五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。 装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。 本文论述了五坐标联动数控机床和它典型五种结构、应用历史和用于加工复杂零件的优点以及它对发展制造业的重要作用。并较详细介绍了五轴数控机床在工业中应用现状。
一、五轴联动数控机床
五轴数控机床可用于加工许多型面复杂的特殊关键零件，对航空、航天、船舶、兵器、汽车、电力、模
具和医疗器械等制造业的快速发展，对改善和提升诸如飞机、导弹、发动机、潜艇及发电机组、武器等装备性能都具有非常重要的作用。五轴数控机床已成为装备制造业和先进国防武器装备产品快速研发与实现的关键基础性设备。因此，西方工业发达国家都将五轴数控机床列为国家战略物资严格管理，限制出口到发展中国家。
五轴数控机床除和三轴数控机床一样具有XYZ三个直线运动坐标外，通常还有两个回转运动轴坐标。常见的五轴数控机床或加工中心结构，主要通过五种技术途径实现。
①双转台结构(Double Rotary Table) 采用复合A（B）、C 轴回转工作台，通常一个转台在另一个转台上，要求两个转台回转中心线在空间上应能相交于一点。
②双摆角结构（Double Pivot Spindle Head）装备复合A、B 回转摆角的主轴头，同样要求两个摆角回转中心线在空间上应能相交于一点。双摆角结构在大型龙门式数控铣床上也得到了较多应用。
③回转工作台+摆角头结构(Rotary Table +Pivot Spindle Head)
④复合A（B）、C 回转轴电主轴头结构复合电主轴头，通常带C回转坐标360°，A（B）坐标旋转一定范围。在大型龙门移动式加工中心或铣床上得到最为广泛的应用。
⑤回转工作台+工作台水平倾斜旋转结构在一些紧凑型五轴数控加工中心上得到应用，适合加工一些中
小型复杂零件。
可见，五轴数控机床结构相对复杂，制造技术难度大，因而造价高。五轴数控机床和三轴数控机床最大区别在于：五轴数控机床在其连续加工过程中可连续调整刀具和工件间的相对方位。五轴数控机床已成
为加工连续空间曲线和角度变化的3D空间曲面零件的同义词，通常要求配置更为先进与复杂的五轴联动数控系统和先进的编程技术。
数控技术本质就是为了解决复杂结构零件加工而出现的。在上世纪60年代中就已有五轴数控机床在航空飞机制造厂中运行。尽管在如航空等制造业中应用五轴数控机床已有30多年的历史了，但是大约在10多年前，制造业工厂配置这类机床的数量也还是比较少的，那时五轴和三轴数控机床比例大约为1:9~2:8，且主要集中在军工制造业。通常作为三轴数控机床无法加工的3D空间曲面零件加工的关键设备来使用，一般中小型制造企业很少能拥有五轴数控机床。造成五轴数控机床应用不广泛的主要原因有：
①五轴数控机床制造技术难度大，造价高；
②五轴联动控制系统价格高；
③五轴联动CAM编程软件复杂，费用高；
④操作困难；
⑤配置三轴数控机床也能应用。
在制造业领域，复杂零件切削加工广泛采用五轴联动数控机床，并成为机械制造技术一种发展趋势则是最近10多年来的事。
二、制造业需要五轴数控机床日益迫切
近10多年来世界市场发生了根本性变化，制造企业为适应全球化市场的多变性、顾客需求多元性和个性化，已从传统的大批量生产模式转向定制生产模式，从传统产品机械自动化生产转向产品全数字化生产(Fully e-Manufacturing)，快速研发和实现具有创新性的产品已成为企业面临的巨大挑战。所有这些都极大促进了制造业，特别是宇航制造业，迫切需要更多地转向采用五轴数控机床来解决复杂产品加工的快捷性、高柔性、高生产率和高质量，取得产品快速研发和实现产品全数字化生产。
①产品零件结构日趋复杂。制造业为满足产品先进技术性能指标和用户特定要求，导致当前及未来设计的产品零件结构日趋复杂。典型示例如新一代飞机，为满足空气动力学的要求需要双曲面复杂机翼壁板整体结构件和复杂的梁、框、肋整体结构件；发动机压气机与涡轮机的具有空间曲面叶片或整体
