高性能加工中心與高速加工中心的區(qū)別在于它除有一個(gè)能高速旋轉(zhuǎn)的主軸，還設(shè)計(jì)了高精度的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、大功率主軸電機(jī)、精密主軸軸承、滾珠絲杠、高效伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及先進(jìn)的CNC系統(tǒng)等。因而使加工中心在高效率下加工出高精度的零件，大大提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1、直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌
加工中心的各軸向運(yùn)動(dòng)的速度和精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速切削至關(guān)重要。直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的磨擦系數(shù)僅為普通方形導(dǎo)軌的1/20。由于直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的滾柱與導(dǎo)軌間的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方形導(dǎo)軌，因而使功率消耗也降低為方形導(dǎo)軌的1/20，且能保持長(zhǎng)時(shí)間的很少磨損，大大提高導(dǎo)軌的使用壽命。精密的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌具有一個(gè)淬火硬度為HRC58-62的經(jīng)精密導(dǎo)軌磨床磨削的直線形導(dǎo)軌，而不像普通方形導(dǎo)軌那樣最少有一個(gè)V型導(dǎo)軌。因?yàn)閮蓷l直線形導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此容易加工、裝配、測(cè)量以及能選擇合適的滾柱直徑等。直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌具有高的剛度，與工作臺(tái)之間無(wú)間隙存在，因而很少產(chǎn)生振動(dòng)，能加工出低表面粗糙度的零件表面，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
2、精密的滾珠絲杠
機(jī)床滾珠絲杠直徑及螺距的大小直接影響加工零件的精度，尤其是在進(jìn)給量的切削條件下，采用直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的高性能加工中心都選擇小直徑的細(xì)牙螺距的單頭滾珠絲杠。也有的采用粗牙螺距的多頭滾珠絲杠。一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的傳動(dòng)方案。但是，滾珠絲杠在工作中，滾動(dòng)體作螺旋運(yùn)動(dòng)其自轉(zhuǎn)軸線的方向是變化的，因而會(huì)產(chǎn)生陀螺運(yùn)動(dòng)。當(dāng)陀螺運(yùn)動(dòng)中的陀螺力矩超過(guò)滾珠體與滾道間的摩擦力時(shí)，滾動(dòng)體將產(chǎn)生滑動(dòng)，從而造成劇烈摩擦，使絲杠溫度升高，同時(shí)振動(dòng)和噪音增大，縮短了絲杠壽命，降低了滾珠絲杠的傳動(dòng)品質(zhì)。為此開(kāi)發(fā)出一種新型的高性能的滾動(dòng)絲杠——行星滾柱絲杠，較好地解決了以上技術(shù)難題。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，在超高進(jìn)給的情況下，工作臺(tái)加速度將達(dá)到3g以上，因此移動(dòng)件的慣性力也相當(dāng)大。在進(jìn)行機(jī)械部分設(shè)計(jì)時(shí)必須力求減小移動(dòng)件的質(zhì)量和回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)一步提高進(jìn)給系統(tǒng)的剛度、靈敏度和精度。
3、大功率機(jī)床主軸電機(jī)
在諸多影響選擇機(jī)床主軸電機(jī)功率大小的因素中，最主要的有主軸錐度、加工中選擇的切削用量(切除率)、零件大小和刀具尺寸等。選擇大錐度主軸，能進(jìn)行大功率切削，但是，有時(shí)為了快速地加速和減速，也可以采用大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)小錐度主軸的方案。對(duì)于大切除率加工，必須選用大錐度主軸和大功率機(jī)床主軸電機(jī)。零件材料對(duì)選擇機(jī)床主軸電機(jī)功率影響不大。例如，對(duì)于鍛件和鑄件，并不要求大功率切削。但是選擇在機(jī)床主軸高轉(zhuǎn)速下加工，必須選擇大功率電機(jī)。大零件加工也要選擇大功率驅(qū)動(dòng)是因?yàn)樗柽x用大直徑刀具加工。
