5-assige CNC-bewerking is een productiemethode waarbij het snijgereedschap of het werkstuk in vijf richtingen wordt bewerkt. Het beweegt langs de klassieke lineaire assen X, Y en Z, aangevuld met twee rotatieassen.
Door deze hoge mate van beweging kan het snijgereedschap naar het werkstuk toe bewegen zonder dat het werkstuk verplaatst hoeft te worden. Hierdoor kunnen fabrikanten één opstelling gebruiken voor extreem gedetailleerde geometrieën.
Het proces is bijzonder geschikt voor onderdelen met gebogen oppervlakken, diepe gaten, ondersnijdingen en samengestelde hoeken. Onderdelen voor complexe luchtvaart- en medische toepassingen hebben vaak gelijktijdige 5-assige bewegingen nodig om de nauwkeurigheid en oppervlaktegesteldheid te garanderen.
Gelijktijdig en positioneel verspanen
Bij 5-assig CNC bewerken zijn er twee belangrijke technieken. Positioneel 5-assig bewerken - of 3+2 bewerken - houdt in dat het werkstuk onder bepaalde hoeken wordt georiënteerd voordat het snijproces met drie assen begint. Er wordt alleen langs de X-, Y- en Z-as gesneden terwijl de rotatieassen in positie worden vastgezet.
Alle vijf assen bewegen tijdens het snijproces synchroon voor gelijktijdige 5-assige bewerking. Dit draagt bij aan vloeiendere gereedschapspaden en verbeterde oppervlakteafwerkingen, en een snellere bewerking van zeer complexe vormen.
Geavanceerde programmeer- en machinebesturingssystemen zijn nodig voor simultaan bewerken omdat de bewegingen tijdens het bewerkingsproces gecoördineerd moeten worden.
Wat zijn de principes van 5-assig verspanen?
Meerassige bewegingsbesturing
Het basisconcept van 5-assig bewerken is de machine in 5 verschillende richtingen tegelijk verplaatsen. De machine verplaatst het gereedschap langs de lineaire X-, Y- en Z-assen, plus twee rotatieassen, gekozen uit de A-as (rotatie rond X), B-as (rotatie rond Y) en C-as (rotatie rond Z).
De beweging links/rechts wordt geregeld door de X-as, de beweging voor/achter door de Y-as en de Z-as wordt gebruikt voor verticale beweging. De rotatieassen worden gebruikt om de spindel of de werktafel te zwenken of te roteren tijdens het bewerkingsproces.
Deze lineaire en roterende beweging houdt het snijgereedschap in de meest optimale positie ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk. In tegenstelling tot conventionele machines, die slechts een paar voorgeprogrammeerde benaderingen hebben, kan de machine de oriëntatie van het gereedschap continu veranderen tijdens het bewerken van gebogen of schuine oppervlakken.
Door langs vijf gecoördineerde assen te bewegen kunnen complexe geometrieën worden gemaakt, zoals turbinebladen en waaiers, orthopedische implantaten, structurele onderdelen voor de ruimtevaart en vormholtes met gladde contouroppervlakken.
Gereedschapsoriëntatieregeling
Een van de belangrijkste kenmerken van 5-assige bewerking is de oriëntatie van de gereedschappen. Tijdens het bewerkingsproces past de CNC-besturing voortdurend de hoek van de snijkant ten opzichte van het oppervlak van het werkstuk aan.
Door een optimale hellingshoek van het gereedschap aan te houden — doorgaans tussen 10° en 15° ten opzichte van de oppervlaktenormale — 5-assige machines vermijden het punt in het midden van een kogelkopfrees waar de snijsnelheid nul is. Deze optimale aangrijping zorgt voor een constante spaanafname, minimaliseert trillingen en maakt het mogelijk om consequent een uiterst gladde oppervlakteruwheid te bereiken met Ra-waarden ruim onder 0,4 μm, waardoor de noodzaak van handmatig nabewerken aanzienlijk wordt verminderd [1].