叶轮零件等。加工这些复杂3D空间构件多需要五轴数控机床，靠三轴数控机床加工再加手工打磨或其它补充加工方法，在生产率、精度、质量等方面都已不能满足制造业在生产复杂产品时对制造技术所提出的要求了。同时，在三轴数控机床上加工原本需要五轴数控机床加工的复杂零件，不仅低效率、费时，而且费用反而增高。
②对零件精度、粗糙度等质量要求日益提高。面对激烈竞争的全球化市场，制造业所面临快速、高效研发和实现具有创新性产品的压力越来越大，促使制造业将更快速走向采用产品全数字化生产，其结果导致对产品零部件制造加工精度、粗糙度等质量要求日益提高。
③制造业面临快速低费用加工的压力日益增高。工业实践已证明，加工大型复杂零件和多工序加工，
不仅加工周期长，而且零件装夹、测量和校正作业成本很高，占用机床时间长，增加了生产过程管理的难度，导致制造企业面临快速低费用加工的压力日益增高。“一次装夹加工完成”加工工艺策略显得越来越重要了，已被众多制造企业，特别是航空、航天和汽车等制造业所采用。而实现这种目标就需要五轴数控机床或复合数控机床作为基础和前提。
④发展数字化制造技术的需求。随制造业数字化技术的发展，数字模型和3D模型化产品（零件）对一个现代制造企业已是必不可少的，实现产品全数字化生产已成制造企业发展的战略目标。包括实现产品数字化总装配在内的产品全数字化生产对零件加工精度、粗糙度、相关联的尺寸精度等提出了更高
要求、采用五轴数控机床能更好地构建集成数字化设计/制造环境，适应产品全数字化生产的要求。
⑤应用五轴数控机床益处多多。工业实践证明，应用五轴数控机床加工产品确实能给制造企业带来许多益处，极大推动了更多制造企业对五轴数控机床提出需求。
三、应用五轴数控机床的优点
现代五轴数控机床能为制造业提供更高生产率、更好设备柔性和零件加工质量。制造业产品零件切削加工更多地采用五轴数控机床具有许多明显优点：
①增加制造复杂零件的能力。能使制造业增加零件制造多样性和具有制造复杂零件的能力，从而能更好适应全球化市场的多变性、顾客需求多元化和个性化，增强产品的创新能力和竞争力。
②优化加工零件精度和质量。采用五轴数控机床可实现使用刀具最佳几何形状切削（包括球头铣刀的圆弧部分、非顶部分），大大提高了加工效率，改善了表面粗糙度，优化了零件质量和精度，减少返工与废品。通过优化加工策略和编程技术，应用五轴数控机床直接加工空间曲面零件，表面粗糙度已可取得N5（0.2~0.4μm）/N6（0.4~0.8μm）级水平[1]。
③降低零件加工费用。采用五轴数控机床，可使原需要多台数控机床加工的工序合并在一台机床上实现，不仅减少了加工工艺链中机床的数量，减少零件转序加工装夹和搬运次数，甚至可省去某些自动
生产线的运输传送装置，节约了生产占地空间和投资费用，缩短生产周期，降低生产费用，而且简化了生产过程调度管理，从而提升了制造车间产品产出能力。
④减少专用刀/夹具及费用。加工同样复杂零件，与三轴数控机床相比，五轴数控机床由于具有加工复杂空间曲面能力，通常需要较少的专用刀具与夹具，存取刀具迅速，从而可提高加工效率和较大幅度地降低生产费用。导线测量法
⑤实现复合加工。一些五轴数控机床，能使得数控机床五轴联动加工和五面体加工（Five- Sided Machining）于一台机床而实现复合加工，适合于复杂整体结构件、箱体零件和大型模具的加工。
⑥实现高效率高速加工。五轴数控机床结合HSM技术应用将能发挥更大威力，特别适合需要高材料切除率MRR的复杂整体结构件的高效率高速数控加工。这对许多零件材料去除率高达70%~90%的宇航制造业具有极大吸引力。
⑦适应产品全数字化生产。制造企业已开始迈入产品全数字化生产时代。产品全数字化生产不仅要求实现直接实体模型加工（Solid Model Machining），即数字化加工，同时要求实现数字化总装配系统，对产品零件精度重复一致性要求大大提高，需要采用五轴数控机床加工复杂零件，以减少人为因素造成误差。因此，采用五轴数控机床能更好地构建可视化集成数字化设计/制造/管理一体化环境，适应产品全数字化生产的需求。
⑧适应JIT 生产。采用五轴数控机床能减少工艺加工链长度，使制造企业减少在制品库存费用，提高了车间采用准时制（Just In Time，JIT）生产的调度能力。
