五軸加工是五面加工技術(shù)和五軸聯(lián)動加工技術(shù)的概括簡稱。五面加工技術(shù)用于復(fù)雜多面體零件在一次安裝條件下，通過增設(shè)的機(jī)床回轉(zhuǎn)軸可以方便地完成除安裝基面外所有平面和的銑、鉆、鏜等加工；不僅如此，而且在加工斜面時，通過刀具或工件的回轉(zhuǎn)，可以使刀具更好地接近加工表面縮短刀具伸出長度，有利于提高切削能力和刀具壽命；此外還能解決依靠直線軸運(yùn)動無法解決的內(nèi)凹表面的加工。
五面加工另一個特點(diǎn)是回轉(zhuǎn)軸只作分度定位，并不參與切削軌跡插補(bǔ)運(yùn)動。例如圖1所示V形發(fā)動機(jī)缸體，應(yīng)用有A/B軸雙擺工作臺的臥式加工中心，A軸擺動可完成V形斜面和缸孔的加工，再用B軸轉(zhuǎn)位就能完成曲軸軸承孔及其止推面等加工。
圖1 V形發(fā)動機(jī)缸體
五軸聯(lián)動加工技術(shù)是指一個復(fù)雜形狀的表面需要用5個獨(dú)立軸共同進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)動才能獲得光順平滑形面的加工技術(shù)。雖然從理論上講任何復(fù)雜表面都可用X、Y、Z三軸坐標(biāo)來表述，但實(shí)際加工刀具并不是一個點(diǎn)，而是有一定尺寸的實(shí)體，為了避免對空間扭曲面加工時出現(xiàn)刀具與加工面間的干涉以及保證曲面各點(diǎn)的切削條件的一致性，需要調(diào)整刀具軸線與曲面法矢間在兩維方向上的夾角。五軸聯(lián)動與三軸聯(lián)動相比能加工誤差與表面粗糙度減少至1/3～1/6。
五軸聯(lián)動加工的軸數(shù)是指加工同一表面時所需獨(dú)立運(yùn)動的軸的數(shù)量，而非指該數(shù)控?fù)碛械目煽刂戚S的數(shù)量。例如龍門銑床為保證橫梁升降的平行性，需要左右兩根驅(qū)軸W1，W2同步運(yùn)動，也就是以W1為主動軸，而使W2軸與之保持同步。因此，它們只能作為1根獨(dú)立運(yùn)動軸。另外如果復(fù)雜雕塑表面具有回轉(zhuǎn)體特征的話，不需要Y軸運(yùn)動，可以在數(shù)控車床或車削中心上實(shí)現(xiàn)，其最多聯(lián)動軸數(shù)大多為四個獨(dú)立軸。
1. 五軸加工機(jī)床的特征及選用
無論是五面加工機(jī)床還是五軸聯(lián)動加工機(jī)床，它們都是在X、Y、Z三個直線運(yùn)動軸的基礎(chǔ)上至少增加A、B、C三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸中任兩個回轉(zhuǎn)軸，由此導(dǎo)出多樣的五軸加工機(jī)床的布局方案。針對加工件的形狀、尺寸、重量、要求精度、材料的機(jī)械性能和切削栽荷等因素，可以確定適用的機(jī)床結(jié)構(gòu)布局。
圖2 A/C雙擺轉(zhuǎn)臺立式加工中心
基于立式加工中心和臥式加工中心三直線軸結(jié)構(gòu)布局基礎(chǔ)上配置不同的回轉(zhuǎn)運(yùn)動型式可以得出多種布局，以適應(yīng)不同場合的需要。回轉(zhuǎn)軸型式有兩類：一類是刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)各有一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸，第二類是兩個回轉(zhuǎn)軸均配置給刀具系統(tǒng)或工件系統(tǒng)，通常稱之為雙擺銑頭或雙擺轉(zhuǎn)臺。例如，有A/C 和B/C 兩種雙擺轉(zhuǎn)臺，雖然工作原理大致相同，但A/C轉(zhuǎn)臺有可左右支承剛性較大，但當(dāng)臺面向后轉(zhuǎn)時，由于空間狹窄為防止干涉一般擺角較?。▓D2），而B/C轉(zhuǎn)臺通常為單臂支承剛性較小，但擺角范圍大，易觀察，適宜小型零件的加工（圖3）。
圖3 B/C雙擺轉(zhuǎn)臺立式加工中心
顯然，回轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)對五軸加工中心機(jī)床的功能和性能有重要的作用，近年來它的結(jié)構(gòu)發(fā)展主要有以下四方面：
（1）采用力矩電機(jī)驅(qū)動，減少機(jī)械傳動提高動態(tài)性能，如CyTec公司的CyMill萬能銑頭；
（2）發(fā)展A/B/C三軸擺動銑頭，使角度變換更靈活、快速，如德國Zimmermann公司的M3ABC三軸擺角銑頭；
