如何選擇適合的三軸、四軸與五軸CNC

在現代製造業中，CNC（電腦數控）加工技術已成為精密零件製造的基礎，無論是航空航太、醫療還是汽車產業，CNC機械的應用無處不在。

這些機器透過電腦控制來實現高精度的切削、鑽孔和拋光，能夠處理各種材料，包括金屬、塑膠。然而，CNC加工機器的選擇並非單一標準，而是根據零件的複雜度、幾何形狀以及所需的精度來決定。從基本的三軸機器到高精度的五軸機器，每一種類型的CNC工具機都有其獨特的優勢和應用領域。

本篇將深入探討不同軸數CNC機器的工作原理、優缺點，以及如何根據具體需求選擇最合適的設備。

什麼是CNC加工?

CNC（電腦數控）加工是一種透過電腦自動控制機器來製造零件的技術，適用於金屬、塑膠、木材等各種材料。

透過執行預先編寫的程式指令，CNC工具機能夠精確地進行切割、鑽孔及拋光，使製造者能夠生產出設計精密且高精度的零件。

優勢

• CNC加工以卓越的精度著稱，特別適用於航太與醫療等對精度要求極高的產業。
• CNC提升了生產效率，透過自動化控制，能夠以最少的人為介入加快製造過程。
• 數控工具機的靈活性使其適用於多種應用領域，提供傳統加工方式無法比擬的多功能性。

什麼是CNC加工的軸?

在CNC加工中，軸指的是切削刀具或工件可移動的方向。

基本軸運動

這些軸就像我們在數學課學習到的座標，標準CNC通常沿著三個線性軸（X、Y 和 Z）運行，使工具能夠：

• X軸：左右移動
• Y軸：前後移動
• Z軸：上下移動

這些運動方向決定了刀具如何對材料進行精確切削與成形。

附加軸的重要性

當CNC機器增加第4(B)軸與第5(C)軸時，刀具或工件可繞X、Y或Z軸旋轉，使加工能力更為靈活。

這種多軸設計能夠讓機器從不同角度進行切割，無需頻繁重新定位工件，大幅提升航太、醫療等高精度產業的加工效率與精確度。

三軸CNC

這是三種類型中最為基礎的，主要沿著三個軸移動：X、Y 和 Z，並不像四軸或五軸可以旋轉。

這種配置允許刀具對材料進行基本的切削和雕刻。

對於許多製造商而言三軸 CNC 加工是製作平面零件的理想選擇，特別適用於設計相對簡單或需要大量生產的工件。

三軸 CNC的優缺點

• 優點:成本效益高且操作簡單，特別適合加工平面零件或結構簡單的設計。由於設備的初始投資和維護成本較低，這類機器非常適合大規模生產，能有效降低製造成本。
• 缺點:加工能力有限，無法執行旋轉運動，因此在製作複雜零件時需要多次重新設定工件。這不僅增加了生產時間，也提高了勞動成本，使其在高精度、多面加工需求上略顯不足。

四軸CNC

在四軸 CNC 加工中，工具機新增了第四軸（ B 軸），可讓工件繞著 X 軸旋轉。

這項旋轉功能提升了加工靈活性，使機器能夠製作多邊形零件，並加工斜角孔位，而無需頻繁重新設定工件，從而提高生產效率並擴展設計可能性。

第四軸的特色

透過 B 軸 的旋轉運動，四軸 CNC 加工允許工件在不同角度旋轉，無需手動重新調整位置。

這項額外的運動不僅加快加工流程，還能在單次設定中完成多個側面的加工，特別適合圓柱形零件與斜角孔的製作，例如 齒輪、渦輪葉片和軸類零件。

四軸 CNC的優缺點

• 優點:透過第四軸的旋轉運動，四軸 CNC 工具機能夠在更少的設定次數下加工複雜零件，特別適用於多面加工與圓柱形零件的製作。這不僅提升了精度，還能提高生產效率，使其成為更高階的數控加工選擇。
• 缺點:儘管四軸機器比三軸機器更加靈活，但與五軸機器相比，仍存在精度與便利性上的限制。此外，某些複雜幾何形狀可能需要更長的設定時間與更高的操作技能來完成，增加了加工的挑戰性。