4、主軸軸承
主軸軸承的種類和規(guī)模大小必須能滿足使用條件。尺寸大的軸承能提供高強(qiáng)度和高剛度。但是大尺寸軸承有兩個(gè)缺點(diǎn)：
1）由于大軸承的質(zhì)量大和軸承間的接觸面積大，因而在高主軸轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大量的熱量。在大量的熱量長(zhǎng)時(shí)間地作用下會(huì)引起主軸尺寸—漲大，影響加工精度。
大質(zhì)量的主軸還需要大功率電機(jī)才能驅(qū)動(dòng)。盡管軸承內(nèi)圈加有潤(rùn)滑油冷卻，但是大軸承在高轉(zhuǎn)速下使承載量和旋轉(zhuǎn)慣量增大，因而所需功率加大。尤其是當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，功率消耗增大?？墒遣⒉皇撬械墓β识枷脑谇邢骷庸ど?。例如，具有40馬力的主軸，只能有15—20馬力的功率作用于刀頭上，其余則都用以旋轉(zhuǎn)主軸。對(duì)于一個(gè)高功率主軸，它能盡可能地將大量的功率作用在切削工件上，能用很小的功率去驅(qū)動(dòng)最高轉(zhuǎn)速的主軸。作用在主軸上的功率大小，根據(jù)空載下旋轉(zhuǎn)主軸的最高轉(zhuǎn)速即可計(jì)算出機(jī)床所消耗的功率。因?yàn)樵诟咚傧虑邢鳎瑠A頭和刀具在切削力作用下產(chǎn)生徑向偏斜，不同心等引起附加力增大或產(chǎn)生不平衡的離心力等。
2）使用多排小直徑軸承，并不使主軸剛度受到影響，而且還對(duì)主軸軸承的載荷預(yù)加相當(dāng)有利。軸承預(yù)加載荷通常指主軸在靜態(tài)下作用在軸承上的壓力大小，一般采用預(yù)加載荷來(lái)改善主軸剛度和加大切削能力。但是由于作用在軸承上的壓力增大，發(fā)熱量增大，因而也加速了軸承磨損。為了提高刀具的切削性能和延長(zhǎng)刀具的使用壽命，對(duì)多排軸承預(yù)加較小的壓力，即能提高機(jī)床主軸的剛度，達(dá)到以上目的。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)上看，對(duì)磁力、氣動(dòng)和靜壓軸承的市場(chǎng)需求量將會(huì)大大增加。但是，目前在高速切削中，最常用的還是以下兩種：向心止推軸承和滾珠軸承。在標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速條件下，在主軸前端經(jīng)常安裝一排滾珠軸承和—排向心止推軸承，在主軸后端安裝兩排滾珠軸承。因?yàn)樵谥鬏S前端安裝—排滾珠軸承能極好地提高主軸剛度增加主軸的承載能力。這一點(diǎn)對(duì)于重載切削至關(guān)重要。但是，因?yàn)闈L珠軸承有較大的接觸面積，比向心止推軸承的重量重，因此消耗功率大，產(chǎn)生熱量大，容易引起主軸尺寸漲大，功率利用低。高速切削可減少作用在主軸和刀具上的徑向力，這樣，在主軸前端安裝的向心止推軸承提供了足夠的剛度和穩(wěn)定性，避免了機(jī)床主軸受熱而產(chǎn)生的尺寸膨脹。
合理地選擇軸承材料同軸承種類同樣重要。雖然由軸承鋼制成的軸承目前仍被廣泛使用，但實(shí)踐證明，高速切削使用陶瓷軸承將表現(xiàn)出許多的優(yōu)點(diǎn)。盡管軸承鋼制成的軸承價(jià)格便宜，便其重量遠(yuǎn)比同樣規(guī)格的陶瓷軸承重得多。由于重量重，高速切削中發(fā)熱量大，必須配置復(fù)雜的冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。同時(shí)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，使作用在軸承上的向心力增大，使軸承溫度升高，引起主軸尺寸增大，影響加工零件的尺寸精度，同時(shí)使機(jī)床主軸所需功率增加。陶瓷軸承由于重量輕，將較好地解決這一技術(shù)難題。切削試驗(yàn)證明，陶瓷軸承使主軸尺寸增大的速度只為軸承鋼軸承的1/40。原因是它在高速下切削只有很小的向心力作用在軸承上。同時(shí)，為了提高機(jī)床主軸剛度和切削能力，在陶瓷軸承上還可施加很大的預(yù)加載荷。由于陶瓷軸承有以上特點(diǎn)，因而使其使用壽命增長(zhǎng)。
現(xiàn)代機(jī)床主軸技術(shù)允許機(jī)床根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速，方便地調(diào)整作用在主軸軸承上的預(yù)加載荷。當(dāng)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于向心力增加，作用在軸承廣的載荷也增加。反之，作用在軸承上的載荷減小。因而，使軸承上的熱量減少，軸承尺寸膨脹減小。當(dāng)然在高速切削下，也允許給軸承預(yù)加很小的載荷，這樣作用在刀具上的切削力很小，因此可降低對(duì)機(jī)床剛度的要求。在低主軸轉(zhuǎn)速下，給軸承預(yù)加較大的載荷，仍是必要的，因?yàn)樵谠黾拥毒咔邢髁ν瑫r(shí)，作用在主軸上的作用力也增大了。
