似乎聽起來很奇怪，如果文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)家可以用錘子和鑿子交換計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）和一臺(tái)正確的機(jī)床，那我們或許就能看到成千上萬個(gè)從大量不同的材料中雕刻出的大衛(wèi)雕像。
然而，無論您是在大理石上雕刻出一個(gè)杰作，還是從鈦金屬上銑出一個(gè)葉片，其基本原理都是一樣的：從一塊材料開始，去除多余的部分，直到留下的是目標(biāo)對(duì)象。當(dāng)然，這個(gè)過程的細(xì)節(jié)要復(fù)雜很多，特別是對(duì)于五軸加工而言。
究竟什么是五軸CNC加工？
用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來講，五軸加工就是利用CNC同時(shí)在五個(gè)不同的軸上移動(dòng)零件或切削刀具。
它能加工非常復(fù)雜的部件，這就是為什么五軸加工在航空航天領(lǐng)域尤其受歡迎。不過，以下幾個(gè)因素有助于更廣泛地采用五軸加工：
▽推動(dòng)機(jī)床向“一次性加工完成”轉(zhuǎn)變，縮短交付周期，提高效率。
▽通過使切削工具或工作臺(tái)傾斜來避免干涉，從而也能更好地加工零件的幾何形狀。
▽由于刀具或工作臺(tái)可以傾斜，就能保持最佳的切削位置和恒定的切屑負(fù)載，因此提高了刀具壽命，并減少了循環(huán)時(shí)間。
“五軸”的軸指的是什么？
我們都知道牛頓和蘋果的故事，但也有一個(gè)關(guān)于著名數(shù)學(xué)家與哲學(xué)家笛卡爾類似的軼事。一天，笛卡爾躺在床上（正如數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家們習(xí)慣做的那樣），此時(shí)他發(fā)現(xiàn)一只蒼蠅在房間里嗡嗡作響。他意識(shí)到僅僅使用三個(gè)數(shù)字就可以描述這只蒼蠅在房屋三維空間中的位置，用變量X，Y和Z表示。這就是著名的笛卡爾坐標(biāo)系，在他去世后的三個(gè)多世紀(jì)里一直在使用，直到現(xiàn)在。因此，X、Y和Z軸占了五軸加工的“五軸”中的三個(gè)軸。
那么另外兩個(gè)呢？
想象一下近距離觀察那只飛行途中的蒼蠅。我們不僅能將其位置描述為三維空間中的一個(gè)點(diǎn)，還可以描述它的方向。當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，想象蒼蠅翅膀像飛機(jī)機(jī)翼一樣擺動(dòng)翻滾。它的這種滾動(dòng)被描述為第四軸，即A軸：繞X軸旋轉(zhuǎn)。
繼續(xù)用飛機(jī)作比喻，這只蒼蠅的俯仰被描述為第五軸，即B軸：圍繞Y的旋轉(zhuǎn)軸。聰明的你無疑會(huì)推斷出第六軸——C軸的存在，C軸繞Z軸旋轉(zhuǎn)，這就是我們例子中蒼蠅的“偏航角”。如果你很難想象上面描述的這六個(gè)軸，這里有一個(gè)圖:
A、B和C軸按字母順序排列，與X、Y和Z軸對(duì)應(yīng)。雖然有六軸數(shù)控機(jī)床，但五軸布局更為常見，因?yàn)樘砑拥诹S通常不會(huì)帶來多少額外的好處。
關(guān)于軸向分類還有一個(gè)約定俗成的規(guī)定：在立式加工中心中，X軸和Y軸位于水平投影面上，而Z軸位于垂直投影平面上；在臥式加工中心中，Z軸和Y軸相反。見下圖：
立式加工中心（左），臥式加工中心（右）
五軸布局
五軸機(jī)床的具體布局決定了它使用三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中的哪兩個(gè)。例如，耳軸式／雙轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸機(jī)床以A軸（圍繞X軸旋轉(zhuǎn)）和C軸（繞Z軸旋轉(zhuǎn)）進(jìn)行操作，而（銑頭）旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)床以B軸（圍繞Y軸旋轉(zhuǎn)）和C軸（圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)）進(jìn)行操作。
上圖為雙轉(zhuǎn)臺(tái)式
上圖為雙擺頭式
