我一直想寫一篇文章，來介紹5軸加工和3軸加工的區別。
以便更深入地理解5軸加工的優勢和劣勢。
也方便大家知道什么時候選5軸加工，什么情況選3軸加工。
如今，是時候了。
本文主要包括6個部分。
1.什么是5軸加工？和3軸加工有什么區別？
2.一個零件讓你親身體驗5軸加工的效果
3.一個案例說明5軸加工的優點
4.同步5軸加工能做什么？
5.5軸加工的注意事項是什么？
6.如何把握好5軸加工的優缺點？
OK，我們開始吧。
01何為5軸加工？
通常的加工中心只能在X、Y、Z三個軸上移動，所以稱為“3軸機床”。
與此相對，5軸加工的優點在于，能夠省略3軸機床上非常耗時的更改生產準備操作，從而縮短工時，并且還能夠執行3軸機床無法完成的加工內容。
5軸加工是指使用支持5軸加工的加工中心進行切削加工。這種加工中心通常稱為“5軸機床”，也被稱為“5軸加工中心”。
那么3軸機床與5軸機床究竟有何不同呢?
首先，讓我們觀察其結構。
圖1-1是3軸機床與5軸機床的內部區域外觀。3軸機床是由固定工件的工作臺與主軸構成。
圖1-1 3軸機床與5軸機床的外觀對比
3軸機床加工動畫示意圖。
主軸可以相對于工作臺在左右方向(X軸)、前后方向(Y軸)、上下方向(Z軸)的3軸方向上移動。立銑刀被安裝在主軸上，一邊旋轉一邊在3軸方向上自由移動切削工件。經由此可以實現包括3D加工在內的各種形狀加工。
5軸機床加工動畫示意圖。
而5軸機床的結構中，除了X、Y、Z這3軸外，還增加了旋轉的2軸。圖1-1是典型的搖籃型5軸機床的結構。工作臺可在圍繞X軸旋轉(A軸)與圍繞Z軸旋轉(C軸)的2軸旋轉方向上自由傾斜。由于旋轉A軸的機構像搖籃一樣動作，因此得名“搖籃型”。
有時，主軸側也會附帶1軸或2軸旋轉功能(也就是所謂的5軸機床)。具備這樣的機構之后，5軸機床實際上能夠完成何種加工呢?讓我們來看一看具體動作的示意圖。請查看圖1-2。
圖1-2 5軸機床的動作示意圖
首先如(1)所示，直接將工件放在工作臺上進行加工，則上面正對主軸。紅色的面正好處于切削范圍內。然后，如果A軸傾斜90度，則變為(2)的狀態。(1)的狀態下無法切削的面變為正對主軸，能夠完成切削。
然后，C軸傾斜90度，則變為(3)的狀態，可以加工下一個面。繼續讓C軸旋轉，則可以依次加工其他的面。換句話說，工件安裝好之后，除了底部之外的所有表面都可以完成加工。由此可以無需更改生產準備，從而可以縮短加工時間、提高加工精度。
當然，5軸機床不僅可以如圖1-2所示以90度增量旋轉。A軸和C軸均可自由設置為任意角度，并且A軸和C軸都可以單獨旋轉。此外，A軸、C軸和X、Y、Z這5軸可以同時動態移動。
5軸機床的常規使用方式，是先將A軸或C軸傾斜一定角度進行加工，然后再傾斜到下一個角度進行加工，當主軸移動時，旋轉軸處于停止狀態。這種類型的加工方法稱為“固定5軸加工”或“分度5軸加工”。
另一方面，包括旋轉軸在內的所有軸同時移動的加工方法被稱為“同步5軸加工”。葉輪等形狀必須采用同步5軸加工才能加工出來。
此外，一些5軸機床還具有高速旋轉C軸的能力，可以像車床一樣進行車削加工。
圖1-3 5軸機床的特征
02親身體驗5軸加工的效果
