機床技術發展的新趨勢
高速數控加工起源于90年代初，它以電主軸實現主軸高速和以直線電機實現高直線移動速度為主要特征，主要應用于大批量生產的轎車工業等領域。目的是力圖用高主軸轉速和高速直線進給運動的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實現高主軸轉速和高速進給的組合機床，從而在大批量生產中，既得到高度的柔性利于產品快速地更新換代，而又不降低生產效率。
在實際生產中，一些馳名的汽車廠如我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。當前最新趨勢是：繼續擴大其應用范圍。有的公司為了降低成本，不用直線電機，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導程的滾珠絲杠；日本東芝機械則采用中空通冷卻液的雙滾珠絲杠來增強傳動剛度。但不管采用何種形式的滾珠絲杠，其最大移動速度一般不大于50m/min，加速度最高為0.5g～1g，但是，HüLLERHILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框”結構，使得移動部件質量較小。因此盡管用了滾珠絲杠，其X、Y、Z軸直線速度仍可高達75m/min，加速度達1g。
高速加工應用的另一個領域是用立方氮化硼刀具進行淬硬鋼的高速銑削或車削，這對模具工業非常有利。為了追求最終的高精度，一般希望在模具淬硬以后進行精加工。在以前，對付淬硬模具唯一可用的加工手段是電加工。電加工的放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。而高速銑削淬硬鋼的效率卻可以高出幾十倍，從而成為電加工的理想替代工藝。雖然，對那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等高速銑削無能為力，但可以用高速銑削進行粗、半精加工，而用電加工作最后加工，這樣可大大縮短模具加工周期。對那些為數眾多的異形且窄而深的槽類模具，仍只能采用電加工方法。為此，電加工永遠不會被完全取代。
高速銑削淬硬鋼對電加工的挑戰，促使電加工機床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年（1996年著手研制）在世界上率先推出了直線電機取代滾珠絲杠的電火花成形機床。在IMTS2000上Sodick的電火花線切割機床和打孔機床也全部用上了直線電機。以直線運動速度為36m/min左右、分辨率為1μm的直線電機傳動取代直線速度只有1.3m/min左右，分辨率為1μm的滾珠絲杠，其傳動的優越性不能直接體現在高速度上。這是由電火花機床為不斷維持放電間隙的前移而又不致于短路的伺服性質所決定的。它表現為瞬時進、瞬時停、甚至瞬時后退。由于直線電機大幅度提高了傳動剛進，且有高達3000N的直線推力，因此有可能產生瞬時高加（減）速度，形成高頻率瞬時的斷續沖擊，沖走由電蝕產生的鐵屑。這樣既可免除一切“沖刷”（Flushing）裝置，又可一直保持最小且一致的火花間隙而達到快速的進給。從而不僅可大幅度提高效率（一般可提高40%）、精度，改善表面粗糙度，還可以解決以往由于無法解決“沖刷”問題（如很難在微小且密集的電極上鉆“沖刷”用小孔等）而不能進行電加工的問題。
航空和宇航工業是高速加工的傳統應用領域。其原因一是其主導材料為鋁和鋁合金；二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋，剛度很差。只有高速切削時切削力很小才能對這些筋、壁進行加工。最新趨勢是：近來這些行業流行采用大型整體鋁合金坯料制造大型部件，如機翼、機身等，來替代多個零件，以避免眾多的鉚釘、螺釘和其它聯結方式。這樣不僅可省去昂貴的裝配工時和工裝，還可使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。因而，在這屆IMTS2000上，美國CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了專門用于飛機工業的大型高速銑床（其型號分別為HyperMach和JoMach159）。這類機床有以下特點：
?。?）進一步提高主軸轉速和功率：由于飛機工業采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大。因而，主軸轉速和功率可增加的空間也很大。據CINCINNATI公司稱，以往在飛機工業中，主軸轉速達15000r/min和22kW就是高速了。隨著技術進步，先進機床已提高到40000r/min和40kW。而他們的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即達到了新的高度。
?。?）超長的X行程和龍門移動：由于“機翼”類為細長型零件，JoMach機床的X軸行程長達30m，而Y軸只有2m。據稱它將被用于加工歐洲下一代戰斗機“臺風”的機翼。HyperMach機床的X行程最長為46m，Y軸也只有2m。英國Marwin公司Alumax系列機床的雙面總長度達100m。如此長的X行程，只能是龍門（往往是多個龍門）移動而不可能是工作臺移動。
?。?）采用直線電機作高速直線傳動：和以往航空工業大型機床用斜齒輪齒條或蝸桿條傳動不同，這類高速銑床也用上了直線電機。這是為了適應主軸超高速、特大功率和超長X行程的需要。HyperMach機床采用直線電機以后，進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g。據CICINNATI公司稱，他們在HyperMach上曾試切一件薄壁飛機零件，只花了30分鐘。同樣的零件在一般高速銑床上加工費時3小時，而在普通數控床需8小時。這充分顯示了超高速機床的威力。