5、主軸電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)
目前，機(jī)床主軸和電機(jī)之間有兩種聯(lián)接方式，一是通過(guò)皮帶或齒輪；二是直接傳動(dòng)，即直接將主軸電機(jī)連接于主軸上，或是將主軸電機(jī)與主軸同時(shí)安裝在一個(gè)復(fù)合裝置上，稱為復(fù)合主軸。
由皮帶或齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是，主軸電機(jī)在慢速下旋轉(zhuǎn)也能獲得高的主軸轉(zhuǎn)速。這種傳動(dòng)方式，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速低，輸入功率小，因而價(jià)格便宜，但它具有以下缺點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而容易出現(xiàn)毛病，維修不方便。同時(shí)皮帶、齒輪與主軸之間還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。隨著結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化，運(yùn)動(dòng)零件進(jìn)一步減少，還會(huì)使主軸能更快地加速和減速。相反，皮帶或齒輪傳動(dòng)主軸包括主軸、軸座、電動(dòng)機(jī)、皮帶輪或齒輪等，每個(gè)零件由不同重量的材料構(gòu)成，高速旋轉(zhuǎn)下發(fā)生摩擦產(chǎn)生熱。由于材料重量及作用力不同，各處產(chǎn)生的熱量又不相同，因此引起主軸各處膨脹量大小不同，嚴(yán)重時(shí)，使主軸產(chǎn)生變形，影響主軸尺寸、幾何形狀等。而直接傳動(dòng)主軸則由于熱變形均勻，同時(shí)直接傳動(dòng)主軸即使在超高速條件下，也可采取冷卻液通過(guò)主軸內(nèi)孔的冷卻方式進(jìn)行冷卻。因而基本上不影響主軸精度，更能穩(wěn)定地保證加工質(zhì)量。
6、冷卻與潤(rùn)滑
在切削加工中，如果不加注冷卻液，將會(huì)引起主軸的尺寸膨脹。為保證機(jī)床主軸的高精度，就必須穩(wěn)定地控制主軸和軸承有一個(gè)固定的尺寸。目前，普通機(jī)床根據(jù)主軸結(jié)構(gòu)不同，選擇外冷、內(nèi)冷方式或內(nèi)外共同冷卻方式對(duì)主軸、軸承進(jìn)行冷卻。但—般情況下，盡量采用外冷方式。通過(guò)冷卻，將由刀頭傳遞到主軸的熱量排至空氣中去。
為了有效地提高機(jī)床利用率降低功率消耗，建議采用霧狀冷卻或噴射冷卻油主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。尤其是對(duì)于高速加工機(jī)床，建議根據(jù)機(jī)床主軸達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速和軸承選用的材料選擇主軸冷卻系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速及軸承外徑校驗(yàn)，以確定選擇的冷卻系統(tǒng)。若兩種軸承均選擇軸承鋼軸承，建議選擇噴射油冷卻系統(tǒng)。當(dāng)然兩者相比，后者需要提供大量的冷卻潤(rùn)滑液，增大了機(jī)床的功率消耗。
7、數(shù)控系統(tǒng)
現(xiàn)代CNC技術(shù)允許機(jī)床以38．1m/min進(jìn)給速度加工。其主要原因是由于加工中能選擇很高的切削速度加工。同時(shí)需要機(jī)床配備高轉(zhuǎn)速和高分辨率的伺服電機(jī)。除此之外，為了保證高精度，還要求高分辨率的伺服電機(jī)具有快速處理信號(hào)的能力。當(dāng)然，光有高分辨率的伺服電機(jī)而不增加處理器的運(yùn)行速度是沒(méi)有用的。因?yàn)楦叻直媛实乃欧姍C(jī)具有比它的前輩有更多的數(shù)據(jù)需要處理，所以要求字組處理的高速度。字組處理的高速度能快速處理數(shù)據(jù)和向分伺服電機(jī)快速發(fā)出脈沖。為此，一般在伺服電機(jī)上需要配置兩個(gè)32位的處理器才能滿足使用要求，才能快速處理好加工中收集的大量數(shù)據(jù)和涉及到高速加工中對(duì)復(fù)雜零件形狀快速地進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的需要。