Bovendien maakt optimale gereedschapsoriëntatie het gebruik van kortere snijgereedschappen mogelijk. Kortere gereedschappen zijn stijver en zullen minder snel trillen en doorbuigen tijdens het bewerken. Geminimaliseerde trillingen resulteren in een betere oppervlakteafwerking en consistente maatnauwkeurigheid.
Bij het bewerken van diepe caviteiten voorkomt de precisie van de gereedschapsoriëntatie botsingen en biedt het toegang tot moeilijk bereikbare plaatsen. Dit is vooral nuttig bij het maken van matrijzen en bij de productie van matrijsonderdelen in de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Machine kinematica
De mechanische opstelling en bewegingsrelaties tussen de assen van een machine worden de machinekinematica genoemd. Bij 5-assig bewerken is het zeer belangrijk om de machinekinematica te begrijpen, omdat deze van invloed is op de nauwkeurigheid, toegankelijkheid en programmeercomplexiteit van de bewerking.
Verschillende combinaties van machines hebben verschillende kinematische structuren. Sommige machines draaien het te snijden object en andere kantelen de spindelkop. Hybride ontwerpen zijn een mix van beide.
Het CNC machinebesturingssysteem moet continu de relatie tussen alle machineassen berekenen om de juiste positionering van een gereedschap te garanderen. Bij het bewerken met gelijktijdige 5-assige bewegingen interageren verschillende assen dynamisch tijdens het bewerkingsproces, wat deze berekeningen nog gecompliceerder maakt.
Geavanceerde kinematische compensatiesystemen minimaliseren uitlijnfouten, thermische vervorming en geometrische onnauwkeurigheid. Deze correcties verbeteren de nauwkeurigheid van de bewerking en garanderen hetzelfde prestatieniveau gedurende een lange productieperiode.
Continu freesbanen genereren
Het genereren van geavanceerde bewerkingsbanen is een cruciale factor bij 5-assige bewerking. De CAM-software genereert een complex snijpad op basis van 3D-CAD.
De software bepaalt het pad van het snijgereedschap over het oppervlak van het werkstuk, waarbij rekening wordt gehouden met de juiste oriëntatie en botsingen worden vermeden. Soepele overgangen in het gereedschapspad zijn belangrijk om ervoor te zorgen dat er geen trillingen of oppervlaktedefecten ontstaan door scherpe richtingsveranderingen.
Continue gereedschapsbanen verbeteren de bewerkingsefficiëntie omdat ze onnodige gereedschapsbewegingen en ongebruikte machinetijd minimaliseren. Ze zorgen ook voor een consistente snij-inzet, wat resulteert in een betere oppervlaktekwaliteit en een langere levensduur van het gereedschap.
Engineering maths software berekent de optimale voedingssnelheden en snijmethodes tijdens de bewerking. Hierdoor kan de fabrikant een hoge productiviteit bereiken, terwijl de precisie behouden blijft.
Botsingsvermijding en interferentiecontrole
Een van de sleutelconcepten van veilige en efficiënte 5-assige machinebediening is botspreventie, waarvoor gelijktijdige bediening van meerdere assen nodig is.
De werkruimte van de machinespindel, het snijgereedschap, het werkstuk, de opspanmiddelen en de machinestructuur is beperkt. Botsingen worden vooraf gecontroleerd met geavanceerde simulatiesoftware voordat bewerkingen met de bewerkingsmachine worden gestart.
Veel 5-assige CNC machines hebben tegenwoordig realtime storingsbewakingssystemen. Deze systemen zijn ontworpen om de veiligheid van de bewerkingen te verbeteren en de kans op machineschade te minimaliseren.
Wat zijn de soorten 5-assige CNC machines?
Tafel 5-assige CNC machines
Tafelmachines hebben beide rotatieassen in de machinetafel. De spindel staat relatief stil en het werkstuk roteert en kantelt tijdens het bewerken. Deze instelling geeft een zeer nauwkeurige snede door de stabiliteit van de spindel tijdens het snijden. Tafelmachines zijn ideaal voor kleine tot middelgrote onderdelen die extreme geometrische nauwkeurigheid en uitzonderlijke oppervlakteafwerking vereisen.
