國(guó)際數(shù)控機(jī)床、五軸高速加工中心的現(xiàn)狀分析

1、一、國(guó)際數(shù)控機(jī)床、五軸高速加工中心的現(xiàn)狀分析 1. 國(guó)際數(shù)控機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀分析 1.1 數(shù)控機(jī)床是國(guó)際機(jī)床市場(chǎng)的消費(fèi)主流 2007年我國(guó)機(jī)床產(chǎn)值世界排名第 3，約107.5億美元，而外向度（對(duì)外出口比 率）僅15.3%，而同樣是 2007年，德國(guó)的外向度高達(dá) 72 %、日本53 %、意大利 58%、 西班牙52.9 %，我國(guó)臺(tái)灣省競(jìng)達(dá) 78%。我們雖然已步入機(jī)床大國(guó)的行列，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不是機(jī)床強(qiáng)國(guó)，與國(guó)際市場(chǎng)上的各大機(jī)床強(qiáng)國(guó)相比，仍有不小差距。 進(jìn)入 21世紀(jì)以后，世界機(jī)床進(jìn)口額中大部分是數(shù)控機(jī)床， 美國(guó)進(jìn)口機(jī)床的數(shù) 控化率達(dá) 70%，中國(guó)為 60%。目前世界數(shù)控機(jī)床消費(fèi)趨勢(shì)已從初期以數(shù)控電加 工機(jī)

2、床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉(zhuǎn)向以高速多軸加工中心、專用數(shù)控機(jī)床、成 套設(shè)備為主。 1.2 全球機(jī)床產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化 2003年至 2005年間，日本、中國(guó)、韓國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)的機(jī)床產(chǎn)量增長(zhǎng)了 10%， 從占世界總量的 36.7%上升到 47%。世界機(jī)床行業(yè)正在發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，其中 兩個(gè)最顯著的特點(diǎn)就是，機(jī)床的制造和消費(fèi)正在從西方轉(zhuǎn)向東方。 2005 年世界 機(jī)床產(chǎn)量總值為 518.55 億美元，比 2004 年的 456.27 億美元提高了 13.6%。上 面提到的三國(guó)和臺(tái)灣地區(qū)的產(chǎn)值從 2002 年的 117.89 億美元，猛增到 2005年 的 243.7 億美元。其中，日本的產(chǎn)量增長(zhǎng)了

3、118.1%；中國(guó)為 112.8%；臺(tái)灣地 區(qū)為 85.6%；韓國(guó)為 77.4%。 2005 年日本的機(jī)床產(chǎn)值達(dá)到 132.59 億美元，其 產(chǎn)量占世界總量的四分之一強(qiáng)， 超過(guò)德國(guó)位居世界第一。 中國(guó)的機(jī)床產(chǎn)量增幅強(qiáng) 勁， 2005 年產(chǎn)值達(dá)到 50 億美元，超過(guò)意大利，躍居世界第三機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)， 其大部分產(chǎn)品為內(nèi)銷。臺(tái)灣地區(qū)已取代美國(guó)，機(jī)床產(chǎn)量世界排名第五， 2005 年 產(chǎn)值為 32.95 億美元。韓國(guó)也已超過(guò)瑞士排在第七位， 2005 年產(chǎn)值達(dá)到 28.16 億美元。而西班牙的機(jī)床產(chǎn)量位居世界第九位， 2005年產(chǎn)值為 11.41 億美元， 年度增長(zhǎng)率為 11.9%，低于全世界機(jī)床生產(chǎn)國(guó)

4、年度增長(zhǎng) 13.6%的水平。 2. 國(guó)際五軸高速加工中心發(fā)展現(xiàn)狀分析 近十多年來(lái)，由于刀具、驅(qū)動(dòng)、控制和機(jī)床等技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速加工和 高效加工， 特別是高速硬銑已在模具制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用和推廣， 傳統(tǒng)的電 火花加工在很多場(chǎng)合已被高速硬銑所替代。 通過(guò)高速硬銑對(duì)一次裝夾下的模具坯 件進(jìn)行綜合加工， 不僅大大提高了模具的加工精度和表面質(zhì)量， 大幅度減少了加 工時(shí)間，而且簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝流程， 從而顯著縮短了模具的制造周期， 降低了模 具生產(chǎn)成本。 高速加工中心不斷提高的工作性能是模具制造業(yè)得以高效和高精度加工模 具的重要前提。近年來(lái)，在驅(qū)動(dòng)技術(shù)的推動(dòng)下，涌現(xiàn)出結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、性能優(yōu)良的眾 多不同類

