高速切削涉及的关键技术如图13-2所示。

图13-2　高速切削涉及的关键技术

1.高速大功率的主轴单元

高速切削机床主轴通常是在高于10 000r/min的条件下高速运转，为此要求机床主轴具有先进的主轴结构，低摩擦、长寿命主轴轴承，良好的润滑和散热条件。

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大简化，基本上取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。

这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”。

电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高，功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。电主轴比传统的主轴传动系统的结构简单、紧凑，这样也便于把它用在多轴联动机床、多面体加工机床和并联（虚拟轴）机床。

内置于主轴部件后，电动机不可避免有发热的问题，从而需要专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。高速轴承有时要有专门的润滑装置以及为了保证高速回转部件的安全，要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。

因此，“电主轴”的概念不应简单理解为只是一根光主轴套筒，而是一个完整的系统，是在机床数控系统监控下的一个子系统。

电主轴具有质量小、振动小、噪声低、结构紧凑、响应性能好的特点。图13-3所示为典型的电主轴结构，驱动电动机的转子套装在机床主轴上，电动机定子安装在主轴单元的壳体中，自带水冷或油冷循环系统，使主轴在高速旋转时保持恒定的温度。

图13-3　电主轴结构

1—螺母；2—旋转变压器定子；3—旋转变压器转子；4，7，8—密封圈；5—转子；6—定子

2.快速进给系统

实现高速切削加工不仅要求有很高的主轴转速和功率，同时要求机床工作台有高的进给速度和运动加速度。20世纪90年代，工作台的快速进给多采用大导程滚珠丝杠以及提高进给伺服电动机的转速来实现，其加速度仅为0.6g～1.2g，进给速度最多达到40～60m/min。

若要进一步提高进给速度，滚珠丝杠就显得无能为力了。目前，直线电动机直接驱动进给系统已得到普遍应用。直线电动机直接驱动进给系统没有机械传动环节，没有机械刚性摩擦，几乎没有反向间隙，提供了更高的进给速度和更好的加减速特性，其进给速度可达到160m/min，加速度可达2.5g，定位精度达到0.5～0.05μm。(www.daowen.com)

3.先进的机床结构

高速切削机床的基础结构件必须具有足够的刚度和强度，以及高的阻尼特性和热稳定性。目前，高速切削机床多采用龙门式立柱型对称结构及箱中箱结构，这类结构可提高机床的刚性和承载能力，增强机床的抗冲击性，具有自动热变形补偿能力。

此外，不少高速切削机床床身采用聚合物混凝土等高阻尼特性材料；有些高速切削机床通过传感控制使主轴油温与机床床身的温度保持一致，以协调主轴与床身的热变形；在高速切削机床安全性方面，其观察窗一般用防弹玻璃做成，采用主动在线监控系统对刀具和主轴的运动状况进行在线识别与控制，以确保人身与设备的安全。

4.高速切削刀具系统

与普通切削相比，高速切削所产生的热量更多地向刀具传递，要求刀具具有良好的热稳定性。此外，由于高速切削时的离心力和振动的影响，刀具必须进行严格的动平衡。在刀具设计时必须根据高速切削的要求，综合考虑刀具材料的强度、刚度、精度以及耐磨性等因素。

目前，高速切削通常使用的刀具材料如表13-1所示，它们各有特点：

（1）硬质合金涂层刀具。涂层材料高温耐磨性好，刀具基体有较高的韧性和抗弯强度，故允许进行高速切削。

（2）陶瓷刀具。陶瓷刀具与金属材料的亲和力小，热扩散磨损小，其高温硬度优于硬质合金，但陶瓷刀具韧性差。常用的陶瓷刀具材料有氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和金属陶瓷等。

（3）聚晶金刚石刀具。这种刀具的摩擦系数低，耐磨性极强，具有良好的导热性，特别适合于难加工材料、黏结性强的有色金属的高速切削，但是价格较贵。

（4）聚晶立方氮化硼刀具。具有高硬度、良好的耐磨性和高温化学稳定性特点，适合于淬火钢、冷硬铸铁、镍基合金等材料的高速切削。

表13-1　各种刀具材料所适合加工的工件材料

在高速切削条件下，由于离心力的作用，主轴锥孔将扩张，导致刀柄与主轴的联结刚度明显降低，径向跳动精度会急剧下降，甚至出现颤振。为了保证高速旋转刀柄的接触刚度，一种新型双定位刀柄已在高速切削机床上得到应用。这种刀柄的锥部和端面同时与主轴保持面接触，在整个高转速范围内，能保持较高的静态和动态刚性，定位精度显著提高。

5.高性能的数字控制系统

用于高速加工的数字控制系统必须具有高的运算速度和控制精度，以满足复杂曲面型面的高速加工要求。目前，高速切削机床的数字控制系统多采用64位CPU系统，配置功能强大的计算处理软件，具有加速预插补、前馈控制、钟形加减速、精确矢量补偿和最佳拐角减速控制等功能，有极高的运动轨迹控制精度，以及优异的动力学特性，保证了高速、高进给速度的切削加工要求。