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为实现高性能高效高速切削加工技术，机床制造商开发了具有可交换主轴铣头/电主轴筒芯技术的三高数控加工机床，较好地满足了一些用户对通用型数控加工机床的实际需求。可自动交换主轴铣头，或可互换电主轴系统的高性能高效高速数控加工机床固然具有许多优势，但也还存在有如下几个问题：
（1）对确定的机床主轴而言，高功率高转矩通常就意味着较低转速，而高功率高转速则就意味着较低转矩，前者多应用在粗加工/半粗加工或硬合金材切削加工场合，而后者多应用在半精加工/精加工或轻合金材切削加工场合，为融合集成这两种不同切削加工应用，扩展机床加工能力，就需要使用多个不同特性的主轴铣头/电主轴组合应用才有可能，而这意味要增加设备费用。
（2）无论是可交换主轴铣头或还是可互换电主轴几乎均需采用“拾取式”交换技术，这就要求机床一般应具有较大的可工作空间，以作为主轴铣头/电主轴预存放与自动交换，这对许多一般大中型数控加工中心机床应用存在有明显局限性。
（3）主轴铣头/电主轴利用率低。典型高性能高效高速数控加工机床所预存放的主轴头或电主轴，只有被装上主轴时才被用于切削加工之用，导致主轴头或电主轴利用率低，制造资源浪费严重。
如果存在有一种主轴电机其功率/转矩-转速特性曲线若能覆盖前述多个主轴电机特性范围，则就可用一个主轴头来取代多个主轴头。从金属切削原理可知，对数控加工机床主轴有：
P=T×n/9555
这儿，P：主轴切削功率，kW；T：主轴切削转矩，Nm；n：主轴转速，r/min。
从上式可看出，在确定的主轴功率场合下，主轴切削转矩和转速互为制约的。这也正是前面所讨论的高功率高转矩通常就意味着较低转速，而高功率高转速则就意味着较低转矩的缘故。但也存在有这样一种情况：当主轴功率确定且足够高时，如果能同时获得较高转矩与最大转速，并具有足够宽的可调速范围，则就有可能兼顾满足粗精加工或/和硬轻合金材加工之需求。
这就是说，如果在数控加工机床上使用一种高功率高转矩高转速宽调速范围的单一主轴铣头则可较好地解决上述所讨论的若干问题。随高转矩高速电主轴技术的发展与进步，设计制造一种高功率高转矩高转速宽调速范围的电主轴已有可能，一些著名电主轴制造商已推出了高功率高转矩高转速电主轴以适应机床制造商的需求。为此，一些数控机床制造商推出了配置有单一高功率高转矩高转速电主轴的紧凑型三高数控加工机床。 （图片）
KX200高速数控MC机床 目前，在紧凑型三高数控加工机床上使用的高功率高转矩高转速电主轴，其最高转速多在10,000～18,000r/min，最大转矩多为200～500Nm，基速多为1,000～2,000r/min。法国Huron（尤龙）公司新近推出的精密高效高速立式五轴数控龙门铣削中心KX200可作为紧凑型三高数控加工机床的一个典型实例，见右图。该机床X/Y/Z轴行程达3,300/2,300/1,000mm，工作台面为3,500×1,250mm。为提高机床结构刚性，采用固定龙门结构，且仅由工作台与底座、整体桥式龙门以及主轴铣头与滑枕三大部件组成。特别设计的大厚度整体桥式龙门结构具有良好吸振性，确保加工过程稳定性、高刚性和高精度。KX200机床主轴铣头设计为带B/C轴并集成有电主轴的摆叉式铣头；B/C轴由力矩电机直接驱动，B轴±95°，C轴±190°；电主轴连续功率达70kW（S6：86kW），转矩190Nm（S6：235Nm），基速3,500r/min，在最高转速12000r/min时其转矩仍超过50Nm。XYZ三直线轴全长定位精度7μm，重复定位精度4μm，旋转轴定位精度7”，重复定位精度4”。 X/Y/Z直线轴快速进给速度为25/40/40m‧min-1，加速度7m/s2，旋转轴速度30r/min，加速度6°/s2。
因此，该机床可实现高功率、高速度和高精度的良好集成，可用于HEM-HSM加工钛和高强度钢等多种硬金属材，也可用于加工铝合金材，在欧洲许多航空飞机制造厂中得到了广泛实际应用。
基于该机床电主轴功率/转矩每转速特性曲线，根据工件材料与刀具实际直径作为粗/半粗加工的HEM加工时可选择使用主轴转速2,000～5,000r/min，而作为半精/精加工的HSM加工可选择使用主轴转速6,000～11,500r/min范围。（图片）
XS高速数控MC机床 上图为意大利大型数控机床制造商Parpas公司为航宇和模具制造业推出的高性能大型高架龙门移动式五轴数控铣削中心机床XS，其XYZ轴行程可达3,000～20,000 mm、2,500/3,000/3,500 mm和1,250 /1,500 mm。该机床设计有带A/C两旋转轴集成化电主轴铣头，主轴连续功率50kW，转矩265Nm，基速1,800r/min，最高转速15,000r/min。和法国Huron公司KX200机床电主轴相比，具有更大的转矩和更高的转速。该机床是为完全通过刀具运动数字控制实现五轴联动，X/Y/Z轴进给速度高达60/40/40 m‧min-1，A/C轴达40r/min，且在最高转速15,000r/min时其转矩仍超过30Nm。
同样，该机床可用于加工铝合金等轻合金材，也可用于加工钛合金等硬合金材。同时，基于该机床电主轴功率/转矩每转速特性曲线，根据工件材料与刀具实际直径当作为粗/半粗加工的HEM加工时可选择使用主轴转速800～4,500r/min，而作为半精/精加工的HSM加工可选择使用主轴转速5,000～14,000r/min范围。
6/11/2012
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