5、型的高速加工中心。 90 年代中后期出現(xiàn)的三軸高速加工中心（如瑞士 Mikron 公司在 1996年末推出的 HSM700 型高速加工中心）現(xiàn)已發(fā)展到五軸高 速加工中心。在驅(qū)動(dòng)方式上，已從直線運(yùn)動(dòng)（ X/Y/Z 軸）的伺服電機(jī)和滾珠絲 杠驅(qū)動(dòng)發(fā)展到目前的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（ A和C軸）采用了直接驅(qū)動(dòng)的力 矩電機(jī)，有的公司并通過(guò)直線電機(jī)和力矩電機(jī)使加工中心發(fā)展成全采用直接驅(qū)動(dòng) 的五軸加工中心。顯著提高了加工中心的行程速度、動(dòng)態(tài)性能和定位精度。 2.1 五軸高速加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) 目前，根據(jù)坐標(biāo)軸的配置， 五軸加工中心基本上可分為兩種結(jié)構(gòu)型式。 一種 是，三個(gè)直線軸（X/Y/Z）用于刀具

6、運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)附加旋轉(zhuǎn)軸（A和C）用于工件的回 轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)型式。這種類型的高速加工中心，如德國(guó)Rode公司的 RXP500DS/RXP800DS，德國(guó) Alzmetall公司的 GS1000/5-T，瑞士 Mikro 的 HSM400U/HSM600U和稱之為超高速加工中心的XSM400U/XSM600U，以及德 國(guó)Hermle的C30U/C40U/C50U等。另一種是，五個(gè)坐標(biāo)軸中的一個(gè)擺動(dòng)軸 （A）設(shè) 置在主軸頭上的結(jié)構(gòu)型式， 通過(guò)叉形主軸頭實(shí)現(xiàn)主軸刀具的擺動(dòng)， 而擺動(dòng)主軸頭 也可通過(guò)牢固夾緊， 使其定位在擺動(dòng)角度范圍內(nèi)的任意位置上。 這種類型的機(jī)床 如德國(guó)德馬吉公司的D五軸高速加工中心7

7、5V linear/D五軸高速加工中心105V linear，Mikro 的HPM1850U和德國(guó) Rolf Wisser的高速銑床 GAMMA605/1200 等。 有個(gè)別機(jī)床有把擺動(dòng)軸和回轉(zhuǎn)軸均設(shè)置在主軸頭上，如德國(guó)Para公司的 G996V/BSH/5A高速銑削中心和德國(guó)Edel公司的五軸或六軸龍門銑床。 五軸高速加工中心在價(jià)格上要比三軸加工中心高很多，據(jù)德馬吉 75V系列的 五軸加工中心與三軸加工中心進(jìn)行價(jià)格比較，五軸要比三軸的價(jià)格約高50%。五 軸高速加工中心價(jià)格雖高， 但這種高檔機(jī)床特別適合用來(lái)加工幾何形狀復(fù)雜的模 具。五軸加工中心在加工較深、 較陡的型腔時(shí)， 可以通過(guò)工件或主軸頭

8、的附加回 轉(zhuǎn)及擺動(dòng)為立銑刀的加工創(chuàng)造最佳的工藝條件， 并避免刀具及刀桿與型腔壁發(fā)生 碰撞，減小刀具加工時(shí)的抖動(dòng)和刀具破損的危險(xiǎn)， 從而有利于提高模具的表面質(zhì) 量、加工效率和刀具的耐用度。 用戶在采購(gòu)加工中心時(shí)， 是選用三軸加工中心還 是五軸加工中心，應(yīng)根據(jù)模具型腔幾何形狀的復(fù)雜程度和精度等要求來(lái)決定。 從高速加工中心不斷創(chuàng)新的過(guò)程中可以看出， 充分利用當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域里的最 新成就，特別是利用驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)的最新成果， 是不斷提高加工中心高速 性能、動(dòng)態(tài)特性和加工精度的關(guān)鍵。 2.2 世界五軸高速加工中心的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 在 21 世紀(jì)的今后 100 年中，世界科技和機(jī)械制造業(yè)將有更大的新的發(fā)展

