几种不同类型的五轴加工中心的特点、优势

不同的机器提供不同的旋转行程方法，每种设计都有自己的优势。

曾经有一段时间，通用工具公司（俄亥俄州辛辛那提市）可以利用其托盘穿梭机赢得工作。虽然其他企业必须在设置过程中让机器闲置，但通用工具可以在当前工作仍在进行时设置下一个工作，从而降低了成本和减少生产时间。

但这是几年前的事。如今，无处不在的托盘穿梭机，这个250名员工的合同制造商的任何重要竞争对手也都接受了这一概念。因此，通用工具将注意力转移到开发其他功能上，这些功能可以使其在减少设置时间方面保持优势。其中最重要的一项是五轴加工。

通用工具从事五轴加工已有一段时间，但该公司最近承诺将对该技术进行更大的投资。在过去的15个月中，该公司从不同的制造商那里购买了三个新的五轴加工中心。有了这些附加功能之后，车间现在呼吁机器提供四种不同的旋转轴枢转方式。由于每种设计都有自己的优势，因此多种选择使General Tool可以竞争广泛的五轴工作。

对于航空航天，船舶和发电市场的客户，General Tool可以进行“连续”五轴加工。也就是说，直线和旋转轴都通过切削加工。但是，其五轴机床的作用不只是这种扫掠式表面铣削。实际上，这项工作仅占要求公司五轴机床之一的工作的20％。在所有其他情况下，旋转轴仅通过将刀具和/或工件重新定位到切口外部即可减少费用。这种旋转运动通过一次安装使主轴到达零件的相对面而节省了设置时间。通过将标准的铣刀保持一定角度，加工成角度的表面（否则需要定制工具），还可以节省工具成本。

也就是说，连续工作和仅位置工作之间的比例可能并不总是20/80。通用工具通常偏爱具有完整五轴功能的五轴机床。因此，虽然车间主要是为了简化设置时间而购买五轴机床，但同时又增加了生产能力，可以竞标更具挑战性的五轴工作。在这种复杂的水平上，对工作的竞争要少得多。

实际上，通用工具的目标之一就是获得竞争各种可能工作的能力。在涉及五轴加工的情况下，达到此目标意味着需要购买各种不同的机床。线性轴在基本上每种加工中心型号上的移动速度都可比，但是五轴机床在移动旋转轴的方式上有很大不同。有些会旋转工作台，有些会旋转主轴头，有些会同时做。每种不同的枢转策略都会影响机器可以完成的工作类型。

换句话说，任何常规加工中心的正确工作很可能是车间中下一台三轴机床的正确工作。但是，对于给定的五轴加工中心而言，正确的工作对于另一种类型的五轴机床而言可能是错误的工作。

该公司的工业工程师Greg Kramer最近对通用工具使用的五轴加工中心的不同类型进行了介绍。他说，这些五轴设计中的任何一个都不比另一个更好。取而代之的是，通过旋转轴移动的每种不同方法使该机器成为车间中处理特定工件几何形状的最佳工具。

克雷默（Kramer）先生通过以下方式描述了四种不同的五轴加工中心设计的正确工作：

设计1：转台+旋转主轴头

通用工具公司最新的采用这种五轴设计的机床是辛辛那提机床公司（以前是辛辛那提米拉克龙公司；俄亥俄州辛辛那提）的T-35加工中心。像许多其他卧式加工中心一样，这一中心（如图1所示）将360度B轴旋转工作台放置在工件下方。该表不仅可以索引，还可以切入。T-35使该旋转工作台与A轴枢轴配合，该枢轴将主轴头从水平上方30度输送到下方30度。封闭的机器提供了一个工作区，直径为50英寸，高为50英寸。

克莱默先生说，这台机器的理想零件是一个圆柱体，圆柱体的外围有孔，尤其是成角度的孔。一个示例是涡轮机壳体。在这样的零件上，相同的孔出现在OD周围的各个位置。在这种情况下，具有这种设计的机床可以仅在一个轴上移动，即可将自己从一个孔定位到另一个孔。任何其他类型的五轴机床都将使用至少两个轴（可能更多）在圆柱形零件上从一个径向孔移动到另一个径向孔。但是，在旋转工作台/旋转头机床上，仅需将工具倾斜一次至正确的角度以适合孔，并且主轴头仅需定位在X，Y和Z位置一次。然后钻一个序列的孔就变成了进给，缩进和仅在B内分度以到达下一个孔的问题。

结果是更可重复的过程。更多的定位轴只会增加定位误差影响移动的机会。这就是通用工具发现单轴运动本质上更加精确的原因。

该机器设计的另一优势与工件尺寸有关。旋转轴移动的工件（相对于刀具）越少，则机器容纳较大零件的能力就越好。该机器确实使工件沿B旋转，因此零件的摆动在该轴上受到限制。但是，由于这是唯一的工件枢轴，因此机床可以有效地处理较高的工件。将两个枢轴都放置在工作台上的五轴机床通常限于相对于线性行程较小的工件。但是，这种五轴加工中心的设计使工件更加固定，从而使机器可以处理非常高的圆柱形零件。