Ze hebben een compact ontwerp, een hoge nauwkeurigheid bij gelijktijdige bewerkingen en een uitstekende oppervlaktekwaliteit. Tafel-tafelsystemen worden vaak gebruikt in precisietoepassingen, zoals medische productie en elektronica.
Tafel-tafel configuraties zijn echter meestal niet optimaal voor zware werkstukken, omdat het hele werkstuk ondersteund en verplaatst moet worden door de draaitafel tijdens de bewerking.
Koptafel 5-assige CNC machines
Machines met een draaikop en draaitafel (ook wel configuraties met draaikop en draaitafel genoemd) combineren één rotatieas in de spilkop met één rotatieas in de werktafel.
Dit type hybride opstelling biedt superieure flexibiliteit en combineert de beste eigenschappen van draaikrans- en tunnelsystemen. Het kan een groot aantal verschillende productafmetingen en geometrieën efficiënt verwerken.
De voordelen van koptafelmachines zijn dat ze goed toegankelijk zijn en hoge dynamische prestaties leveren. Ze worden vaak gebruikt bij de productie van algemene precisieonderdelen, ruimtevaart en matrijzenbouw.
Het is mogelijk om de positie van de spindel en tafel voor complexe oppervlakken te verbeteren met de combinatie van de twee bewegingen, terwijl de stijfheid van de machine en de stabiliteit van het bewerkingsproces gewaarborgd blijven.
Horizontale 5-assige CNC machines
Een horizontale 5-assige machine is een machine waarvan de spindel horizontaal staat. Deze instelling kan gebruikt worden om een betere spaanafvoer te krijgen, omdat spanen tijdens het bewerken op natuurlijke wijze met de zwaartekracht van het snijgebied weg bewegen.
Bij machinale bewerkingen met hoge snelheid is het bijzonder belangrijk om de spanen effectief te verwijderen, omdat spanenophoping schade aan het gereedschap kan veroorzaken en de oppervlaktekwaliteit van de geproduceerde producten kan beïnvloeden.
Horizontale 5-assige machines worden veel gebruikt bij de productie van grote volumes en complexe onderdelen die veel vlakken moeten bewerken. Ze worden vaak gebruikt voor precisieproductie in de auto- en luchtvaartindustrie.
De horizontale oriëntatie biedt in sommige gevallen ook gemakkelijker toegang tot diepe caviteiten en zijelementen dan andere verticale machineconfiguraties.
Verticale 5-assige CNC machines
Verticale 5-assige machines hebben een verticale spindel en zijn een van de meest voorkomende machinetypes in de hedendaagse productie.
Vaak zijn ze compacter en kosteneffectiever dan horizontale of portaalmachines. Verticale opstelling biedt uitstekend zicht op het snijgebied, wat het instellen en controleren voor operators vereenvoudigt.
In de matrijzenbouw, medische bewerking, prototyping en precisieproductie worden verticale 5-assige machines veel gebruikt. Ze zijn veelzijdig en kunnen in tal van sectoren en toepassingen worden gebruikt.
Spindels met hoge snelheid, automatiseringssystemen en thermische stabilisatietechnologieën zijn veelgebruikte functies in geavanceerde verticale bewerkingscentra om hun prestaties te verbeteren.
Wat zijn de toepassingen van 5-assig verspanen?
Turbinebladen, constructieonderdelen en motoronderdelen behoren tot de veelvoorkomende toepassingen van 5-assige bewerking in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Deze onderdelen hebben vaak een complexe geometrie en vorm, waardoor bewegingen in meerdere assen nodig zijn.
Medische fabrikanten produceren implantaten, chirurgisch gereedschap en onderdelen voor protheses met complexe anatomische vormen door gebruik te maken van 5-assig bewerken. Precisie en gladheid van de oppervlakteafwerking zijn essentieel bij dergelijke toepassingen.
