从CIMT2021看五轴头的技术发展

2021年4月12-17日，由中国机床工具工业协会主办的CIMT2021在北京成功举办。作为本年度国内举办的规模最大、品牌知名度最高的机床工具盛会，吸引了境内外知名企业争相在这个全球业界四大知名展会之一的平台上展示自己的技术水平和服务实力。作为后疫情时期首个开幕的全球知名机床工具展，CIMT2021吸引了20余万人到场，现场人流如织。

五轴头是数控机床的重要功能部件，代表着机床最主要的核心技术之一，它能够扩展传统机床的加工形式和加工自由度，实现机床功能的多样化，能大幅度提升机床的加工范围，使用户企业实现生产力和附加值的最大化。CIMT2021展会上，境内外企业展出了品种繁多、外观精美的五轴头产品，笔者就其中部分五轴头产品进行评述，不到之处，请同行斧正。

一、电主轴五轴头

五轴联动加工一直是加工中心的至高追求，随着模具制造和航空航天产业的迅速发展，对五轴联动加工机床的需求越来越大。采用力矩电机驱动A/C轴的五轴头可实现联动加工，采用大功率高速电主轴可实现高速高精加工。

对于双轴（A/C轴）采用力矩电机直驱的AC摆头，有单摆和双摆两种形式。单摆式的只有一边设有力矩电机，A轴驱动力较同规格双摆式的小。双摆式是A轴两侧都有力矩电机驱动，相对单摆式A轴驱动力大，并且A轴对称式设计，摆头重心与C轴旋转中心重合，转位具有更好的稳定性。

1. 济南二机床集团有限公司

济南二机床展出的4个五轴头在跑和台上各自做着A/C轴摆动动作，给观众带来视觉冲击，非常吸引眼球。

上图中从左到右的4个五轴头分别是通用伺服电机驱动A/C双摆角铣头、机械主轴式A/C双摆角铣头、力矩电机直驱A/C双摆角铣头、力矩电机直驱偏置A/C双摆角铣头。大功率大扭矩的加工优选机械主轴式A/C双摆头和通用伺服电机驱动A/C双摆角铣头，机械主轴式A/C双摆头的A/C轴驱动扭矩可达4000-8700Nm，主轴扭矩最大可达3070Nm，机械主轴转速5000r/min，适合强力切削；通用伺服电机驱动A/C双摆角铣头A/C轴驱动扭矩1200Nm，主轴功率40-80kW，主轴最高转速30000r/min，适用于有色金属、复材等材料零件的高速高精加工。高精度高效率加工以力矩电机直驱A/C双摆角铣头和力矩电机直驱偏置A/C双摆角铣头为优选，力矩电机直驱A/C双摆角铣头A/C轴驱动扭矩1500Nm，主轴功率37-80kW，主轴最高转速30000r/min，A/C轴工作旋转速度60r/min，适用于有色金属高速加工及模具精加工；力矩电机直驱偏置A/C双摆角铣头A/C轴驱动扭矩800-1200Nm，主轴功率25-40kW，主轴最高转速24000r/min，A/C轴工作旋转速度60r/min，适用于汽车外板模具、玻璃钢及碳纤维等复合材料的精加工。

济南二机床的五轴头，按不同应用领域设计成4个具有代表性的产品，加工范围覆盖了大部分机加工行业产品。

2. 山东威达重工股份有限公司

展出的GMC2232bu五轴桥式高速龙门加工中心上配置了一款意大利HSD-810型双臂叉式五轴铣头，该铣头力矩电机直驱，主轴功率50/67.5kW，主轴最大输出扭矩90/120Nm，A/C轴加持力矩都达到4000Nm，A轴定位精度6〞，C轴定位精度8〞，A/C轴摇摆最大速度30r/min。这种直驱五轴头，既可五轴联动加工，也可摆角到位后通过液压夹紧实现定角度大扭矩加工。

3. 宁波天瑞精工机械有限公司

展出两款五轴头，分别是5AS系列单臂五轴头和5AF系列双臂摆头，吸引了众多观众。这两款五轴头配置20000r/min大功率电主轴，A、C轴采用直驱形式传动，高速、高响应、无背隙，最高转速可达60r/min。摆头A、C轴标配圆光栅，定位精度小于10″。配置五轴防撞功能，反应时间小于10ms，可对刀具、工件及设备形成有效保护。

二、机械五轴头（主机不配机械主轴）

机械五轴头主要指转位机构采用机械传动，铣头配置机械主轴，这种结构A/C轴转动速度较慢，不可联动加工，只能旋转到固定角度，通过牙盘定位后进行定角度加工。机械五轴头的加工效率不如直驱五轴头，但往往在可靠性和同体积输出扭矩上占优。机械五轴铣头结构复杂，转位机构有齿轮传动、伺服电机加皮带传动、蜗轮蜗杆传动、凸轮蜗杆传动等种类。