為了感受5軸加工的強大威力，讓我們嘗試使用示例零件進行模擬5軸加工體驗吧。一起思考使用5軸加工制造如圖2-1和2-2所示的滑塊零件時會發生什么。
圖2-1滑塊圖紙，圖2-2滑塊草圖
這是3軸加工的簡化工藝。
在進行各個面的加工之前，必然先做生產準備作業。生產準備作業中包括工件平行度確認、原點設定等需要技巧的細致工作。隨著生產準備工作的增加，加工時間也相應增加，尺寸精度則會因為作業誤差而惡化。
使用5軸機床進行加工時是怎樣的流程呢?請再次查看圖2-1。
圖2-1滑塊圖紙
圖2-2，塊件的5軸加工。
首先，將機用臺虎鉗安裝到5軸機床的工作臺上。在使用5軸機床時，通常使用像這樣頂升式的臺虎鉗來固定工件。其目的是確保C軸傾斜時避免工作臺與主軸發生干涉。
對機用臺虎鉗進行平行度確認以及原點設定，然后固定工件。然后，設置工件原點、安裝刀具并創建加工數據。至此，生產準備作業完成。
下面進入加工作業。對[面1]進行加工之后，讓A軸旋轉以加工面2，然后再讓C軸旋轉以完成面3的加工。在此期間，完全不需要將工件拆下進行更改生產準備。而是可以連續不斷地進行加工。
簡化的5軸加工工序。
由此可見，使用5軸機床進行加工可以省去更改生產準備的過程。
03 5軸加工的優點是什么?
5軸加工的強大之處不僅在于可以省略變更生產準備，還在于可以精確控制傾角，從而可以從各個角度接近工件。下面介紹5軸加工的各項優點。
1.利用5軸加工削減多面加工的工時和成本
5軸加工不僅能夠在加工6面體時省略變更生產準備的時間。在必須從不同角度進行加工，方可完成的復雜形狀加工場景，也能夠發揮出巨大威力。如果沒有5軸加工，則需要花費大量時間和精力為每一個傾角分別制作專用夾具，這很明顯是不切實際的。
采用5軸加工，角度和方向可自由控制，無需使用專用夾具等。從而可以大幅度削減早期產品的生產工時數與成本。
下面讓我們思考如圖3-1所示滑塊的加工。對于2個傾斜面分別加工出垂直于該面的開口口袋。
圖3-1傾斜塊件
要使用普通的3軸機床加工這樣的傾斜面時，傾斜面必須正對主軸，所以需要精心對正。一種方法是采用帶傾斜功能的臺虎鉗等工具，另一種方法是制作專用夾具。
帶傾斜功能的臺虎鉗如圖3-2所示。在3軸加工機床上，您可以使用這樣的臺虎鉗固定工件，并將其調整到加工所需的角度。這很花功夫，并且由于是模擬作業，所以會導致加工精度惡化。
圖3-2帶傾斜功能的臺虎鉗例
專用夾具如圖3-3所示。通過制作這樣的夾具并將其放置在工件下方，即使在3軸加工機上也可以改變工件的傾角并進行固定。
圖3-3傾斜滑塊用夾具示意圖
例如，如圖3-4所示進行固定的示意圖。利用這種夾具，可以利用3軸機床在傾斜面上加工口袋凹槽。當然，在這種情況下，另外一個傾斜面上的口袋凹槽同樣也需要使用單獨的專用夾具。
不難想象，這種加工方法需要消耗大量工時數以及人力。
圖3-4利用傾斜滑塊進行加工的示意圖
如果是使用5軸機床，則不需要消耗這些工時。只需將工件固定在工作臺上，在機床上讓A軸和C軸旋轉，即可立即進行加工。
2.5軸加工是讓刀具斜向接觸工件
在5軸加工中，盡管并未特別關注，但是讓工件以傾斜的狀態與刀具接觸有一些獨特的優點。優點之一是在某些情況下可以縮短刀具的懸伸長度。優點之二是球頭型立銑刀的刀尖以外部位也可用于切削工件。