Motoronderdelen, versnellingsbakbehuizingen, complexe onderdelen verbindingsstukken voor stalen buizen, en functionele prototypes worden vervaardigd in de automobielindustrie met 5-assige bewerking. Vijf-assige technologie is ook een sleuteltechnologie voor matrijs- en stempelbouwers bij het ontwikkelen van complexe matrijsholtes en gereedschapsoppervlakken.
Toolpath strategieën worden gebruikt bij CNC 5-assig verspanen
Met geavanceerde strategieën voor de gereedschapsbanen is een van de hoofddoelen om het gereedschap consistent en productief in het materiaal te laten snijden. Soepele bewegingen van het gereedschap minimaliseren de snijkrachten, verminderen trillingen en kunnen leiden tot een betere oppervlaktekwaliteit. Omdat de 5-assige machine soms gebruikt wordt om complexe en gebogen oppervlakken en ingewikkelde geometrieën te maken, moet het gereedschapspad ervoor zorgen dat er geen abrupte richtingsveranderingen zijn die gereedschapssporen of instabiliteit bij het bewerken kunnen veroorzaken.
Een van de populairste gereedschapspadstrategieën bij 5-assig bewerken is contourbewerking. Hierbij volgt het snijgereedschap de contouren van het oppervlak van het onderdeel en verandert het steeds van hoek. Het is een populaire techniek die gebruikt wordt voor turbineschoepen, mallen, luchtvaartonderdelen en medische implantaten met gladde vrije-vorm oppervlakken. De continue contourvorming verbetert de oppervlaktekwaliteit en maakt secundaire contourbewerkingen overbodig.
Een aanvullende techniek voor het produceren van samengestelde oppervlakken staat bekend als spaanbewerking, waarbij de zijkant (flank) van het snijgereedschap continu contact houdt met een gecontroleerd oppervlak, in plaats van te snijden met alleen de punt van het gereedschap. Een groot voordeel van spaanbewerking is dat er veel materiaal mee kan worden verwijderd met een hoge maatnauwkeurigheid, waardoor het zeer efficiënt is voor de productie van wanden en conische oppervlakken. Deze methode is vooral nuttig in toepassingen zoals ruimtevaart en matrijzenbouw.
Een ander belangrijk onderdeel van het ontwikkelen van de freesbaanstrategie is het vermijden van botsingen. Bij vijfassig bewerken bewegen de spindel, de gereedschapshouder, het werkstuk en het machineonderdeel allemaal, dus de CAM-software moet voortdurend controleren op mogelijke botsingen. Geavanceerde simulatiesystemen passen automatisch de gereedschapsbanen aan om botsingen te voorkomen, terwijl de bewerkingsefficiëntie behouden blijft.
Wat is een 5-assig CNC bewerkingscentrum?
Kenmerken van 5-assig CNC bewerkingscentrum
Een 5-assig CNC bewerkingscentrum is een combinatiesysteem van verschillende bewerkingsfuncties. Op deze machines worden vaak gelijktijdig frees-, boor-, tap- en contourbewerkingen uitgevoerd.
De geavanceerde bewerkingscentra beschikken over hogesnelheidsspindels, automatische palletwisselaars en een intelligent besturingssysteem voor maximale productiviteit. Robotautomatisering en gereedschapsbewaking zijn andere technologieën die voor veel systemen beschikbaar zijn om onbemand bewerken mogelijk te maken.
Productiviteitsvoordelen
De “done-in-one”-mogelijkheid van 5-assige machines zorgt voor een drastische verkorting van de insteltijd. Uit onderzoek naar industriële productie blijkt dat het samenvoegen van meerdere 3-assige bewerkingen tot één enkele 5-assige opstelling de totale insteltijd kan verkorten met 70% tot en met 80%. Bovendien wordt, door het wegwerken van de stapeltolerantiefouten die telkens optreden wanneer een onderdeel opnieuw wordt opgezet, het first-pass-rendement (FPY) van complexe onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart en de medische sector aanzienlijk verhoogd, wat leidt tot een aanzienlijke daling van de totale productiekosten [2].