（3）研發(fā)緊湊型A/B雙擺銑頭，如意大利Rambaudi公司DTH型A/B雙擺銑頭的擺角增長至±45。此外我國沈陽機(jī)床和齊二機(jī)床公司開發(fā)的適用于臥軸的A/B的擺角的并聯(lián)桿機(jī)構(gòu)銑頭，具有新穎性，但擺角范圍較??；
（4）應(yīng)用±45斜面回轉(zhuǎn)使軸線立臥轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，一般稱作為B軸，由于回轉(zhuǎn)結(jié)合面大，可提高剛度和制動力矩，但斜面回轉(zhuǎn)180時，軸線擺角僅為90，因此擺角范圍較小，更適用于以五面加工為主的場合。
2. 加工傾斜多面體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)
不同的多面體零件由于其結(jié)構(gòu)和功能的不同，會對其斜面的空間位置有多種的定義方法，因此要求數(shù)控系統(tǒng)配置完善的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換應(yīng)用軟件以方便使用。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基本原理是把機(jī)床坐標(biāo)系X、Y、Z轉(zhuǎn)換為特征坐標(biāo)系Xc、Yc、Zc，而特征坐標(biāo)系的XcYc平面即包含該斜面，則刀具軸Z通過擺動至Zc，即可對斜面進(jìn)行銑削和鉆孔等加工。
功能完善的斜面加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件，可以根輸入不同的斜面參數(shù)如：斜面空間傾擺角、斜面方向矢量、斜面投影角或斜面上三個特征點(diǎn)等的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在工件一次安裝條件下，對多面體的各個斜面進(jìn)行坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換，既簡化編程，又能在工件一次安裝下連續(xù)加工各個斜面，提高了效率和加工精度。
3. 復(fù)雜曲面的精密光順加工技術(shù)
雕塑型面、非球曲面和液體動力三維曲面等具有曲率不斷變化甚至出現(xiàn)陡變的特征，因此在數(shù)控加工時不僅存在伺服驅(qū)動的運(yùn)動軌跡的跟蹤誤差，而且還因曲率的變動出現(xiàn)運(yùn)動躍度劇變和刀刃與已加工表面的干涉現(xiàn)象，使軌跡銜接處達(dá)不到光順。而隨著航空航天、激光核聚變、遙感成像和大規(guī)模集成電路等發(fā)展要求光學(xué)器件的形狀誤差≤0.05μm，表面粗糙度的最大輪廓高度Ry≤3nm。
面對這些需求，不僅要求提高五軸聯(lián)動加工裝備的制造精度，而且還需發(fā)展多種誤差補(bǔ)償技術(shù)。上世紀(jì)80年代FIDIA公司在其數(shù)控系統(tǒng)中配置了RTCP軟件。用以修正刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的附加線性位移，但是它僅是對刀尖的空間位置作靜態(tài)調(diào)整，還不能精確補(bǔ)償運(yùn)動過程的動態(tài)誤差，因此近10年來Heidenhain、Siemens和FANUC等公司不斷深化研究五軸聯(lián)動加工的補(bǔ)償軟件，用以減少插補(bǔ)過程因回轉(zhuǎn)姿態(tài)引起的耦合誤差，避免刀刃部的干涉及抑制回轉(zhuǎn)運(yùn)動的加加速度引起振動等，從而可使在較高進(jìn)給速度下可使刀端運(yùn)動軌跡達(dá)到理想平滑的效果。
簡約與可重構(gòu)模塊研究是經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)展復(fù)合機(jī)床功能的重要結(jié)構(gòu)措施。例如：完善銑頭的定位夾緊裝置，使其兼具車刀刀架的作用，可使機(jī)床結(jié)構(gòu)達(dá)到簡約化目的。此外，由于復(fù)合機(jī)床的運(yùn)動部件增多、空間緊湊，因此它的可靠性和安全性的智能化技術(shù)也是需要予以重視。工藝研究是復(fù)合機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)，例如大型汽輪機(jī)軸需要有車、銑、齒的工序，漿輪和渦輪盤需要有車削和五軸聯(lián)動銑削等加工功能，通過對加工技術(shù)研究，合理配置切削功能部件和柔性輔助裝置，使其能適用于高效地加工一定的零件族。
