卧式五轴加工中心结构分析及发展趋势

张传思

（科德数控股份有限公司沈阳分公司，沈阳 110041）

0 引言

卧式五轴加工中心作为航空航天、军工、船舶等领域零件的加工利器，能在一次装夹中完成工件的多面、多序的复合加工，大大提高了零件的加工精度，提升了零件的加工效率。

国外卧式五轴加工中心制造企业较多，技术也相对成熟，典型的企业如斯特拉格集团、MCM、法孚集团等。国内伴随着传统老牌企业相继改制的同时，很多民营机床企业迅速发展，规模不断壮大，加工中心生产厂家越来越多，其中卧式五轴加工中心的典型厂家有科德数控、宁江机床、沈阳机床等。

根据加工对象及技术特点，卧式五轴加工中心典型的结构型式有摆头与转台结合型、摇篮式结构型和双摆头结构型（翻板）。

1 典型结构分析

1.1 摆头与转台结合式卧式五轴加工中心

摆头与转台结合的卧式五轴加工中心[1]，两个旋转轴分开，摆头部分夹持刀具主轴，转台部分装载工件。通常结构形式为摆头上下运动，转台前后或左右水平运动，与X、Y、Z轴形成五轴联动加工。此种结构形式，摆头悬伸较长，导致刀具末端刚性较差，但工作台承载较大，通常用来加工机匣类等尺寸大、质量大等的回转体零件。

1）前后动工作台，左右动滑鞍。该结构的典型厂家如科德数控的KHMC系列产品，采用先进的平台化开发设计理念，左右动大滑板结构实现X轴进给运动，上下动主轴箱双驱无配重实现Y轴进给运动，前后动工作台实现Z轴进给运动；A轴摆头与B轴转台均为力矩电动机直驱，具有高动态响应特性，如图1所示。

图1 KHMC系列

又如沈阳机床的HMC60u卧式五轴加工中心，主要应用于铝合金的高速、高效加工。机床为T字型正挂箱布局，横床身与纵床身垂直放置，滑板连同单摆铣头沿立柱上下方向移动（X轴），摇篮式工作台在横床身上左右移动（Y轴），立柱在纵床身上前后移动（Z轴），水平摆动的单摆铣头（A轴）与摇篮式翻板工作台（B轴），具有五轴联动功能的同时构成卧式小翻板加工中心结构，提高加工效率的同时，大大改善了机床的排屑效果。机床各项导轨副均为滚柱直线导轨，摩擦力小，快速响应好，运动平稳性高。机床配有两个工作台自动交换站，实现装卸工件时机床不停机，为用户节省加工辅助时间。机床还配有自动装夹并精准定位的零点定位系统，解决铝合金加工领域薄壁零件加工变形的真空吸附系统，刀库墙与关节机器人组成的刀库系统，使机床更加环保的油雾回收系统，为用户从单机制造向自动化生产线的升级做好准备。

2）左右动工作台，前后动立柱[2]。该结构典型的厂家如斯特拉格的STC1250，如图2所示。该产品具有优良的静态和动态特性，加工空间较大，但前后动立柱，运动部件较重。主机采用了热对称设计，封闭焊接设计元素。主机可以配置托盘交换系统。

图2 STC1250

3）前后动工作台，左右动立柱。该结构典型的厂家如MCM的Tank 5AX_TH_1300，采用阶梯式整体床身，左右动立柱，上下动摆头，前后动工作台结构。该结构与前后动立柱结构相比，立柱及摆头运动部件质量相对轻些，加工范围也相对减少，如图3所示。

图3 Tank 5AX_TH_1300

1.2 摇篮式卧式五轴加工中心

摇篮式卧式五轴加工中心，两个旋转轴集中在一起，形成A轴与B轴，摇篮结构前后或左右运动，形成Z轴或X轴。该种结构形式的主轴水平不需摆动，所以刚性较好，但由于摇篮摆动，摆角超过45°时负载较大，所以工作台承载相对较小。

1）左右动摇篮，前后动立柱。该结构如科德数控的HMC80U（如图4），为前后动柱式，左右动摇篮式。加工范围大，干涉小，兼顾高刚性和高精度。机床铸件采用的是高强度铸铁，并经过二次时效处理，消除内应力。整体结构采用倒T 型动柱式结构，刚性好，稳定性好。X/Y/Z 三轴均采用全支撑宽轨结构设计。采用高刚度机械主轴，可配置两挡ZF变速箱获得更大的切削转矩，满足低速大转矩、重切削加工需求。最高转速可达10 000 r/min，BBT50接口，具有良好的综合性能。机床A/B转台采用力矩电动机直接驱动技术，A轴采用双端支撑，整体结构紧凑、输出转矩大，精度高。可选择夹具用转台中心油路、工作台面定制化配置。主要应用航空航天、汽车行业中的箱体类、回转体类零件的五轴联动或五面加工。

图4 HMC80 U

2）前后动摇篮，左右动立柱。该结构如Starrag AG旗下海科特公司的Heckert X45（如图5）。该机床设计紧凑，工作空间大，占地面积小。摇篮式正T型结构卧式五轴加工中心，配置前工位，节省上下料时间。热对称设计，高刚性，摇篮两侧安装驱动轴的设计保证加工精度的核心要素；通过缩短换刀时间、托盘交换时间和B轴定位时间，提高切削速度等一系列方法去降低非加工时间，从而提高生产效率。机床采用了经典的模块化设计，可扩展为自动化附加功能，即单机或多机自动化功能。

