五轴车铣中心的先进性表现在 其设计理念上

五轴车铣中心的先进性表现在 其设计理念上

五轴车铣技术是20世纪90年 代发展起来的复合加工技术，是一 种在传统机械设计技术和精密制造 技术基础上，集成了现代先进控制技 术、精密测量技术和 CAD/CAM应 用技术的先进机械加工技术。这种加工技术的实质是一种基于现代科 技技术和现代工业技术的工艺创新 并引发相关产业工艺进步和产品质 量提升的新技术。

五轴车铣中心是五轴车铣技术 的载体，是指一种以车削功能为主， 并集成了铣削和镗削等功能，至少具 有 3 个直线进给轴和 2 个圆周进给 轴，且配有自动换刀系统的机床的统 称。这种车铣复合加工中心是在三 轴车削中心基础上发展起来的，相当 于 1 台车削中心和 1 台加工中心的 复合。因此可以在 1 台车铣中心上， 经过一次装夹，完成全部车、铣、钻、 镗、攻丝等加工，其工艺范围之广和 能力之强，已成为当今复合加工机床 的佼佼者，是世界范围内最先进的机 械加工设备之一。

五轴车铣中心的先进性表现在 其设计理念上。在通常的机械加工 概念中，1个零件的加工，少则一两 工序，多则上百工序，要经过多台设 备的加工来完成，要准备刀具、工装 夹具。

五轴车铣复合加工中心从设计 概念上解决了这个问题，它是一次装 夹，完成加工范围内的全部或绝大部 分工序，实现了从复合加工到完整加 工的飞跃。 这种完整加工的设计理念有以 下几方面好处：

（1）缩减生产过程链和减少在 制品数量。 完整加工大大缩短了生产过程 链，而且由于把加工任务只交给一个 工作岗位，不仅使生产管理和计划调 度简化，而且透明度明显提高，无需 复杂的计划系统就能够迅速解决所 发生的事情并使之优化。

（2）减少基准转换，提高加工精 度。 工序集成化不仅提高了工艺的 有效性，由于零件在整个加工过程中 只有一次装卡，加工的精度更容易获 得保证。

尽管加工中心机床的单台设备 价格较高，但由于过程链的缩短和 设备数量的减少，工装夹具数量、车 间占地面积和设备维护费用也随之 减少，从而降低了总体固定资产的投 资、生产运作和管理的成本。

（4）缩短产品研发周期。

可持续发展是企业的一个重要 战略目标，其前提是产品的不断更 新。在竞争日益激烈的环境下，机会 转瞬即逝，这就要求产品研发周期不 能太长。对于航空航天领域的企业， 新产品零件越来越复杂，精度也越来 越高，因此具备高柔性、高精度、高集 成性和完全加工能力的五轴车铣复 合加工中心可以很好地解决新产品 研发中复杂零件加工的精度和周期问题，大大缩短研发周期和提高新产 品的成功率。

五轴车铣中心功能

五轴（有时为六轴）分别为 3 个 或4个直线轴（ X 轴和 E 轴、 Y 轴、 Z 轴）以及 2 个回转轴（ C 轴、 B 轴）。

X 、Y、 Z构成三维空间，在加工中， X轴、 E轴形成回转体的径向尺 寸或复杂曲面的插补铣加工； Y 轴 形成刀具与主轴中心的偏离，可用于 钻偏心孔、平面的 Y 向铣削或复杂 曲面的插补加工； Z 轴形成回转体的 轴向尺寸或可用于平面的 Z 向铣削 复杂曲面的插补加工。

C轴为绕Z轴旋转的轴,在回 转体上实现周向进给，分度和定向停 车，用于端面钻孔和插补铣削加工。

E轴为X轴的平行轴，是为实现 某些特殊功能而附加的轴。

发展现状

进入21世纪 以来，五轴车铣中 心发展非常迅速， 不仅规格齐全， 在 硬件功能上十分 完 善，且软件功 能也很强大。如 WFL 的 M 系 列和 MAZAK 的 E-H 系列等。

在规格上，WFL的M系列从 M30 到 M150，共有7个规格系列， 基本上涵盖了直径从300mm ～ 1500mm，长度最长到 6500mm 的所 有工件；而 MAZAK 的 E-H 系列 则基本上覆盖了车削直径从 610mm ～ 920mm 的中型规格工件。

在硬件功能上，除了标准的功能 模块配置外，还有一些可选模块。如 WFL 的 M 系列可选模块有副主轴 模块、下刀塔模块、长镗刀杆模块和 对刀尖的 ATC 更换模块、带径向自 动进给的镗刀杆模块、角度头模块 等。

在软件功能上，都具备在线检测 功能、刀具在线实时监控及适应控制 功能、自动对刀功能、温度补偿功能、 CAD/CAM 自动编程功能等。

目前，最先进的五轴车铣加工中 心除了可以进行车、铣、钻、镗、攻丝 等加工外，还可以镗型腔、钻深孔、 滚 齿、铣叶片以及进行磨削加工和工件 的在线测量，实现各种误差补偿、刀 具在线监控和适应控制等。

