5軸CNC數控機床知識要點

魔猴君  知識堂   308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）

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

在制造商社區中，術語“CNC”通常用來指數控銑削，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，我們將重點關注CNC銑削：切削刀具系統地去除材料以產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設計轉換為坐標，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，才能產生某些復雜的幾何形狀。

深受愛好者歡迎的常規3軸CNC銑床根本無法以任何會產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整材料的話。

常見的數控銑削材料通常是塑料、金屬、樹脂、蠟或木材。由于數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中常見的制造和原型解決方案，而該行業無疑需要高強度、復雜的幾何形狀來滿足苛刻的應用。

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軸的附加旋轉軸。這些稱為旋轉軸，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用之外幾乎沒有帶來什么好處。然而，它們仍然存在，就像這些提供第三個旋轉軸的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其5軸能力：旋轉刀頭或移動工作臺（以及材料塊）。

顧名思義，旋轉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控銑床（也稱為耳軸）通過旋轉放置材料的工作臺來實現額外的兩個自由軸。這種方法的好處是速度和穩定性，盡管太大或太重的物體不能以這種方式旋轉。

5軸數控銑床

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

5軸加工是一項復雜但可行的技術。有些機器是專門為該任務而設計的，并采用連續數控方法。這涉及到在所有5個軸上不斷調整切削刀具，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的旋轉軸確定，同時刀頭在3軸上移動以切割零件。

連續銑削與3+2軸銑削

連續CNC的主要優點：速度。在此過程中，無需停止切削來多次重新定位零件，連續5軸CNC可以快速完成工作。然而，值得注意的是，連續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生碰撞非常重要。事實證明，跟蹤3D空間中的所有內容是一項重大的編程挑戰。

5軸數控銑床的作用

5軸銑削可以生產出高質量的零件，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，即使是技術最先進的DMLS 3D打印機也無法滿足您的需求。

此外，5軸數控加工可用于精確修改具有復雜特征的現有物體，這即使是高端3D打印機也無法實現。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。

生產過程中材料被浪費。根據3D打印機的技術，數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