5-AXIS MACHINING五轴加工

在直线 3 轴（X、Y、Z）基础上增加两个旋转轴，边改变刀具方向边加工，就是五轴加工。先从“3+2（定位）”与“五轴联动”的区别说起。机床形式、NC 功能、标定以及容易出错之处，都依据厂家与标准的公开资料做了核对和整理。

大多数零件
用 3+2 就够了。
先从区别说起吧。

◇3+2 加工与五轴联动加工

五轴加工

在直线 3 轴（X、Y、Z）基础上增加 2 个旋转轴（A、B、C 中的 2 个），边改变刀具与工件的相对方向（刀具姿态）边加工的方式。理论上，刀具可以从任意方向到达空间中的任意一点。^[1][2][3]

3+2 轴加工（定位加工、倾斜面加工、多面加工）

先转动旋转轴使刀具对准加工面并锁定（静态姿态），之后只用直线 3 轴加工。加工过程中旋转轴不动。^{[1][4][2][5][6][7][8]}

五轴联动加工

同时对直线轴和旋转轴进行插补，边加工边连续改变刀具姿态（动态姿态）的方式。程序通常用 CAM 生成。^{[1][4][2][5][6][7][9]}

五面加工机（与五轴加工机不是一回事）

在龙门式加工中心上自动更换附件头（加长头、90°直角头），加工工件顶面和四个侧面的机床。刀具方向只是切换到固定角度，并不是通过旋转轴连续倾斜。单一资料·仅供参考^[10]

≡区别速查表

	3+2 加工	五轴联动加工
刀具方向	静态（定位后锁定）	动态（边加工边变化）^{[1][4][2][6][7]}
编程方法	在倾斜面上可以编写普通的三轴程序（也可使用固定循环），也可以手工编程	以 CAD/CAM 为前提^{[4][6][7][11]}
NC 的主要功能	倾斜面加工指令（FANUC Tilted Working Plane／三菱电机倾斜面加工指令）、Siemens CYCLE800、Heidenhain PLANE、Haas G254（DWO）、G268	刀具中心点控制（FANUC/三菱电机 G43.4 等）、Siemens TRAORI、Heidenhain M128／FUNCTION TCPM、Haas G234（TCPC）^{[1][5][6][12][13][9][8][11][14]}
适合的零件（3+2）	大多数一般零件用 3+2（同时四轴及以下）就足够。斜面上的孔、型腔，多面加工，3D 形状的粗加工和半精加工，刀具、夹具的制作	—^[2][7]
适合的零件（五轴联动）	—	叶轮、整体叶盘这类有悬伸的形状，涡轮、航空发动机零件，飞机结构件，模具自由曲面，深凹部和曲率变化多的形状的精加工^[1][2][7]
五轴联动的难点	—	运动复杂，NC 程序的编制和验证耗时；现场难以直观看出动作；运动轴多，难以保持刚性^[15]

✓采用五轴有什么好处

可以减少装夹次数（重新装夹工件）。工序之间的等待和加工时间减少，也没有每次重新装夹带来的安装误差，因此精度也会提高。^{[6][7][16][17]}FANUC 的开发报告（s6）把效果分为“缩短工序间等待和加工时间”和“消除重新装夹造成的安装误差”两点。厂家的产品页面（山崎马扎克、大隈）则表述为“工序集约”。
由于可以倾斜刀具切削，为避免刀柄与工件干涉而把刀具伸得很长的必要就减少了。悬伸短则刀具刚性提高，可以提高进给，也能抑制振刀。^[6][16][15]
倾斜球头铣刀后，可以不用线速度几乎为零的中心附近的刀刃切削，加工表面更好（用中心切削会变成把材料压溃般的切削方式）。^[18][15]在神奈川县立产业技术综合研究所（KISTEC）的实验中，倾斜加工的表面有光泽，但表面粗糙度 Rz 以不倾斜（前倾角、侧倾角为 0°）时更小。结论是，需要根据更重视外观表面品质还是表面粗糙度来改变倾斜方式（s42）。
可以保持刀具与加工面的夹角恒定，因此表面粗糙度均匀。单一资料·仅供参考^[6]
使用刀具中心点控制和倾斜面加工指令后，刀具长度或工件放置位置变化时，不必在 CAM 中重新生成程序的场合增多。^{[1][5][6][9][8]}

