5軸CNC數(shù)控機床知識要點

魔猴君  知識堂   337天前

5軸CNC銑床展示了復雜的計算控制如何促進無與倫比的制造能力，坦率地說，當它繞軸移動和旋轉(zhuǎn)時，觀看起來令人著迷。它能夠處理3軸銑床無法處理的幾何形狀，并且具有3D打印機剛剛開始具備的自由度。

在本文中，魔猴網(wǎng)將和大家一起學習5軸CNC加工知識要點。

3軸還不夠嗎？

5軸CNC銑床復雜形狀（來源：Marti Deans via Autodesk）

計算機數(shù)控，通常稱為CNC，是一個術(shù)語，用于指工具頭沿著預(yù)定路徑移動以完成各種任務(wù)（例如鉆孔、切割、打印或銑削）的系統(tǒng)。

在制造商社區(qū)中，術(shù)語“CNC”通常用來指數(shù)控銑削，這是一種涉及主軸作為刀頭的工藝。然而，值得注意的是，CNC的用途遠不止銑削。

不過，在本文中，我們將重點關(guān)注CNC銑削：切削刀具系統(tǒng)地去除材料以產(chǎn)生最終幾何形狀的過程。在這個減材過程中，計算機負責將CAD設(shè)計轉(zhuǎn)換為坐標，切割工具可以使用坐標作為在何處去除材料并揭示最終物體的指示。

5軸數(shù)控銑削揭秘

3軸銑削（左）與5軸銑削（右）（來源：Octavian Bologa，來自Procedia Computer Science）

五軸數(shù)控銑床是普通銑床的高級變體，其中切削刀具能夠同時沿五個不同的軸移動。只有有了這種運動自由度，才能產(chǎn)生某些復雜的幾何形狀。

深受愛好者歡迎的常規(guī)3軸CNC銑床根本無法以任何會產(chǎn)生部分空腔和懸伸的方式移動切削主軸，例如，如果在加工過程中不手動調(diào)整材料的話。

常見的數(shù)控銑削材料通常是塑料、金屬、樹脂、蠟或木材。由于數(shù)控銑床幾乎可以配備任何類型的鉆頭，因此也可以加工任何可以合理、安全地鉆孔的材料。

由于能夠用堅固、耐用的材料制造復雜零件，5軸CNC銑削成為航空航天工業(yè)中常見的制造和原型解決方案，而該行業(yè)無疑需要高強度、復雜的幾何形狀來滿足苛刻的應(yīng)用。

超越第三軸

列出所有五個軸的圖表（來源：All3DP）

觀眾中喜歡數(shù)學的讀者可能想知道這兩個額外的軸到底是從哪里來的。畢竟，笛卡爾坐標系只有3個軸——X、Y和Z。答案出人意料地非常簡單，5軸CNC增加了一個圍繞X軸和Y軸的附加旋轉(zhuǎn)軸。這些稱為旋轉(zhuǎn)軸，而標準X、Y和Z方向稱為平移軸。

上圖顯示了五個軸。某些機器中確實存在旋轉(zhuǎn)Z軸，但實際上，6軸CNC銑床是一種罕見的品種，因為第六軸在高端或利基應(yīng)用之外幾乎沒有帶來什么好處。然而，它們?nèi)匀淮嬖冢拖襁@些提供第三個旋轉(zhuǎn)軸的6軸CNC機床一樣。

3軸世界中的5軸

CNC銑床可以通過兩種機械方式實現(xiàn)其5軸能力：旋轉(zhuǎn)刀頭或移動工作臺（以及材料塊）。

顧名思義，旋轉(zhuǎn)頭機器可以圍繞材料塊操縱工具頭，從不同角度進入狹小的空間。這種方法可以加工更大、更重的物體，因為材料塊在整個過程中保持靜止。

另一方面，在工作臺上移動物體的數(shù)控銑床（也稱為耳軸）通過旋轉(zhuǎn)放置材料的工作臺來實現(xiàn)額外的兩個自由軸。這種方法的好處是速度和穩(wěn)定性，盡管太大或太重的物體不能以這種方式旋轉(zhuǎn)。

5軸數(shù)控銑床

連續(xù)5軸CNC機床正在發(fā)揮其最大作用（來源：Patrik Uhlí?視頻來自YouTube）

5軸加工是一項復雜但可行的技術(shù)。有些機器是專門為該任務(wù)而設(shè)計的，并采用連續(xù)數(shù)控方法。這涉及到在所有5個軸上不斷調(diào)整切削刀具，以保持鉆頭與切削表面最佳垂直。

另一方面，某些機器（例如Haas VF-4）可以通過添加耳軸進行修改以獲得兩個附加軸。這種情況是3+2軸加工方法，它將零件鎖定在某個角度，該角度由繞X和Y的旋轉(zhuǎn)軸確定，同時刀頭在3軸上移動以切割零件。

連續(xù)銑削與3+2軸銑削

連續(xù)CNC的主要優(yōu)點：速度。在此過程中，無需停止切削來多次重新定位零件，連續(xù)5軸CNC可以快速完成工作。然而，值得注意的是，連續(xù)移動的工具頭需要更多的移動部件（即更多的磨損）并且需要更先進的碰撞檢測。

hyperMill等CAM工具在制造時考慮了5軸銑削！（來源：CAM by Open Mind via YouTube）

在3軸機床中，重力和夾具共同作用，確保物體在加工時保持安全。因此，零件應(yīng)具有最小厚度（取決于材料），以確保從特定方向加工時不會折斷。為了確保零件以足夠的力固定在銑床上，通常使用液壓夾具或零點虎鉗等工具。

當使用重型切削刀具時，材料碎片會高速飛得到處都是，確保刀頭不會在意外位置與原料發(fā)生碰撞非常重要。事實證明，跟蹤3D空間中的所有內(nèi)容是一項重大的編程挑戰(zhàn)。

5軸數(shù)控銑床的作用

5軸銑削可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件，但這并不是制造它們的唯一方法（來源：Jordan Hart via YouTube）

5軸加工何時有意義？當零件需要具有一定強度、完全無孔或由獨特的庫存材料制成時，它是最好的選擇。在這種情況下，即使是技術(shù)最先進的DMLS 3D打印機也無法滿足您的需求。

此外，5軸數(shù)控加工可用于精確修改具有復雜特征的現(xiàn)有物體，這即使是高端3D打印機也無法實現(xiàn)。話雖如此，5軸加工也不是解決任何制造商困境的完美解決方案。

局限性

這是一個更加復雜的過程。雖然3D打印機可以打開并且通常不用管，但需要對5軸CNC銑床投入更多時間和注意力。這是因為毛坯需要反復重新定位，工具頭需要校準和更換，并且CAM需要分步運行。

其幾何能力仍然相對有限。雖然可以實現(xiàn)最復雜的幾何形狀，但比3軸銑床更復雜，但仍然無法與許多3D打印機實現(xiàn)的效果相媲美。例如，即使是5軸CNC銑床也無法用實心坯料制造空心球體。

生產(chǎn)過程中材料被浪費。根據(jù)3D打印機的技術(shù)，數(shù)控銑床可能會浪費更多的材料（畢竟，這是一種減材制造工藝）。不過，這種情況有時可以得到緩解，因為鋁和鋼等工廠廢物通常可以被收集并回收到新庫存中。

顯然，這些都不足以成為避免5軸CNC加工的理由，但在處理可以從5軸方法中受益的項目時，仍然最好記住這一點。

編譯整理：ALL3DP