五轴高速加工数控技术应用分析

0 引言

　　五轴联动数控机床是数控机床中难度最大、应用范围最广的数控加工设备。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术等于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。大家普遍认为，五轴联动数控机床是解决叶轮、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。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴联动数控机床。

　　高速切削加工是近年来迅速崛起的一项先进制造技术。高速切削加工在航空航天、汽车、模具、信息等行业的应用，使得生产率和制造质量显著提高，取得了巨大的经济效益。高速切削加工已成为本世纪制造业一场影响深远的技术革命，是近年来加工工艺及装备更新换代的新趋势。在发达国家，高速切削加工大有普及之势，国内的发展也十分的迅速。

　　新型高速五轴加工技术是目前机械加工领域的“制高点”，适合于表面形状特别复杂而精度要求相当高的工件的加工，具有高技术、高精度、高效益等特点。五轴联动通常是在X、Y、Z三个线性移动轴基础上，增加A、B、C回转轴中的任意两个回转轴组合而成。不同类型的机床根据需要可以作出不同的配置。

1 工作台回摆五轴联动的特点与应用

　　五轴联动数控机床回转轴最早采用的配置方式为工作台回摆方式，也就是在数控铣床工作台上附加一独立A／C双轴回摆转台，如图1所示，工作台可以环绕X轴(水平)摆动，定义为A轴，4轴一般工作范围+30度至一120度。工作台的中间还设有一个回转台，可以环绕z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。再配上五轴联动数控系统，实现X、Y、Z三个线性移动坐标和A、C两个回转坐标的联动控制。这种配置方式由于层次多，刚性差，因此出现了专门将A／C转轴的支座与机床工作台或床身制成一体的结构，如图2所示。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轴最小分度值一般为0．001度，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轴与X、Y、Z三直线轴联动，就可加工出复杂的空间曲面。

图1 独立双轴回摆转台 

图2一体化双轴回摆转台 

　　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度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。综上所述，工作台回摆结构一般适合于中小规格的五轴联动数控机床，用于中小规格的多面复杂零件的加工。

2 主轴头回摆五轴联动的特点与应用

　　主轴头回摆方式是五轴联动数控机床的又一典型配置形式。如图3所示，这种主轴头在其垂直方向有一回转轴，能自行环绕Z轴360°旋转，成为c轴。回转头上还带有可环绕水平x轴旋转的A轴，旋转角度一般可达±90°以上，实现上述同样的功能。

图3双轴回摆主轴头 

　　这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，可进行任意角度的加工和五面加工，可加工具有复杂轮廓型腔的工件和其它结构铣头无法加工的部位。工作台可以设计得非常大并固定不动，所有的坐标运动都可以由主轴头实现，因此，运动部件的运动惯量与工件大小重量无关，机床动态性能稳定良好，客机庞大的机身、巨大的发动机壳体等都可以在这类机床上加工。当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。

图4双轴回摆主轴头应用

　　实现五轴联动双轴回摆(A/B或A/C)主轴头的应用，可以大大扩展数控铣床的加工范围，提高数控铣床的适应性。在现有的立式三轴铣床上可以很方便的配置这种铣头，实现五面体加工和空间多方位加工，提高机床的柔性化水平。大型五轴联动镗铣床和龙门铣床，可以通过更换各种不同的主轴头，实现A/C轴大转矩和高速等功能。

　　目前，双轴回摆主轴头较多的采用力矩电机直接驱动技术，使得其结构更加紧凑，避免了精密传动元件的制造精度和磨损寿命问题，提高了传动刚度、灵敏度和精度，并较好的解决了精度保持性问题。