模具制造业主要围绕锻造模、拉伸模、注塑模和金属压铸铸造模等模具的制造。因此它为汽车、飞机、家电、生活用品和电子工业等工业零部件制造设备提供强大的支持。
作为工业之母，模具在从产品理念到成批生产构件的整个生产工艺流程中占有关键的地位。这个行业产品的特征是产品几何形状较为复杂，许多模具有较深的型腔和较陡的侧壁，模具的型芯和型腔大部分是自由曲面，并以单件生产为主，开发周期又短，因此需要采用既柔性又具高效的加工工艺。而复杂几何形状工件的加工和需要的工艺柔性则直接指向了5轴加工。

图1. 摆动回转轴的几种配置(Siemens 公司)
5轴加工的优势在于能实现所有5个轴的同时运动，早在上世纪90年代就已为业界所知晓。其不仅能实现自由曲面、圆柱面和球形曲面的铣削加工以及实现工件的5 面加工外，重要的一点还在于能以较大的行距、短的铣刀、几乎可以接近任意的几何形状和一个明显稳定的过程控制进行加工。此外，工件在定位基面加工后，通过一次装夹即可实现全部加工，避免了多次换夹带来的精度和时间问题。
5轴联动加工
5轴联动加工是通过在现有的3 个笛卡尔直线坐标轴上集成两个附加的摆动回转轴来实现的(图1)，使铣刀以5个自由度相对于构件的自由表面进行5轴联动加工，对于一些较深或难于接近的型腔自由曲面(图2)，凭借5轴加工就能采用相对短的铣刀(图3)，增强铣刀的刚性和提高铣刀加工的稳定性。

图2. 5 轴铣削，特别为制造复杂几何形状的金属铸造模和塑料的注塑模创造了竞争优势(sescoi CAM公司/Meissner 模具公司)
通过5轴加工结合刀具的几何角度也有利于加工难于切削的材料。而铣刀自由的几何定位又使铣刀与工件的接触保持最佳状态，也就是铣刀的切削刀刃可以最佳地贴近工件轮廓，可使刀具达到较大的铣削行距，从而缩短加工时间。

图3. 通过铣刀的连续摆动， 可采用较短或锥柄铣刀以实现一个稳定和可靠的铣削过程。
与3轴联动铣削相比，5轴联动铣削工艺可以带来工艺、几何形状和经济上的一系列的优点。几乎可以加工任意几何形状复杂的模具，而5轴加工的魅力还在于几乎能在工件一次装夹的情况下进行全部加工，由此提高了模具的加工精度、工件表面质量，并能缩短加工时间(免去了工件的搬运和换夹)。

图4. 3 轴铣削和5 轴铣削的比较
纯粹的3轴机床，在加工几何形状复杂的模具时，存在一定的困难。例如在加工模具较小的槽角半径时，因为铣刀的刀尖半径不允许大于模具的这个槽角半径。而在加工较深的型腔时，又往往必须采用细长的铣刀，这又会导致加工的不稳定性和比较差的表面质量。

表1. 5 轴联动铣削相对于3 轴铣削的优、缺点
又如当3轴加工遇到较小的脱模斜度时，往往也是难于进行铣削加工的。即使加工倾角较大的斜表面，也只能采用很多次较小的切削行距来切削这个表面。而采用5轴加工，铣刀相对这一表面以所需的角度在一次行程中便可切除表面上的材料。5轴铣削相对于3轴铣削既有优点，也存有弊端(见图4及表1)。而在加工非自由曲面时，采用3+2 轴加工具有较多的优势。
3+2轴定位加工
3+2轴的组合加工，通过摆动和回转轴将切削刀具固定在一个倾斜的位置来实现零件各部位的加工，即实现3+2轴定位加工。3+2轴虽然不能加工自由曲面，但是可以进行复杂构件的5面加工，在大多数情况下，不需要对工件进行2次甚至3次的换夹，这样就不需要为多次装夹去浪费时间。由此不仅提高了生产效率和加工精度，另外，还提升了机床加工的灵活性。显然，采用这样的5 轴机床(3+2轴)也是比较经济的，因为采购一台新的5轴联动加工中心的费用，大多要比购置一台配备有双轴回转工作台的立式3轴加工中心的费用要高很多。此外，这种3+2轴的组合还具有另外一些优点(表2)。

