏移的补偿运算法则、高性能的程序段前瞻能力、控制系统中机床硬件的优化模型、集成的机床故障自诊断功能和以优化的机床动态特性为基础的加工精度智能控制系统。

很显然，程序段的处理时间越短越好。由于没有明确的指导原则统一定义这个时间，所以不同控制系统制造商的程序段处理时间不能简单地相互比较。一般而言，每一行数控程序中移动的轴的数量起主要作用。每个数控程序辅助指令的集合，比如辅助功能、转速或进给速度等，都或多或少地影响了程序段的处理时间。其中一个主要的影响就是在进行五轴联动加工时，由于进行了坐标轴变换或旋转轴偏差计算而引起的。机床能够一直做连续运转，而不受冲击和不流畅运动的影响，这一点非常重要，而引起这一切的原因是数据计算不完全，即所谓的“数据饥饿”。

高速加工机床上的热漂移影响是不可避免的，并可在最终用户期望的范围以内，采取适当的措施进行补偿。在此，可以使用基于传感器或软件的系统。基于软件的系统有着一定的优势，更加适合于补偿综合误差；而基于传感器的系统通常只能记录一个部件的漂移，比如主轴鼻端相对于Z轴溜板的漂移。

功能强大的前瞻功能，是高速加工必不可缺的。前瞻功能可以保持最佳的轴进给速度；保持最佳的进给加速度；保持最佳的路径变换；识别拐角，及时降速；保持规定的动态精度曲线；及时降速、使加工速度不超过机床的运行特性范围。

有一种流行但错误的看法，认为前瞻功能的程序预处理能力越大越好。但事实上，实际的程序段预处理能力是由前瞻功能和高速铣削加工中心的动态特性共同决定的。前瞻功能必须能够调节机床的动态特性，以保证机床永不过载运行并始终保持工件的加工质量。

机床的动态性能越大，则控制系统中的机床特性模型也就越准确，需要前瞻功能进行预处理的程序段也就越少。 通常使用预处理大量程序段所产生的最严重的缺点是，无法选择干预处理进程，人工调节进给速度和主轴转速；因为被预先处理过的程序储存在缓冲器中，不能进行存取和进行人工调节操作。

有效的速度、加速度稳定功能和轮廓转换是高速加工控制系统的另外一个重要特点。用同一台机床加工，平滑的轮廓加工施加在机床和电子设备上的倾斜压力就小，因而可以提高最大加速度值和移动速度。反之，不平滑的轮廓就达不到这些要求。

故障诊断和远程监控功能可以直接组合到控制系统中，也可以用外部设备简单地实现这一功能。这些功能都是获得机床最大利用率的先决条件，特别是在与自动化设备连接时更是如此。

最近的发展趋势是，利用集成传感器（自适应控制）探测到的数据，通过专门的技术，主动地干预加工过程，例如可以根据加工要素的优先等级或根据工件的重量或刀具路径的复杂度来优化加工过程。数据由操作人员输入，并由内部的控制系统使用以调节系统，使其适应特殊的加工应用，这样就可缩短加工时间、提高表面光洁度和零件的加工精度。