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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设计在数控加工中发挥着关键作用,因为它为整个制造过程奠定了基础。众所周知,数控加工使用计算机控制的机器来精确地从工件上去除材料。该工艺具有高度通用性、可重复性和精确性,此外,它还与多种材料兼容,从泡沫和塑料到木材和金属。 实现这些功能在很大程度上依赖于 CNC 加工的设计。有效的设计不仅可以确保零件的质量,还可以节省与 CNC 加工零件相关的生产成本和时间。 在本指南中,我们将讨论设计限制,并为 CNC 加工中遇到的最常见特征提供可操作的设计规则和建议值。这些指南将帮助您获得零件的最佳结果。 CNC 加工的设计限制 为了正确设计数控加工零件,我们首先必须清楚地了解工艺中固有的各种设计限制。这些限制自然是由切割过程的力学产生的,主要涉及以下几个方面: 刀具几何形状 大多数数控加工刀具具有圆柱形形状和有限的切削长度。当从工件上去除材料时,这些切削刀具会将其几何形状转移到零件上。这意味着,无论切削刀具有多小,CNC 零件的内角始终具有半径。此外,刀具的长度限制了可加工的最大深度。较长的工具通常刚性较低,这可能导致振动或变形。 工具访问 为了去除材料,切削刀具必须直接接近工件。切削刀具无法达到的表面或特征无法进行 CNC 加工。例如,复杂的内部结构,尤其是当零件内存在多个角度或特征被另一个特征阻挡或存在较大的深宽比时,可能会使工具难以到达某些区域。五轴数控机床可以通过旋转和倾斜工件来缓解一些刀具访问限制,但它们不能完全消除所有限制,特别是刀具振动等问题。 工具刚度 与工件一样,切削刀具在加工过程中也会变形或振动。这可能会导致公差更宽松、表面粗糙度增加,甚至在制造过程中刀具破损。当刀具长度与其直径之比增加或切削高硬度材料时,这个问题变得更加明显。 工件刚度 由于加工过程中会产生大量的热量和强大的切削力,刚性较低的材料(例如某些塑料或软金属)和薄壁结构在加工过程中容易变形。 工件夹持 零件的几何形状决定了它在数控机床上的固定方式以及所需的设置数量。复杂或不规则形状的工件很难夹紧,并且可能需要特殊的夹具,这会增加成本和加工时间。此外,当手动重新定位工件夹具时,存在引入微小但不可忽略的位置误差的风险。 CNC 加工设计指南 现在,是时候将这些限制转化为可操作的设计规则了。 CNC 加工领域没有普遍接受的标准,主要是因为行业和所使用的机器总是在不断发展。但长期的加工实践已经积累了足够的经验和数据。以下指南总结了 CNC 加工零件最常见特征的建议值和可行值。 内部边缘 建议垂直圆角半径:⅓ 倍型腔深度(或更大) 通常建议避免尖锐的内角。大多数数控刀具都是圆柱形的,因此很难获得锐利的内角。使用推荐的内角半径可以使刀具遵循圆形路径,从而减少应力集中点和加工痕迹,从而获得更好的表面光洁度。这也确保了使用适当尺寸的刀具,防止刀具太大或太小,从而保持加工精度和效率。对于 90 度锐角,建议使用 T 形槽铣刀或线切割,而不是减小拐角半径。 建议地面半径:0.5 毫米、1 毫米或无半径 可行的地面半径:任何半径 立铣刀刀具通常具有平坦或略圆的下切削刃。如果设计的底部半径与推荐值一致,则可以使用标准立铣刀进行加工。这种设计受到机械师的青睐,因为它允许使用广泛可用且易于使用的工具,这在大多数情况下有助于平衡加工成本和质量。虽然球头立铣刀可以适应任何底部半径,但由于其形状,它们可能会增加加工时间和成本。 薄壁 建议的最小壁厚:0.8 毫米(金属)、1.5 毫米(塑料) 可行的最小壁厚:0.5 毫米(金属)、1.0 毫米(塑料) 数控机床在加工非常薄的壁时受到限制,因为减小壁厚会影响材料的刚度并降低可达到的精度,可能会导致加工过程中振动增加。由于材料的硬度和机械性能不同,应根据具体情况仔细评估上述推荐和可行的值。对于更薄的壁,替代工艺(例如金属板制造)可能更可取。 洞 推荐孔径:标准钻头 […]
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精密加工是一个关键的制造过程,可通过使用最先进的CNC机器产生具有极高尺寸公差和优越表面饰面的组件。这些零件不仅是为了形状而设计的,而且还用于可靠的功能,精确的拟合和可重复性。
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