五轴数控机床技术发展趋势

五轴数控机床技术发展趋势

五轴数控机床是制造装备工业的主力军，是实现先进制造技术与装备现代化的基石，是保证高新技术产业发展和国防军事现代化的战略装备。随着工业化的发展，五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等行业加工关键零部件最重要的加工工具。

5轴

五轴联动数控机床作为目前数控机床技术难度最大、应用最为广泛的技术，在加工方面有着其不可替代的优势。

1）能够加工一般三轴联动机床不能加工或不能一次装夹加工完成的连续光滑自由曲面。例如，航空发动机转子、大型发电机转子、大型船舶螺旋奖等。

由于五轴数控机床在加工时可以随时调整刀具相对于工件的角度，避免刀具加工时发生干扰，所以五轴数控机床可以完成三轴联动机床无法完成的许多复杂加工。

2）可以改善加工自由空间曲面的加工精度影响加工效率和加工质量。相对于三轴数控机床加工一般型腔复杂工件，五轴数控机床一次装夹便可完成加工，而且由于五轴数控机床可随时调整加工位置的角度，五轴数控机床能以更优的角度加工工件，避免了多次装夹，大大提高了加工效率、加工质量和加工精度。

3）符合机床发展的趋势。在零件加工中，大量的时间消耗在工件的搬运、装卸、安装和调整的时间上，为了尽量减少这些时间，人们希望用一台机床完成尽可能多的加工。

五轴数控机床可以完成几台三轴数控机床才能完成的加工任务，大大节省了空间和工件在不同加工单元之间运行的时间和成本。五轴数控机床在当今机床行业的发展中发挥着重要作用，已成为人们关注的热点和焦点。

5 轴工具

各国五轴联动数控机床

1.五轴联动数控机床的基本结构实现五轴联动

五轴联动数控机床实现五轴联动的基本结构。五轴联动数控机床除了实现X/Y/Z轴的移动外，还需要实现两轴的旋转。以立式加工中心为例，立式五轴加工中心旋转头的实现方式有两种：

1）工作台回转轴。

床身上设置的工作台可绕X轴旋转，定义为A轴。在工作台的中央还设有一个绕Z轴旋转的回转工作台，定义为C轴。通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面外，均可由加工中心的主轴进行加工。

这种设置的优点是主轴比较简单，主轴刚性好，制造成本低，缺点是工作台不能设置得太大，承重较少。

2）依靠旋转主轴头。

主轴的前端是一个回转头，这个回转头一方面可以绕Z轴旋转360°，成为C轴，另一方面可以绕X轴旋转，成为A轴。这种设置的优点是主轴头比较灵活，可以加工大型零件，例如大型客机的机身，因此在大型龙门机床上应用比较广泛。

由于这种设置方式在切削过程中使得主轴相对工件转过一个角度，从而使球面铣刀避开了顶点的切削，保证了一定的线速度，可以提高表面切削精度，所以这种结构很受高精度曲面加工的欢迎。

除以上两种结构之外卧式加工中心还有通过工作台旋转和主轴头摆动的组合来实现五轴联动的结构。

2、欧美五轴联动数控机床研究现状

当前的五轴联动数控机床以欧美、日本的五轴联动数控机床为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了五轴联动数控机床发展的最高水平。

目前各著名机床厂五轴联动数控机床技术发展的重点可以概括为：高速、高精度、环保、智能化、复合化。力矩电机在国外作为旋转坐标驱动装置被广泛应用，使国外机床进给机构实现了高速、低损耗、高精度、高效率的目标。

DMG 的 DMC165 配备旋转工作台时，能够进行五轴联动 CNC 加工。

该机床最高转速可达30,000r/min，由于采用高性能直线电机驱动，其最快运动速度可达90m/min，加速度28。

作为复合机床的代表，德国DMG公司的GMX250直线五轴铣车中心和DMU80P/H五轴铣车中心、韩国斗山公司的PUMAMX2500ST九轴控制的五轴铣车中心瑞士、Willem C.Makoder公司的W-508MT八轴控制的五轴联动铣车中心瑞士、Bumotec公司全球首创的S192b192和瑞士名士技术公司展出的S1FrL-R五轴铣车中心也在CIMT191上受到了广泛关注。

新型机床技术在五轴机床上的运用，使得五轴机床在结构上越来越简单，但性能和功能却越来越优异。

近来，为了避免叉式主轴头在主轴发生较小偏转时，C轴必须旋转较大角度的情况，德国Zimmermann公司设计了一种M3ABC主轴头，这种主轴头增加了弧形导轨，因此多了一个B坐标。

因此，它是一个具有三个旋转坐标 A、B 和 C 的头。除了偏移角度限制在正负 40° 左右之外，还有其他位置限制。该铣头结合了迄今为止各种构造解决方案的所有优点。

其优点是：A、B、C坐标刚性好、紧凑性好；挠度范围大；C轴旋转不受限制。这种设计使5轴数控机床的加工精度更高。

3.我国五轴联动数控机床研究现状

我国五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低，具体表现在关键功能上不能自主开发或者与国外同类产品相比稳定性、精度等存在差异。