1 两类车铣中心在高效切削理念上 的差别

两种流派的机床设计在考虑车 铣效率时，实现的手段是不一样的， 日式车铣复合加工中心是以高速、 小 切深、大进给为基础来确定机床的参 数的，利用了刀具的上限切削速度， 适合于模具圆角和材料较软的被加 工零件切削。欧式车铣复合加工中 心是以重切削为条件，即大切深、大 进给、高线速度来确定机床参数的。 两种高效切削方式实现方法明显不 一样，以高速为基础的方式实现高 效，从经济上考虑，刀具寿命低，零件 制造成本相对提高；以重切削为基 础设计的机床，刚性好，刀具使用中 高转速寿命长，经济性好。

2 车铣中心两大流派的结构分析

（1）总体布局。

日式布局紧凑、体积小，采用大 平顶梯形床身截面，截面高度低（平 床身）；欧式床身截面为三角形（斜 床身）截面高度比日式要高，床身重， 挠度小，但体积和重量都大，相对成 本高。

（2） Y轴形式。

日式车铣复合加工中心的轴是虚拟Y轴，是X轴和一个与X轴有一定夹角Y ′的轴差补来实现。 Y坐标与X坐标的垂直关系由差补精 度决定。在实现 Y 坐标方向运动时， X 轴和 Y ′轴同时运动。对两轴运 动的动态特性要求较严格，这种形式 X 轴拖动重力轻，易于控制，受部局 影响 Y 轴行程较小。

（3）刀具动力主轴。

日式车铣复合加工中心刀具动 力主轴通常采用电主轴，动力主轴箱 体积一般很大，相对来说主轴直径较 小，采用角接触球轴承，这种设计可 实现较高转速，属高速小扭矩主轴， 扭矩一般≤ 150N·m，对于大刀具悬 伸和重负载切削不利。在小切深、 高 转速方面有优势。主轴寿命相对较 低，到达寿命后只有电主轴生产厂才 有力量维护。

（4）C 轴形式。

从日式和欧式风格上看，相近规 格日式 C 轴扭矩较小，欧式扭矩较 大。从这一点上可以看出，欧式车铣 复合加工中心在应对较大惯量、较大 直径铣削能力上，更具有优势，尤其 是 C 轴定向锁紧功能，对提高铣削 能力。

3 五轴车铣中心的几大结构形式

纵观世界上各个生产厂商的车 铣复合加工中心产品，虽然它们的结 构各不相同，各有千秋，但是总体来 说可以分为以下 4 类典型结构。

第 1 类是以 WFL、沈阳机床为 代表的斜床身式立式车铣复合加工中心。

该类机床总体布局采用传统卧 式车床布局形式，床身采用高刚性的 斜式床身结构，导轨为特殊设计的大 尺寸直线导轨，具有高刚性和优良的 抗振性。床身左端为车削主轴箱， 具 备 C 轴功能。右端为尾座装置。斜 式床身上部是车、铣、镗主轴装置， 可 沿纵向 ( Z 轴 )、横向 ( X 轴 )、径向 ( Y 轴 ) 进行直线运动和 B 轴的摆动回 转运动。斜式床身的下部是一个在纵向和横向均可机动控制的中心支 架，用于端面和镗内孔加工不能使用 尾座装置时支撑工件。

第2类是以DMG公司为代表 的斜平床身的立式车铣复合加工中 心。

这类机床是世界上绝大多数机 床制造商所采用的结构，其结构比较 紧凑。其中 DMG 公司在其机床的 Z 轴采用了直线电机技术，快移速度 达到 70m/min； B 轴采用涡轮蜗杆， 其力矩电机驱动分度精度可以达到 0.001°。

这类机床是日本森精机公司在 2005 年着力推出的一款新型的车铣 复合加工中心，此款机床采用了很多世界领先的技术。

第4类是以INDEX公司为代 表的动立柱式卧式车铣复合加工中 心。

从这 4 类典型的机床结构不难 看出，现代机床已经发展到相当完善 的程度，各类机床之间彼此相互交 融，第 3 和第 4 类机床就是很好地融 合了卧式加工中心和车削中心的结 构而得到的一种全新的结构。

国内对五轴车铣中心的研究始 于 2000 年，并在 2001 年制造出第一 台五轴车铣中心 SSCKZ63-5 ；

在五轴车铣技术领域，我国与 发达国家相比，虽然起步较晚，但在 开始研发的时候就瞄准当时世界上五轴车铣中心最高水平，所以起点 很高，走的是高刚性、大切削量的路 线，而且进步相当快。

发展趋势

五轴车铣复合加工中心从产生 至今，已有近 20 年的历史，技术已经 成熟并被国内外用户接收和认可。 从趋势上看，主要向以下几个方向发 展：

（1）更高工艺范围。

通过增加特殊功能模块，实现更 多工序集成。例如将齿轮加工、内外 磨削加工、深孔加工、型腔加工、激光 淬火、在线测量等功能集成到车铣中 心上，真正做到所有复杂零件的完整 加工。

（2）更高效率。

通过配置双动力头、双主轴、双 刀架等功能，实现多刀同时加工，提 高加工效率。

（3）大型化。

由于大型零件一般多是结构复 杂、要求加工的部位和工序较多、安 装定位也较费时费事的零件，而车铣 复合加工的主要优点之一是减少零 件在多工序和多工艺加工过程中的 多次重新安装调整和夹紧时间，所以 采用车铣中心进行复合加工比较有 利。所以目前五轴车铣复合加工中 心正向大型化发展。

（4）结构模块化和功能可快速 重组。

五轴车铣中 心的功能可快速 重组是其能快速 响应市场需求，并 能抢占市场的重 要条件，而结构模 块化是五轴车铣 中心功能可快速 重组的基础。