随着各行业对复杂形状和高精度零件的需求日益增加,加上新材料的应用,传统的三轴加工已无法满足这些需求。因此,CNC(计算机数控)多轴加工技术迅速发展。如今,最先进的数控机床最多可以实现12 个轴的同步控制。其中,五轴机床最为流行,应用最为广泛。
5轴数控机床主要有两种类型:3+2轴机床和联动5轴机床。然而,一些机械师和设计师经常将它们混淆。它们的机制相同吗?如果不是,它们之间有什么区别?在本文中,您将找到答案。让我们首先深入研究这两种加工方法的概念。

为了更好地了解同步 5 轴加工,让我们首先解释一下 CNC 加工中轴数的含义。轴数是指切削刀具(或工作台)可以移动以创建所需产品的方向数。本质上,机器拥有的轴越多,工具和工作台的运动和旋转范围就越大,最终能够生产更复杂和更精确的部件。
同步 5 轴加工,也称为全连续 5 轴加工,是 CNC 加工的一种高级形式,涉及使用三个线性轴与两个旋转轴同时运行,以高精度和高效率生产复杂的零件。这五个轴是:

这是切削刀具或工件可以移动的三个主要线性轴。
X轴:水平移动(左右) Y轴:水平移动(前后) Z轴:垂直移动(上下)
这是两个附加的旋转轴,允许工件或切削刀具倾斜或旋转。
A轴:绕X轴旋转(前后倾斜) C轴:绕Z轴旋转(顺时针和逆时针旋转)
这些轴的具体配置可能会根据 5 轴 CNC 机床的类型而有所不同。在某些情况下,机器可能使用 B 轴(沿 Z 轴旋转)而不是 C 轴(沿 Z 轴旋转)。无论配置如何,全连续 5 轴加工都允许刀具和工件同时移动,从而能够在一次装夹中加工工件的五个面。这样就无需在多个工作站或设备之间移动工件,从而缩短循环时间并提高精度。
3+2轴加工,也称为定位5轴加工,使用5轴机器,但没有充分发挥其完整的5轴同步运动能力。在 3+2 轴加工中,两个旋转轴(从 A、B 和 C 轴中选择)用于倾斜和旋转工件到所需位置。定位后,即可仅使用 X、Y 和 Z 轴进行典型的 3 轴加工。
这使得3+2轴加工更类似于传统的3轴加工。虽然它使用的是5轴机床的硬件,但在加工过程中两个旋转轴是固定定位的,因此3+2轴加工的切削阶段更类似于传统的3轴加工。
然而,值得注意的是,与传统的 3 轴加工或同步 5 轴加工相比,3+2 轴加工允许使用更短、更坚固的切削刀具,这些刀具可以与工件表面成一定角度。此功能在粗加工和高速加工中提供了显着的优势,因为它能够快速去除大量材料。此外,较短的工具可以更轻松地到达困难区域,例如空腔内部和陡峭的墙壁。这使得 3+2 加工特别适合模具制造和其他涉及曲线或有角度的管状形状的应用。

根据前面的介绍,联动5轴加工和3+2轴加工的主要区别在于加工过程中轴的使用方式。与同步 5 轴加工(所有五个轴在加工过程中连续移动)不同,3+2 轴加工涉及以固定角度定位工件,然后使用三个线性轴进行加工。
虽然同步 5 轴加工几乎可以执行 3+2 轴加工的所有功能,但这并不意味着所有项目都需要完全连续的 5 轴 CNC 加工。在某些情况下,3+2轴加工可能更高效。要确定 5 轴加工和 3+2 加工之间的最佳选择,必须了解它们各自的优缺点。
5 轴 CNC 加工具有众多优势,使其成为各种高精度和高复杂性制造应用的首选。以下是一些主要优点:

同时移动所有五个轴的能力允许动态调整工具的角度和位置,从而更好地接近工件的难以到达的区域。这使得能够加工高度复杂的几何形状,例如深腔、底切、自由曲面和复杂的轮廓,而这对于其他方法来说是非常困难或不可能的。
5 轴机床可在一次设置中加工零件的多个侧面,从而最大限度地减少多次设置和重新定位的需要。这种不间断的过程减少了停机时间,提高了总体吞吐量,并加快了生产周期。此外,优化的刀具路径可减少切削刀具上的应力和热量,从而延长其使用寿命。更长的刀具寿命意味着更少的刀具更换或维护中断,从而实现更连续、更高效的加工操作。
刀具在工件上连续移动可确保更光滑的表面光洁度和更少的刀具痕迹。此外,在一次设置中加工零件可以消除多次重新定位带来的误差,从而显着提高整体精度。
