摘要：五轴机床布局完整的排列组合据说有2160种之多，即使排除绝大多数天马行空的设计，常见的也有三大类、数十种。如何选择适合零件加工的五轴机床呢？本文总结了科德数控股份有限公司五轴数控系统研发和五轴数控机床研发中的一点经验体会，供读者参考。
数控机床在数字化控制下实现工件与刀具间任意轨迹的相对运动，从而实现各种型面的加工。在实际应用中，由于零件复杂程度越来越高，许多零件加工需求能够在一次装卡下尽可能多地完成尽可能多的表面加工，甚至完成复杂凹曲面和异形腔体的加工，于是诞生了五轴机床，即在传统三坐标基础上加入回转坐标，以完成特殊工件和刀具间姿态调整的要求。
五轴机床实现了工件和刀具间便利的姿态调整，除了可以避免干涉，还可以充分实现刀具更好的切削条件，包括规避刀尖点极低的实际切削线速度，还可以使用更短的刀具进行加工，提升系统刚性，减少刀具的数量，减少专用刀具的应用。
由于五轴机床的控制和制造技术的复杂性，此类设备率先用于军工制造领域，包括航空发动机、飞机结构件、舰船引擎，乃至于五轴机床作为国家战略物资被严格监管和限制，由此还演绎出著名的“东芝事件”。
依据笛卡尔坐标XYZABC的排列组合，以及回转坐标与直线坐标谁位于谁之上，主轴和工件工作台谁占用回转坐标，五轴机床布局完整的排列组合据说有2160种之多，即使排除绝大多数天马行空的设计，常见的也有数十种。最常见的五轴类型概括起来分为三大类：①工件工作台不参与回坐标，以龙门加摆角铣头为典型代表。②工件工作台位于一个回转坐标，以单摆铣头的五轴卧加和五轴铣车中心外代表。③工件工作台位于组合双回转坐标，以各类型“摇篮”机床为代表。三种最常用的五轴结构如图1所示。
图1三种最常用的五轴结构示意?
1.C轴：旋转限位装置2.带液压制动的力矩电动机3.增量或绝对值编码器
4.高精度转台轴承5.A轴：带液压制动的力矩电动机6.绝对值编码器?
7.主轴单元（刀柄HSKA63）8.回转工作台9.摆头?
10.横向滑台11.立柱
有当用户面对这些各种类型昂贵的五轴加工设备时，常常因繁多的技术炫技造成选择上的困惑。什么结构的五轴数控机床最好？这其实是很难回答的问题，因为不同结构的机床都有其适用的工艺能力和加工范围。如何选择适合零件加工的五轴机床呢？笔者总结出科德数控股份有限公司五轴数控系统研发和五轴数控机床研发中的一点体会，供读者参考。
1.运动组件轻量化
运动组建轻量化趋势是当今高速切削理论和实践成功对机床设计的重要影响趋势，也符合绿色节能的社会发展趋势。高速切削率先在航空制造业中有色金属加工中广泛应用，近年来随着刀具材料及涂层技术的进步以及液氮冷却切削等新切削技术的实践，开始推广到黑色金属、钛合金及难加工材料的切削加工领域。运动组件轻量化的技术原则同样适用于五轴机床，以谋求更高的加工速度、加速度带来的效能，高动态特性带来的更高的轮廓精度，以及更低的能耗。上述设计理念甚至被大型龙门机床制造厂商接受，这也是轻量化的天车式五轴龙门机床被市场认可的主要原因。
五轴机床结构选型中也应考虑零件及工装的重量及运动部件合理分配。对于小型零件、轻量化零件，或者重载型主轴传动应该考虑工件直接回转和移动的选型；而对于重型零件，大型零件应该考虑主轴参与回转和移动的选型。正确的部署运动部件的质量分配是高效能机床的基因，是实现高效能加工决定性因素。
需要提醒的是机床工作台的稳定性判断是需要结合零件夹具一起考虑的。以双轴摇篮为例，大多数情况下摇篮C轴的质心在A轴轴线之下，对于A轴属于偏载状态；而装载工件后，反而起到配重的作用，使质心更接近A轴，整体更趋于稳定。
2.回转中心应当尽可能接近切削区域
这一点是五轴机床设计者最煞费苦心地设计的关键。因为回转带来的附加直线运动不仅占用空间和行程，影响加工效率，而且刀尖点距离回转中心越远，回转坐标在同等切削力下付出的转矩就越大。
以双轴摇篮结构为例，主要加工区域集中在双回转轴中心（见图2），在轻量化复杂零件加工中效能优势明显，而且占地面积还更加紧凑。
图2摇篮结构加工区域更集中在回转中心附近
在叶片加工中，许多厂商采用经典的“弯脖”设计（见图3），将主轴提升，使刀尖点尽量接近回转中心。
图3科德KTurbomill3000叶片专用五轴加工中心的“弯脖”设计
在摆角铣头中，45°的摆角头设计也很受青睐（见图4），也是因为刀尖点距离回转坐标中心更近。尽管此设计不能实现负角度加工，也不善于内表面加工。
图4科德的45°双摆角铣头实现刀尖点接近回转中心
传动复杂而价格昂贵的AB摆在航空结构件加工中仍然比AC摆受到欢迎（见图5），很重要的原因也是因为AB摆的切削点距离回转中心更近，更易于实现高材料去除效率，尽管扇形传动精度和弧形导轨的导向精度和刚度难于与闭合的整圆比较。