一、国际数控机床、五轴高速加工中心的现状分析1. 国际数控机床发展现状分析1.1 数控机床是国际机床市场的消费主流2007年我国机床产值世界排名第3，约107.5亿美元，而外向度（对外出口比率）仅15.3%，而同样是2007年，德国的外向度高达72 %、日本53 %、意大利58%、西班牙52.9 %，我国台湾省竞达78%。

我们虽然已步入机床大国的行列，却远远不是机床强国，与国际市场上的各大机床强国相比，仍有不小差距。

进入21世纪以后，世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控化率达70%，中国为60%。

目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控车床、数控铣床为主转向以高速多轴加工中心、专用数控机床、成套设备为主。

1.2 全球机床产业结构逐渐发生变化2003年至2005年间，日本、中国、韩国和台湾地区的机床产量增长了10%，从占世界总量的36.7%上升到47%。

世界机床行业正在发生结构性变化，其中两个最显著的特点就是，机床的制造和消费正在从西方转向东方。

2005 年世界机床产量总值为518.55 亿美元，比2004 年的456.27 亿美元提高了13.6%。

上面提到的三国和台湾地区的产值从2002 年的117.89 亿美元，猛增到2005年的243.7 亿美元。

其中，日本的产量增长了118.1%；中国为112.8%；台湾地区为85.6%；韩国为77.4%。

2005 年日本的机床产值达到132.59 亿美元，其产量占世界总量的四分之一强，超过德国位居世界第一。

中国的机床产量增幅强劲，2005 年产值达到50 亿美元，超过意大利，跃居世界第三机床生产大国，其大部分产品为内销。

台湾地区已取代美国，机床产量世界排名第五，2005 年产值为32.95 亿美元。

韩国也已超过瑞士排在第七位，2005 年产值达到28.16 亿美元。

而西班牙的机床产量位居世界第九位，2005年产值为11.41 亿美元，年度增长率为11.9%，低于全世界机床生产国年度增长13.6%的水平。

2. 国际五轴高速加工中心发展现状分析近十多年来，由于刀具、驱动、控制和机床等技术的不断进步，高速加工和高效加工，特别是高速硬铣已在模具制造业中得到了广泛应用和推广，传统的电火花加工在很多场合已被高速硬铣所替代。

通过高速硬铣对一次装夹下的模具坯件进行综合加工，不仅大大提高了模具的加工精度和表面质量，大幅度减少了加工时间，而且简化了生产工艺流程，从而显著缩短了模具的制造周期，降低了模具生产成本。

高速加工中心不断提高的工作性能是模具制造业得以高效和高精度加工模具的重要前提。

近年来，在驱动技术的推动下，涌现出结构创新、性能优良的众多不同类型的高速加工中心。

90 年代中后期出现的三轴高速加工中心（如瑞士Mikron 公司在1996年末推出的HSM700 型高速加工中心）现已发展到五轴高速加工中心。

在驱动方式上，已从直线运动（X/Y/Z 轴）的伺服电机和滚珠丝杠驱动发展到目前的直线电机驱动，回转运动（A和C轴）采用了直接驱动的力矩电机，有的公司并通过直线电机和力矩电机使加工中心发展成全采用直接驱动的五轴加工中心。

显著提高了加工中心的行程速度、动态性能和定位精度。

2.1 五轴高速加工中心的结构特点及优点目前，根据坐标轴的配置，五轴加工中心基本上可分为两种结构型式。

一种是，三个直线轴(X/Y/Z)用于刀具运动和两个附加旋转轴（A和C）用于工件的回转和摆动的结构型式。

这种类型的高速加工中心,如德国Roder公司的RXP500DS/RXP800DS，德国Alzmetall公司的GS1000/5-T，瑞士Mikro的HSM400U/HSM600U和称之为超高速加工中心的XSM400U/XSM600U，以及德国Hermle的C30U/C40U/C50U等。

