高速切削技術是近些年迅速發展起來的一項先進制造技術，它不但極大地提高了加工效率，而且顯著地改善了零件的加工精度和表面質量。由于高速切削時產生的切削力小，發熱少，殘余應力以及零件變形較小，因此在航空、航天等領域得到了廣泛應用。與CNC 技術一樣，高速切削技術是加工制造業中的又一技術革新。高速切削成為一種新的切削加工理念，被認為是21 世紀加工工藝中最重要的一種。
高速切削技術的快速發展對機床、刀具、工藝等方面都提出了更高的要求。而且，新型號產品性能的不斷提高促使結構設計越來越多地采用結構剛度高、重量輕、承載能力強的輕合金整體結構零件。這些零件具有尺寸大、結構復雜、材料去除率高、尺寸及位置精度和表面質量要求高等特點，采用常規數控機床很難控制加工中的變形并高效率地去除大切削余量，而高速切削機床是滿足這種需要的有效技術設備。因此，高速切削加工除了要進行工藝研究外，還需要著重研制開發能夠適應于高速切削加工用的高速度、高精度、高性能、高可靠性的高速切削機床。
龍門機床的結構演變
高速切削機床的開發與研制，機械方面主要集中在高速主軸系統、高速進給系統和機床總體結構的改進3 個關鍵技術。除此之外，還應有高速、高性能的數控系統及其他配套設施。
要提高機床進給速度，在結構設計上的改進就是在保持強度、剛度的基礎上盡可能地減輕移動部件的質量。可利用先進的CAD/CAE 技術優化設計機床移動部件的幾何形狀和尺寸參數，在不影響強度、剛度的條件下減小結構件的質量，達到提高速度和增強動態性能的作用。
另外，通過改變機床的整體結構，將部分移動件轉化為固定件，這對減輕移動部件質量更有作用。就龍門銑床而言，多數采用固定工作臺、移動龍門結構，這樣機床不僅占地面積小，而且相對于工作臺移動的龍門機床，X 坐標的驅動負載變化不大，但其可移動的整個龍門架具有較大的移動質量，不能適應更高的動態性能要求。
為了減輕移動龍門的質量，將龍門機床中的立柱從龍門中分離出來，根據機床X 坐標的行程大小，設置數個立柱，并固定在地基上，X 向導軌、驅動和位置反饋裝置安裝在固定于立柱上的底座上，運動部件（包括橫梁、橫滑板和滑枕部件）在X 向導軌上移動，這種結構形式稱為高架橋式龍門結構。
圖1 是傳統龍門結構與高架橋式結構的對比分析，高架橋式龍門機床不但有效減輕了運動部件的重量，而且使運動部件的驅動點與運動部件的重心更靠近，使得動態性能也有了很大的提高；同時，將床身和工作臺剝離，減小了單個構件的重量及規格尺寸，方便了制造、裝配，也降低了成本；另外，橋式高速機床的立柱材料由鋼結構件改為鋼板- 混凝土件，這種材料阻尼特性為鋼材的7~10倍，提高了整個設備的抗振性和抗干擾能力。
高速橋式機床的結構設計與優化
以我所為成都飛機工業（集團）有限責任公司研制的橋式五坐標高速數控龍門銑床為例，機床要求坐標行程為X 軸：8000mm、Y 軸：3000mm、Z 軸：1000mm ；A 擺角：±110 °、C擺角：±400°，進給速度為X、Y、Z 軸：30m/min，A、C 擺角：10r/min，加速度2m/s2，主軸轉速24000r/min。對于如此大規格的機床，這么高要求的速度、加速度，采用傳統的動龍門結構很難實現，因此，我們采用了高架橋式結構，利用三維設計和有限元分析的手段進行了設計與優化，機床總體結構如圖2 所示。
對于30m/min 的高速進給，導向采用高精度帶預載的滾柱直線導軌，傳動系統方面，X 方向采用齒輪齒條雙邊同步驅動，Y、Z 方向采用大導程滾珠絲杠副，位置反饋采用精密增量式光柵尺進行全閉環控制。
在機床結構設計方面，針對高速進給主要是在保證構件強度、剛度的基礎上盡量減輕移動部件的質量。移動部件含橫梁、滑板、滑枕和擺角頭，其中橫梁所占比重最大，也是最為重要的承載構件，是機床總體結構設計與優化的重點。
橫梁的設計優化主要從兩方面考慮：一是在不增加質量的前提下，使橫梁上的最大變形極小化，提高橫梁的靜剛度；二是優化橫梁結構，使其初、中階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。設計、優化過程的具體實施步驟是：首先通過形狀及拓撲優化確定橫梁最佳的截面形狀；然后通過尺寸優化確定最合理的外形尺寸和布筋情況。
拓撲優化是根據設定的目標通過一定的算法對小應力區域的材料不斷剔除，逐步產生結構的外形輪廓和內部結構，得到最佳的概念模型。選擇的橫梁初始截面輪廓為長方形，如圖3 所示；然后根據實際工況，在底面施加兩處約束，在正面按Y 向導軌位置施加作用力，拓撲優化的結果顯示橫梁中間和后上角的材料對結構剛性影響較小，可剔除，如圖4 所示。
