文献综述
1.叶轮零件加工的历史与发展现状
进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。而从国际上来说，代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统[1]，从某种意义上来说，反映了一个国家的工业发展水平状况。
整体叶轮的加工一直是机械加工中长期困扰工程技术人员的难题。加工出来叶轮零件老不合格，于是人们想出了很多的措施。一开始是铸造成型后修光，再来是石蜡精密铸造，人们还尝试了电火花加工等各种方法。其中，也有的厂家利用三坐标仿形铣。但是这些方法不是加工效率低下，就是精度或产品机械性能不佳，一直到数控加工技术应用到叶轮的加工中，这些问题才得到了根本的解决【2】。五轴联动数控机床进行叶轮加工时，既可以保证刀具的球头部分对工件进行准确地切削，又可以利用其转动轴工作使刀具的刀体或刀杆部分避让开工件其它部分，避免发生干涉或过切。早在七十年代初我国的几家大型企业就开始将数控机床用于整体叶轮的加工上。目前，我国已有越来越多的厂家开始采用锻造毛坯后多坐标NC加工成型的方法加工叶轮。五轴铣削已经成为一种被广泛使用的过程中由于其加工零件复杂曲面的能力【3】。
2.五轴联动数控机床的基本特点
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可以实现尤/r/z轴的运动，还需要实现两个轴的回转。立式五轴加工中心的回转头有两种实现方式。一种是工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围 30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台绕 Z轴转动，定义为C轴。C轴都是360度回转。A轴和C轴的组 合之后，固定在工作台上的工件除了底面，其余五面可以由立式主轴进行加工。这种设置方式的优点是主轴结构简单，刚性好，制造成本低，缺点是工作台承重较小。第二种是依靠主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，这个回转头一方面可以绕Z轴自由旋 转360°,成为C 轴。这种设置方式的优点是主轴加工十分灵活，可以加工例如飞机发动机壳等大型零件，因此在航空航天领域应用很广。另外这种设置球面铣刀在切削过程中避开顶点切削，保证一定的线速度，可提髙表面切削精度，所以这种结构十分受高精度曲面加工的欢迎。除了上述两种结构外，卧式加工中心还有通过工作台旋转和主轴头摆动相结合等实现五轴联动的结构。
3.国内外五轴联动数控机床的研究现状与发展趋势
国外五轴联动数控机床研究现状【4】：当前国外五轴联动数控机床以欧美为代 表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最髙水平。目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术发展重点可归结为：高速、高精度、高效率、绿色、智能、复合化。力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛使用，使得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【5】。德国DMG公司的DMC165在配上了旋转工作台后，可以进行五轴联动的数控加工。该机床的最高转速可达到30 000 r/ min,由于采用高性能直线电机驱动，其最快移动可达到 90m/min，加速度2 g。德国DMG公司的GMX2501inear五轴车铣复合中心和 DMU80P/H五轴车铣复合中心、韩国Doosan公司 PUMA MX2500ST是复合机床的典型。与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求十分强烈，交货时间也在不断的缩短，因此五轴加工中心更趋向于小规模。新的机床技术在五轴联动机床上的使用,使得五轴联动机床在结构上越来越简单，在性能、功能上却越来越优秀【6】。五轴联动数控机床叉式主轴头在主轴发生较微小偏摆时，C轴也必须转动很大角度。因此德国Zimmermann公司设计出了一种M3ABC性主轴头，这种主轴头增加了一个弧形导轨，因而多了一个B坐标。A、B、C三个回转坐标 头，除有约正负40°的偏摆角限制外，还有其它位置限制。这种铣头将迄今为止各种结构方案的所有优点都结合在一起了。具体优点如下：C轴转动不受限制，刚性非常好、结构紧凑 、偏转范围大。这种设计使得五轴联动数控机床在加工时精度更高。国内五轴联动数控机床研究现状：由于我国工业基础薄弱，国外实行技术封锁，国内五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低，具体体现在还不能自主研发或者与国外同类产品相比，稳定性、精度等相差较大。但是随着国家大力的支持及相关科研人员的努力下，我国五轴数控机床技术也得到了飞快的发展，逐渐形成了比较成熟的生产规模。CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。随着科学技术的不断发展，我国也开发出媲美欧美国家的高端机床。例如北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40 卧式加工中心。尽管我国在五轴数控机床技术上已经取得了一定的成果，但是我们还是要看到我们和国外产品的 差距，只有坚持自主研发，不断创新的道路，我国五轴联动 数控机床技术才能得到的质的飞越，我们相信在国家重点发展与支持下，数控机床技术肯定会走向尖端。
五轴联动数控机床的发展趋势【7】：国内多轴数控加工技术的发展趋势：（1）高可靠性。五轴联动数控机床的加工表面十分复杂，一般要求其加工平均时间在22000h以上。五轴加工数控机床拥有多种报警和防护措施，减少由于故障造成的驱动装置平均无故障时间可以达到30000h以上（2）高速、高效率。现代加工工业要求高效率、低成本，这使得欧美国家热衷于高速甚至超高速机床的研究【8】。（3）高精度。CAM系统的发展十分迅速，使得机床加工精度得到了大幅度的提升【9】，例如 日本FANUC公司设计的一款超精密加工机床能够超精密微细加工凹槽，其加工精度达到0.001xm。（4）复合化。功能复合化的目的是进一步提高机床的生产效率，通过功能的复合化可以扩大机床的使用范围、提高效率。实现一机多用，一机多能。为了满足这一要求，机床厂商需要开发出复合程度更高的复合机床(5)智能化、网络化。智能化包含主要有自适应控制技术、故障诊断装置，智能化数字伺服驱动装置等几个方面【10】，实时系统与人工智能相结合也是发展的新趋势。五轴联动数控机床可以实现网络诊断、远程控制.这些技术使其网络化发展也迅速起来。（6）绿色化。干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展【11】在欧洲已经有大概10％～15％的加工采用了干切削或半干切削技术。
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