深入探讨5轴加工与3轴加工的区别，旨在清晰展现5轴加工的优势与局限，并指导读者在不同情境下选择合适的加工方式。文章结构规划如下：
定义与区别：概述5轴加工的基本概念，并与3轴加工进行对比。
直观体验：通过一个具体零件的加工实例，让你直观感受5轴加工带来的变化。
优势展示：阐述5轴在提高加工效率、精度及复杂形状加工能力等方面的优势。
同步5轴加工能力：介绍同步5轴加工技术的高级应用，如多任务并行处理、复杂曲面加工等。
注意事项：分析5轴加工过程中可能遇到的挑战与注意事项。
综合考量：总结如何根据加工需求、成本预算等因素，合理权衡5轴加工的优缺点，做出明智选择。
现在，让我们开始这段探索之旅。
通常的加工中心仅能在X、Y、Z三轴上移动，因此被称为“3轴机床”。相比之下，5轴加工凭借能显著减少3轴机床上繁琐的生产准备时间，缩短工时，并胜任3轴机床无法完成的复杂加工任务，展现出其独特优势。5轴加工利用的是支持五轴运动的加工中心，这类设备被命名为“5轴机床”或“5轴加工中心”。首先，从结构上来看：图1-1展示了3轴机床与5轴机床的内部构造外观。3轴机床主要由固定工件的工作台和主轴构成。主轴能够在X轴（左右）、Y轴（前后）和Z轴（上下）三个方向上相对于工作台移动。立铣刀安装于主轴之上，边旋转边在这三个方向上自由移动以切削工件，从而实现包括3D加工在内的多种形状加工。
5轴机床除了X、Y、Z三轴外，还增设了两轴旋转。图1-1展示了典型的摇篮型5轴机床结构，其工作台能围绕X轴（A轴）和Z轴（C轴）旋转，实现自由倾斜，因A轴旋转机构形似摇篮而得名。此外，部分5轴机床的主轴侧也配备了一轴或两轴旋转功能。那么，这样的结构让5轴机床能完成哪些加工呢？让我们通过图1-2的具体动作示意图来一探究竟。
首先，如图(1)所示，工件直接置于工作台上进行加工，此时工件顶部正对主轴，红色面处于切削范围内。当A轴倾斜90度至(2)状态时，原先在(1)状态下无法切削的面便正对主轴，得以完成切削。接着，C轴倾斜90度至(3)状态，即可加工下一个面。持续旋转C轴，可依次加工其他各面。这意味着，工件一旦安装好，除底部外，其余所有表面均可完成加工，从而省去了频繁更改生产准备的步骤，有效缩短加工时间并提升加工精度。值得注意的是，5轴机床不仅限于图1-2所示的90度增量旋转，A轴和C轴均可自由设定至任意角度，且两者均可独立旋转。此外，A轴、C轴与X、Y、Z轴这五轴能够同时动态移动。5轴机床的一种常规使用方式是先进行一定角度的A轴或C轴倾斜加工，再倾斜至下一角度继续加工，期间主轴移动时，旋转轴保持静止。这种方法称为“固定5轴加工”或“分度5轴加工”。另一方面，当所有轴，包括旋转轴，均同时移动时，这种加工方式被称为“同步5轴加工”，适用于加工如叶轮等复杂形状。此外，部分5轴机床还具备高速旋转C轴的能力，能实现类似车床的车削加工。为了亲身体验5轴加工的高效与强大，让我们通过一个示例零件来进行模拟加工。想象一下，当我们使用5轴加工技术来制造图2-1和2-2中展示的滑块零件时，会发生什么呢？
在进行各面加工前，必须先完成一系列生产准备工作，如工件平行度确认和原点设定等，这些都需要精细的技巧。随着准备工作量的增加，加工时间也会延长，同时作业误差可能导致尺寸精度下降。那么，使用5轴机床加工时流程如何呢？请再次参考图2-1来了解。首先，将顶升式机用台虎钳安装于5轴机床工作台上，用以固定工件，确保C轴倾斜时避免与工作台或主轴干涉。接着，进行台虎钳的平行度确认和原点设定，随后固定工件。完成工件原点设置、刀具安装及加工数据创建后，生产准备工作就绪。进入加工作业阶段，先对面1进行加工，随后通过A轴旋转加工面2，再通过C轴旋转加工面3。整个过程中，无需拆卸工件进行生产准备更改，可实现连续加工。由此可见，采用5轴机床加工能省略更换生产准备的繁琐步骤。
5轴加工的强大不仅体现在省略生产准备变更上，更在于其能精确控制倾角，从各个角度灵活接近工件。以下是5轴加工的主要优点：
减少多面加工工时与成本：5轴加工在加工六面体时能显著节省变更生产准备的时间。对于需要从不同角度加工的复杂形状，5轴加工同样展现出巨大优势。若无5轴加工，则需为每个倾角定制夹具，这不仅耗时费力，且成本高昂。而5轴加工通过自由控制角度和方向，无需专用夹具，从而大幅降低初期生产工时与成本。
考虑图3-1所示的滑块加工，需在两个倾斜面上分别加工出垂直于各自面的开口口袋，5轴加工正是解决此类问题的理想方案。
若使用普通3轴机床加工倾斜面，需确保倾斜面正对主轴，因此精确对正至关重要。常用方法包括采用带倾斜功能的台虎钳或制作专用夹具。图3-2展示了带倾斜功能的台虎钳，它能在3轴机床上固定工件并调整至所需加工角度。但此方法耗时费力，且模拟作业可能导致加工精度下降。
专用夹具，如图3-3所示，是通过定制并置于工件下方来改变其在3轴加工机上的倾角并进行固定的装置。