据Cincinnati公司介绍，原在一台三轴数控机床上加工的铝合金飞机结构件转移到该公司的V5-2000五轴加工中心上加工，整个生产时间缩短了40%，加工效率提高110%。对钛合金飞机结构件的加工也取得了类似的结果。同时该公司认为：一台五轴数控机床的效率可等于两台三轴数控机床。特别是使用立方氮化硼（CBN）刀具进行高速切削淬硬钢零件时，五轴数控机床比三轴数控机床明显能发挥更大威力【3】。
一些具有复杂空间曲面零件的制造加工，没有五轴数控机床将是无法加工或是很难取得令人满意的加工精度和质量结果。一个极有说服力的例证是：前苏联国家在上世纪80年代初靠从日本东芝公司进口的六台大型五轴数控铣床用于核潜艇螺旋桨的加工，结果极大改善了精度和表面粗糙度，使核潜艇的噪声大为降低，造成美国的声纳检测器无法追踪苏联潜艇，并由此引发了美、日、苏间的有名的“东芝事件”。因此，采用五轴数控机床才是3D空间曲面零件切削加工的最佳选择，对提高军工、宇航、船舶、汽车和电力等行业的产品制造能力和竞争力具有明显的优势。
水泵远程监控四、五轴数控机床应用现状
涂锡焊带最近10多年来，数控技术快速发展，特别是数控系统大容量存贮技术的解决，开放体系结构控制器(O
AC)的应用，快速处理器和运动控制，日益完善的人机接口软件（Human Machine Interface，HMI）以及工厂自动化设备支持通过网络的互联性，使五轴数控机床潜在生产能力能够被充分发挥；高速加工HSM技术，高速电主轴或复合主轴头技术的发展，有力推动了机床设计/制造技术的发展与创新，使五轴数控机床制造技术难度大大降低，造价也大幅度减少，许多中小型五轴联动立/卧式加工中心（VMC，HMC）一般制造企业已能接受；计算机软硬件技术快速发展和费用持续降低，使五轴联动和三轴联动控制系统价格已相差无几了；五轴联动CAM编程软件价格（包括五轴程序检验软件）也已大幅度下降，使得许多制造企业可接受使用它，尽管其价格还是偏高；软件技术的进步，特别是仿真技术和虚拟NC加工等可视化技术的应用，用户掌握和应用五轴加工编程软件较以前也容易得多了。加上用户对五轴数控机床的需求日益迫切，因此，包括从适应轻载切削、中载切削到重载切削的各种（高速）五轴数控机床在宇航、汽车、装备、运输、模具以及医疗器械等制造行业中得到了越来越广泛应用。像Cinc innati、Forest- Line、Jobs、Marwin、Mazak等许多机床制造商纷纷推出他们设计制造的各种类型的（高速）五轴数控机床以适应制造业这种发展趋势。
①加工复杂空间曲面的产品零件精密电主轴
加工一些具有复杂空间曲面的产品是五轴数控机床最主要的应用，传统应用三轴数控机床加工，则可能需要多台机床、多次装夹，有的甚至无法加工，并需大量人工修整，制造周期长，生产成本高。如在宇航、船舶、电力、核工业等制造业中，如压气机、涡轮燃机、发电机组等许多产品中多有结构复
杂且为空间曲面的叶片、整体叶轮以及螺旋浆叶等类零件，采用五轴数控机床实现直接铣削加工具有特殊重要意义的[1]，见图1。
(a)飞机雷达罩零件 (b)整体叶片 (c)整体叶轮
图1：五轴机床加工复杂型面零件
smartthreads②大型复杂结构件的高效率加工
大型复杂结构件加工，其搬运、装夹和测量将是困难、费时和高费用的，同时在多数情况下需要多台机床。应用适应轻/中/重载切削的各种类型高速五轴数控机床对大型复杂结构件实现高效率加工可避免
这种不足，特别在飞机制造业得到了最为广泛和有效应用，见图2
(1)飞机大梁 (2)Eurofighter主承办框 (3)大型飞机壁板 (4)汽车薄壁零件
图2：五轴机床高效率加工复杂零件
③复杂多面体带孔系结构件的高生产率加工在宇航、汽车制造业，需要加工复杂多面体带孔系结构件，如汽车缸盖、汽缸箱体、泵体和变速箱体等，传统的需要多次装夹，测量、装夹定位困难、费时，加工周期长，生产成本高。采用具有多面体加工能力的五轴数控加工中心，可有效缩短生产周期，降低生产成本。应用五轴机床加工此类零件，通常可明显缩短生产周期30%~70%。见图3(a)。
喷浆泵
(a)孔隙零件 (b)磨具加工 (c)原型制造
图3五轴机床加工特定类零件
④取代EMD加工
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