五轴机床如何选择合适的，五轴加工技术相比其他又有哪些优势？

五轴加工在传统的三轴直线运动（X、Y 和 Z）的基础上增加了旋转运动。这些机器可以结合处理 X 轴旋转的 A 轴、处理 Y 轴旋转的 B 轴或绕 Z 轴旋转的 C 轴。有些采用旋转、倾斜的工作台，提供机械和热稳定性，同时改善切屑去除的通道。其他人则采用旋转主轴头来容纳更大的托盘装载零件。

五轴加工的应用

五轴机床可以作为五轴定位或五轴轮廓机床运行。

在定位机中，选择的两个旋转轴只能分度，不能与三个直线轴同时运动。这将加工限制为三轴特征。然而，增加的定位灵活性可以在一次设置中加工工件的多个侧面，同时还可以改善主轴接近工件以进行底切和难以到达的几何形状。

五轴轮廓加工机可在线性位置移动的同时实现轴方向变化。使用这种类型机器的零件的几何形状分为两大类：规则曲面和任意曲面。规则曲面是指在曲面上的任何给定点，用户可以将一条线从曲面的一个边缘延伸到另一个边缘的曲面。这些表面适用于点铣（使用球头、大头或锥形球头立铣刀的尖端）以及侧面铣削（使用锥形或圆柱立铣刀的侧面）。相比之下，任意曲面仅适用于点铣。许多零件同时包含规则曲面和任意曲面。

五轴加工技术的优势

允许用户在一次设置中访问零件的五个面，从而实现更严格的公差。具有 3D 轮廓表面（例如模腔和电极）的零件往往是五轴加工的理想选择。例如，进入深腔的灵活性使车间能够使用长度和纵横比减小的工具组件进行这些操作。

在加工难加工材料时，改进的刀具方向控制还有助于减少刀具破损和颤振。例如，球磨机的表面速度取决于工具和表面之间的接触角。在三轴设备上，该角度随着加工的进行而变化。当球磨机底部接触零件时，表面速度变为非生产性的零。当工具的赤道接触零件时，表面速度会达到峰值。表面速度的这些变化会导致表面光洁度的变化，造成过早和不可预测的工具磨损，并降低生产率。

这种静态定向类似于五轴定位，其中在刀具接触工件之前设置刀具的角度。虽然刀具角度是固定的，但生产率一般还是比三轴加工高，尤其是在工件表面比较规则的情况下。主动定向可实现五轴轮廓加工：刀具相对于机床轴的角度实时变化。这可以实现恒定的角度和表面速度，从而实现更高的编程进给率和更好的表面光洁度。

方向控制还提高了平底和圆头立铣刀的性能，这些立铣刀需要在刀具轴线和与表面切平面和运动方向平面垂直的平面之间保持恒定的 5 度或 10 度角。该角度增加了有效半径，降低了扇形高度，改善了表面光洁度并减少了完成操作所需的刀具走刀次数。控制刀具方向还可以实现恒定的切削深度，并考虑零件库存状况的变化。

五轴机床的缺点

五轴功能伴随着学习曲线——首次采用五轴的车间不能指望即插即用的成功。加工策略将需要针对生产中的特定零件系列进行重新配置。机器、CNC 和 CAM 软件可能比类似的三轴版本更贵。额外的运动轴会引入额外的误差源并可能危及刚度。简而言之，五轴是一个高收益的过程，但它也是更高的风险。

像三轴机床一样最初操作五轴机床似乎是一种能力的浪费，但它可以帮助用户在学习的同时更加熟悉机床。

五轴机床的类型

虽然存在许多不同的五轴机床配置，但本节旨在涵盖四种常见类型。

复合回转工作台是获得五轴性能的最直接、最经济的方式，但它们有几个明显的缺点。这些工作台可以添加到三轴机床中，但与集成度更高的方法相比，刚性更小，角度误差更大。将旋转轴堆叠在一起会进一步放大角度误差，工件和旋转轴之间的大叠加双倾斜旋转意味着高扭矩负载会影响齿轮组，降低寿命并增加偏转。长轴行程也变得必要以保持工件和刀尖之间的接触，这可能会增加误差并限制有效的材料去除率。相对于零件尺寸，工作台通常还需要大型机床。

两轴主轴头，也称为主轴头，通常用于龙门式加工中心。它们具有与双倾斜转台相同的精度和刚度弱点，并且旋转范围有限（对于立式加工，C 轴通常具有无限的运动范围，而 A 轴可能仅限于 ±90垂直位置的运动度数）。它们仍然适用于进入大而深的型腔，这在汽车行业的大型模具和模具部件中很常见。不建议将这些头用于长而细长的部件，如叶片和螺旋桨，这些部件通常需要 360 度接触。

