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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想象一下,将您最喜欢的咖啡杯放在厨房的地板上 - 它变成锋利的碎片。现在,秋天后,想象一下智能手机屏幕蜘蛛网,或地震期间未增强的混凝土墙破裂。这些日常示例突出了脆性,这是一种物质属性,可以导致突然破裂而不会警告。 Brittlenes对安全性和可靠性至关重要:建筑物,桥梁或产品中的脆性组件如果不考虑灾难性的情况。历史提供了鲜明的提醒 - 最著名的是RMS泰坦尼克号,其钢铁在冰冷的大西洋水域变得脆弱,并在撞击而不是弯曲方面破裂,导致了灾难。工程师和设计师密切关注Brittleness,因为与弯曲或伸展的延性材料不同,脆性易碎的材料往往会在压力下折断。 这篇文章探讨了什么是脆性以及它与硬度和韧性的不同。它还解释了为什么玻璃或铸铁等材料是脆性的,以及我们如何测试和减轻工程设计中的脆性。 什么是脆性? 材料科学中的脆弱性是指材料事先几乎没有塑性变形的材料倾向的趋势。简而言之,脆性材料不会弯曲或伸展太多 - 它会破裂。如果您尝试弯曲脆性物体,它几乎会立即破裂或捕捉,而不是经历塑性变形。这是相反的延性,在失败之前,材料维持明显的塑性变形(例如,将其吸引到电线或弯曲中)的能力。高度延展的金属(例如铜或金)可以大量弯曲,拉伸或抽出,而在仅弹性菌株后,脆性材料(例如玻璃或陶瓷)骨折。 脆性,韧性,韧性和硬度 比较脆性和延展性归结于材料在骨折前可以变形的材料多少。脆性材料的延展性很低,并在小应变下达到其断裂点。延性的一个可以维持明显的塑性变形。在金属中,一个共同的经验法则是,休息时的伸长率通常称为脆,而考虑〜5%延性(材料和测试依赖性;陶瓷和玻璃通常远低于1%)。实际上,脆性材料几乎没有发出警告 - 在折断之前,它们不会明显弯曲或脖子。在应力 - 应变曲线,延性材料显示出屈服和较长的塑料区域,而脆性材料几乎是线性弹性的,直到突然裂缝具有最小的可塑性。 韧性描述材料在破裂前吸收的能量(思考:应力 - 应变曲线下的区域)。当材料结合高强度和良好的延展性时,通常会增加。这不是严厉的“相反”。橡胶轮胎很艰难,因为它会变形并吸收影响。退火玻璃很脆,因为它不能塑料变形,因此急剧的打击会使它破裂。 硬度是一个不同的概念 - 它抵抗刮擦和局部凹痕。材料可能非常困难但脆弱。例如,钻石抵制刮擦,但缺乏可塑性,可以在急剧的打击下切碎或劈开。相反,相对柔软的东西(例如橡胶)可以抵抗撞击的破裂,因为它会变形。简而言之,硬度涉及对局部变形的抵抗力,而残酷的性质描述了断裂行为。 易碎材料的示例及其失败 许多日常和工业材料表现出脆弱的行为。以下是一些例子,以及它们如何在压力下失败: 玻璃:普通玻璃(例如窗玻璃或水杯)是一种经典的脆性材料。它在压缩方面非常坚固且强烈,但是在拉伸应力或影响下,它不能塑性变形。将玻璃杯放在坚硬的地板上,通常会碎裂大而尖锐的碎片。故障是通过裂纹传播的:一旦一个微小的缺陷或冲击点会引发裂缝,它就会穿过玻璃,几乎没有塑性变形。这种脆性来自其结构:二氧化硅网络是刚性和无定形的,与金属不同,没有移动位错来缓解压力。有趣的是,特殊治疗可以改变玻璃断裂的方式,例如,通过热处理以引入表面压力应力而产生的钢化玻璃,仍然很脆,但往往会分解成小钝骰子样的碎片(因此“安全玻璃”)。层压玻璃,用于挡风玻璃,将两个玻璃杯粘合到塑料层中(通常是PVB),因此,当裂缝形成裂缝时,层中层将碎片将碎片固定在一起。这些治疗方法可以减轻故障模式,但从根本上讲,玻璃通过破裂而不是弯曲而失败。 陶瓷:陶瓷同样脆弱。从架子上敲出陶瓷花瓶,它会碎片或破碎而不是凹痕。从结构上讲,陶瓷是离子和/或共价键合的,通常是多晶(瓷器也包含玻璃相)。例如,在瓷板中,原子晶格是刚性的。当压力时,原子飞机无法轻易滑落。在离子固体中,一个小移位带来了同样的带电离子并排,它们强烈排斥,裂纹引发。由于位错运动是有限的,键是定向的,因此陶瓷具有高硬度和抗压强度,但倾向于在张力或弯曲下折断。当它们失败时,裂缝表面通常会清洁并沿晶体平面(裂解)。陶瓷瓷砖超出其容量超出其容量的裂纹,可以通过身体传播,并用干净的玻璃状断裂破裂,几乎没有可见的屈服。 铸铁(尤其是灰色铸铁):铸铁是一种金属,但某些成绩却是脆弱的。如果您曾经看过旧的铸铁发动机块或铸铁管道裂缝,则目睹了易碎的断裂。灰色铸铁(以其断裂表面的灰色命名)具有相对较高的碳含量。碳形成石墨片,分布在整个铁基质中。