雙轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床中的旋轉(zhuǎn)軸通過工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來表現(xiàn)，而旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸通過旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)主軸來實(shí)現(xiàn)。這兩種風(fēng)格都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，雙轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)床的垂直利用空間更大，因?yàn)椴恍枰a(bǔ)償旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)主軸所占據(jù)的空間。另一方面，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式機(jī)床可以支撐更重的部件，因?yàn)楣ぷ髋_(tái)面總是水平的。
您需要幾個(gè)軸？
您可能曾看到或聽說有提供七軸、九軸甚至十一軸的加工中心。盡管許多附加的軸看起來讓人難以置信，但實(shí)際上卻沒那么復(fù)雜。
“當(dāng)你使用的機(jī)床有不止一個(gè)車削主軸時(shí)，你就有了更多的軸，”Mazak工業(yè)應(yīng)用工程經(jīng)理Mike Finn解釋說，“例如，我們的機(jī)床有次主軸和一個(gè)下轉(zhuǎn)臺(tái)。在這樣的機(jī)床上，你將有這些軸：上轉(zhuǎn)臺(tái)一共有4個(gè)軸，下轉(zhuǎn)臺(tái)2個(gè)軸，還有相對(duì)的兩個(gè)主軸也可算2個(gè)軸。這樣的機(jī)床可以達(dá)到9個(gè)軸。”
“然而你加工的零件仍然是五軸加工零件，”Okuma的產(chǎn)品專家銷售經(jīng)理Wade Anderson補(bǔ)充說，“你可以在一臺(tái)5軸機(jī)床上完成一個(gè)像航空航天閥門那樣的組件?；蛘咴谝慌_(tái)多軸機(jī)床（具有旋轉(zhuǎn)B軸，X、Y和Z軸以及雙C軸,還有一個(gè)下部轉(zhuǎn)臺(tái)，能提供第二個(gè)X軸和Z軸）上加工，但零件本身的幾何形狀是不變的。”
那么你需要幾個(gè)軸？制造業(yè)通常是這種情況，這個(gè)問題的答案取決于你的具體應(yīng)用。
Finn給出了以下例子：“渦輪葉片是一個(gè)自由表面，相當(dāng)復(fù)雜。加工這樣的葉片最有效的方法是使用五軸機(jī)床，使刀具螺旋式地繞著葉片翼面切削。你也可以通過不斷變換葉片位置，用三軸機(jī)床來對(duì)其表面進(jìn)行加工，但這通常不是最有效的方式。
Anderson同意：“零件的幾何形狀決定了采用三軸、四軸或五軸布局。”
然而，重要的是要記住，你需要的軸數(shù)不僅僅取決于零件。
Anderson講道：“零件起著很大的決定作用，但還要考慮客戶的需求。如果一個(gè)客戶讓我做一個(gè)航空航天鈦支架，我大概會(huì)說‘五軸加工中心最適合加工它了’，但他們可能更傾向于用我們的多功能機(jī)床來制造零件。多功能機(jī)床可能不如五軸加工中心那般優(yōu)化，但可為客戶提供車削的機(jī)會(huì)，也許車軸、卡鉗等操作是他們長(zhǎng)期生產(chǎn)計(jì)劃的一部分。”
“另外需要考慮的是作業(yè)空間，”Finn補(bǔ)充說，“在不影響刀具更換和零件轉(zhuǎn)換的前提下，你可以放入機(jī)床的零件尺寸最大是多少？這需要了解機(jī)床的具體功能，以及它能做什么和不能做什么。”
為什么要使用五軸加工？
要在三軸加工和五軸加工之間做出決定，五軸加工雖然更好，但如果成本是你唯一關(guān)心的話，那么前者顯然是要采用的方式。然而，當(dāng)比較“5軸”和“3＋2軸”時(shí)，這個(gè)兩難選擇會(huì)變得更加復(fù)雜。
“5軸”VS“3＋2軸”
正確區(qū)分5軸加工和3＋2軸加工是很重要的。前者——也稱為連續(xù)或聯(lián)動(dòng)的五軸加工。需要沿著所有五個(gè)軸線連續(xù)調(diào)整切削刀具，使刀尖始終最佳地垂直于零件。
與此相反，后者——也稱為5面或5坐標(biāo)加工。需要執(zhí)行3軸程序，其切削刀具鎖定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸所確定的角度上。在切削過程中，需要沿著旋轉(zhuǎn)軸線重新定位刀頭方向，這樣的加工也稱為“5軸可轉(zhuǎn)位”，盡管它仍然用3＋2來計(jì)算。