五軸CNC

對於要求最高精度與複雜性的加工，五軸 CNC 加工是最適合的軸數。

這種配置包含標準的三個線性軸（X、Y、Z），並額外增加兩個旋轉軸（B 軸與 C 軸）。根據機器類型，旋轉運動可發生在刀頭或工件本身，使其能夠從幾乎任何角度進行精確切削。

五軸CNC的優缺點

• 優點:五軸 CNC具備卓越的精度與靈活性，能夠在單次設定中加工複雜形狀與高難度幾何結構。在航太與醫療製造等高度依賴精密度的產業中，五軸加工技術至關重要，確保零件達到嚴格的公差與品質標準。
• 缺點:五軸 CNC 機器的設備成本相對較高，且由於系統的高度複雜性，需要具備專業技術的操作員。

不同軸的應用

三軸應用

• 通常用於電子、汽車和一般製造
• 特別適用於生產幾何形狀較簡單的零件，例如電子外殼、基本汽車零件及平面結構組件

四軸應用

• 常用於航空航太、醫療製造和能源生產。
• 製作渦輪葉片、齒輪、航空航太零件以及醫療植入物的理想選擇。
• 能夠有效處理多邊形部件，並能在單次安裝中精確加工有角度的表面與圓柱形零件。

五軸應用

• 常用於航空航太、醫療、模具製造、科技研發等高精度領域。
• 製造複雜的航空航太零件、定制醫療植入物以及設計複雜的模具。

三軸、四軸、五軸我該如何選擇?

我們如何選擇軸數，應該考慮工件是否有複雜的角度與曲面，當曲面與角度越多我們所選的軸數就越多！

零件複雜性和幾何形狀

• 對於簡單、平面的零件或基本鑽孔的需求，三軸 CNC 工具機是理想的選擇。這些機器簡單、經濟，非常適合處理不太複雜的形狀。
• 當處理多邊形零件、有角度的孔或圓柱形形狀時，四軸 CNC 工具機是一個強而有力的選擇。新增的B軸旋轉能力使機器能夠更高效地加工多面特徵，無需額外重新設定工件，提升了加工效率與靈活性。
• 對於高度複雜的零件（例如帶有彎曲或複雜幾何形狀的航空航太零件或醫療設備），五軸 CNC 工具機展現出無可比擬的精度和多功能性。加入B軸或 C軸旋轉能力後，五軸機器能夠在單次設定中從多個角度進行加工，無論是最複雜的設計還是高精度要求，均能提供卓越的結果。

材料方面

• 三軸機器:適合加工較軟的材料，如鋁和塑膠。
• 四、五軸機器:當加工較硬的材料，例如鋼或鈦時通常更具效率。

總結來說

• 三軸機器:適用於具有平坦表面或簡單幾何形狀的基本零件，特別是在預算有限或易用性要求高的情況下，是理想選擇。
• 四軸機器:最佳用於需要精確傾斜表面和多面加工的零件，特別適用於航空航太和醫療行業等需要中等複雜性的應用。
• 五軸機器:最適合加工具有複雜形狀和角度的零件，常見於航空航天、醫療和模具製造業。當需求為極高精度和最少設定時間時，選擇五軸數控是最佳選擇。

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結論

選擇適合的CNC加工軸數主要取決於零件的複雜性和材料需求。對於簡單的平面零件或基本鑽孔，三軸CNC是最具成本效益和操作簡便的選擇，適用於鋁、塑膠等較軟的材料。當需要多面加工、有角度的孔或圓柱形形狀時，四軸CNC會提供更高的加工靈活性和精度，特別適用於航空航太和醫療行業。對於高度複雜的零件，特別是那些具有彎曲或複雜幾何形狀的零件，五軸CNC提供無與倫比的精度和多功能性，能在一次設定中從多個角度進行加工，滿足對高精度要求的需求。總的來說，隨著加工複雜性和精度需求的提高，選擇更多軸數的CNC機器將能更高效地完成加工任務，雖然成本和操作難度也會相應增加。

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