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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剪切模量,有时称为刚性模量,是一种基本材料特性,可在受剪切力时测量材料的刚性。用日常的话来说,它描述了一种物质在与另一部分平行滑动时塑造变化的耐药性。在本文中,我们将解释什么是剪切模量,计算方式以及与其他弹性模量的比较以及现实世界工程示例的比较。 什么是剪切模量? 在图中,将块固定在底部,同时平行于顶表面施加力F。该力导致水平位移ΔX,块变形为倾斜的形状。倾斜角θ表示剪切应变(γ),它描述了形状的变形程度。 剪切应力(τ)是施加的力除以表面积A的作用:力的作用: τ= f / a 剪切应变(γ)是水平位移与块高度的比率: γ=ΔX / L(对于小角度,弧度中的θ≈γ) 剪切模量(g)有时用μ或s表示,可以测量材料对这种类型的失真的耐药性。它被定义为剪切应力与剪切应变的比率: g =τ /γ=(f / a) /(Δx / l)=(f·l) /(a·Δx) 在SI系统中,剪切模量的单位是Pascal(PA),它等于每平方米牛顿一个(N/m²)。由于Pascal是一个很小的单元,因此实心材料的剪切模量通常很大。因此,工程师和科学家通常在Gigapascals(GPA)中表达G,其中1 GPA =10⁹PA。 剪切模量值 下表显示了常见材料的典型剪切模量值: 材料剪切模量(GPA)铝26–27黄铜35–41碳钢79–82铜44–48带领5–6不锈钢74–79锡〜18钛(纯)41–45具体的8–12玻璃(苏打石)26–30木材(道格拉斯冷杉)0.6–1.2尼龙(未填充)0.7–1.1聚碳酸酯0.8–0.9聚乙烯0.1–0.3橡皮0.0003–0.001钻石480–520 这些数字显示了刚性有多少材料。金属倾向于在数十千兆内的剪切模量。陶瓷和玻璃的范围相似,而混凝土却低一些。塑料通常大约1 GPA或更少。甚至更柔软的是橡胶和弹性体,仅在巨型范围内具有剪切模量。在最顶部,钻石达到了数百个千斤顶,是最僵硬的材料之一。 具有高剪切模量的材料强烈抵抗变形或扭曲。这就是为什么钢和钛合金在桥梁,建筑物和飞机框架等结构中至关重要的原因。它们的刚度可防止横梁和紧固件在重载下弯曲或剪切。玻璃和陶瓷虽然脆弱,但也受益于相对较高的模量。它可以帮助他们在镜头和半导体晶圆等应用中保持精确的形状。钻石具有很高的剪切模量,即使在大力下,也几乎没有弹性应变。这就是为什么钻石切割工具保持锋利的原因。 另一方面,当灵活性是一个优势时,选择具有低剪切模量的材料。橡胶和其他弹性体用于振动阻尼器,密封件和地震底座隔离器,因为它们的柔软度使它们可以轻松剪切并吸收能量。聚合物(例如聚乙烯或尼龙)在柔韧性和强度之间取得了平衡,这就是为什么它们被广泛用于轻质结构和耐冲击的部分。即使是木材等天然材料也会显示出强烈的方向差异:在整个谷物上,其剪切模量也远低于其沿谷物,并且建筑商需要考虑到这一点,以免在剪切力下裂开。 剪切模量计算 可以使用不同的测试方法来确定剪切模量G,并且选择取决于材料以及您是否需要静态还是动态值。对于金属和其他各向同性固体,一种常见的方法是在杆上或薄壁管上进行静态扭转测试。扭转角与施加扭矩的斜率给出了G。ASTME143指定了结构材料的室温程序。 对于动态测量,可以使用扭转摆:测量样品 - 质量系统的振荡周期,并将其与(复杂的)剪切模量相关联。 ASTM D2236是描述这种塑料方法的旧标准。 对于纤维增强的复合材料,使用V-网状方法(例如ASTM D5379(iosipescu))和ASTM D7078(V-Notched Rail剪切)获得了平面内剪切模量。 ASTM D4255(轨道剪切)也广泛用于聚合物矩阵复合材料。 请注意,ASTM A938是用于评估扭转性能的金属线的扭转测试(例如延性);它不是确定G的标准方法。 有时G不会直接测量G,而是根据其他数据计算得出的。用于各向同性材料杨的模量e和泊松的比例ν, g = e 2 (( 1 + […]
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