但是，需要进行权衡。从工作台上卸下的所有枢轴都必须出现在主轴头上。在工作台上的枢轴可能限制工件尺寸的情况下，在主轴头处的枢轴使工具的尺寸更难管理。当工具旋转而不是保持固定时，考虑到切削刃的位置变得更具挑战性。

挑战的幅度是算术和三角学之间的差异。如果仅刀具仅在线性轴上移动，则占刀具长度的偏移量在Z中为固定值，占刀具直径的偏移量在X和Y中为固定值。对于常规加工中心而言，这是正确的。对于只有工件在其中旋转的五轴机床。但是，当刀具沿一个或多个旋转轴移动时，每个轴上切削刃的精确位置将随刀具长度和直径以及枢转角的正弦和余弦的某种组合而变化。

换句话说，在带有旋转主轴头的五轴加工中，每次主轴角度改变时，X，Y和Z中的刀具补偿都必须改变。

在某些情况下，某些五轴机床的CNC可以自动执行此数学运算。但是，如果控件无法独立于程序来调整更改的刀具补偿，则唯一的选择是通过将过程限制为“合格”的刀具，将补偿更改直接并入代码中。这意味着要颠倒编程和工具设置的顺序。首先测量工具，然后CAM软件程序考虑这些特定尺寸。然后，要求操作员仅将那些工具与该五轴程序一起使用。如果由于磨损或破损而导致工具尺寸发生变化，则必须生成全新的代码。

显然，这种方法使车间失去了很多灵活性。但是在许多工作中，合格的工具是唯一可行的方法。车间在倾斜式机床上运行的每个连续五轴工作就是这种情况。在使用枢转刀具进行连续五轴铣削时，随着旋转轴的进给，刀具偏移在整个切削过程中都连续变化。这里使用合格的刀具，因为唯一可用的其他选择是要求CNC即时更新刀具补偿。

即使这样，CNC仍有大量工作要做。与仅使用X，Y和Z的典型程序相比，带有旋转刀具的复杂五轴铣削程序每个程序块需要更多的数据。对于通用工具而言，这种数据密度对循环时间有影响。由于需要进行连续五轴加工的数据处理，因此模具制造商通常会遇到一个局限性，这是该生产车间偶尔会遇到的局限性：由于“数据不足”，需要限制进给速度而不是在表面上出现停留痕迹。”

设计2：双转盘

带B轴旋转工作台的卧式加工中心通常带有360度A轴单元形式的辅助旋转轴，可以像墓碑一样安装在主工作台上。此配置的通用工具版本来自Giddings＆Lewis的CNC卧式镗铣床（威斯康星州丰杜湖）。在这台机器上（如图2所示），主工作台是如此之大，以至于A轴单元可以在各种位置上放置，从而提高了灵活性。但是，有效的编程要求程序员精确地知道A轴工作台的面相对于B中的轴的位置。在实践中，这通常意味着编写程序时要假定A轴的特定位置，从而操作人员通过耗时的步骤来精确定位A轴模块以符合此要求，从而对机器进行设置。

克莱默先生说，这种机器的理想零件是在主轴上开一圈孔的环，特别是如果该零件是圆柱形的并且还需要围绕外径进行加工的话。

该机器没有外壳，因此当A轴单元未安装到位时，它会切割一些车间最大的零件。装备五轴加工时，它面临着更大的工件尺寸限制。当安装了A轴单元时，不仅要限制工件围绕A轴摆动的尺寸，还要根据从水平工作台表面悬挂的实际零件的大小来限制工件的尺寸。

但是，围绕较小的五轴零件保留的大量XYZ行程有助于使该模型成为商店中最好的五轴机床，以用于长工具或加长杆的使用，尤其是在奇角度处。其他机床无法提供足够的行程来使零件远离主轴，从而无法留出较长的刀具空间。对于在主轴头处枢转的机床尤其如此，因为主轴必须随后沿着直线轴上的插补路径退回以匹配刀具的定向角。但是在桌上有两个枢轴的机器上，为长刀具腾出空间只需要在Z轴上移动。这台特定的机器在Z轴上有36英寸的行程，在W轴上有40英寸的行程。

另外，无旋转的主轴头在旋转轴移动期间和之后导致更少的嘎嘎声。刀具位置不必包括三角学引起的变化，因此任何刀具偏移都可以是X，Y或Z的一次性调整。这使得每个刀具路径命令的计算更加容易。对于CNC和CAM软件来说，工作更加容易。但是要权衡的是，这台机器可能会使程序员的工作更加困难。对双回转工作台加工中心进行编程非常具有挑战性，以至于没有经验的编程人员可能无法最有效地使用该机床。