當(dāng)加工大型的形狀復(fù)雜的飛機(jī)零件和塑壓模具時(shí)，由于一般的NC系統(tǒng)的內(nèi)存不夠，一般需要先存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，同時(shí)由計(jì)算機(jī)輸入NC系統(tǒng)(或稱CNC系統(tǒng))。當(dāng)然對(duì)于程序不長(zhǎng)、形狀不太復(fù)雜的零件，則一般的NC系統(tǒng)即可滿足使用要求，因?yàn)樗哂忻棵腌娔芴幚?6800個(gè)符號(hào)的傳輸速度。為提高機(jī)床的快速進(jìn)給能力和加工精度，需要開(kāi)發(fā)新的計(jì)算機(jī)軟件。根據(jù)實(shí)際加工需要，要求開(kāi)發(fā)的軟件不論在一般進(jìn)給速度還是高速進(jìn)給條件下，均能獲得加工零件的高精度。
為在選定的進(jìn)給速度下提高零件加工精度，不僅可以通過(guò)適當(dāng)增加走刀次數(shù)，而且可以通過(guò)最近開(kāi)發(fā)的幾何形狀補(bǔ)償軟件，在較高生產(chǎn)效率下極好地保證加工質(zhì)量。幾何形狀補(bǔ)償軟件與高進(jìn)給速度軟件不同，后者用以提高機(jī)床進(jìn)給速度或減少加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，前者主要用以提高加工零件精度，其主要的功能如下：
1）預(yù)先對(duì)加速度或減速度進(jìn)行插補(bǔ)。在圓弧插補(bǔ)加工中經(jīng)常出現(xiàn)匯編的程序與實(shí)際加工之間存在很大的差異，其主要原因是由于刀具沿軸向移動(dòng)中的加速度或減速度造成的超前或滯后所致。它可以通過(guò)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度或減速度造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
2）對(duì)向前進(jìn)給進(jìn)行預(yù)先控制。除加工系統(tǒng)外，機(jī)床伺服控制系統(tǒng)本身的一些誤差也能降低加工零件精度。新開(kāi)發(fā)的向前進(jìn)給控制系統(tǒng)，能根據(jù)加工程序、切削速度和進(jìn)給速度等計(jì)算出可能產(chǎn)生的誤差值，在實(shí)際加工誤差出現(xiàn)前，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
3）進(jìn)行精密的矢量補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)床進(jìn)行高速加工時(shí)，需優(yōu)先選擇一種合適的進(jìn)給速度。一般通過(guò)調(diào)整伺服電機(jī)中放大裝置的放大系數(shù)得到。當(dāng)將向前進(jìn)給的放大系數(shù)調(diào)整到很大時(shí)，即可提高伺服控制對(duì)誤差的跟蹤速度。當(dāng)然跟蹤速度的提高將降低伺控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伺服控制系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性，將會(huì)使加工出的零件表面粗糙度變壞。精密的矢量補(bǔ)償系統(tǒng)就是用以對(duì)大型的選擇微增量的零件加工程序進(jìn)行校正。校正后的加工程序能穩(wěn)定伺服控制系統(tǒng)，尤其是進(jìn)給系統(tǒng)穩(wěn)定的伺服控制系統(tǒng)能消除引起零件表面粗糙度變壞的振動(dòng)。
4）選擇合適的拐角加工減速度。在應(yīng)用以上三種功能時(shí)，通常還要求各運(yùn)動(dòng)軸在零件的拐角加工處進(jìn)行減速，以避免驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在刀具快速轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)。它要求在給定的時(shí)間內(nèi)減速到適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度下進(jìn)行加工。
5）對(duì)高性能加工中心，不僅需設(shè)計(jì)出高轉(zhuǎn)速的主軸，還需設(shè)計(jì)出高性能CNC系統(tǒng)、高精度直線導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、軸承、選擇合適的冷卻潤(rùn)滑方式、機(jī)床/刀具接口等。上述技術(shù)目前已用于生產(chǎn)許多高性能加工中心，用于生產(chǎn)實(shí)際，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。