懸伸長度是刀具尖端到刀柄端面之間的距離。之前曾經講解過，刀具的直徑(D)和懸伸長度(L)之間的關系應該滿足L/D≤5。如果懸伸長度過長，則刀具的抖動將增大，加工精度將惡化，并且切削后的表面粗糙易臟。
下面讓我們思考如圖3-5所示零件(L型滑塊)的加工。
圖3-5 L型滑塊
該L形滑塊內側的深度為120mm，其拐角弧度為R5。如果用3軸機床加工這個零件，就會出現如圖3-6(1)所示的狀況。
圖3-6 L型滑塊的加工方法對比
由于拐角弧度是R5，因此使用Φ10的球頭型立銑刀。球頭型立銑刀的懸伸長度必須加長，以確保立壁與刀柄不會發生干涉。懸伸長度至少需要達到120mm。
此時，懸伸長度(L)120mm÷刀具直徑(D)10mm=12.0。相對于原本的L/D≦5來說，懸伸長度過大。如果直接開始切削，則表面可能會整體上很粗糙，有時刀具甚至可能會在加工過程中損壞并損傷到工件。
使用5軸機床進行加工時，可以將工作傾斜到方便的角度，因此無需擔心刀柄會發生如圖3-6(2)所示的干涉，從而可以減小懸伸長度。
由此可以加工出3軸機床無法加工出來的形狀。或可通過減少懸伸長度加工出更為平整光潔的表面。
此外，球頭型立銑刀的刀尖轉速為零。也就是旋轉中心附近原本基本不具備切削力。是強行將其按壓在工件上進行切削。如果采用5軸加工，將工件傾斜后頂在立銑刀上，則可以讓這個轉速為零的部分避開工件。
也就是說，由于是利用具有切削力的部分切削工件，因此具備表面更加平整光潔的優點。
04同步5軸加工能夠做到什么?
5軸機床的真正優點在于，它可以同步X、Y、Z這三個直線軸和A、C兩個旋轉軸，并在同時對它們進行控制時移動，實現了同步5軸加工。
當然，機床和CAM首先必須兼容同步5軸加工，而且創建加工數據的難度也很高。工作臺和主軸都是動態移動，因此哪怕是設置中稍有疏忽，都會導致主軸和工作臺之間發生碰撞。
需要具備固定5軸加工所不具備的豐富經驗。能夠應用同步5軸加工的加工企業，即使在日本也是非常有限的。
同步5軸加工可以做到以“葉輪”為代表的具有大量底切加工的復雜形狀。如圖4-1中所示的零件就是其典型案例。
圖4-1 5軸加工的零件例
固定5軸加工時，每次加工時都需要固定工作臺傾角，讓工作臺停在某個傾角進行加工，然后再旋轉到下一個傾角并固定后再進行加工。雖然也可以通過多次改變傾斜角度的方式來加工像葉輪這樣的復雜形狀，但可以想象這將需要消耗巨大的人力。
相比之下，同步5軸加工允許工作臺與主軸的運動同步連續傾斜進行加工。只要有足夠的縫隙讓立銑刀伸入，就可以避開工件，在不讓工作臺停止動作的情況下進行連續加工。
請記住，在加工此類復雜形狀時，同步5軸加工效果最佳。
05 5軸加工的注意事項
雖然5軸加工用途廣泛，但由于其自身結構特點，也有一些需要注意的地方。
1.不適合進行粗加工、重切削
如你所見，與普通3軸機床相比，5軸機床增加了用于在2軸上旋轉的結構。這意味著機器結構更加復雜，通常來說剛性不如3軸機床。特別需要使用5軸加工的復雜形狀零件，以航空器的零部件舉例來說，往往采用薄壁結構以減輕重量，有很多零件甚至90%以上的材料最終都變成了切削屑。