五轴加工页面

⟲

五轴机床的结构

双摆头式、双转台式、摆头转台式三种形式及其优缺点，旋转轴 A、B、C 的名称与方向，立式与卧式，车铣复合加工机。

五轴的 NC 功能

刀具中心点控制、倾斜面加工指令、三维刀具半径补偿。各 NC 厂家指令对照、反比时间进给 G93、刀具长度与旋转中心。

◎

标定、干涉与夹具、刀具

用标准球进行运动学标定、精度检验标准、干涉检查与仿真、五轴用虎钳、悬伸与球头铣刀的倾斜方式。

五轴的常见失误

奇异点、旋转轴的两组解与绕远路、进给单位、漏设刀具长度、漏解除倾斜面。现场可对照检查的清单。

5轴计算

反比时间进给 G93 的 F 值、球头铣刀的倾斜角、由方向矢量求角度、旋转轴的最短转法。

⌗

CAD/CAM

CAM 的流程、刀具路径的种类、软件一览、数据格式（STEP、IGES、Parasolid）、坐标系与后置处理器。

A五轴加工术语

术语	英文	含义
五轴加工机gojiku kakōki	5-axis machining center	在直线 3 轴基础上增加 2 个旋转轴，可以改变刀具方向进行加工的加工中心。^[1][3]
3+2 加工san purasu nijiku kakō	3+2-axis machining / tilted plane machining	用旋转轴确定刀具方向并锁定，再用直线 3 轴加工的方式。也称定位加工、倾斜面加工。^[4][5][7]
五轴联动加工dōji gojiku kakō	simultaneous 5-axis machining / 5-axis simultaneous	同时对直线 3 轴和 2 个旋转轴进行插补，边加工边改变刀具方向的加工方式。^[2][6][7]
分度（定位）加工waridashi kakō	multi-face machining	把旋转轴分度到固定角度并锁定，在该姿态下加工的方式。三菱电机把多面/倾斜面加工也包含在内统称为分度加工。^[7][4]
五面加工gomen kakō	5-face machining / 5-sided machining	一次装夹加工顶面和四个侧面。更换附件头的龙门机床（五面加工机）和 3+2 都可以做到。^[10][25]
工序集约kōtei shūyaku		把原本分散在多台机床、多次装夹的工序合并到 1 台机床、较少的装夹次数中。^[6][17][16]
刀具中心点控制kōgu sentan-ten seigyo	tool center point control (TCP) / TCPM（Heidenhain） / TCPC（Haas） / TTPC（Mazak）	即使旋转轴转动，NC 也自动补偿直线轴，使刀具尖端按程序规定的位置运动的功能。^{[1][6][13][9][14]}
5轴变换gojiku henkan	5-axis transformation / TRAORI（Siemens）	NC 的一项功能，把按工件坐标写出的刀具尖端位置和方向转换为机床各轴的运动。相当于 Siemens 的刀具中心点控制。^[1][2]
倾斜面加工指令keishamen kakō shirei	tilted working plane (TWP) / inclined surface machining command / PLANE（Heidenhain） / CYCLE800（Siemens） / feature coordinate system G268（Haas）	定义沿倾斜面的坐标系，使该面可以当作 XY 平面来加工的功能。^{[5][7][13][1][11]}
倾斜坐标系keisha zahyōkei	tilted coordinate system / feature coordinate system	倾斜面加工中定义的、沿加工面的坐标系。^[7][11]
刀具轴向控制kōgu-jiku hōkō seigyo	tool axis direction control / tilted working plane indexing	自动分度旋转轴使刀具垂直于倾斜面，并让倾斜坐标系随旋转轴联动的功能。^[26][7]
工件坐标系wāku zahyōkei	workpiece coordinate system (WCS)	以工件原点为基准的坐标系。程序通常用它来编写，由 NC 转换为机床坐标系（MCS）。^[1][11]
机床坐标系kikai zahyōkei	machine coordinate system (MCS)	以机床原点为基准的坐标系。^[1][19]
运动学kinematikusu	kinematics / machine kinematics	机床各轴的排列方式，以及旋转轴的位置、方向等几何信息。NC 根据登记的运动学计算刀具尖端的位置。^[1][27]
双摆头式heddo-heddo-gata	head-head kinematics / head rotation type	两个旋转轴都在主轴头一侧的结构。^[2][6][3]
双转台式tēburu-tēburu-gata	table-table kinematics / table rotation type	两个旋转轴都在工作台一侧的结构。以摇篮式为代表。^[2][6][3]
摆头转台式（混合式）heddo-tēburu-gata	head-table kinematics / mixed kinematics / mixed type	主轴头一侧和工作台一侧各有一个旋转轴的结构。^[2][6][3]
摇篮式工作台toranion tēburu	trunnion table	从两侧支承并倾斜旋转工作台的结构，由摆动轴＋旋转轴构成的工作台。^[28][17][16]
