5軸CNC銑床展示了復(fù)雜的計(jì)算控制如何促進(jìn)無與倫比的制造能力，坦率地說，當(dāng)它繞軸移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(jī)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(xué)習(xí)5軸CNC加工知識(shí)要點(diǎn)。

3軸還不夠嗎？

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

計(jì)算機(jī)數(shù)控，通常稱為CNC，是一個(gè)術(shù)語，用于指工具頭沿著預(yù)定路徑移動(dòng)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(yuǎn)不止銑削。

不過，在本文中，我們將重點(diǎn)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(gè)減材過程中，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將CAD設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)，切割工具可以使用坐標(biāo)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(jí)變體，其中切削刀具能夠同時(shí)沿五個(gè)不同的軸移動(dòng)。只有有了這種運(yùn)動(dòng)自由度，才能產(chǎn)生某些復(fù)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(huì)產(chǎn)生部分空腔和懸伸的方式移動(dòng)切削主軸，例如，如果在加工過程中不手動(dòng)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(jiān)固、耐用的材料制造復(fù)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(qiáng)度、復(fù)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(gè)軸的圖表（來源：All3DP）

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

上圖顯示了五個(gè)軸。某些機(jī)器中確實(shí)存在旋轉(zhuǎn)Z軸，但實(shí)際上，6軸CNC銑床是一種罕見的品種，因?yàn)榈诹S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?，就像這些提供第三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的6軸CNC機(jī)床一樣。

3軸世界中的5軸

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

顧名思義，旋轉(zhuǎn)頭機(jī)器可以圍繞材料塊操縱工具頭，從不同角度進(jìn)入狹小的空間。這種方法可以加工更大、更重的物體，因?yàn)椴牧蠅K在整個(gè)過程中保持靜止。

另一方面，在工作臺(tái)上移動(dòng)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(tái)來實(shí)現(xiàn)額外的兩個(gè)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(jī)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(xiàng)復(fù)雜但可行的技術(shù)。有些機(jī)器是專門為該任務(wù)而設(shè)計(jì)的，并采用連續(xù)數(shù)控方法。這涉及到在所有5個(gè)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(jī)器（例如Haas VF-4）可以通過添加耳軸進(jìn)行修改以獲得兩個(gè)附加軸。這種情況是3+2軸加工方法，它將零件鎖定在某個(gè)角度，該角度由繞X和Y的旋轉(zhuǎn)軸確定，同時(shí)刀頭在3軸上移動(dòng)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(diǎn)：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(dòng)的工具頭需要更多的移動(dòng)部件（即更多的磨損）并且需要更先進(jìn)的碰撞檢測。

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

在3軸機(jī)床中，重力和夾具共同作用，確保物體在加工時(shí)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(shí)不會(huì)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(diǎn)虎鉗等工具。

當(dāng)使用重型切削刀具時(shí)，材料碎片會(huì)高速飛得到處都是，確保刀頭不會(huì)在意外位置與原料發(fā)生碰撞非常重要。事實(shí)證明，跟蹤3D空間中的所有內(nèi)容是一項(xiàng)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(shí)有意義？當(dāng)零件需要具有一定強(qiáng)度、完全無孔或由獨(dú)特的庫存材料制成時(shí)，它是最好的選擇。在這種情況下，即使是技術(shù)最先進(jìn)的DMLS 3D打印機(jī)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(fù)雜特征的現(xiàn)有物體，這即使是高端3D打印機(jī)也無法實(shí)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(gè)更加復(fù)雜的過程。雖然3D打印機(jī)可以打開并且通常不用管，但需要對(duì)5軸CNC銑床投入更多時(shí)間和注意力。這是因?yàn)槊餍枰磸?fù)重新定位，工具頭需要校準(zhǔn)和更換，并且CAM需要分步運(yùn)行。

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

生產(chǎn)過程中材料被浪費(fèi)。根據(jù)3D打印機(jī)的技術(shù)，數(shù)控銑床可能會(huì)浪費(fèi)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(shí)可以得到緩解，因?yàn)殇X和鋼等工廠廢物通?？梢员皇占⒒厥盏叫聨齑嬷?。

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(xiàng)目時(shí)，仍然最好記住這一點(diǎn)。

編譯整理：ALL3DP