切削加工基礎是以減小體積為目標的粗加工和以提升表面精度為目標的精加工。粗加工是使用盡可能大的刀具以較大切入量進行切削。這種加工的切削阻力較大，所以也被稱為“重切削”。但是，5軸機床的結構非常“奢華”，所以并不適合用于重切削。
例如，如果你嘗試使用5軸機床對切削阻力較大的不銹鋼進行重切削，則機床本身會快速振動，這可能會對工件產生負面影響。這必然就需要考慮使用尺寸較小的刀具來進行輕柔的加工，以減小阻力。
粗加工對精度并無要求，但是要求加工速度快，但是如果擔心機床振動，就只能降低加工速度。也就是說，在粗加工時使用3軸機床進行重切削，然后轉移到5軸機床上進行精加工或是切削必須采用5軸加工完成的部分，這種情況也非常常見。如果加工現場能夠正確分類使用3軸機床和5軸機床當然是最好的，但如果加工現場只有5軸機床，那么就不得不使用并不適合進行重切削的5軸機床進行加工。
2.加工精度未必更高
在前文中我們提到5軸機床可以節省更改生產準備，從而更容易提升加工精度。但是也有一些因素決定了5軸機床并不總能達到很高的加工精度。
由于5軸機床的工作臺也在旋轉，因此如果最初生產準備時存在誤差，則有時誤差會被放大。例如，假設您正在加工一個如圖所示的滑塊，其中同軸沉孔加工很重要。需要在貫通孔的兩端做沉孔加工。假設這個沉孔加工的同軸度對于該零件的功能很重要。
圖5-1同軸孔滑塊
假設使用5軸機床如圖5-2所示加工沉頭孔。
假設如(1)那樣固定工件時，工作臺的旋轉中心與工件的加工原點未對準。假設偏差量為D。
在一側加工沉孔后，如果讓工作臺繞C軸旋轉180度并嘗試在另一側加工沉孔，則最終會在兩倍于偏差量(即2D)的位置進行加工。如果加工時沒有注意到這一點，即使同軸度很重要，最終也會在同軸度偏差很大的情況下進行加工。
我們必須時刻意識到，像這樣旋轉工作臺可能會導致誤差增大。
圖5-2加工錯位示意圖
3.工件尺寸受限
5軸機床比3軸機床多了2軸，結構更加復雜。在機床尺寸相同的情況下，5軸機床的工作臺尺寸往往較小。也就是說，相比于3軸機床，5軸加工能夠處理的工件大小受到限制。
考慮到機床的尺寸，您可能會覺得它只能處理非常小的物品。擁有可加工大型工件的機床的加工企業屈指可數。
如上所述，請務必記住，5軸機床往往會限制工件尺寸。
4.加工成本昂貴
5軸機床的采購費用比3軸機床更貴。此外，必須新引入或定制應用程序(CAM)，以用于創建支持或兼容5軸加工的NC數據。不要忘記，加工成本也會因此而相應上升。
5.有1面必須在其他工序中進行加工
5軸加工無法對6個面全部進行加工。固定時作為底面的那個面無法被加工。因此，原則上在進入5軸加工之前，必須先在其他工序中對底面進行加工。
很多情況下必須精心設計如何將工件固定在5軸機床中。除了本文中介紹的機床用臺虎鉗外，有時也必須使用專用夾具。固定精度不同，加工精度也會隨之產生很大差異，因此在進行5軸加工之前預先做好準備非常重要。
06把握好5軸加工的優缺點
在本文中，我們介紹了當前切削加工技術中最為先進的5軸加工的相關內容。下面總結下5軸加工的優缺點。
在設計時將5軸加工考慮在內是一個好的選擇，但需要對這些優點和缺點做通盤考慮，并將其反映在設計中。5軸機床既不是能夠高效執行所有工序的萬能機床，也并不是能夠完全兼容替換3軸機床的升級機型。
請務必理解5軸機床附帶的特有課題，并適當地選用它。
