五轴联动叶片加工中心发展现状及其结构特点

　　叶片是汽轮机、航空航天发动机等的核心部件之一。叶片型面为空间曲面，形状复杂，叶根圆角由多个变直径的圆弧组成，有的叶身中部还带有阻尼台。国内目前加工叶片主要采用以下设备和方法。

　　（1）三轴机床 用来加工形状相对简单的叶片，先铣削叶片一面，然后翻面装夹，再铣削另一面。此方法往往需要多次的翻面，是一种低效率的加工方法，但是该方法应用较早，积累了大量的经验，目前国内还在用。

　　（2）配A 轴的四轴机床 无需手动翻面，效率有所提高。

　　（3）五轴联动叶片加工中心 当叶片有阻尼台或者加工两端有干涉时，用五轴联动叶片加工中心采用螺旋加工法来加工叶片，无论从加工质量还是加工效率方面均有质的飞跃。

　　目前，叶片的形状越来越复杂，三轴、四轴联动机床已难以加工，同时市场对叶片的需求量巨大，叶片加工能力严重不足。国外五轴联动叶片加工中心，不但购买、维修价格昂贵而且购买受限。

　　五轴联动叶片加工中心的发展现状

　　五轴联动叶片加工中心是专门用来加工汽轮机、航空航天发动机等叶片和其他窄长型具有空间复杂曲面零件的机床。该类型机床由X 、Y 、Z 、A 和B 轴组成，A 轴为叶片的回转轴，B 轴为刀具摆动轴，3个直线轴X 、Y 、Z 的布置类似立式加工中心的布置形式，但相对立式加工中心Y 、Z 轴行程短一些，X 轴行程长一些，如果想满足长叶片的加工，X 轴行程就需更长。

　　国内五轴联动叶片加工中心起步较晚，生产该类型机床的有北京机电院高科技股份有限公司、新瑞机床（集团）有限公司和四川长征机床集团有限公司等。目前，国内的航空航天发动机厂、汽轮机厂以及叶片专业生产厂，使用的大多是进口五轴联动叶片加工中心，叶片的精加工市场完全被国外机床厂家所垄断。

　　国外生产五轴联动叶片加工中心的厂家比较知名的有瑞士的斯达拉格—海科（StarragHeckert）、利吉特（L i e c h t i）、威力铭—马黛尔（W i l l e m i nMacodel），意大利的法拉利（C.B.Ferrari），德国的哈缪尔（Hamuel）等。

　　五轴联动叶片加工中心机床的结构特点

　　如果以B 轴与刀具主轴的联接形式来划分，可把国内外的五轴联动叶片加工中心分为以下几类： （1） 以Starrag Heckert为代表的B 轴回转中心与刀具主轴的回转中心成45° Starrag Heckert是专业生产五轴联动叶片加工中心厂家中最知名的，其机床规格齐全，结构特点鲜明（见图1）：B 轴的回转中心与刀具主轴成45°，同时刀具主轴的刀尖处在B 轴的回转中心上。这样可消除多余的X 、Z 轴插补运动，提高工件的表面加工质量；同时，由切削力产生的扭矩也不会被传输到B 轴。直线轴X 、Z 通过工件移动来实现，直线轴Y通过刀具移动来实现。

　　（2）以C.B.Ferrari、Liechti等为代表的B轴回转中心与刀具主轴的回转中心成90° B轴的回转中心与刀具主轴的回转中心成90°，可以有两种方案：方案一，B轴回转中心基本与刀具主轴的重心重合；方案二，B 轴回转中心偏离刀具主轴重心，而与刀尖部位基本重合。

　　 方案一的优点是刀具主轴的重心基本在其摆动中心上，摆动时比较平衡，机械设计比较简单；缺点是B轴每转动一个角度，X 、Z 轴都要进行插补。理论上，插补是可以的，但实际上B 轴摆动角度必然会有误差，相应X 、Z 轴的插补也会有误差。B 轴摆动角度的误差越大，带来刀尖位置的误差越大，这就要求B 轴摆动的角度非常准确，给制造带来一定困难。另外，在叶片加工中，B 轴摆动频繁，X 、Z 轴的插补运动也是随时在进行的，相对于方案二，这些是多余的运动。

　　方案二的优点显而易见，由于刀尖位置基本在B 轴回转中心上，或者离其很近，B 轴摆动时刀尖位置基本不变，或者需要插补，插补的量也非常小。这样，即使B 轴摆动角度有些误差，也不会影响刀尖的位置，或影响非常小。这无疑可以提高加工精度，降低对B 轴的要求，同时避免了X 、Z 轴频繁的插补运动。但是由于刀具主轴的重心偏离B 轴摆动中心较大，在B 轴摆动时带来偏心力矩的影响。当然，可以将刀具主轴摆动所产生的偏心力矩平衡掉，这给机械设计也带来一些麻烦。

　　C.B.Ferrari在专业生产叶片加工机床的厂家中也是非常知名的。其机床规格齐全，长、短叶片均可加工，刀具通过立柱、滑板等部件实现X、Y、Z轴运动（见图2）。

　　Liechti的五轴联动叶片加工中心主要是加工长叶片的机床。其X L系列机床具有用弧形导轨引导的平衡刀具主轴摆动所产生的偏心力矩机构，刀具通过立柱、滑板等部件实现X 、Y 、Z 轴运动，立柱与水平面成20°倾角，有利于排屑和切削液的回收（见图3）。

　　Willemin Macodel的五轴联动叶片加工中心属于小规格的机床。其床身为“山”形；B 轴轴线偏离刀具主轴中心，而与刀尖部位基本重合；刀具通过立柱、滑板等部件实现X 、Y 、Z 轴运动，其刀具主轴没有平衡机构（见图4）。

　　北京机电院高科技股份有限公司是国内第一家成功研制五轴联动叶片加工中心的厂家，其X K H系列机床是刀具通过立柱、滑板等部件实现X 、Z 轴运动，工件实现Y 轴运动；B 轴轴线偏离刀具主轴中心，而与刀尖部位基本重合（见图5 ） ；A 、B 轴可以采用力矩电动机驱动，也可以选配机械结构驱动。