5 轴加工的先进功能为设计和创新开辟了新的可能性。工程师和设计师可以突破可能的界限,创造出更复杂、更精密的零件,以满足各个行业不断变化的需求。
尽管有其优点,5 轴 CNC 加工也有一定的局限性:
联动 5 轴 CNC 机床比传统 3 轴甚至 3+2 轴机床昂贵得多。此外,由于这些机器有大量的移动部件和复杂的控制系统,需要定期维修和校准,因此维护成本较高。此外,操作员需要接受专门培训才能有效操作 5 轴数控机床。
5 轴加工编程更加复杂,需要专门的 CAM(计算机辅助制造)软件和高技能的操作员。此外,该过程非常耗时,需要详细的规划和验证,以确保准确有效的刀具路径。这种复杂性可能会导致培训成本增加和设置时间更长。
当切削刀具以倾斜角度工作时,切削力不再直接沿刀具轴线作用,而是与刀具成一定角度。这会导致力分布不均匀,增加工具振动的可能性。此外,如果刀柄太宽,则会限制刀具在倾斜角度下的自由度,增加刀具与工件或夹具之间发生干涉的风险。过宽的刀柄还会导致刀具重心发生偏移,使其在斜角切削时更容易受到侧向力的影响,从而增加振动和不稳定。在这种情况下,3 轴加工可能更合适。
3+2 轴 CNC 加工具有多种独特的优势,使其成为精密制造领域的宝贵选择:
3+2 轴加工允许使用更短、更坚固的切削刀具,使其特别适合制造陡峭的墙壁、型腔中的底切和其他复杂的特征。能够以特定角度定位工件,可以创建比 3 轴 CNC 加工更复杂的几何形状。
与同步 5 轴加工相比,3+2 轴加工的编程通常更简单,因为一旦旋转轴定位,刀具路径通常是线性的。程序员可以更直观地理解和规划刀具路径,而无需处理复杂的几何变换和旋转角度。
当您需要加工五个或更多表面时,如果使用传统的三轴加工,您将不得不多次停止主轴以进行频繁的换刀和重新定位。然而,3+2轴加工可以克服这一挑战。通过一次装夹,3+2轴加工能够一次性完成零件五个不同侧面的加工,这明显减少了总体装夹时间。
在3+2轴加工中,旋转轴在切削过程中被锁定,这意味着刀具方向是固定的并且在加工过程中不会动态变化。这减少了在同步 5 轴加工中不断调整刀具方向时可能发生的振动。减少的振动提高了加工精度和稳定性。
3+2 轴加工通常比同时 5 轴加工更具成本效益,因为它涉及更简单的编程、更低的机器成本和更少的维护要求。尽管具有这些成本优势,3+2 轴加工仍然具有显着的灵活性,并且能够通过将工件定位在特定角度来加工复杂的几何形状。
在 3+2 轴加工中,工件旋转到特定方向以访问特定表面。这限制了工具进入某些区域,特别是那些因工件形状而凹陷或隐藏的区域。复杂的内部几何形状可能需要额外的设置或替代的加工策略。
为了在3+2轴加工中加工复杂零件的不同表面,刀具主轴通常设置在特定角度并保持固定。覆盖所有必要的表面可能需要多个倾斜方向,这可能导致刀具路径重叠并增加加工时间。
在某些情况下,3+2 轴加工可能会留下粗糙表面,并且各个刀具路径段之间会出现过渡线。因此,需要额外的精加工操作来达到所需的表面质量。
这两种技术都有其独特的优点和局限性。选择同步 5 轴加工还是 3+2 轴加工很大程度上取决于具体场景。为了让大家更直观的了解,我们将它们的特点总结如下表,供大家参考:
| 同步 5 轴加工 | 3+2轴加工 | |
| 优点 | ▪Unparalleled production efficiency ▪Capable of machining more complex shapes and accuracy ▪No special fixture is needed ▪Reduce special cutting tools ▪Eliminate blend lines, no polishing required | ▪Shorter, more rigid cutting tools can be used. ▪Simplified programming ▪Reduced vibrations ▪Relatively more cost-effective |