例如，如图3-4所示，使用这种专用夹具可以在3轴机床上固定工件，从而在倾斜面上加工口袋凹槽。但值得注意的是，为加工另一倾斜面上的口袋凹槽，还需使用另一套专用夹具。显然，这种加工方式耗时费力，需要大量工时和人力投入。
若采用5轴机床，则无需这些额外工时。只需固定工件于工作台，通过机床旋转A轴和C轴，即可立即开始加工。
5轴加工中刀具的斜向接触
在5轴加工中，工件以倾斜状态与刀具接触，这虽非主要目的，却带来了一些独特优势。一是可以缩短刀具悬伸长度，二是能让球头立铣刀的刀尖以外部分也参与切削。
刀具悬伸长度指刀具尖端至刀柄端面的距离。如前所述，刀具直径(D)与悬伸长度(L)的关系应满足L/D ≤ 5。悬伸过长会增加刀具抖动，降低加工精度，并使切削表面变得粗糙。
现在，让我们考虑如图3-5所示的L型滑块加工。
该L形滑块内侧深度达120mm，且拐角弧度为R5。若采用3轴机床加工，将如图3-6(1)所示，面临诸多挑战。
由于该L形滑块的拐角弧度为R5，我们选择使用Φ10的球头型立铣刀。为确保立壁与刀柄不干涉，球头型立铣刀的悬伸长度需加长至至少120mm。此时，悬伸长度(L)与刀具直径(D)的比值为12.0，远超推荐的L/D≤5的范围。若直接切削，表面可能会非常粗糙，甚至可能导致刀具损坏并伤及工件。然而，使用5轴机床加工时，我们可以将工件倾斜至合适角度，从而避免刀柄干涉，进而减小悬伸长度。这样不仅能加工出3轴机床难以完成的形状，还能通过缩短悬伸长度获得更平整光洁的表面。此外，球头型立铣刀的刀尖附近（旋转中心附近）原本切削力较弱。在5轴加工中，将工件倾斜后顶在立铣刀上，可以避开这部分切削力较弱的区域，利用切削力更强的部分进行切削，从而获得更加平整光洁的表面。5轴机床的核心优势在于能够同步控制X、Y、Z三个直线轴以及A、C两个旋转轴，实现同步5轴加工。但要注意的是，机床与CAM软件必须支持同步5轴加工，且加工数据的编制极具挑战性。由于工作台与主轴均处于动态移动状态，任何设置上的小疏忽都可能导致碰撞。因此，进行同步5轴加工需要丰富的经验，这类加工企业在日本也并不多见。同步5轴加工擅长处理如叶轮等具有大量底切加工的复杂形状，图4-1中的零件就是典型实例。固定5轴加工需每次固定工作台倾角，再旋转至下一倾角加工，处理复杂形状如叶轮时极为耗时费力。而同步5轴加工则允许工作台与主轴同步连续倾斜加工，只要刀具能伸入，即可在不停工情况下连续作业。因此，对于此类复杂形状，同步5轴加工效果最佳。
虽然5轴加工用途广泛，但由于其自身结构特点，也有一些需要注意的地方。
不适用于粗加工与重切削
相较于普通3轴机床，5轴机床增设了两轴旋转结构，导致其结构更为复杂，通常刚性较低。尤其对于需5轴加工的复杂形状零件，如航空器零部件，常采用薄壁结构以减重，部分零件最终切削屑占比甚至超90%。切削加工分为粗加工与精加工，前者旨在减小体积，后者旨在提升表面精度。粗加工常用大刀具、大切入量进行，切削阻力大，故又称“重切削”。但5轴机床结构复杂，不宜用于重切削。例如，用5轴机床对不锈钢进行重切削，机床易振动，影响工件质量。因此，常需选用小刀具轻柔加工。粗加工虽对精度要求不高，但速度要快。若担心振动，则需降速。故常见做法是先用3轴机床进行粗加工，再转移到5轴机床进行精加工或完成5轴特有加工部分。若现场仅有5轴机床，则不得不勉强使用。加工精度未必更高
前文提到，5轴机床能节省生产准备时间，利于提升加工精度。但也有一些因素限制了其加工精度。5轴机床工作台旋转，若生产准备有误，误差可能被放大。例如，加工滑块时，同轴沉孔加工至关重要。若需在贯通孔两端做沉孔，且同轴度对零件功能重要，则5轴机床的误差放大问题需特别注意。若使用5轴机床加工沉头孔，如工件固定时工作台的旋转中心与加工原点未对准，存在偏差D，则在一侧加工沉孔后，工作台绕C轴旋转180度加工另一侧时，加工位置将偏离两倍偏差量（2D）。因此，在加工中需特别注意，工作台旋转可能导致误差增大。
工件尺寸受限
5轴机床结构较3轴更为复杂，因此在相同机床尺寸下，5轴机床的工作台尺寸通常较小，限制了可加工工件的大小。能处理大型工件的5轴机床加工企业并不多见。务必牢记，5轴机床往往对工件尺寸有所限制。
加工成本高昂
5轴机床的采购成本高于3轴机床，且需引入或定制支持5轴加工的CAM应用程序以创建NC数据，从而增加了加工成本。需在其他工序中加工底面
5轴加工无法覆盖工件的六个面，固定时的底面无法加工。因此，原则上需在5轴加工前，通过其他工序完成底面加工。工件在5轴机床中的固定方式需精心设计，可能需使用专用夹具或机床用台虎钳。固定精度直接影响加工精度，因此5轴加工前的准备工作至关重要。本文介绍了先进的切削加工技术——5轴加工。以下是其优缺点的总结：
设计时考虑5轴加工是明智之举，但需全面权衡其优缺点。5轴机床并非高效执行所有工序的万能设备，也非3轴机床的简单升级。务必理解5轴机床的独特挑战，并合理选择应用。
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