五軸聯(lián)動(dòng)加工相比五坐標(biāo)加工的主要優(yōu)勢(shì)是速度，因?yàn)楹笳咝枰诘毒叩拿看沃匦露ㄏ蛑g停止和啟動(dòng)，而前者不需要。然而，無論使用聯(lián)動(dòng)的還是坐標(biāo)的“五軸”，都應(yīng)該可以產(chǎn)生相同的結(jié)果。
同時(shí)值得注意的是，對(duì)于五軸加工，伴隨速度優(yōu)勢(shì)的出現(xiàn)，會(huì)需要更多的運(yùn)動(dòng)部件，這將導(dǎo)致更多的磨損，而且更加需要進(jìn)行部件碰撞檢測(cè)。從編程的角度來看，這是五軸聯(lián)動(dòng)加工更加復(fù)雜的原因之一。
5軸加工VS3D打印
3D打印或者說增材制造是當(dāng)今制造業(yè)的熱門話題，特別是拿它與減材制造工藝（如五軸加工）相比較時(shí)。
雖然有時(shí)人們會(huì)說這兩種加工方法是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，3D打印的鐵桿粉絲甚至爭(zhēng)辯說增材制造技術(shù)將很快顛覆整個(gè)制造業(yè)，當(dāng)然，更溫和的觀點(diǎn)認(rèn)為增材制造和減材制造是互補(bǔ)的。
“我不認(rèn)為增材制造將會(huì)完全取代減材制造，但我確實(shí)認(rèn)為因?yàn)橛辛嗽霾募夹g(shù)，現(xiàn)在有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)過去無法設(shè)計(jì)的零件了，甚至可以將功能擴(kuò)展到近凈成形。” Finn說，“但是仍將有許多零件需要減材加工才能達(dá)到理想的公差。例如，具有非常嚴(yán)格的圓度公差的零件。”
這是否意味著制造業(yè)的未來將是3D打印機(jī)與五軸CNC的混合，或者再加上個(gè)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)？
Anderson并不那么肯定：“3D打印在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外的現(xiàn)實(shí)世界中還沒有實(shí)際投入生產(chǎn)的組合式機(jī)器，但是可以舉個(gè)例子，通過自動(dòng)化可以將一臺(tái)具有激光沉積功能的機(jī)器和一臺(tái)具有車削或銑削功能的機(jī)器完美結(jié)合在一起。”
接下來就要對(duì)這兩臺(tái)獨(dú)立的機(jī)器所產(chǎn)生的粉末和切屑進(jìn)行管理了。
“例如，要用激光沉積技術(shù)做一個(gè)15公斤的鈦金屬零件，就需要70到140公斤的流動(dòng)鈦粉末。”Anderson說，“假如這是一個(gè)和切削相結(jié)合的機(jī)器，那么粉末就不是那么好回收了。”
Finn總結(jié)說：“我認(rèn)為增材制造勢(shì)必會(huì)減少那些需要進(jìn)行粗加工的加工量。”換句話說，關(guān)于3D打印和五軸加工之間是何種關(guān)系的討論，合作往往大于競(jìng)爭(zhēng)。
如何充分利用五軸加工？
五軸機(jī)床的加工功能得不到充分利用的事例并不罕見。
Finn表示：“你可能擁有一臺(tái)好機(jī)床，但卻不完全了解它的全部功能，或者可能沒有創(chuàng)建切削程序所需要的軟件，因而不能充分發(fā)掘機(jī)床的潛力。”
Anderson同意：“當(dāng)看到一家公司出于種種原因，花費(fèi)巨資引進(jìn)一臺(tái)多功能機(jī)床，五軸的、或者更多軸的，結(jié)果卻拿它當(dāng)三軸機(jī)床使用。對(duì)于機(jī)床制造商而言，這是個(gè)令人痛心的事情。然而，這種事情經(jīng)常發(fā)生。”
“很多都是人員問題，”Anderson補(bǔ)充道，“要進(jìn)行培訓(xùn)，使他們了解如何利用機(jī)器。有時(shí)候，他們很難在同一過程同一時(shí)間內(nèi)綜合考慮零件的上翻、下轉(zhuǎn)，主軸和次主軸等方面的問題。這確實(shí)有點(diǎn)讓人不知所措。有很多軟件公司能夠替你分擔(dān)這種思考，從而做的更好，但這依舊不那么容易。”
五軸的控制和軟件的重要性