| 局限性 | ▪Programming complexity ▪High machine cost ▪Specialized training for operators ▪Not available in certain applications | ▪Tool access limitations ▪Increased machining time ▪Post-processing finishing required |
当您做出选择时,以下是一些有用的考虑因素:
1. 如果成本是首要考虑因素,您可以优先使用3+2轴加工。这是因为 3+2 轴加工结合了 5 轴机床的灵活性与 3 轴机床的成本效益和编程简单性,提供了前面提到的一系列显着优势。
此外,许多商店已经拥有 3 轴机床,可以通过最少的投资升级为执行 3+2 轴加工,例如安装旋转轴和升级控制软件,这对于那些希望在不购买新设备的情况下扩展能力的人来说是一个有吸引力的选择设备。
2. 在以下情况下,全五轴加工是更好的选择。

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钣金弯曲是钣金制造中最常用的成形技术之一。根据具体应用,有时称为折弯、翻边、模具弯曲、折叠或磨边。该过程涉及施加力使材料变形为有角形状。
想一想金属汤匙。如果您在手柄上轻轻按下,它会弯曲一点,但放手后立即弹回。不过,更努力地推动,勺子会永久弯曲。那时,您已经超越了汤匙的屈服强度。在本文中,我们将探讨屈服强度的含义,与相关思想(如拉伸强度和弹性限制)进行比较,以及为什么在现实世界中它很重要。我们还将研究影响强度和常见材料的典型值的因素。 什么是屈服强度? 屈服强度是材料开始永久变形的应力水平。简而言之,这是材料停止反弹(弹性行为)并以无法完全逆转的方式弯曲或伸展的点。在屈服强度以下,当您卸下力时,材料恢复为原始形状(就像弹簧可以追溯到其长度)。超过屈服强度,材料永远改变了:它已经屈服了,这意味着它已经经历了塑性变形。 为了更好地理解这一点,让我们分解两个关键术语:压力和压力。应力是将力施加到材料除以其横截面区域的材料,或仅仅是材料内部力的强度。您可以将其视为压力,但压力描述了内部反应而不是外部推动。应变是材料在响应中的变化多少,计算为长度的变化除以原始长度。当我们策划压力抵抗压力时,我们会得到一个应力 - 应变曲线这显示了材料随着负载的增加的表现。 在应力 - 应变曲线的早期,材料的行为表现:压力和应变是成比例的(根据Hooke定律的直线),一旦去除负载,材料就会恢复其原始形状。该区域的末端是弹性限制 - 占地,某些变形仍然是永久性的。屈服强度标志着从弹性行为到塑性行为的转变,并定义了可逆变形和不可逆变形之间的边界。 对于许多延性金属,例如低碳钢,这种过渡是逐渐而不是锋利的。为了始终定义屈服强度,工程师经常使用0.2%的偏移方法:他们绘制一条平行于曲线弹性部分的线,但变为0.2%应变。该线相交曲线的点被视为屈服强度。这提供了一种实用,标准化的方法,即使不存在明显的产量点,也可以测量屈服强度。 屈服强度与拉伸强度 正如我们所定义的那样,屈服强度是材料开始永久变形的压力。拉伸强度(通常称为终极拉伸强度(UTS))是材料破裂之前可以承受的最大压力。一旦达到该点,材料将不再承担额外的负载,并且很快就会裂缝。 两者都描述了材料对压力的反应,但它们代表不同的限制:屈服强度标志着永久变形的开始,而拉伸强度则标志着断裂点。例如,在拉动钢棒时,它首先会弹性伸展。超越屈服强度,并实现永久伸长率。继续前进,直到达到拉伸强度为止,杆最终将抢购。 在实践设计中,工程师更多地专注于产量强度,因为组件必须保持功能,而不会造成持久损坏。拉伸强度仍然很重要,但通常标志着失败条件永远不会在服务中发生。 除拉伸强度外,屈服强度还经常与其他两个概念相混淆: 弹性极限:弹性极限是材料可以承受的最大应力,一旦去除负载,仍将完全返回其原始形状。低于此极限,所有变形都是弹性和可逆的。