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    五轴加工的基本特点

随着航空航天飞行器、汽车和轨道车辆等向高速、节能和安全性方向发展，其结构趋向整体化、薄壁化和轻量化，其形状遵循动力学的要求日渐流线异型化和精密化，从而使不少关键零件呈现出复杂多面体和高次曲面的形态，应用三个直线轴的数控机床难于获得理想的加工精度和表面质量。促使对五轴加工技术需求的增长，近年又进而推进复合加工技术的发展，实现对复杂零件的高效、精密加工。

　　五轴加工是五面加工技术和五轴联动加工技术的概括简称。

　　五面加工技术用于复杂多面体零件在一次装卡条件下，通过增设的机床回转轴可以方便地完成除安装基面外所有平面的铣、钻、镗等加工；不仅如此，而且在加工斜面时，通过刀具或工件的回转，可以使刀具更好地接近加工表面，缩短刀具伸出长度，有利于提高切削能力和刀具寿命；此外还能解决依靠直线轴运动无法解决的内凹表面的加工。

　　五面加工另一个特点是回转轴只作分度定位，并不参与切削轨迹插补运动。如V形发动机缸体，应用有A/B轴双摆工作台的卧式加工中心，A轴摆动可完成V形斜面和缸孔的加工，再用B轴转位就能完成曲轴轴承孔及其止推面等加工。

　　五轴联动加工技术是指一个复杂形状的表面需要用5个独立轴共同进行数控插补运动才能获得光顺平滑形面的加工技术。虽然从理论上讲任何复杂表面都可用X、Y、Z三轴坐标来表述，但实际加工刀具并不是一个点，而是有一定尺寸的实体，为了避免对空间扭曲面加工时出现刀具与加工面间的干涉以及保证曲面各点的切削条件的一致性，需要调整刀具轴线与曲面法矢间在2D方向上的夹角。五轴联动与三轴联动相比能加工误差与表面粗糙度减少至1/3~1/6。

　　五轴联动加工的轴数是指加工同一表面时所需独立运动的轴的数量，而非指该数控拥有的可控制轴的数量。例如龙门铣床为保证横梁升降的平行性，需要左右两根驱轴W1、W2同步运动，也就是以W1为主动轴，而使W2轴与之保持同步。因此，它们只能作为1根独立运动轴。另外如果复杂雕塑表面具有回转体特征的话，不需要Y轴运动，可以在数控车床或车削中心上实现，其最多联动轴数大多为四个独立轴。

　　五轴加工技术及其机床

1.五轴加工机床的特征及选用

　　无论是五面加工机床还是五轴联动加工机床，它们都是在X、Y、Z三个直线运动轴的基础上至少增加A、B、C三个回转运动轴中任两个回转轴，由此导出多样的五轴加工机床的布局方案。针对加工件的形状、尺寸、重量、要求精度、材料的机械性能和切削载荷等因素，可以确定适用的机床结构布局。

　　表1中列出基于立式加工中心和卧式加工中心三直线轴结构布局基础上配置不同的回转运动型式所得出的常见10种布局及其适用的应用场合。表中回转轴型式有两类：分列式表示刀具与工件分别有一个回转运动轴，而一体式则表示两个回转轴均配置给刀具或工件，即常称之双摆铣头或双摆转台。

　　表中序号6有A/C和B/C两种双摆转台虽然工作原理相同，但A/C转台有可左右支承刚性较大，但当台面向后转时，由于空间狭窄为防止干涉一般摆角较小，而B/C转台通常为单臂支承刚性较小，但摆角范围大，易观察，适宜小型零件的加工。

　　显然，回转轴结构对五轴加工中心机床的功能和性能有重要的作用，近年来它的结构发展主要有以下四方面：

　　(1)采用力矩电机驱动，减少机械传动提高动态性能，如CYTE公司的CyMill万能铣头；

　　(2)发展A/B/C三轴摆动铣头，使角度变换更灵活、快速，如德国Zimmermann公司的M3A/B/C三轴摆角铣头；

　　(3)研发紧凑型A/B双摆铣头，如意大利RAMBAUD1公司DTH型A/B双摆铣头的摆角增长至45°。此外我国齐二机床公司开发的适用于卧轴的A/B的摆角的并联杆机构铣头，具有新颖性，但摆角范围较小。　

　　(4)应用45°斜面回转使轴线立卧转换的结构，一般称作为B轴，由于回转结合面大，可提高刚度和制动力矩，但斜面回转180°时，轴线摆角仅为90°，因此摆角范围较小，更适用于以五面加工为主的场合。

　　2．加工倾斜多面体的坐标转换技术

　　不同的多面体零件由于其结构和功能的不同，会对其斜面的空间位置有多种的定义方法，因此要求数控系统配置完善的坐标转换应用软件以方便使用。

　　坐标转换的基本原理是把机床坐标系X、Y、Z转换为特征坐标系Xc、Yc、Zc，而特征坐标系的XcYc平面即包含该斜面，则刀具轴Z通过摆动至Zc，即可对斜面进行铣削和钻孔等加工。

　　功能完善的斜面加工的坐标转换软件，可以根据输入不同的斜面参数如：斜面空间倾摆角、斜面方向矢量、斜面投影角或斜面上三个特征点等的数据，实现在工件一次安装条件下，对多面体的各个斜面进行坐标自动转换，既简化编程，又能在工件一次安装下连续加工各个斜面，提高了效率和加工精度。

　　3．复杂曲面的精密光顺加工技术

　　雕塑型面、非球曲面和液体动力3D曲面等具有曲率不断变化甚至出现陡变的特征，因此在数控加工时不仅存在伺服驱动的运动轨迹的跟踪误差，而且还因曲率的变动出现运动跃度剧变和刀刃与已加工表面的干涉现象，使轨迹衔接处达不到光顺。而随着航空航天、激光核聚变、遥感成像和大规模集成电路等发展要求光学器件的形状误差0.05m，表面粗糙度的最大轮廓高度Ry3nm。

　　面对这些需求，不仅要求提高五轴联动加工装备的制造精度，而且还需发展多种误差补偿技术。20世纪80年代FIDIA公司在其数控系统中配置了RTCP软件。用以修正刀具回转运动引起的附加线性位移，但是它仅是对刀尖的空间位置作静态调整，还不能精确补偿运动过程的动态误差，因此近10年来Heidenhain、Siemens和FANUC等公司不断深化研究五轴联动加工的补偿软件，用以减少插补过程因回转姿态引起的耦合误差，避免刀刃部的干涉及抑制回转运动的加加速度引起振动等，从而可使在较高进给速度下可使刀端运动轨迹达到理想平滑的效果。