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五轴加工中心在加工存在侧向轴颈的复杂零件时，刀具和零件的过切干涉和碰撞干涉经常发生，影响了加工质量，要充分发挥五轴数控加工的优势，必须设法解决这一难题。
以往的经验是从编程和算法方面进行优化，该方法路径复杂、效率不高、精度较低、普适性较差。而采用角度头及固定装置加工类似零件，可以从结构上避免轴颈侧铣加工时产生的干涉现象，提高夹具的定位精度。
一、工件案例-叶盘加工分析整体叶盘具有结构复杂、通道窄、弯曲幅度大、叶片薄、易变形等特点，但其精度要求高、加工难度大。如图 1 所示，由于叶盘的轴颈处于零件的中心位置，且叶片尺寸较大，利用五轴加工中心加工轴颈外圆的槽孔等特征结构时，刀具和叶盘的叶片会产生碰撞干涉，影响加工质量。
图1 整体叶盘
这种情况下机械加工中常见的做法是安装角度头。角度头是一种机床附件，可以让刀具旋转中心线与主轴旋转中心线成一定角度，从而满足径向加工要求。
并且如果在角度头与机床主轴之间提供一个固定装置，也能很好的提高定向精度和刚性，解决加工轴颈时刀具与机件发生干涉时的工艺难题。下面以航空发动机转子整体叶盘的轴颈加工为例，介绍该角度头固定装置的设计理论、使用方法和应用效果。
二、侧铣加工中存在的问题以整体叶盘的轴颈特征槽加工为例，其加工轴颈时的装夹方式应该是大端在下、轴颈在上。因为叶盘的轴颈较短，轴颈端离叶片较近，且轴颈的特征槽在侧面，加工时刀具应该从水平方向进给。接角度头后，使用功能满足了，但仍有加工过程中振动大、不容易控制，加工表面质量和加工精度差，且刀杆过长容易发生干涉的问题。
图2 机床主轴
三、角度头固定装置的结构设计角度头固定装置需要根据机床的尺寸来设计，不具有通用性。附件总体设计可以按照以下步骤进行：设计理论分析、零件的组成、外形尺寸及性能参数的确定、强度设计和材料的选择。
本例中选择米克朗ucp800五轴联动加工中心作为设计依据，其锥柄规格为hsk63，摇摆式工作台为630mm，夹紧面为600×600mm，承重500kg。设计时，结合主轴直径、工件尺寸和刀具规格，选择机床所能容纳的装置最大尺寸。
3.1 设计理论分析
按照功能要求，需要满足该装置分别与机床主轴机床角度头（图 3）的固定两部分功能。其中，机床角度头上端连接主轴、下端连接刀具。
图3 机床角度头
对照功能要求，还要考虑材料的稳定性、联接的精度、安装的便捷性、固定装置的重量（考虑机床的承载能力）、尺寸（为防止固定装置与零件或者机床部件发生干涉，固定装置尺寸应尽量小）。接下来以此为依据完成设计任务。
3.2 组件设计
根据上述理论分析，该角度头固定装置设计出固定元件、定位元件、夹紧元件和锁紧元件四个部分，分别命名为定位块、固定环、锁紧螺钉、定位螺钉。因为每种数控机床的规格不同，组件中各零件的尺寸也不尽相同，本例仅作为满足该机床功能要求的较佳实施方案而已。固定环的内槽尺寸根据机床主轴尺寸设计，外轮廓尺寸无太大要求。定位块尺寸的工作面要求较高，两工作面分别与固定环和角度头紧密连接。为了缩短加工周期，螺钉可以选用标准化元件。
图4 定位块、固定环等
3.3 强度设计
附件设计的质量对生产效率、产品质量、废品率等有着直接的影响，为此，设计时要综合考虑其实用性、经济性和可靠性。角度头在夹紧力作用下，应确保其定位基面在固定装置的固定环工作表面，该功能要求固定环有一定的抗变形能力，要求固定环在承受外力时，有一定的刚性，避免产生不必要的变形和振动。
本例中，五轴加工中心比普通机床的刚性差，待加工零件属于薄壁件，加工过程中刀具的扭矩较小，对固定装置的强度要求不高。
3.4 材料选用
常用的机床夹具材料包括 q235钢、45钢、t8钢、cr12钢、ht20等各种钢质、铜质材料。根据机床主轴的刚性、夹持力大小，本着满足使用条件的前提下尽量减少成本的原则，选择碳素结构钢或合金42crmo作为角度头定位装置的材料，其硬度为36～42hrc。该材料购买方便、热处理性能较好。
3.5 固定装置组合图
如图5所示的角度头固定装置。该装置中，共4类10个零件，包括固定块1个、固定环1个、锁紧螺钉6个、定位螺钉2个。由于定位基准面与定位块工作表面接触面积较小，因此定位块和固定环之间的位置精度要求较高。
图5 固定装置
四、角度头固定装置的使用说明图6为固定装置在机床主轴上的装夹示意图。为了限制固定环与主轴之间的自由度，应该用锁紧螺钉对主轴进行拧紧。为了便于锁紧，固定环与主轴之间应该添加铜垫片。
图6
4.1 固定装置安装在主轴上
将固定环固定在机床的主轴上，预先移动到主轴的上端。用螺钉连接主轴和固定环，在主轴和螺钉的接触面上各加一个薄铜片，防止螺钉压伤主轴。螺钉拧紧的程度要适当，以固定环不锁紧、不下滑为准。
4.2 角度头安装在固定装置上
将定位块套在角度头的定位柱上，将主轴定向到与角度头刀柄槽对齐。将角度头向上靠近主轴，将预先移动到高处的固定环与固定块的安装孔对齐，将固定环的螺钉松开，将固定环从主轴高处向下移动一定的距离。将固定环锁紧，在此过程中保持其安装孔与固定块的安装孔对齐。拧紧角度头的紧定销，消除角度头与定位块之间的间隙。安装完成，在角度头的夹紧装置上接上刀具即可工作。
4.3 确定工艺设置参数
确定加工工序后选择刀具，并设置刀具参数。选择的编程原点应方便编程、测量和操作，同时考虑引起的加工误差较小。将刀具的刀位点放到与编程坐标系原点一致的位置。编写数控加工程序，修改后处理程序。检查装夹、刀具和程序，无误后开始加工。
五、应用实例分析5.1 加工对象分析
为了测试该装置的使用性能，选择某航空发动机转子第一级整体叶盘为例进行加工。该叶盘的设计重量达 35.9kg，最大回转直径约φ800mm，材料为钛合金，叶片最大长度为200mm，单个叶片的厚度为不均匀的2.5～4mm。该叶盘轴颈φ20 mm、壁厚3mm，加工难度大。
5.2 加工步骤分析
因为机床无法使用rtcp功能，所以必须将零件放在旋转工作台的中心，夹紧零件。设定工件坐标系，特别注意工件的角向位置，使工件轴向待加工结构与角度头和刀具安装方向一致。将固定装置与机床主轴连接固定，并将角度头安装在固定装置上，装夹刀具。
图7
5.3 加工效果比较
通过实践加工表明，使用本设计的固定装置加工与未使用该装置加工相比，可使用的刀具长度明显缩短，加工过程中让刀量减小，更容易控制被加工零件的尺寸精度和表面质量。加工效率显著提高，达到了预期的设计要求。
五轴加工中心的功能非常强大，因此，设计者没有预留更多的机床附件供企业选择。通过这种能够连接角度头和加工零件的附件，扩展了五轴加工中心的加工范围和功能。实践证明，采用角度头固定装置，增加了刀具刚性，解决了干涉问题，对改进生产有实用价值。
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