9、， 市場(chǎng)對(duì)各種機(jī)床、 特別是五軸高速加工中心將會(huì)有更高的新的要求。 目前，在美、 德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，五軸高速加工中心 在科研、設(shè)計(jì)、制造、使用上，技 術(shù)已比較成熟。 而且各種機(jī)、 電、液、氣、光、基礎(chǔ)元部件、 刀具、測(cè)量、 NC 系 統(tǒng)等均能互相配套。 今后的發(fā)展， 與世界經(jīng)濟(jì)景氣狀況、 波動(dòng)變化將有較密切的 關(guān)系。世界景氣、資金充足，用戶需要發(fā)展生產(chǎn)，市場(chǎng)對(duì)新裝備的需求就更多， 要求也就更高， 促使所有機(jī)床及 五軸高速加工中心 向更高性能發(fā)展。 反之，資 金短缺，需求減少，就需求低、中檔、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)機(jī)床較多。 以現(xiàn)有技術(shù)水平為基礎(chǔ)和起點(diǎn)， 今后世界五軸高速加工中心的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 主要有以下

10、幾方面： （1）高速、高效 機(jī)床向高速化方向發(fā)展， 不但可大幅度提高加工效率、 降低加工成本， 而且 還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。 超高速加工技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、 優(yōu)質(zhì)、 低成本生產(chǎn)有廣泛的適用性。 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用新一代五軸高速加工中心， 加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元（電主軸，轉(zhuǎn)速15000-100000r/min）、 高速且高加減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件 （快移速度60-120m/min,切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m/min）、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到 了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和磨料磨具,

11、 大功率高速電主軸、 高加/減速度直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)（含 監(jiān)控系統(tǒng)） 和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決， 為開發(fā)應(yīng)用新一代 五軸高速加工中心提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 （ 2）高精度 從精密加工發(fā)展到超精密加工， 是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。 其精度 從微米級(jí)到亞微米級(jí)，乃至納米級(jí)（v 10nm）,其應(yīng)用范圍日趨廣泛。 當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下， 普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10 m 提高到芳m；精密級(jí)加工中心的加工精度則從 3-5 m,提高到-1.5 m,甚至 更高；超精密加工精度進(jìn)入納米級(jí)（ 0.001 微米），主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到 0.01-0.05 微米

12、,加工圓度為 0.1 微米,加工表面粗糙度 Ra=0.003 微米等。這 些機(jī)床一般都采用矢量控制的變頻驅(qū)動(dòng)電主軸 （電機(jī)與主軸一體化） ,主軸徑向 跳動(dòng)小于2 m,軸向竄動(dòng)小于1 m,軸系不平衡度達(dá)到 G0.4級(jí)。 高速高精加工機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng), 主要有 回轉(zhuǎn)伺服電機(jī)加精密高速滾珠絲杠 和直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 兩種類型。此外,新興的并聯(lián)機(jī)床也易于實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。 滾珠絲杠由于工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達(dá)到較高（ISO34081級(jí)）， 而且實(shí)現(xiàn)高速化的成本也相對(duì)較低, 所以迄今仍為許多高速加工機(jī)床所采用。 當(dāng) 前使用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度 90m/min，加速度1.5g。 滾珠絲杠

13、屬機(jī)械傳動(dòng), 在傳動(dòng)過(guò)程中不可避免存在彈性變形、 摩擦和反向間 隙，相應(yīng)地造成運(yùn)動(dòng)滯后和其它非線性誤差， 為了排除這些誤差對(duì)加工精度的影 響， 1993年開始在機(jī)床上應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由于是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)的零傳 動(dòng)，不僅運(yùn)動(dòng)慣量小、系統(tǒng)剛度大、響應(yīng)快，可以達(dá)到很高的速度和加速度， 而且其行程長(zhǎng)度理論上不受限制， 定位精度在高精度位置反饋系統(tǒng)的作用下也易 達(dá)到較高水平， 是高速高精加工機(jī)床特別是中、 大型機(jī)床較理想的驅(qū)動(dòng)方式。 目 前使用直線電機(jī)的高速高精加工機(jī)床最大快移速度已達(dá)208m/min,加速度2g, 并且還有發(fā)展余地。 (3)高可靠性 隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展， 數(shù)控機(jī)床的高可靠

14、性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制 造商和數(shù)控機(jī)床制造商追求的目標(biāo)。 對(duì)于每天工作兩班的無(wú)人工廠而言， 如果要 求在16小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無(wú)故障率在 P (t)= 99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均 無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間 MTBF 就必須大于 3000小時(shí)。對(duì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與 數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為 10：(數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí))。此時(shí)數(shù)控系 統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的MTBF 就必須大于 10萬(wàn)小時(shí)。 當(dāng)前國(guó)外數(shù)控裝置的 MTBF 值已達(dá)6000小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá) 30000小時(shí) 以上，但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。 ( 4)復(fù)合化 在零件加工