表2. 3+2 轴加工相对于5 轴联动加
举一个实例：对于纯粹的5轴机床，第4和第5个轴多数是设置在工作台上，由工作台造成边缘干扰的情况较多。这需要一个较高的工件夹具或采用较长的刀具，但随之而来的是机床工作稳定性的下滑，会引起振动，最终降低了机床的加工精度和效率。要是工件是装夹在附加的工作台上，边缘的干扰就明显减少。由此就可采用不易产生振动的短刀具。
3+2轴解决方案的其它优点体现在移动的部件质量上。5轴机床必须加速和制动整个机床工作台和工件，而对于附加1个或2个轴只是装有工件的回转轴进行移动，就能明显减少质量，由此，也就降低了电能消耗。
近几年来，5轴加工中心发展趋势强劲，涡轮叶片、叶轮、成形模或其他的自由曲面的零件，都需要5轴联动的加工中心。但是也有很多的不同的加工任务，5轴联动加工对于许多应用情况是没有必要、且不经济的，因为所有在5轴加工中心上所进行的加工90%是纯粹的5面加工。而采用设置第4个和(如果必要)设置第5个轴的3轴立式加工中心则是高生产率的解决方案。也就是说，采用安装有摆动和回转轴的立式加工中心常常是经济、紧凑和柔性的加工方案。它能满足采购费用、可接近性、作业面积和能源消耗等方面的要求。

图5. 安装有摆动和回转工作台的3 轴铣床就成为一种功能较强的5轴加工中心(Lehmann公司)。
在实际生产中，在3轴铣床上安装双轴回转工作台就成为一台5轴加工中心(图5)，利用这样的3+2轴解决方案，与纯粹的5轴机床相比，这种机床较容易实现工件的多面加工。如采用较大规格的工作台，还可进行多工件加工，具有较高的生产率。
5轴铣削是一种要求很高的加工，铣削的最终成果在很大程度上取决于机床、刀具、编程和控制系统相互的最佳配合。
5轴机床
根据摆动和回转轴的不同配置，可以组成各种不同类型的5 轴加工机床。既可以是立式的，又可以是卧式的和立柱移动式(可以有较大的工作空间)，也可以是龙门式(可适合于大件加工)的。而常见的是摆动和回转工件台5轴机床，在摆动轴的支座上常常设置一个回转工作台(也可以设置多个回转工作台，实现多轴加工，图6)，这种机床适合于加工中小尺寸的工件，摆动工作台有采用双面支承(图6)，也有单面支承的(图7)。

图6. MAG IAS 公司的主轴加工中心
目前，随着直线电机和转矩电机的广泛应用，直接驱动的5轴机床日益增多，这不仅使机床具有很高的加速度，并且也提高了机床的工作精度。采用5轴高速加工的铣床来加工零件就能在较短的时间里获得很高的加工精度和表面质量。