雖然擁有具備五軸加工技能的技術(shù)工人很重要，但機(jī)床的控制和軟件也同等重要。“當(dāng)你進(jìn)行高速五軸加工時(shí)，機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)器和反應(yīng)時(shí)間對(duì)于在加工過程中避免過切或切不足顯得非常重要，”Finn說，“機(jī)床控制器必須要能足夠快地處理數(shù)據(jù)，從而使刀具路徑成為一個(gè)漂亮、平滑、均勻的運(yùn)動(dòng)。同樣地，創(chuàng)建五軸程序的軟件也必須能夠?qū)懗隽鲿车拇a，使機(jī)床可以順利運(yùn)行。”
選擇正確的CAD/CAM軟件是充分利用機(jī)床的一大關(guān)鍵。
“如果你正在做航空渦輪葉片，那么就需要配備高端軟件。”Anderson說，“如果你只是把某家汽車公司的鋁鑄件加工成一個(gè)小型部件，而你所做的可能就是在發(fā)動(dòng)機(jī)殼上鉆幾個(gè)孔，那就完全不同了。”
Finn補(bǔ)充說：“如果你的零件加工需要CAM軟件生成切削程序，那么就應(yīng)該在CAM系統(tǒng)上進(jìn)行必要的投資來輔助機(jī)床實(shí)現(xiàn)必要的功能。”
五軸機(jī)床上如何避免碰撞
當(dāng)涉及到創(chuàng)建5軸刀具路徑時(shí)，通常要在更快的速度和進(jìn)給與最大限度地避免碰撞之間進(jìn)行權(quán)衡。幸運(yùn)的是，如今市場(chǎng)上已有許多軟件工具可以幫您消除這種顧慮。
Anderson說：“利用防碰撞軟件，你可以上傳零件和刀具的三維模型，軟件程序會(huì)提前預(yù)知刀具的每一種動(dòng)作，由此可以發(fā)現(xiàn)是否會(huì)遇到什么問題。同時(shí)，夾具被正確地建模后，會(huì)捕捉碰撞發(fā)生的可能。”
“有的軟件可以進(jìn)行機(jī)器仿真以及三維虛擬監(jiān)控，”Finn評(píng)論到，“這對(duì)于高價(jià)值的零部件尤為重要。你不愿看到有任何類型的碰撞致使零件報(bào)廢，更不愿看到人員受傷或機(jī)器損壞。”
五軸機(jī)床的刀具檢測(cè)
高生產(chǎn)率是五軸加工的一大優(yōu)點(diǎn)，但也增加了出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，比如可能使用已經(jīng)破損的刀具或是錯(cuò)誤的工具。最大限度避免這種錯(cuò)誤發(fā)生的辦法之一是選擇一套刀具檢測(cè)系統(tǒng)。
五軸：一次性加工完成？
制造業(yè)的一個(gè)遠(yuǎn)大目標(biāo)就是一次性地完成加工：將一塊材料放入機(jī)床中，然后運(yùn)行程序，最后得到一個(gè)完美的精加工零件。“一次性完成”的目標(biāo)值得不斷追求，即使它最終也無法完全實(shí)現(xiàn)。
可以說五軸加工比其他任何工藝都更能使我們接近于“一次完成”的目標(biāo)，即使是3D打印的零件也需要精加工。由此而論，五軸加工“目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)的主要制約因素應(yīng)是工件夾緊。
“五軸加工的多數(shù)工作都涉及到工件夾具。”Anderson說，“你可以擁有世界上最好的機(jī)床，但如果工裝夾具很差勁，那么你永遠(yuǎn)也造不出你想要的。”
Finn認(rèn)為，解決這個(gè)瓶頸的關(guān)鍵在于利用超過5個(gè)軸的機(jī)床：“例如，對(duì)于配備了相對(duì)的車削主軸以及一個(gè)下轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)床。零件可以在一個(gè)主軸上切削，然后轉(zhuǎn)移到相對(duì)的主軸上加工該零件的其余部分。所以，從本質(zhì)上講，這基本實(shí)現(xiàn)了裝載一塊原材料，然后卸載一個(gè)完成品的目的。
五軸切削技術(shù)
五軸加工提供了顯著的優(yōu)勢(shì)，包括縮短交付周期、提高效率和延長(zhǎng)刀具壽命。然而，要獲得這些好處不僅只是購(gòu)買一臺(tái)最新式的五軸加工中心。
掌握五軸切削技術(shù)需要考慮許多因素。Anderson說：“當(dāng)我們查看客戶所遇到的問題和阻礙時(shí)，很少有關(guān)于零件切削的。通常都是關(guān)于培訓(xùn)、人員以及在給刀庫(kù)準(zhǔn)備足夠多的刀具之前如何讓機(jī)床和工藝路線正確地聯(lián)系在一起這類問題。某種程度上，加工業(yè)務(wù)周邊的事物比實(shí)際制造零件更為重要。”（Ian Wright ）