Jobs公司2000年推出的另一臺用于航空和模具工業的高速大型銑床LinX，為橋式布局，也應用了直線電機，最高進給速度達60m/min，加速度0.6g，主軸轉速24000r/min，功率為44kW。據稱，由于高速主軸和高速進給，加工時間可減少50%，機床結構還得到簡化，減少了25%的零件，從而易于維護。
以上說明直線電機應用已從最初的汽車工業，擴展到電加工機床，航空工業和大型模具的加工。
不僅如此，這次IMTS2000展品中，板材沖壓機和激光板材切割機床也應用了直線電機，如Alabama公司的激光切割機，采用直線電機后，速度為150m/min，加速度為1.3g。另外，直線電機還被應用于三坐標測量機，如Helmel公司的MierostarHS產品，直線移動速度達30m/min，這樣，測頭每分鐘可作120次以上的接觸測量。
高速化另一個關鍵功能部件——電主軸最近有以下新進展：
（1）瑞士Fischer公司推出在電主軸部件上裝有在線自動動平衡裝置的產品。應用在加工中心上，每換一次刀進行一次包括刀具質量在內的自動動平衡。據稱可在一秒鐘內消除80～90%由動不平衡所引起的振動。
?。?）瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸，據稱使用壽命大于2萬小時。
（3）美國Ingersoll公司推出了動靜壓軸承的電主軸，作為一個獨立部件出售。
?。?）瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。
（5）瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備軸向尺寸監測傳感器，可與機床數控系統聯結進行軸向尺寸的補償。
?。?）永磁同步電機的電主軸也已出現。此前電主軸的電機均為異步感應電機。其定子發熱可以冷卻，而轉子發熱無法冷卻。但永磁同步電機的轉子為永久磁鐵不發熱。此外，同功率的同步電機外形尺寸比異步電機小，有利于實現小尺寸、大功率，也即可提高功率密度（PowerDensity）。但目前僅有少數機床公司（如Mazak）在研制。專業的電主軸公司尚未見有產品供應。
歐洲至少有三家著名的電主軸公司（瑞士Fischer、IBAG，德國GMN）正在搶灘美國市場，紛紛在美國建立分公司進行銷售、維修和翻新等業務。原因是電主軸的核心技術是精密加工和精密裝配，對工人的技藝水平要求很高，這些正是瑞士、德國的強項；在高速運轉情況下，滾動軸承的壽命均是較低的。主要失效形式為由于材料疲勞而喪失精度（電主軸精度一般為徑向2μm，軸向1μm）。因此不具備本地維修、翻新的能力是不可能打開市場的。一些電主軸公司建議戶購置一個備品，因為一般的維修、翻新時間為兩周。這樣，可把停機時間減至最小。
在實際生產中，一些馳名的汽車廠如我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。當前最新趨勢是：繼續擴大其應用范圍。有的公司為了降低成本，不用直線電機，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導程的滾珠絲杠；日本東芝機械則采用中空通冷卻液的雙滾珠絲杠來增強傳動剛度。但不管采用何種形式的滾珠絲杠，其最大移動速度一般不大于50m/min，加速度最高為0.5g～1g，但是，HüLLERHILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框”結構，使得移動部件質量較小。因此盡管用了滾珠絲杠，其X、Y、Z軸直線速度仍可高達75m/min，加速度達1g。
高速加工應用的另一個領域是用立方氮化硼刀具進行淬硬鋼的高速銑削或車削，這對模具工業非常有利。為了追求最終的高精度，一般希望在模具淬硬以后進行精加工。在以前，對付淬硬模具唯一可用的加工手段是電加工。電加工的放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。而高速銑削淬硬鋼的效率卻可以高出幾十倍，從而成為電加工的理想替代工藝。雖然，對那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等高速銑削無能為力，但可以用高速銑削進行粗、半精加工，而用電加工作最后加工，這樣可大大縮短模具加工周期。對那些為數眾多的異形且窄而深的槽類模具，仍只能采用電加工方法。為此，電加工永遠不會被完全取代。
高速銑削淬硬鋼對電加工的挑戰，促使電加工機床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年（1996年著手研制）在世界上率先推出了直線電機取代滾珠絲杠的電火花成形機床。在IMTS2000上Sodick的電火花線切割機床和打孔機床也全部用上了直線電機。以直線運動速度為36m/min左右、分辨率為1μm的直線電機傳動取代直線速度只有1.3m/min左右，分辨率為1μm的滾珠絲杠，其傳動的優越性不能直接體現在高速度上。這是由電火花機床為不斷維持放電間隙的前移而又不致于短路的伺服性質所決定的。它表現為瞬時進、瞬時停、甚至瞬時后退。由于直線電機大幅度提高了傳動剛進，且有高達3000N的直線推力，因此有可能產生瞬時高加（減）速度，形成高頻率瞬時的斷續沖擊，沖走由電蝕產生的鐵屑。這樣既可免除一切“沖刷”（Flushing）裝置，又可一直保持最小且一致的火花間隙而達到快速的進給。從而不僅可大幅度提高效率（一般可提高40%）、精度，改善表面粗糙度，還可以解決以往由于無法解決“沖刷”問題（如很難在微小且密集的電極上鉆“沖刷”用小孔等）而不能進行電加工的問題。
