五轴数控加工技术的现状

第七章其他相关领域研究进展

五轴数控加工技术的现状

高平王科社

（北京机械工业学院北京１０００８５）

摘要五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具、高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。

关键词五轴联动立式加工中心卧式加工中心

五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一手段。但由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之ＮＣ程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。近年来，随着计算机辅助设计（ＣＡＤ）、计算机辅助制造（ＣＡＭ）系统取得了突破性发展，中ｙ多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁。

一、五轴联动数控加工的优点

与三轴联动的数控加工相比，对复杂曲面采用五轴联动数控加工有以下优点：

１．提高加工质量和效率

五轴联动数控加工中刀具有更灵活的位姿，可采用平头刀，平头刀加工是以面带成形，可以保证高速切削，因而加工后的表面更连续光滑，五轴联动加工可以采用更大的行距和步距，因而效率更高。

２．扩大工艺范围

有些形状复杂的零部件，如导风轮、发动机上的整体叶轮，由于叶片本身扭曲和各曲面问相互位置限制，加工时需要转动刀具轴线，否则很难甚至无法加工，在模具加工中的某些场合，只有采用五轴联动数控加工才能避免刀具与工件的干涉。

３．适应目前数控机床发展的新方向——复合化

近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展，复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。

二、立式五轴加工中心

立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台

回转轴式（图１），设置在床身上的工作台可以环绕ｘ轴回

转，定义为Ａ轴，Ａ轴一般工作范围＋３００一一１２０。，工作

台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕ｚ轴回

转，定义为ｃ轴，ｃ轴是３６０。回转，这样通过Ａ轴与Ｃ轴

的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个

面都可以由立式主轴进行加工，Ａ轴和Ｃ轴最小分度值一般图１工作台回转的立式五轴加工中心为０．００１０，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等，Ａ轴和ｃ轴如与ｘ、Ｙ、ｚ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统

中国环境科学学会学术年会优秀论文集（２００６）

以及软件的支持，这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低，但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当Ａ轴回转大于等于９０。时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。

另一种是主轴头回转式（图２），主轴前端是一个回转头，能自行

环绕ｚ轴３６００回转，成为ｃ轴，回转头上还带可环绕ｘ轴旋转的Ａ轴，

一般可达±９００以上，实现上述同样的功能，这种设置方式的优点是主

轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大

的发动机壳都可以在这类加工中心上加工，另外，在使用球面铣刀加工

曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为

零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转式的设计，令主轴

相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速

度，可提高表面加工质量，这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢

迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，

高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这图２主轴回转的立式

五辅加工中心

类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。

三、卧式五轴ｉｊｎ－ｒ中心

卧式五轴加工中心的回转轴也有两种方式，一种是卧式主轴摆动作

为一个回转轴，再加上工作台的一个回转轴式，实现五轴联动加工。这种设置方式简便灵活，如需要主轴立、卧转换，工作台只需分度定位，即可简单地配置为立、卧转换的三轴加工中心。由主轴立、卧转换配合工作台分度，对工件实现五面体加工，制造成本降低，又非常实用。也可对工作台设置数控轴，最小分度值０．００１。，但不作联动，成为立、卧转换的四轴加工中心，适应不同加工要求，价格非常具有竞争力。

另一种为传统的工作台回转轴式（图３），设置在床身上

的工作台Ａ轴一般工作范围＋２０。一一１０００。工作台的中间也

设有一个回转台Ｂ轴，Ｂ轴可双向３６００回转。这种卧式五轴

加工中心的联动特性比前一种方式好，常用于加工大型叶轮

的复杂曲面。回转轴也可配置圆光栅尺反馈，分度精度达到

几秒，当然这种回转轴结构比较复杂，价格也昂贵。

四、前景展望

领先一步的机床制造商正在构想２０１０年的“加工中心”，图３工作台回转的卧式五

它将是万能型的设备，可用于车、铣、磨、激光加工等，成轴加工中心加工叶轮

为真正意义上的加工中心，全自动地从材料送进，到成品产出，粗精加工、淬硬处理、超精加工、自动检测、自动校正，将无所不能，设备将重视环保、节能，呈现出绿色制造业的标志，２１世纪时代特征的ＩＴ功能是绝对不可少的，设备将通过网络与外界交换信息，获得最新的技术成果，人类的智慧将在高科技产品加工中心上得到充分的展现。

参考文献

［１］李嵩．五轴加工中心［Ｒ］．加工机电网

［２］张柏霖主编．高速切削技术及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００２

［３］张敬毅．高精度旋转传动的利器．制造技术与机床，２００３；５