挑战与可视化有关。Bud Schaefer是一位经验丰富的General Tool程序员，他说，即使他有时也会遇到这类机器的编程问题。

他说：“很难想象。” “您在B中移动，但随后A的枢轴点也移动了。”

在加工循环过程中允许工件移动复合角度会导致各种特征的位置发生变化，这对于程序员来说是很费时的。

“给我一台在主轴头上至少有一个枢轴的五轴机床，”谢弗先生开玩笑说。“我可能必须坚持使用合格的工具，但至少我可以想象工件发生了什么。”

但是他知道有些工作仅需要固定的主轴头。需要重切削的五轴工作就是一个例子。五轴机床的切削深度不能超过旋转轴所能承受的深度，而旋转工作台的轴承通常比主轴头上的枢轴轴承大得多。许多加工中心制造商已经成功地使它们的主轴头枢轴比较小的轴承尺寸要坚硬得多。但是，克莱默先生将重切削五轴工作分配给这样的机床感到安全，这种机床的主轴没有任何倾斜的自由度。

设计3：双枢轴主轴头

实际上，由于需要优化旋转轴的刚性，通用工具不得不为其主轴上有两个枢轴的五轴机床选择仅定位的设计。这台机器是Versamill的Versa机器6040加工中心（伊利诺伊州卡梅尔山，Versamill不再营业），可能配备了主轴头，能够向旋转轴进给，而不仅仅是定位。但是，这将要求伺服轴在线性切削期间保持主轴方向。仅定位头可以提供更高的刚性，因为它可以使用液压夹具保持每个方向。而且由于General Tool主要将五轴加工视为节省设置时间和模具成本的一种方式，因此选择仅定位机床的牺牲不是很大。

该机器将360度的C轴枢轴与B上的±135度枢轴配对（尽管C轴索引也可以将该枢轴定位在A轴上）。如果以此方式将两个枢轴都置于主轴上，则对切削力产生了任何限制，那么这种折衷就可以灵活地得到补偿。任何带有转盘的五轴机床都倾向于使用圆形零件。但是，双主轴枢轴机的设计使其非常适合非圆形零件。例如，这是通用工具最有效的机器，用于单件加工长的航空结构零件，尤其是沿长度方向具有奇角孔的零件。

机器在圆形零件加工中也有作用。凭借其主轴头的敏捷性，该机床可以完成通用工具的其他加工中心无法做到的出色工作-圆柱零件ID上的机床功能。

设计4：紧凑型机器中的转台+耳轴

这种设计与双旋转工作台方法相似，因为它在工件下方放置了两个枢轴，主轴头中没有一个。Deckel Maho的DMU 70V型立式加工中心（伊利诺伊州绍姆堡DMG America）将360度C轴旋转工作台和180度耳轴结合在一起。耳轴轴称为“ B”，它与旋转轴的标准标记约定不同。B轴的旋转中心相对于Y成45度角（见图4）。

旋转轴内置于立式加工中心平台中，以实现占地面积不超过中型VMC的五轴机床。该机器仍然给程序员带来了与双旋转工作台机器相同的挑战，因为它需要可视化工作。但是，在这种情况下，固定主轴会形成一个小型且易于使用的五轴机床，但该机床仍可进行相对较深的切削。

通用工具购买这台机器的主要原因是它很小。其所有其他五轴机床都更大，因此运行更小，更便宜的零件的成本过高。相比之下，转台/耳轴式机床不能接受大型工件，但是使较小零件的五轴加工更加经济。加上垂直设计，使操作员易于装卸机床，从而使车间可以用通用工具的其他五轴机床都不可行的方式加工一系列工件。

该车间还认为这是最精确的五轴机床。实际上，由于不确定的刀偏，枢轴主轴头设计会失去精度。同样，双回转工作台机床在A轴相对于B中枢轴的位置上也有不确定性。因此，只要尺寸允许，General Tool都会向该机床分配需要连续五轴加工的零件。

通常，尺寸不允许。五轴工作通常是大型工作。但是，这可能是因为五轴机床历来是大型的按订单生产的机床。如今，越来越多的建筑商提供了不同于该传统的五轴机床。现在可以使用各种低成本的标准五轴加工中心，这使车间可以将五轴加工应用于零件类别（小型，低成本组件），而这超出了五轴加工的传统领域。如果是这样，那么更多的车间将转向五轴加工以提高生产率，并且更多的车间将发现他们自己评估通用的五轴设计的方式与通用工具相同。

这些字母是什么意思？

正如大多数加工中心制造商以相同的方式定义其线性轴（即Z轴是平行于主轴中心线的轴）一样，它们也倾向于以相同的方式定义旋转轴。

在大多数机器上，A，B和C轴通过以下方式对应于X，Y和Z：

A轴绕平行于X轴的中心线枢转。

B轴绕平行于Y轴的中心线枢转。

C轴绕平行于Z轴的中心线枢转。