图7. Grob 公司的5轴加工中心
加工复杂形状的模具，当新的CNC程序初次调试时特别要注意刀具与工件的碰撞。为此，GF阿奇夏米尔公司开发的Mikron HPM 600U和HPM800U高效铣床就装有机床主轴保护模块(Machine Spindle Protection HPM)，利用这种系统就能避免主轴的损坏、使机床的几何精度免受损失并减少了停机时间。
5轴高速加工中心的普遍特点是采用龙门式框架结构，以增强机床刚性，而机床床身则采用聚合物混凝土，由于这种材料具有较好的阻尼性能和较低的热传导率，而机床的热稳定性对于确保加工的高精度是一个很重要的条件，为此，有些高精度加工中心则通过对所有介质和构件(如轴驱动装置)冷却过程的监控进行机床内部的温度调控，以确保加工中心极高、且十分稳定的加工精度。
5轴高速加工中心在价格上要比3轴加工中心高很多，根据德马吉森精机DMC75V 系列的5轴加工中心与3轴加工中心进行价格比较，5轴要比3轴的价格约高50%。5轴高速加工中心价格虽高，但这种高档机床特别适合用来加工复杂几何形状的模具。5轴加工中心在加工较深、较陡的型腔时，可以通过工件或主轴头的附加回转和摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件，并避免刀具及刀杆与型腔壁发生碰撞，减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险，从而有利于提高模具的表面质量、加工效率和刀具的寿命。
根据德国专门从事汽车发动机箱体件和燃料容器等的模具制造厂家，Meissner公司的28台铣削床中有14台用于5轴联动加工，有较丰富的使用经验。由于5轴铣削的众多优点，像铣削用于砂型铸造的成型模时，该公司采用5轴铣削要比以前采用的3轴铣削的成本大约降低了一半。
数控编程和数控系统
目前，数控编程基本上都是通过CAD/CAM 系统来实现的，事实上，如果使用合适的编程系统，可显著减少编程工作，且编程可靠。5轴铣削的编程并不会像3轴铣削的编程那样费事，起码不会那样复杂。通常，利用CAD/CAM系统、3轴、3+2轴和5轴的铣刀路径连同所选机床的运动是可视的，也就是利用CAM 系统可以通过模拟仿真来检验生成的刀具轨迹的精度以及检查加工过程中诸如刀具、工件、刀夹和机床主轴之间的可能的碰撞，还可检验加工代码的正确性。
CNC控制系统是高速5 轴加工中心的重要组成部分，它在很大程度上决定着机床加工的速度、精度和表面质量。因此，对于加工模具自由曲面的高速机床，数控系统的性能具有特别重要的意义。
加工高精度自由曲面时，由微段直线和圆弧构成的刀具轨迹造成庞大的零件程序，这些数据流需要由机床控制系统来储存和处理，因此程序段处理时间的长短是决定CNC控制系统工作效率的重要指标。目前，高档CNC控制系统的程序段处理时间一般可达0.5ms(如海德汉的iTNC530数控系统)，而有个别数控系统的程序段处理时间已缩短到0.2ms-0.4ms或更短。
应用于模具高速加工的现代CNC数控系统，除了具有为确保高速进给速度所必要的很短程序处理时间外，还应具有Nurbs和样条插补功能，并能以纳米的分辨率进行工作，以便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。
目前，高档的数控系统也都能与不同厂家的CAD/CAM系统进行连接，数据从CAD/CAM系统经以太网以很高的速度传送到控制系统上。CAD/CAM集成到控制系统在很大程度上使模具复杂轮廓的加工获得良好的效果，并对缩短调整时间和编程时间作出十分重要的贡献。
刀具和刀夹
在模具加工中，主要采用精细颗粒整体硬质合金刀具(球头铣刀和有刀尖圆弧半径的立铣刀)，大多数有硬涂层和特别的刀刃几何角度。刀柄最大直径16-20mm, 由于刀具通常较难接近工件轮廓，因此要采用细长结构的夹头。考虑到细长的结构和在高速铣削时必须的高回转精度以及相应的平衡品质，适合于模具加工的主要有两种刀夹：热胀冷缩夹头(利用刀夹材料受热膨胀和冷却缩小的特性，来实现刀具的夹紧和进行换刀)和应力锁紧夹头(如三棱应力锁紧夹头和液压膨胀夹头，这类是依靠夹头的机械变形来实现刀具的夹紧)。在铣削模具零件时，由于材料切除量并不大，径向切削力较小，选择这类是合适的。
结语
5轴高速加工中心的开发和工作性能不断提高是模具制造业得以高效和高精度加工模具的重要前提, 是加工复杂模具的关键设备。采用直接驱动的5轴加工中心, 能显著提高加工中心的行程速度、动态性能和定位精度。5轴加工为构件的全加工创造了条件，从而可以减少准备时间、减少工件搬运、测量和工艺流程时间。对制造模具来说，5轴联动铣削已成为模具加工的关键工艺。特别是5轴高速硬铣可以大大简化模具制造的整个生产工艺流程，提高模具的加工质量、缩短模具制造时间和降低生产成本，从而大大提高模具制造企业的竞争力。