倾斜旋转工作台（摆动旋转工作台）chiruto rōtarī tēburu	tilt-rotary table / swivel rotary table / tilting rotary table	把摆动的轴和旋转的轴合为一体的工作台。山崎马扎克、DMG森精机、GROB、Hermle 等的叫法。^{[16][29][25][30]}
摆头suiberu heddo	swivel head	主轴头由旋转轴带动倾斜（摆动）的结构。^[31][1]
摆动轴keishajiku	swivel axis	使刀具或工件倾斜的旋转轴。根据机型称为 A 轴或 B 轴。^[32][22]
旋转中心（枢轴点）kaiten chūshin	center of rotation / pivot point / MRZP（Haas：machine rotary zero point）	旋转轴转动时的中心。NC 中保存的旋转中心与实机有偏差时，转动旋转轴的加工就会产生误差。^{[9][33][26][34]}
枢轴长度pibotto chō	pivot length	（主轴头摆动的机床上）从摆动轴旋转中心到主轴端面（刀具基准）的距离。^[35]
运动学标定（旋转轴中心的测量）kinematikusu kōsei	kinematics calibration / rotary axis position calibration / KinematicsOpt（Heidenhain） / CYCLE996（Siemens）	用标准球和触发式测头测量旋转轴的中心和方向，并修正 NC 的机床配置参数。^[1][26][27]
标准球（校准球）kijun-kyū	datum sphere / calibration sphere	半径准确已知的球。运动学标定时固定在工作台上进行测量。^{[27][26][28][35]}
球杆仪bōru bā	ballbar	两端带球的伸缩式测量仪。通过圆周运动或五轴联动运动，测量刀具尖端与工件之间距离的变化。^[14]
奇异点tokuiten	singular point / singularity	经过其附近时旋转轴的运动变得不稳定、会大幅转动的刀具姿态。^[6]
反比时间进给gyaku-jikan okuri	inverse time feed (G93)	把 F 指令为“用 1 分钟的几分之一完成一个程序段”的进给方式。用于四轴、五轴的 CAM 输出。^[36][21][37]
方向矢量hōkō bekutoru	direction vector / tool orientation vector / A3/B3/C3（Siemens） / I/J/K（FANUC 类型 II）	用 X、Y、Z 分量表示的刀具方向。比用旋转轴角度书写更不依赖机床结构。^[1][6]
前倾角rīdo-kaku	lead angle / LEAD（Siemens）	刀具向进给方向（行进方向）倾斜的角度。^[18][1]
侧倾角chiruto-kaku	tilt angle / TILT（Siemens）	刀具向与进给方向垂直的方向倾斜的角度（Siemens 的 TILT 定义为绕面法线的旋转）。^[18][1]
面的法线矢量men no hōsen bekutoru	surface normal vector	垂直于加工面的矢量。用作三维刀具半径补偿和 LEAD/TILT 的基准。由 CAM 输出。^[1][13]
三维刀具半径补偿sanjigen kōgu-kei hosei	3D cutter compensation / 3D tool radius compensation	利用面的法线和刀具方向，对刀具半径进行三维补偿的功能。^[1][5][13]
刀具姿态控制kōgu shisei seigyo	tool posture control / vector interpolation of orientation	在起点与终点的刀具方向之间插补，使侧铣时形成平面的功能。^[5][6][34]
工件安装误差补偿wāku setchi gosa hosei	workpiece setting error compensation / G54.4（FANUC）	测量所放置工件的位置、旋转偏差并修正路径，不改变程序即可加工的功能。^{[5][6][34][38]}
后置处理器posuto purosessa	post processor	把 CAM 的刀具路径转换为该机床、该 NC 专用的 NC 代码的工具。五轴时每种机床结构都需要。^[1]
桶形刀具bareru kōgu	barrel cutter / barrel end mill / circle segment cutter	旋转时轮廓呈桶形，外周带有大 R 刃的刀具。用于五轴、分度加工可取较大切深。^[39]
夹持量tsukami-shiro	clamping depth / gripping depth	虎钳夹持工件的高度。五轴用虎钳只有几 mm，很小。^[40][41]
斜置轴nyūtēto-jiku	nutated axis	与直线轴不垂直（倾斜）的旋转轴。如 45° 摆头等。^[1]
车铣复合加工机fukugō kakōki	multitasking machine / mill-turn	在 1 台机床上进行车削和铣削（包括五轴联动）的机床。^[6][42]

📚参考资料

5 轴加工页面依据 NC 厂家、机床厂家的公开手册和技术资料，标准机构的公开页面，以及大学、公立试验研究机构的报告编写。NC 指令能否使用因机型和选件而异，请务必查阅您所用机床的使用说明书。