航空和宇航工業是高速加工的傳統應用領域。其原因一是其主導材料為鋁和鋁合金；二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋，剛度很差。只有高速切削時切削力很小才能對這些筋、壁進行加工。最新趨勢是：近來這些行業流行采用大型整體鋁合金坯料制造大型部件，如機翼、機身等，來替代多個零件，以避免眾多的鉚釘、螺釘和其它聯結方式。這樣不僅可省去昂貴的裝配工時和工裝，還可使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。因而，在這屆IMTS2000上，美國CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了專門用于飛機工業的大型高速銑床（其型號分別為HyperMach和JoMach159）。這類機床有以下特點：
?。?）進一步提高主軸轉速和功率：由于飛機工業采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大。因而，主軸轉速和功率可增加的空間也很大。據CINCINNATI公司稱，以往在飛機工業中，主軸轉速達15000r/min和22kW就是高速了。隨著技術進步，先進機床已提高到40000r/min和40kW。而他們的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即達到了新的高度。
?。?）超長的X行程和龍門移動：由于“機翼”類為細長型零件，JoMach機床的X軸行程長達30m，而Y軸只有2m。據稱它將被用于加工歐洲下一代戰斗機“臺風”的機翼。HyperMach機床的X行程最長為46m，Y軸也只有2m。英國Marwin公司Alumax系列機床的雙面總長度達100m。如此長的X行程，只能是龍門（往往是多個龍門）移動而不可能是工作臺移動。
?。?）采用直線電機作高速直線傳動：和以往航空工業大型機床用斜齒輪齒條或蝸桿條傳動不同，這類高速銑床也用上了直線電機。這是為了適應主軸超高速、特大功率和超長X行程的需要。HyperMach機床采用直線電機以后，進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g。據CICINNATI公司稱，他們在HyperMach上曾試切一件薄壁飛機零件，只花了30分鐘。同樣的零件在一般高速銑床上加工費時3小時，而在普通數控床需8小時。這充分顯示了超高速機床的威力。
Jobs公司2000年推出的另一臺用于航空和模具工業的高速大型銑床LinX，為橋式布局，也應用了直線電機，最高進給速度達60m/min，加速度0.6g，主軸轉速24000r/min，功率為44kW。據稱，由于高速主軸和高速進給，加工時間可減少50%，機床結構還得到簡化，減少了25%的零件，從而易于維護。
以上說明直線電機應用已從最初的汽車工業，擴展到電加工機床，航空工業和大型模具的加工。
不僅如此，這次IMTS2000展品中，板材沖壓機和激光板材切割機床也應用了直線電機，如Alabama公司的激光切割機，采用直線電機后，速度為150m/min，加速度為1.3g。另外，直線電機還被應用于三坐標測量機，如Helmel公司的MierostarHS產品，直線移動速度達30m/min，這樣，測頭每分鐘可作120次以上的接觸測量。
高速化另一個關鍵功能部件——電主軸最近有以下新進展：
（1）瑞士Fischer公司推出在電主軸部件上裝有在線自動動平衡裝置的產品。應用在加工中心上，每換一次刀進行一次包括刀具質量在內的自動動平衡。據稱可在一秒鐘內消除80～90%由動不平衡所引起的振動。
?。?）瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸，據稱使用壽命大于2萬小時。
（3）美國Ingersoll公司推出了動靜壓軸承的電主軸，作為一個獨立部件出售。
?。?）瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。
（5）瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備軸向尺寸監測傳感器，可與機床數控系統聯結進行軸向尺寸的補償。
?。?）永磁同步電機的電主軸也已出現。此前電主軸的電機均為異步感應電機。其定子發熱可以冷卻，而轉子發熱無法冷卻。但永磁同步電機的轉子為永久磁鐵不發熱。此外，同功率的同步電機外形尺寸比異步電機小，有利于實現小尺寸、大功率，也即可提高功率密度（PowerDensity）。但目前僅有少數機床公司（如Mazak）在研制。專業的電主軸公司尚未見有產品供應。
歐洲至少有三家著名的電主軸公司（瑞士Fischer、IBAG，德國GMN）正在搶灘美國市場，紛紛在美國建立分公司進行銷售、維修和翻新等業務。原因是電主軸的核心技術是精密加工和精密裝配，對工人的技藝水平要求很高，這些正是瑞士、德國的強項；在高速運轉情況下，滾動軸承的壽命均是較低的。主要失效形式為由于材料疲勞而喪失精度（電主軸精度一般為徑向2μm，軸向1μm）。因此不具備本地維修、翻新的能力是不可能打開市場的。一些電主軸公司建議戶購置一個備品，因為一般的維修、翻新時間為兩周。這樣，可把停機時間減至最小。
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