机械五轴头在机床上的应用，笔者又将其分为两大类，这里先介绍第一类，空腔滑枕直联机械五轴头：这种机床本身没有主轴，滑枕空腔内部设有大拉爪结构，用于自动抓取铣头，或者铣头手动固定在滑枕底部，铣头的主轴相当于机床主轴。这种结构的机床可配置一种或多种铣头，如只配制一个五轴头，那这个五轴头长期安装在滑枕上，除维修外不再拆下来；如果机床配置多个铣头，可通过更换不同铣头实现不同加工功能，比如大隈机床，滑枕通过大拉爪结构抓取延伸头，就相当于滑枕安装了机械主轴。

1. 西班牙尼古拉斯克雷亚

展出的立式五轴头和卧式五轴头，主轴最大转速有6000和10000r/min两种规格，最大扭矩可达840/990Nm，最大功率24/33kW。尼古拉斯五轴头的一大优势是可做到自动微分度，A/C两轴采用端齿盘错齿分度，最小分度可达0.02°。

2.日本大隈机床公司

展出的MCR-BV机床上安装一款BC轴万向分度头，此铣头采用音叉式结构，主轴最大功率15kW，最大转速有2000和6000r/min两种，B/C轴最小分度都可达到1º，是一种既传统又经典的结构。作为机械主轴输出的万向头，主轴转速能做到6000r/min，业内少有。

3. 北京北一机床股份有限公司

展出的是一款机械传动结构的五轴头，主轴最大功率40kW，主轴最高转速3000r/min，摆动最高速度6r/min，摆动进给最大扭矩7500Nm。摆头摆动进给由单独的交流伺服电机经几组消隙齿轮传递到摆动轴，可以做到无间隙传动，传动精度高。五轴头具有高刚性、高负载、高转速、大扭矩的特点，适用于钛合金、高强度材料的五轴切削加工。

三、机械五轴头（主机可配机械主轴）

机械五轴头在机床上的应用，笔者归纳的第二大类，是机床滑枕自带主轴，在不带铣头的时候是普通的三轴机床，加配铣头后，系统开通五轴功能，即可实现五轴加工。此时的五轴头是外挂式，通过若干小油缸拉紧至滑枕端面，通过C轴端齿盘定位。这种结构的设计，使整体主机的可靠性更高，毕竟铣头维修不会影响主机的三轴使用，但因为滑枕不是空腔设计，铣头的C轴转位就要放在铣头的上部，不能藏身于滑枕内部，所以第二类同体型的机械五轴头，较前面介绍的第一类机械五轴头的输出功率和扭矩都偏小。

1. 宁波海天精工股份有限公司

展出的是一款新品偏置式机械五轴头，整体外观精巧，转动平稳，最大功率15kW，最大扭矩600Nm，主轴最大转速4000r/min，采用油气润滑，自动换头、自动分度、自动定位、自动松拉刀，可选配中心出水功能，A/C轴采用端齿盘定位，最小分度精度1°。该机械五轴头适用于多种材料的半精加工和精加工。此五轴头A轴可做微分度结构，最小分度可达0.01°，大幅拓宽了此铣头的工艺加工范围。

2.台湾葳立

展出了一款偏置式机械五轴头，主轴功率15/20kW，主轴最大转速3000r/min，A/C轴最小分度1º。

3.台湾吉辅

展台上摆放了一款偏置式全自动万能头，此铣头主轴最大扭矩1000Nm，最高转速3000r/min，C轴自动分度角度5°，A轴自动分度角度2.5°，可自动松拉刀，齿轮采用油脂润滑。

4. 常州市铭源精密传动技术有限公司

同样展出了一款偏置式全自动万能头，该铣头最大扭矩1200Nm，主轴最大转速2000r/min，齿轮油脂润滑，A/C轴自动分度，最小分度2.5°，自动松拉刀。

四、结束语

本文侧重点集中在本次展会展出的部分电主轴直驱五轴头和机械五轴头，相对于往届展会五轴头产品大多集中在进口设备上，本次展会展出的国产五轴头在种类和数量上呈现出与进口五轴头分庭抗礼的形势，济二、北一、天瑞精工、海天精工、台湾巍立、台湾吉辅、铭源等多家机床厂和铣头专营厂家提供了自己的五轴头产品，其中天瑞精工的两款联动五轴头，海天精工、台湾吉辅、铭源三家各自的偏置式机械五轴头都属新品。

五轴加工中心已成为先进制造技术中的一项重点装备，五轴铣头也是机床制造业一个重要的高端配件，加速推进五轴铣头的研发与制造是解决机床制造业可持续发展的一个关键。国内越来越多有实力的机床企业开始大力研发制造功能部件产品，从自动直角头到机械五轴头、直驱五轴头，再到高性能电主轴、数控转台等关键功能部件，逐步摆脱了高端功能部件只能依赖进口的尴尬局面。

通过长时间的验证和改进，国产铣头产品的精度和可靠性已逐步贴近进口产品，且国产铣头在售价上占有巨大优势。相信通过国内机床工具企业的共同努力，铣头产品质量会越做越好，应用领域将越拓越宽。

（协会铣床分会 赵岩（宁波海天精工股份有限公司） ）

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