3 轴、4 轴和 5 轴 CNC 加工：主要差异解释

“零件复杂性、加工速度、精度和整体生产灵活性在很大程度上取决于切削刀具可以沿多少个轴移动 ？”        

在制造业中，数控机床具有多种轴功能：2 轴、3 轴、5 轴、9 轴，甚至 12 轴。然而，最多 5 轴的机器是最常见的。这可能会让您感到困惑，不知道应该使用哪一种才能获得最佳效果，同时将成本控制在预算范围内。因此，您需要深入了解3、4 和 5 轴铣削之间的差异 .

让我们了解一下 3 轴、4 轴和 5 轴加工的优缺点和工业应用。

3、4 和 5 轴加工是什么意思？ 

CNC 机床具有不同的加工轴能力，3、4 和 5 轴是最常见的。每个轴定义了沿特定方向移动切削刀具的能力。 

3 轴加工意味着刀具沿 3 个线性方向移动：X、Y 和 Z。  

• X 轴： 从左到右水平方向  
• Y 轴： 从前到后方向
• Z 轴： 向上和向下（垂直）方向

基本上，三轴铣床覆盖相对于固定工件的 3 维方向。它创建不太复杂的形状，如果您想加工零件的不同侧面，则需要重新定位。

在 4 轴铣床中，除此之外还涉及一项额外的运动能力：A 轴 ，其中工件可以绕 x 轴旋转。因此，5 轴机器可以在两个方向上旋转工件（A 和 B 或 C )：围绕 X 轴和 Y（或 Z ）轴，无需额外设置或重新定位即可实现更多复杂性。   

4 轴或 5 轴 CNC 铣床可以在一次设置中加工平面、深度和轮廓，使其成为具有极端细节的复杂设计的理想选择。它可以执行多面加工、工艺角度特征和复杂轮廓。 

3 轴、4 轴和 5 轴加工之间的主要区别

首先，数控机床有不同类型，铣削就是其中之一。在此类别下，铣削根据轴功能进一步分类，例如 3 轴、4 轴和 5 轴铣削。  每个人都有不同的能力。 

它们的设置复杂性、加工能力、数控编程、操作、成本、时间效率、精度和维护要求也不同。在决定哪一种最适合制造您的零件和产品之前，了解这些差异至关重要。 

机器设置和编程

由于 4 轴和 5 轴铣床的加工轴更高，因此设置起来更复杂。它们需要精确的工件夹持以及工件中心与旋转轴的对准。另一方面，CNC 3 轴铣削的设置要简单得多。然而，多面铣削需要重新装夹。 

在 3 轴中，用于线性运动的基本 G &M 代码就足够了。但是对于更高的轴，您需要复杂而冗长的代码，例如通过分度或连续运动进行线性切割后添加新的固定旋转角度以实现同时切割和旋转。 

操作复杂性

由于数控五轴加工中心和铣床涉及复杂的程序，因此运行起来比三轴机床更具挑战性。设置或代码中的小错误可能会导致准确性和失败。此外，由于加工路径复杂，碰撞刀具的风险也更大。 

因此，操作 5 轴或 4 轴 CNC 铣床需要具有丰富经验的专业技术人员和工程师。 

生产速度

由于 4 轴和 5 轴机床能够旋转工件并从多个角度去除材料，因此速度更快且更准确。单台机器运行可以使用许多不同的工具，并同时从多个侧面切割工件。这种连续的过程消除了多次设置和对齐，不同的工具在预定的路径上移动，并从工作中去除材料；与此同时，作品本身会旋转到多个侧面，直到达到最终的形状。但是，如果您只需要加工工件的一侧，3 轴铣床仍然可以提供良好的生产速度。

成本效率

4 轴和 5 轴加工比 3 轴 CNC 加工更昂贵，但对于需要高精度功能的应用来说，值得选择。例如，复杂的凸轮凸角、螺旋铣削轮廓等。同时，简单的形状和轮廓具有成本效益，并且更适合使用 3 轴机器制造。 

精度和准确度

4 轴和 5 轴加工操作可为原型设计和大规模制造提供更精确的结果。 3、4 和 5 轴 CNC 铣削之间的公差差值同时约为 ±0.001"、±0.001"/±0.01° 和 ±0.0005"/±0.008°。特别是，如果您使用 3 轴机器执行多面任务，则出错的可能性会更高，因为它们需要反复夹紧。

具有复杂设计的零件/产品

如前所述，4 轴和 5 轴铣床非常适合加工具有细节的高度复杂设计。 3 轴铣床一次仅在工件的一侧进行加工 (2.5 D)，或者需要重新设置以塑造另一侧的形状。同时，3+1 或 3+2 轴允许工作旋转和连续铣削。 

• 3 轴： 简单的设计，具有扁平轮廓、口袋和槽、垂直孔、凸台、倒角、阶梯表面等功能。
• 4 轴： 具有放射状图案、螺旋形或螺旋形凹槽、侧孔、斜切等的设计。
• 5 轴： 具有复杂特征的复杂设计，例如自由曲面、底切、多轴斜孔等。