Fabrikanten kunnen gecompliceerdere onderdelen sneller produceren met een consistente kwaliteit. Dit is vooral handig voor de productie van grote volumes.
Hoe is een 5-assige CNC te vergelijken met een 3-assige CNC?
Verschillen tussen 5-assige en 3-assige CNC
Het meest opvallende verschil tussen 5-assige en 3-assige CNC-machines is de bewegingsvrijheid. Een 5-assige machine beschikt over twee rotatieassen, terwijl een 3-assige machine alleen lineaire bewegingen in de X-, Y- en Z-assen kan uitvoeren.
Drie-assig bewerken wordt gebruikt voor eenvoudigere onderdelen of onderdelen met eenvoudigere geometrieën. Complexe onderdelen vereisen echter meestal een aantal opstellingen en 3-assige herpositioneringen in een 3-assige machine.
De 5-assige bewerking bereikt meerdere oppervlakken zonder herpositionering, wat de efficiëntie verhoogt en uitlijnfouten minimaliseert.
Vergelijking van nauwkeurigheid en efficiëntie
Over het algemeen kan met een 5-assige CNC machine een hogere nauwkeurigheid worden bereikt voor complexe componenten, omdat de onderdelen met één instelling worden gefixeerd. Minimaliseer herpositioneerstappen om maatafwijkingen te verminderen.
Het snijgereedschap kan oppervlakken ook vanuit de optimale hoeken benaderen, waardoor het efficiënter wordt in het bewerkingsproces. Dit verbetert de snijprestaties en de bewerkingstijd.
Drieassige machines zijn nog steeds goedkoper en eenvoudiger te programmeren en zijn nog steeds goed voor minder gecompliceerde toepassingen.
Kostenoverwegingen
De 5-assige CNC is veel duurder dan de 3-assige CNC machines vanwege het gebruik van superieure motion control technologie en de complexiteit van de machine zelf.
De trainings- en programmeerkosten voor de operator zijn ook aanzienlijk voor een 5-assige machine. De productievoordelen (hogere productiviteit en kortere insteltijden) kunnen de investering echter ruimschoots goedmaken voor fabrikanten die complexe precisiecomponenten maken. De keuze tussen 3- en 5-assig wordt meestal bepaald door het productievolume, de complexiteit van de componenten, toleranties en het budget.
Conclusie
5-assige CNC-technologie is een van de mooiste vormen van moderne verspaning. Ze kan werken op 5 coördinatenassen waarmee fabrikanten complexe onderdelen kunnen maken met extreme precisie, efficiëntie en oppervlaktekwaliteit. De 5-assige CNC machine is een veelzijdige bewerkingsmachine die gebruikt wordt in een groot aantal industrieën en toepassingen, waaronder de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en de industrie. In dit nieuwe tijdperk van precisietechniek en geavanceerde industriële productie, gedreven door de voortdurende evolutie in de productie door middel van automatisering, digitalisering en smart factory technologieën, zal 5-assige CNC een belangrijk precisiegereedschap blijven.
Voor projecten met complexe geometrieën en strenge toleranties is het raadzaam om samen te werken met een bedrijf dat is uitgerust voor precisieproductie met meerdere assen is de meest betrouwbare manier om geavanceerde ontwerpen om te zetten in fysieke onderdelen.
Referenties
[1] Lasemi, A., Xue, D., & Gu, P. (2010). Recente ontwikkelingen op het gebied van CNC-bewerking van vrije-vormoppervlakken: een overzicht van de stand van zaken. Computerondersteund ontwerpen, 42(7), 641-654. https://doi.org/10.1016/j.cad.2010.04.002
[2] Bohez, E. L. (2002). Ontwerp en analyse van de kinematische keten van een vijfassige freesmachine. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42(4), 505-520. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00134-1
NL 
EN 
ES 
FR 
DE 
IT 
PT 
PL 
AR 
JA 
KO 
ZH