大连高金数控集团有限公司主任工程师邹运

在当前对加工效率和环保意识的共同要求下，机械加工已经由高速加工（HSM）阶段发展到了高效加工（HEM）阶段，即：加工中心切削速度与加工零件精度的同时提高，它比高速切削机床更合理、更全面地反映了现代制造技术目前的发展方向，因此出现了高效加工中心的概念。高效加工中心与高速加工中心的区别在于它除有一个能高速旋转的主轴，还设计了高精度的直线运动导轨、大功率主轴电机、精密主轴轴承、滚珠丝杠、高效伺服驱动电机以及先进的CNC系统等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市场竞争力。机床结构及功能部件具有以下特点：

使用滚柱直线导轨代替传统的滚珠直线导轨：承载能力提高接近60%，刚度提高接近75%，实现了顺畅行走、高可靠性、稳定的高精度和高刚性，例如德国INA公司最新的RUE系列满装滚珠导轨，其最大加速度可达100m/s2，最大速度达到180m/s，同时在承受重负荷和变动负荷时弹性变位量也很小而稳定，适合用于有振动和冲击的部位，使得高速种载切削变为可能。

精密大导程滚珠丝杠副的使用：精密滚珠丝杠不仅仅具有更高的传动精度，还具有钢球数量多、螺母长度小等特点，进而提高了丝杠副承载能力和刚度，大导程则保证了机床具有足够高的进给速度，采用丝杠内部强制冷却的方式降低丝杠副的温升。在国外部分超高速加工中心上，已经开始使用瑞士GSA公司生产的行星滚珠丝杠实现进给传动，其主要特点包括承载能力是同规格滚珠丝杠的三倍、线速度可达到120m/s，加速度可达3g，接近直线电机速度水平，内部无钢球反向装置避开了DN值的制约，可在小导程的情况下实现高速进给。

大功率主轴电机：在诸多影响选择机床主轴电机功率大小的因素中，最主要的有主轴锥度、加工中选择的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。选择大锥度主轴，能进行大功率切削，但是，有时为了快速地加速和减速，也可以采用大功率电机驱动小锥度主轴的方案。对于大切除率加工，必须选用大锥度主轴和大功率机床主轴电机。零件材料对选择机床主轴电机功率影响不大。例如，对于锻件和铸件，并不要求大功率切削。但是选择在机床主轴高转速下加工，必须选择大功率电机。大零件加工也要选择大功率驱动是因为它需选用大直径刀具加工。

主轴轴承的合理选用：切削实验证明，在主轴前端安装一排向心止推轴承和一排滚珠轴承，在主轴后端安装两排滚珠轴承，为最佳的装配组合方案。它能保证在通常切削条件下主轴有好的刚性，能承受很大的侧向切削力，又能满足高速切削加工的需要。尺寸大的轴承能提供高强度和高刚度。但是大尺寸轴承有两个缺点：由于大轴承的质量大和轴承间的接触面积大，因而在高主轴转速下产生大量的热量；在大量的热量长时间地作用下会引起主轴尺寸—涨大，影响加工精度。

大质量的主轴还需要大功率电机才能驱动。尽管轴承内圈加有润滑油冷却，但是大轴承在高转速下使承载量和旋转惯量增大，因而所需功率加大。尤其是当主轴转速增加时，功率消耗增大。可是并不是所有的功率都消耗在切削加工上。例如，具有40hp的主轴，只能有15~20hp的功率作用于刀头上，其余则都用以旋转主轴。对于一个高功率主轴，应该尽可能地将大量的功率作用在切削工件上，而用很小的功率去驱动最高转速的主轴。因此使用多排小直径轴承代替两排大直径轴承，将取得好的加工效果。因为小直径轴承重量轻，消耗功率小，发热量也小。使用多排小直径轴承，并不使主轴刚度受到影响，而且还对主轴轴承的载荷预加相当有利。为了提高刀具的切削性能和延长刀具的使用寿命，对多排轴承预加较小的压力，即能提高机床主轴的刚度，达到以上目的。从长远的观点上看，对磁力和静压轴承的市场需求量将会大大增加。而陶瓷球轴承因为具有重量轻、硬度高等特点已经开始大批量使用，实验证明高速条件下陶瓷轴承使主轴尺寸增大的程度只是轴承钢轴承的1/40，因此具有很高的精度保持能力。另外，高性能主轴基本都具有自动调节轴承预载大小的功能，即高速时降低预载荷以降低发热，高速时提高预载荷以提高主轴刚度。

高转速大扭矩电主轴的应用：电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。而高效加工中心需要具有更宽的切削范围，因此需要主轴同时具有高转速和大扭矩两个特点，一些日本制造商正尝试在主轴内部安装低速和高速两组内置电机，电机转子之间通过端齿离合器连接，低速切削时离合器啮合两组电机同时工作，高速切削时离合器脱开只有高速电机工作。使用FANUC内置电机时，主轴恒功率切削范围可达到100~15000r/min，对拓展加工中心的使用范围具有很大帮助。

生产线用高效加工中心：随着对加工效率和成本的追求，单机加工已经被高效生产线加工所代替，因此新一代的高效加工中心除了上述一些特点外，还应具备很强的上线能力，包括尽量小的外形尺寸、集中排屑能力、全封闭防护、通信功能、工件自动检测功能、刀具夹具自动检测管理功能等。

大连机床集团新一代高效加工中心机床MDH65，它具有上述大部分特点，同时作为生产线单元机床来进行设计，经过实践验证，新技术的不断使用，生产模式的不断创新，是高效加工技术发展的核心内容，同时也是加工中心机床发展的必经之路。