图5 Heckert X45

国内的如宁江机床的THM6363Ⅳ（如图6）。该机床采用精密坐标镗床结构设计，床身采用整体式正T型结构，立柱采用整体框式结构，X轴左右移动，工作台为Z轴前后移动，主轴箱为Y轴上下移动，可倾转台的A/B轴均采用高精度圆柱滚子轴承，采用力矩电动机直驱。机床配置电主轴，轴承采用油气润滑，实现免维护；主轴集成外循环强制冷却系统，可保证机床24 h连续稳定工作。机床数控系统可实现X、Y、Z、A、B五轴控制，广泛应用于高精度箱体及空间复杂型面等零件的加工。

图6 THM6363Ⅳ

3）上下动摇篮，前后动滑枕结构。该典型结构如GROB的G150五轴联动通用加工中心（如图7），其主轴随滑枕前后移动，可实现同级别机床中Z轴的最大行程及最佳的排屑效果。单臂摇篮上下移动形成Y轴。左右动滑鞍实现X轴。A/B轴力矩电动机直驱实现动态、无磨损的工件加工。3个直线轴的独特布局将导轨与工作点（TCP）之间的距离降至最小，使机床具有极大的稳定性。独特的轴布局可实现A轴方向上230°的超大摆动幅度。“隧道”概念使得在用最长刀具时，机床各旋转轴都不受任何限制，仍然能够实现最大工件的加工。

图7 G150

1.3 双摆头结构卧式五轴加工中心

该结构型式也叫卧式翻板加工中心，主要用来加工航空结构件，如框架、肋片、隔板、翼板等。典型结构型式为双摆头，主要有A/B摆头、A/C摆头、并联头型式。摆头随滑枕进行Z轴前后移动，Y轴上下运动，工作台立式布置并进行左右移动形成X轴，也有工作台固定，滑鞍左右移动为X轴的型式，工作台立式便于排屑，电主轴多为大功率、高转速，进而实现结构件90%以上金属去除率的需求。

1）A/B 摆头型式。该典型结构如科德数控的KFMC2040 U，独创的A/B摆头型式卧式五轴翻板加工中心，采用连杆驱动的B轴，力矩电动机驱动的A轴，具有旋转中心距刀尖点距离小、响应快的特点，同时科德应用了自主研制的120 kW、30 000 r/min的电主轴，直线轴加速度最高可达1g，大容积排屑器设计，满足航空结构件大去除率的排屑需求。采用科德自主研发的数控系统，具有智能误差补偿和在线检测功能。配备翻板式双托盘交换系统，水平上下料，垂直自动交换工作台，可大大降低辅助时间，提升机床加工效率，配置大容量自动换刀装置，满足多工序、多特征的加工需求，如图8所示。2）A/C摆头型式。此种结构型式较多，也可理解为龙门加工中心旋转90°的布置方式，A/C摆头随滑枕Z向运动，有动工作台的型式，也有固定工作台的型式。图9所示为法孚集团的Fives Forest-Liné Aerostar[3]。齿轮或力矩电动机驱动A/C摆头，X、Y、Z 轴 由直线电动机驱动，智能旋转和翻转装载站，高柔性机床配置，单机设备或柔性生产线。

图8 KFMC2040 U

图9 Fives Forest-Liné Aerostar

3）并联头型式。该结构应用较成熟的只有斯特拉格的Ecospeed系列[4]（如图10）。也是目前加工航空结构件效率最高的加工中心。Sprint Z3并联床头是其独特的特点，动态响应快、刚性高，其直线轴速度可达50 m/min，加速度可达1g，电主轴的功率为120 kW，主轴转速也高达30 000 r/min。3个平行的直线轴沿径向均布在筒形主轴箱内，同步运动形成Z轴。主轴头通过一端带有球轴承的刚性连杆与每个驱动连接起来。主轴箱水平安装在立柱上，并沿立柱上下移动形成Y轴。该设计具有最小运动质量，保证机床具有更好的动态特性。工作台左右运动形成X轴。当3个直线轴同时等量运动时，主轴头可在±40°的圆锥范围内任意摆动。通过X、Y和Z轴的直线运动 形 成±40°的圆锥形工作空间。该产品已成功应用于多家航空结构件厂家组线加工。

图10 Ecospeed系列

2 发展趋势

纵观国内外卧式五轴加工中心现状，未来机床的发展趋势将围绕着高效化、智能化、绿色化的趋势方向发展。

1）高效化。主机结构方面：伺服轴不断提升运动速度、加速度，直线轴采用直线电动机驱动，旋转轴采用直驱控制方式越来越多，大功率电主轴应用，缩短机械手换刀时间，配置交换工作台，减少加工辅助时间等。控制系统方面：优化控制算法，实现数控轴的高动态响应。刀具方面：复合材料刀具、成型刀具的应用等。

2）智能化。多传感器融合技术的应用使得数控机床越来越智能。刀具在线检测、工件在线测量、误差实时补偿技术等的应用，满足零件的高效、高精加工。工业物联、云计算都将助力机床及企业的智能化发展。FMC、FMS的应用越来越多。

3）绿色化。设计的绿色化：采用复合材料、碳纤维、陶瓷、花岗岩等，减轻运动部件质量的同时，大大地节约了能源。加工的绿色化：优化工艺参数，采用特殊材料的刀具，少用切削液或采用最小量润滑加工技术、干式切削等。

3 结语

本文分析了国内外卧式五轴加工中心的典型结构，介绍了典型结构的相关产品，并对该类产品的发展趋势进行了分析，可以看到国产卧式五轴加工中心产品越来越多，主要以摇篮式居多，摆头与转台结合的产品较少，也充分证明了国产数控机床及功能部件得到了一定的发展，但是如何保证机床的可靠性、稳定性，如何提升基础共性技术问题等，仍是国产数控机床应该改善提升的。希望国产数控机床在客户的不断示范应用中，能够不断地提升自身产品的质量水平，实现真正意义的替代进口产品。