在许多情况下,弹性极限非常接近屈服强度,因此两者通常被视为相同。尽管弹性极限标志着精确的物理边界,但屈服强度提供了标准化的工程值,可以始终如一地测量并用于安全设计。 比例极限:该术语来自应力 - 应变曲线的线性部分。比例限制是遵循胡克定律的压力和压力直接比例增加的点。它通常发生在弹性极限和屈服强度之前。在这一点之外,曲线开始弯曲 - 尽管材料仍然具有弹性,但这种关系不再是完美的线性。 影响力强度的因素 屈服强度无法保持固定 - 它可以根据几种物质和环境因素而改变。这是一些最常见的: 材料组成(合金元素) 金属的构成对其产量强度产生了重大影响。在金属中,添加合金元素可以使它们变得更坚固。例如,当添加碳,锰或铬等元素时,钢的强度也会增强 - 尽管碳也更脆。铝合金从铜,镁或锌等元素中获得强度。这些添加物在金属内部产生了微小的障碍,从而阻止了位错运动(塑性变形的原子级载体),从而提高了强度。简而言之,金属的“食谱”可以使弯曲更难或更容易。这就是为什么苏打中的铝易于柔软而柔软的,而飞机机翼中的铝(与其他金属混合在一起)具有更高的屈服强度。 晶粒尺寸(微观结构) 通常,较小的晶粒意味着更高的强度,这是霍尔 - 格什关系描述的趋势。原因是晶界充当脱位运动的障碍,因此更细的谷物会产生更多的障碍,并使金属更强壮 - 到达一点点。冶金学家通过控制的固化或热机械处理来完善晶粒尺寸。例如,许多高强度的钢和超合金用非常细的晶粒设计以最大化屈服强度,而晶粒非常大的金属往往更容易产生。 热处理 金属加热和冷却的方式可以改变其结构,从而改变其屈服强度。退火(缓慢加热和冷却)软金属,降低其屈服强度,并通过缓解内部应力来使其更具延展性。淬火(在水或油中快速冷却)将结构锁定到坚硬的,压力的状态,大大提高了屈服强度,但也使金属变脆。为了恢复平衡,淬灭通常是回火,一个适度的加热步骤,可改善韧性。 通过选择正确的热处理,制造商可以根据应用使金属更难或更柔软。例如,对弹簧钢进行处理以达到高屈服强度,因此它可以弯曲而不会变形,而钢丝首先要退火以易于塑形,然后再加强。 制造过程(冷工作) 如何机械处理材料也可以改变其屈服强度。冷工作(在室温下变形金属,例如冷滚动或冷图)通过称为工作硬化的机制提高了强度。当您将金属变形时,您会在其晶体结构中引入错位和纠缠,这使得进一步变形更加困难 - 实际上,金属随着变形而变得更强壮。这就是为什么在热卷(不工作)条件下,冷滚动钢通常比同一钢具有更高的屈服强度。 温度和环境 根据经验,大多数金属在高温下会失去屈服强度。热使金属变软,因此可以用较小的力变形。在非常低的温度下,有些材料变得更加脆弱。它们塑性变形的能力降低了,因此尽管屈服应力在技术意义上可能会增加,但它们比产量更有可能破裂。 诸如腐蚀或辐射等环境因素也会降解材料。腐蚀会产生凹坑或减少横截面区域,从而有效减少结构在屈服之前可以承受的负载。例如,生锈的钢梁在载荷下可能会产生的厚度比未腐蚀的束较低,因为其有效厚度会降低,并且来自锈蚀的微裂缝会浓缩压力。 产量不同材料的强度 应力 - 应变曲线提供了一种简单的方法来比较不同材料对负载的反应方式。在上图中,我们可以看到四个典型的行为。随着压力的增加,每个反应都不同,其屈服强度反映了这些差异。 脆性材料:脆性材料,例如玻璃或陶瓷,几乎没有塑性变形。他们沿着几乎直线直线直至突然断裂。他们的屈服强度非常接近他们的最终力量,因为他们并没有真正“屈服” - 它们中断。 强但不是延性材料:某些材料(例如高强度钢)可以承受高应力,但显示有限的延展性。它们具有很高的屈服强度,这意味着它们可以很好地抵抗永久性变形,但是在破裂之前并没有伸展太多。 […]
金属强度是决定金属是否适合给定应用的最重要的机械性能之一。它表示金属抵抗外部载荷或外力而不变形或断裂的能力。高强度金属在建筑、机械和航空航天领域具有无价的价值,它们可以支撑结构并承受极端条件。
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