表面光洁度质量

5轴或4轴CNC操作可实现精细镜面光洁度，Ra值低至0.4 µm。这是因为最佳的刀具角度、较短的刀具和连续切削。另一方面，3 轴铣削可以生产最小粗糙度值为 1.6 µm 的表面。 

3 轴铣削、4 轴铣削、5 轴铣削的应用

CNC 加工工艺本身在多个行业都有应用，无论轴能力如何。唯一的区别是，较高轴数的机器用于生产复杂且关键的 CNC 加工零件，而较低轴数（如 3 轴）主要用于制造对精度要求不高且具有简单几何特征的产品。  例如，使用 3 轴 CNC 制造简单的电子板和外壳具有成本效益，而定制医疗植入物或飞机发动机组件等物品则由于需要高精度而使用 5 轴甚至更高轴 CNC 制造。

下表举例说明了3轴、4轴、5轴数控铣削在常见行业中的应用差异；

行业 3 轴铣削应用 4 轴铣削应用 5 轴铣削应用 汽车制动钳支架、发动机安装板、轮毂零件。凸轮轴、气缸盖、齿轮箱气缸盖端口、合金轮原型、发动机进气歧管、航空航天支架、固定装置等。涡轮叶片根部、风梁端部配件和定制支架。燃油喷嘴、起落架零件和机身部分医疗医疗家具、托盘和简单工具。涡轮叶片根部、风梁端部配件和定制支架。气缸盖、模具、测试原型、传动部件。电子产品PCB、散热器、外壳、连接器、外壳定制植入物（髋部/膝部/牙科）、手术机器人、假肢、诊断设备零件带密集翅片的定制散热器、微型连接器模具和模具工具具有角度特征、冷却通道、顶针开口的模具复杂注塑模具、深模腔、底切、镜面抛光模具型材、井下工具、涡轮叶片、压缩机零件、复杂阀门能源标准件、支架、简单阀门、缸体阀体、转子、叶轮。涡轮叶片、压缩机零件、复杂阀门

3 轴铣削的优点和缺点

优点

• 3 轴 CNC 简单且经济高效；它不需要高技能的操作员和复杂的编程。 
• 它在平面加工方面表现出色，例如钻孔、压平、开槽等。
• 刀具设置比高轴机床更简单、更快。 
• 通过重新夹紧工件和调整刀具，可用于多面加工。

缺点

• 通过 3 轴铣削形成复杂的几何特征（例如深腔、不规则轮廓、有角度的特征和底切）具有挑战性。 
• 周期时间较长，尺寸精度相对较低

4 轴和 5 轴铣削的优点和缺点

优点

• 四个轴允许围绕 x 轴旋转工件，五个轴允许围绕 X 轴和 Y 轴旋转。因此，铣削过程具有更高的灵活性。
• 即使对于复杂的设计，也具有更高的准确性和一致性。 
• 您可以在不改变工件方向的情况下加工工件的所有侧面，从而缩短循环时间并提高精度。
•  可以轻松执行倾斜加工操作和复杂的轮廓加工。 
• 它可以降低设置和夹具成本，因为您可以连续旋转工件和铣削。 
• 尤其是，铣刀可保持最佳接触角，有助于实现卓越的表面光洁度质量。

缺点

• 运行 4 轴和 5 轴铣床需要高度专业的操作员和复杂的 CAM 建模。 
• 由于机械和初始设置成本较高，对于较简单的原型和产品来说，它们可能会很昂贵。 
• 生产成本仅适用于需要高精度功能的工业级零件和 CNC 加工应用。 

如何选择 3 轴、4 轴和 5 轴铣削？

无法直接回答 3 轴、4 轴、5 轴铣削哪一种最好。正确的选择取决于您想要加工的要求和作业复杂性。 

一些关键考虑因素如下： 

设计的复杂性

首先，考虑您的设计具有什么类型的几何特征：简单的 2.5D 和平面特征还是复杂的特征（例如底切和不规则轮廓）？如果复杂，您需要使用更高轴（4 或 5）铣削来加工零件。例如涡轮叶片和塑料成型工具。

公差和重复性

 您是否需要非常严格的公差（如 0.0005 英寸）来满足性能和功能，或者仅一般公差就足够了？如果是的话，4 轴和 5 轴机器只能以出色的一致性来实现这一点。否则，选择 3 轴铣削。 

应用行业

考虑您正在制造的行业也很重要。如果零件/原型用于航空航天、医疗或国防等精度敏感的行业，您可能需要选择更高的轴。否则，您可以选择 3 轴机器。 

生产量和成本

产量和成本是相互关联的。特别是在更高轴加工中，大批量显着降低了每个零件的生产成本。因为编程、步骤和工具成本分散在多个批次中。对于小批量，您仍然可以通过调整设置来使用 3 轴铣床，即使是中等复杂程度的设计。 

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