15、過(guò)程中有大量的無(wú)用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、 換刀和主軸的升、 降速上， 為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間， 人們希望將不同的加 工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上， 因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來(lái)發(fā)展很快的機(jī)種。 柔性制造范疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后， 機(jī)床便能按照數(shù) 控加工程序， 自動(dòng)進(jìn)行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工， 以完成 一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多 種加工工序。就棱體類零件而言， 加工中心便是最典型的進(jìn)行同一類工藝方法多 工序復(fù)合加工的機(jī)床。 事實(shí)證明， 機(jī)床復(fù)合加工能提高加工精度和加工效率， 節(jié) 省占地面積特別是能

16、縮短零件的加工周期。 ( 5)多軸化 一個(gè)軸，只能加工一道線；兩個(gè)軸，就能加工一個(gè)面；三個(gè)軸，就能加工立 體空間部件；四軸以上，功能就更為強(qiáng)大，工作平面都能旋轉(zhuǎn)，加工精度極高。 多軸聯(lián)動(dòng)的高性能數(shù)控機(jī)床， 能同時(shí)控制四個(gè)以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)。 通常三軸機(jī)床 可以實(shí)現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機(jī)床也可以只用到三軸聯(lián)動(dòng)加工，而其 他兩軸不聯(lián)動(dòng)。它能將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床等功能組合在一起，零件 在一次裝夾后，可以將加工面進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)、鉸及攻螺紋等多工序加工， 能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤差， 可加工形狀復(fù)雜， 精度要求高的零 件，如葉輪葉片等。 隨著 5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的

17、普及， 5軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑 床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開發(fā)熱點(diǎn)， 由于在加工自由曲面時(shí)， 5 軸聯(lián)動(dòng)控制對(duì)球頭 銑刀的數(shù)控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削 3 維曲面的過(guò)程中始終保 持合理的切速， 從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率， 而在 3 軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無(wú)法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削， 因此，5 軸 聯(lián)動(dòng)機(jī)床以其無(wú)可替代的性能優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為各大機(jī)床廠家積極開發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)的焦 點(diǎn)。 國(guó)外還在研究 6 軸聯(lián)動(dòng)控制使用非旋轉(zhuǎn)刀具的加工中心，雖然其加工形狀 不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。 （6）智能化 智能化是 21世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大

18、方向。 智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制、模糊控制、 數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工， 它是要在加工過(guò)程中模擬人類 專家的智能活動(dòng)， 以解決加工過(guò)程許多不確定性的、 要由人工干預(yù)才能解決的問(wèn) 題。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面： 為追求加工效率和加工質(zhì)量的 智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整 定等；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化， 如前饋控制、 電機(jī)參數(shù)的自適 應(yīng)運(yùn)算；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作的智能化，如智能化的自動(dòng)編程，智能化的人機(jī)界 面等；智能診斷、智能監(jiān)控，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多， 其中日本智能化數(shù)控裝

19、置 研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。 （7）網(wǎng)絡(luò)化 數(shù)控機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化，主要指機(jī)床通過(guò)所配裝的數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系 統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。 數(shù)控機(jī)床一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企 業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)， 然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部， 這就是所謂 Internet/Intranet 技術(shù)。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展， 業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。 數(shù)字制造， 又 稱e-制造，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今 標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。 隨著信息化技術(shù)的大量采用， 越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口 數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。機(jī)械制造企業(yè)在普遍采用 CAD/

20、CAM 的基礎(chǔ)上，越加廣泛地使用數(shù)控加工設(shè)備。數(shù)控應(yīng)用軟件日趨豐富 和具有 人性化 。虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造等高端技術(shù)也越來(lái)越多地為工程技術(shù)人員 所追求。通過(guò)軟件智能替代復(fù)雜的硬件， 正在成為當(dāng)代機(jī)床發(fā)展的重要趨勢(shì)。 在 數(shù)字制造的目標(biāo)下，通過(guò)流程再造和信息化改造， ERP 等一批先進(jìn)企業(yè)管理軟 件已經(jīng)脫穎而出，為企業(yè)創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)效益。 （8）柔性化 數(shù)控機(jī)床向柔性自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)是： 從點(diǎn)（數(shù)控單機(jī)、 加工中心和數(shù) 控復(fù)合加工機(jī)床）、線（F五軸高速加工中心、FMS、FTL、FML ）向面（工段 車間獨(dú)立制造島、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展， 另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展。 柔性自動(dòng)化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動(dòng)態(tài)市 場(chǎng)需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段， 是各國(guó)制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)， 是先進(jìn)制造 領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。 其重點(diǎn)是以提高系統(tǒng)的可靠性、 實(shí)用化為前提， 以易于聯(lián)網(wǎng)和 集成為目標(biāo)；注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善； CNC 單機(jī)向高精度、高速度和 高