但在国家相关政策的支持下以及相关企业、学校等部门的努力下，我国五轴数控机床技术也得到了较快的发展，并逐步形成了较为成熟的产品。

从CIMT2007机床展看，我国五轴数控机床已形成了多种成熟技术，具有自主技术和知识产权的特点]。

沈阳机床展出了VMC25100u型五轴立式加工中心、GMC5u型五轴龙门高速加工中心，适用于航空工业的铝合金框架加工，长期依赖欧美进口。

济南机床展出的XHSV2525X6000五轴龙门移动式高速铣削加工中心，工作台尺寸为6,000 mmx2500mm，X/Y/Z轴行程分别为6,000 mm/2,500mm/1250mm，进给速度0～20,000mm/min，快速进给40m/min，摆动铣削主轴0～24，摆动旋转铣削主轴0～24000r/min，功率40kw，刀库容量20把。

该产品是本届展会上规格最大的五轴联动加工中心，标志着我国在高档大型、重型数控机床的研发方面又取得了最新进展。

“十五”期间，我国在五轴数控机床的发展中取得了一定的成绩，概括起来有五点。

1）取得了一些原创性成果。

还有齐齐哈尔二机床集团、清华大学、哈尔滨电机厂有限公司研制的XNZD2415大型龙门式五轴联动混合机床在我国并联五轴联动数控机床领域取得了重要突破，并在哈尔滨电机厂水厂两年的使用中得到较高的评价。

2）五轴数控机床技术创新取得突破。

例如齐齐哈尔两机床自主研制的高速五轴数控铣床，通过技术引进和消化，掌握了铣头内油雾冷却梁预应力防变形控制等关键技术，并利用谐波传动原理，开发了A/C摆角铣头，满足了大型水泵叶片型面加工的精度要求。

沈阳机床集团通过与国外联合设计，攻克了功率驱动单元、大直径大通孔高速主轴、刀架、热平衡、精度补偿等关键技术，研制出完全具有自主知识产权的高性能铣车复合机床刀库及机器人换刀装置。

主轴最高转速为70,000r/min，可满足航空发动机主轴、船用发动机起落架活塞等形状复杂的大型旋转零件的高速、高效加工。

北京机电高技术研究所有限公司为东方汽轮机厂开发了系列五轴叶片加工中心，在大型叶片加工工艺研究的基础上，给出了最佳刀具中心距的求解方法，设计了新型回转轴间隙消除机构及机构平衡系统，提出了弹簧的自由组合，使平衡效果达到5%。

3）功能部件研发步伐加快。

北京机床研究所开发了电主轴和分离驱动式高速主轴单元，以及洛阳轴承研究所开发了多种内装式电主轴单元，使我国高速主轴单元技术日趋成熟。

清华大学在直线伺服电机研究方面取得重要成果，其研制的高响应直线电机及大推力直线电机伺服系统具有专用电源稳定、可靠的优势。

在控制系统方面，搭建了大推力永磁直线交流电机全数字伺服驱动控制硬件和软件平台，伺服控制方面也取得了重大突破；通过自主创新和与国内外技术合作。

目前，国内已有多家机床生产厂家掌握了A/C轴复合摆式铣头的设计与制造技术，开发了不同结构的五轴联动数控机床，北京机电高科技研究所有限公司还开发了力矩电机直接驱动的A/C轴复合摆式铣头。

4）力电机直接驱动的数控回转工作台、刀库开发成功。

5）开发HSK刀柄技术及相关产品

通过对HSK刀柄系统的研究分析，开发了UJS HSK刀柄系统专家知识系统，建立了HSK刀柄系统综合实验性能数据库，开发了HSK刀柄及相关产品的技术，使开发的HSK刀柄系统达到同类进口技术产品的技术水平。

五轴联动数控机床的发展趋势

从各国五轴联动数控机床的研究现状，我们可以清晰的看到当今五轴联动数控机床的发展趋势：

1）高速、高效

现代加工工业对高效率、低成本和高质量的要求使欧、美、日等国家都热衷于高速乃至超高速机床的研究。随着机床技术的发展161高速机床的主要功能部件高速主轴单元、高速进给机构、高性能数控与伺服系统等相继得到突破，高速机床的应用范围日益广泛，目前直线电机驱动的主轴转速可达15,000～100,000r/min，进给运动部件的快速移动速度为60～120m/min.切削进给速度60m/min.切削进给速度60m/min.最大加速度为10g。

2）高可靠性

五轴联动数控机床的加工曲面比较复杂，一般要求其平均无故障时间在20 000h以上，并有多种报警和保护措施，以减少故障带来的损失。国外变频器的平均无故障时间可达30000 XNUMXh。

3）高精度

随着CAM系统的发展，机床加工精度有了很大的提高，日本FANUC公司设计了一种加工精度为0.00um的超精密加工机床，其独特的往复运动单元，可进行超精密微细加工槽口。

4）复合材料

与以前单纯追求主轴和进给机构的高速化不同，当今市场对于个性化的要求愈发强烈，交货期也不断缩短，因此五轴加工中心更加趋向于小规模，甚至单件生产。

为了满足这种要求，机床制造商需要开发复合程度更高的复合机床，上面提到的五轴铣车加工中心就是这种趋势的重要例子。

5）智能网络灵活。

智能化蕴含在机床控制的各个方面，主要有自适应控制技术、故障诊断装置、智能数字何服务驱动器等。网络诊断、远程控制、网络化设计等技术的兴起，使得五轴联动数控机床向网络化发展。

6)绿色化。干切削或半干切削技术得到了较快的发展，在欧洲已有大约10%～15%的加工采用干切削或半干切削技术。

结语

五轴联动数控机床已经成为当今加工行业最主要的加工工具，随着工业化进程的深入，五轴联动数控机床将会被应用于更广泛的领域。