这些薄片的行为就像内部裂缝和强烈的压力集中器,因此金属在破裂之前不会伸展太多。结果,铸铁在压缩方面非常强(均匀支撑时),但在张力或影响不足可能会突然失败。相比之下,延性(结节性)铁是一种改良的铸铁,在该铸铁中诱导石墨形成球形结节(通常是通过镁处理)。它的脆性要小得多,并且会在影响下变形,而不是破碎。我们将在“设计”部分中进一步讨论。 具体的:混凝土看起来像是坚固且岩石状的(而且是),但这是脆弱材料的另一个例子。在压缩下,混凝土非常强大,可以承受很大的负载。但是,在张力(拉或弯曲)下,纯混凝土裂缝很容易。水泥糊和硬矿物聚集体的混合物形成了具有非常有限的塑料流能力的刚性基质,因此很小的拉伸菌株开放的微裂纹可以迅速合并。这就是为什么钢筋混凝土如此普遍的原因:钢钢筋嵌入以携带张力并增加延展性(和韧性)。钢可以屈服和伸展,将截面保持在一起并提供警告(裂缝形成并逐渐扩大),而不是突然的脆性崩溃。 其他脆性材料:还有许多其他例子。如果不调和,高碳或高度硬化的工具钢可能会变脆。文件或非常坚硬的刀片可能会在弯曲时捕捉,因为更高的碳和硬度可减少延展性。石墨,就像铅笔“铅”一样脆弱:其分层结构使飞机滑动留下标记,但在适度的力下,棍子很容易折断。有些聚合物也很脆。聚苯乙烯(用于一次性餐具和旧CD案例中的刚性塑料)倾向于捕捉而不是弯曲。 为什么有些材料脆弱? 要了解脆性,它有助于查看微观和原子尺度上的材料内发生的情况。材料的原子键和微观结构有所不同,这些差异决定了它们对压力的反应。 在结晶金属中,定位的金属键合和移动位错通常会造型流动。当滑动很容易时,应力再分配和裂纹尖端会钝化。如果粘结是高度定向的,或者晶体几乎没有可操作的滑动系统,则可塑性受到限制;应力集中到裂纹成核并繁殖。 然后,微观结构决定裂纹的生长是如何生长的。尖锐的夹杂物,硬第二阶段,毛孔或弱接口充当裂纹的发射地点和途径。温度和应变速率也很重要:较低的温度或更高的应变速率降低了可塑性,将行为推向脆性断裂。环境可以使平衡 - 原子氢加速裂纹,而晶粒结合的降解(例如晶间腐蚀或杂质隔离)可降低沿边界的凝聚力。 简而言之,当塑料适应不足并占主导地位时,勃彩会出现。如果材料无法自由移动脱位或在裂纹尖端下消散能量,则失败是突然的,几乎没有警告。 如何测量或测试脆性? 由于Brittlense是关于材料在压力下的行为(几乎没有变形),因此没有一个“勃贴”数字,您可以像密度或熔点一样抬头。取而代之的是,工程师使用延展性,断裂韧性和影响能量的测试间接表征它。 衡量脆性行为的标准方法之一是拉伸测试。在记录压力和应变时,拉动狗骨标本,以产生应力 - 应变曲线。脆性反应是几乎线性的突然断裂的弹性途径,几乎没有或没有产量区域。两个快速指示器(突破时的延长和降低面积)是延展性的度量(并成反比)。脆性的材料将显示出低伸长率和最小的面积减少(颈部很少或没有颈部)。对于金属,测试设置和报告遵循ASTM E8。 在Charpy V-Notch撞击测试中,摇摆的摆板击中了一个缺口的杆,并且在焦耳的能量中记录了摆能量的损失(来自秋千高度的变化)(j)。低吸收能表示脆弱的反应。高能量表示韧性。由于结果取决于标本的大小和缺口几何形状,因此最好将夏普能量用于比较和温度研究,而不是基本材料常数。在多个温度下进行测试映射延性到脆性的过渡。工程师还阅读了断裂表面:明亮,刻面/裂解特征表明脆性断裂,而暗淡,纤维状的外观表示延性断裂。 另一个关键措施是平面应变骨折韧性(K我知道了),一种骨折的机电参数,可量化材料对裂纹生长的抗性。它是根据预先裂纹标本的精确测试确定的,代表裂纹开始延伸的临界应力强度因子。脆性材料有低k我知道了因此,缺陷差 - 小裂纹会在相对较低的压力下导致失败,而坚韧的延性材料具有较高的k我知道了并且可以直言不讳或逮捕裂缝。工程师使用裂缝 - 阻力数据来设置允许的缺陷大小,并针对服务突然断裂进行设计。 如何防止设计中的脆弱失败 由于脆弱性会导致突然的灾难性失败,因此工程师已经制定了处理策略 - 通过选择不同的材料或修改材料和设计以使脆弱行为降低危险性。 材料选择和处理 […]
3D 打印机耗材是 FDM(熔融沉积成型)打印中使用的消耗材料,通常是塑料。它们装在线轴上并送入打印机的挤出机,材料在挤出机中熔化并通过加热的喷嘴沉积,一层一层地构建物体。
黄铜是在各种行业中用于不同目的的非有产金属。从复杂的电子连接器和耐用的管道配件到高性能汽车和航空航天组件,黄铜几乎无处不在。它具有高精度加工的能力使其成为制造业的首选。
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