单轴主轴头，通常称为“摆式”主轴头，通常比双倾斜工作台或多轴主轴头提供更好的精度，因为旋转轴没有堆叠。在立式加工中心中，五个轴通常分布在三轴组（X、Y 和 A 或 C）和两轴对（Z 和 B 或 A）中。不幸的是，主轴头的旋转中心距离刀具相对较远，会导致角度误差并降低整体系统刚度，并且运动范围通常受到限制。这些配置对于叶轮、叶片和其他部件仍然表现良好，这些部件本身可以旋转以向主轴呈现不同的面。

倾斜主轴与单轴回转工作台结合使用时，通常是五轴加工中小型凹凸零件的最佳选择。棱柱形和细长的零件特别适合这种配置。B 轴使主轴能够围绕刀尖旋转，从而最大限度地减少角度误差并将 B 轴上的扭转载荷保持在最低水平。即使刀尖未与 B 轴旋转中心完美对齐，刀尖与旋转中心之间的距离通常也小于 3 英寸，可将角度误差减少 75% 或更多。倾斜主轴设计通过确保在需要大 B 轴角运动时将线性轴运动保持在最低限度来提高精度。两个旋转轴的分离最大限度地减少了堆叠误差，与其他机器类型相比，主轴头从垂直方向旋转 ±100 度都增加了灵活性，并有助于产生咬边。这种底切能力使倾斜主轴机床非常适合轮胎花纹、复杂电极和涡轮机械部件等部件。相反，主轴中心线与 B 轴齿轮组面之间有限的喉道距离限制了该设计在大直径零件中加工深腔的性能。

五轴设计对机器性能的影响

与倾斜主轴五轴设计相比，摆锤和双倾斜旋转设计的工具零件界面离 B 轴旋转中心更远。这个距离将角度误差乘以大约 250（不是百分比，而是实际值）。这使得倾斜主轴设计更加精确，即使轴行程较小且轴进给率较低以实现相同的表面速度。考虑到公差必须考虑到的误差范围，不仅是一个轴，而是所有五个轴的误差范围，而且在添加动态误差、热效应、刀具跳动、偏转和其他问题之前，精度尤其重要。

Swift CNC 也是五轴加工的必备工具。五轴加工比三轴加工产生更多的信息，尤其是通过恒定的线性轴运动来保持刀具与工件的接触。值得检查的是，程序段处理速度是否会保持在每秒 1,000 个程序段以上，这是高性能五轴同步轮廓加工的推荐 CNC 速度。

CNC 和运动性能

对五轴 CNC 有用的特定功能包括五轴刀具长度补偿和零件补偿，如果实际刀具长度或零件尺寸与标称值不同，则用户无需重新发布刀具路径。大型计算机存储驱动器（基于云的或本地的）以及有线以太网或无线连接功能，有助于适应五轴零件所需的大型零件程序的传输和存储。

由于零件复杂且周期长，五轴 CNC 系统还应具有强大的错误恢复程序。电源故障和刀具损坏也始终存在风险。这些恢复程序应包括沿其主轴收回工具的能力。

虽然轴进给率是三轴机床的一个很好的评估标准，但对于五轴机床来说却存在明显的缺陷。相反，机器几何形状和用户应用决定了是旋转轴还是线性轴决定了五轴性能限制。例如，倾斜轴机床的线性进给率和 B 轴速度比类似的摆几何结构更高，但切削进给率较低。这通过钟摆更快，但刚度较低和精度低 250 倍来平衡。

主轴选择

与三轴主轴选择的情况一样，用户必须平衡高端主轴速度与低端扭矩，尤其是对于高性能机器。但是，五轴机床提供了会显着影响性能的附加功能。

五轴主轴必须在许多方向上运行，包括“机头向上”。这意味着前轴承密封装置必须是高质量的，以延长主轴寿命。刀具-主轴接口对于涉及深腔、复杂几何形状或难以加工的材料的工作也很重要。HSK 主轴最适合这些任务，尤其是直径大于 0.5 英寸的刀具，因为它们比类似的 CAT/ISO 锥度几何形状更加刚性和精确。它们还更能抵抗长期微动，这种情况发生在长时间对硬质材料进行侧铣或使用长刀具加工复杂几何形状时。

热性能

所有五轴机床都容易受到热增长的影响，但双倾斜旋转和摆式主轴尤其容易受到影响。用户可以使用基于 CNC 的热增长控制系统管理热性能，将主轴热增长减少多达 85%。X、Y 和 Z 轴上的直接线性标尺反馈以及旋转轴上的高分辨率输出轴编码器也可以最大限度地减少热增长的影响。如果没有对策，热增长会在几个小时内影响精度 0.002 英寸或更多。

五轴加工技术的CAM选择

五轴机器和流程的广泛变化使得选择正确的软件至关重要。例如，该软件是否仅提供静态刀具方向控制，或者更灵活的轮廓加工？它是否提供碰撞检测和控制？供应商是否在内部五轴机床上测试了 CAM 软件？更简单的软件可能更便宜，但从长远来看，额外的功能和灵活性将证明更高效。