另一种是，五个坐标轴中的一个摆动轴(A)设置在主轴头上的结构型式，通过叉形主轴头实现主轴刀具的摆动，而摆动主轴头也可通过牢固夹紧，使其定位在摆动角度范围内的任意位置上。

这种类型的机床如德国德马吉公司的D五轴高速加工中心75V linear/D五轴高速加工中心105V linear，Mikro的HPM1850U和德国Rolf Wisser的高速铣床GAMMA605/1200等。

有个别机床有把摆动轴和回转轴均设置在主轴头上，如德国Parat公司的G996V/BSH/5A高速铣削中心和德国Edel公司的五轴或六轴龙门铣床。

五轴高速加工中心在价格上要比三轴加工中心高很多，据德马吉75V系列的五轴加工中心与三轴加工中心进行价格比较，五轴要比三轴的价格约高50%。

五轴高速加工中心价格虽高，但这种高档机床特别适合用来加工几何形状复杂的模具。

五轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时，可以通过工件或主轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞，减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具的耐用度。

用户在采购加工中心时，是选用三轴加工中心还是五轴加工中心，应根据模具型腔几何形状的复杂程度和精度等要求来决定。

从高速加工中心不断创新的过程中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果，是不断提高加工中心高速性能、动态特性和加工精度的关键。

2.2 世界五轴高速加工中心的技术发展趋势在21 世纪的今后100 年中，世界科技和机械制造业将有更大的新的发展，市场对各种机床、特别是五轴高速加工中心将会有更高的新的要求。

目前，在美、德、日等工业发达国家，五轴高速加工中心在科研、设计、制造、使用上，技术已比较成熟。

而且各种机、电、液、气、光、基础元部件、刀具、测量、NC 系统等均能互相配套。

今后的发展，与世界经济景气状况、波动变化将有较密切的关系。

世界景气、资金充足，用户需要发展生产，市场对新装备的需求就更多，要求也就更高，促使所有机床及五轴高速加工中心向更高性能发展。

反之，资金短缺，需求减少，就需求低、中档、经济廉价机床较多。

以现有技术水平为基础和起点，今后世界五轴高速加工中心的技术发展趋势主要有以下几方面：（1）高速、高效机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

进入21世纪以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代五轴高速加工中心，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000-100000r/min）、高速且高加减速度的进给运动部件（快移速度60-120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，为开发应用新一代五轴高速加工中心提供了技术基础。

（2）高精度从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（＜10nm），其应用范围日趋广泛。

当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm；精密级加工中心的加工精度则从±3-5μm，提高到±1-1.5μm，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001 微米），主轴回转精度要求达到0.01-0.05 微米，加工圆度为0.1 微米，加工表面粗糙度Ra=0.003 微米等。

这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴（电机与主轴一体化），主轴径向跳动小于2μm，轴向窜动小于1μm，轴系不平衡度达到G0.4 级。

高速高精加工机床的进给驱动，主要有"回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠"和"直线电机直接驱动"两种类型。

此外，新兴的并联机床也易于实现高速进给。

滚珠丝杠由于工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高（ISO34081级），而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。

当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min，加速度1.5g。

滚珠丝杠属机械传动，在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应地造成运动滞后和其它非线性误差，为了排除这些误差对加工精度的影响，1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动，由于是没有中间环节的"零传动"，不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快，可以达到很高的速度和加速度，而且其行程长度理论上不受限制，定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平，是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。

目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min，加速度2g，并且还有发展余地。

（3）高可靠性随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率在P（t）＝99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000小时。

对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF 就必须大于10万小时。

当前国外数控装置的MTBF 值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。

（4）复合化在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。

柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。

就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。

事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。

（5）多轴化一个轴，只能加工一道线；两个轴，就能加工一个面；三个轴，就能加工立体空间部件；四轴以上，功能就更为强大，工作平面都能旋转，加工精度极高。

多轴联动的高性能数控机床，能同时控制四个以上坐标轴的联动。