Czym jest 5-osiowa obróbka CNC? Zasady, typy maszyn, ścieżki narzędzi i porównanie z obróbką 3-osiową

Obróbka CNC w 5 osiach to metoda produkcji, w której narzędzie skrawające lub obrabiany element jest poddawany obróbce w pięciu kierunkach. Porusza się ono wzdłuż klasycznych osi liniowych X, Y i Z, a dodatkowo wzdłuż dwóch osi obrotowych.

Ten wysoki stopień ruchu umożliwia przesuwanie narzędzia tnącego w kierunku przedmiotu obrabianego bez konieczności przesuwania części. Umożliwia to producentom korzystanie z jednej konfiguracji do bardzo szczegółowych geometrii.

Proces ten jest szczególnie odpowiedni dla części o zakrzywionych powierzchniach, głębokich otworach, podcięciach i złożonych kątach. Części do złożonych zastosowań lotniczych i medycznych często wymagają jednoczesnego ruchu 5-osiowego, który jest wymagany do zapewnienia dokładności i stanu powierzchni.

Obróbka symultaniczna i pozycyjna

W 5-osiowej obróbce CNC istnieją dwie główne techniki. Pozycyjna obróbka 5-osiowa - lub obróbka 3+2 - polega na zorientowaniu części pod pewnymi kątami przed procesem cięcia w trzech osiach. Cięcie odbywa się tylko wzdłuż osi X, Y i Z, podczas gdy osie obrotowe są zablokowane.

Wszystkie pięć osi porusza się jednocześnie podczas procesu cięcia, umożliwiając równoczesną obróbkę 5-osiową. Pomaga to zapewnić płynniejsze ścieżki narzędzia oraz lepszą Wykończenia powierzchni, a także szybszą obróbkę bardzo skomplikowanych kształtów.

Zaawansowane systemy programowania i sterowania maszynami są niezbędne do obróbki symultanicznej, ponieważ ruchy muszą być skoordynowane podczas procesu obróbki.

Jakie są zasady obróbki 5-osiowej?

Wieloosiowe sterowanie ruchem

Podstawową koncepcją obróbki 5-osiowej jest jednoczesny ruch maszyny w 5 różnych kierunkach. Maszyna przesuwa narzędzie wzdłuż osi liniowych X, Y i Z oraz dwóch osi obrotowych wybranych spośród osi A (obrót wokół X), osi B (obrót wokół Y) i osi C (obrót wokół Z).

Ruch lewo/prawo jest kontrolowany przez oś X, przód/tył jest kontrolowany przez oś Y, a oś Z jest używana do ruchu pionowego. Osie obrotowe służą do pochylania lub obracania wrzeciona lub stołu roboczego podczas procesu obróbki.

Ten liniowy i obrotowy ruch utrzymuje narzędzie tnące w najbardziej optymalnej pozycji względem powierzchni obrabianego przedmiotu. W przeciwieństwie do konwencjonalnych maszyn, które mają tylko kilka zaprogramowanych podejść, maszyna może stale zmieniać orientację narzędzia podczas obróbki zakrzywionych lub pochylonych powierzchni.

Ruch wzdłuż pięciu skoordynowanych osi umożliwia produkcję złożonych geometrii, takich jak łopatki turbin i wirniki, implanty ortopedyczne, części konstrukcyjne dla przemysłu lotniczego i wnęki form o gładkich konturach.

Kontrola orientacji narzędzia

Jedną z głównych cech obróbki 5-osiowej jest orientacja narzędzi. Podczas procesu obróbki sterownik CNC nieustannie dostosowuje kąt nachylenia krawędzi skrawającej względem powierzchni obrabianego elementu.

Utrzymując optymalny kąt nachylenia narzędzia — zazwyczaj w zakresie od 10° i 15° w stosunku do normalnej do powierzchni — maszyny 5-osiowe omijają punkt środkowy frezu kulistego, w którym prędkość skrawania wynosi zero. Takie optymalne przyleganie frezu do powierzchni zapewnia stały obciążenie wiórem, minimalizuje drgania i pozwala konsekwentnie uzyskiwać wyjątkowo gładką chropowatość powierzchni dzięki Wartości Ra znacznie poniżej 0,4 μm, co znacznie ogranicza konieczność ręcznego dopolerowywania ^[1].

Ponadto optymalna orientacja narzędzia umożliwia stosowanie krótszych narzędzi skrawających. Krótsze narzędzia są sztywniejsze, mniej podatne na drgania i odkształcenia podczas obróbki. Zminimalizowane wibracje skutkują lepszym wykończeniem powierzchni i spójnością dokładności wymiarowej.

W obróbce głębokich wgłębień precyzja kontroli orientacji narzędzia zapobiega kolizjom i zapewnia dostęp do trudno dostępnych obszarów. Jest to szczególnie przydatne w produkcji form i elementów form w przemyśle lotniczym.

Kinematyka maszyn

Układ mechaniczny i relacje ruchu między osiami maszyny nazywane są kinematyką maszyny. W przypadku obróbki 5-osiowej bardzo ważne jest zrozumienie kinematyki maszyny, ponieważ wpływa ona na precyzję, dostępność i złożoność programowania operacji.

Różne kombinacje maszyn mają różne struktury kinematyczne. Niektóre maszyny obracają przecinany obiekt, a inne przechylają głowicę wrzeciona. Konstrukcje hybrydowe stanowią połączenie obu tych rozwiązań.

System sterowania maszyny CNC musi stale obliczać relacje między wszystkimi osiami maszyny, aby zapewnić prawidłowe pozycjonowanie narzędzia. Podczas obróbki z jednoczesnym ruchem 5-osiowym, kilka osi oddziałuje dynamicznie podczas całego procesu obróbki, co czyni te obliczenia bardziej skomplikowanymi.

Zaawansowane systemy kompensacji kinematycznej minimalizują błędy osiowania, zniekształcenia termiczne i niedokładności geometryczne. Korekty te zwiększają precyzję operacji obróbki i zapewniają ten sam poziom wydajności w długim okresie produkcji.

Ciągłe generowanie ścieżki narzędzia

Zaawansowane generowanie ścieżek narzędzia jest kluczowym czynnikiem w obróbce 5-osiowej. To Oprogramowanie CAM generuje złożoną ścieżkę cięcia opartą na modelu 3D CAD.

Oprogramowanie określa ścieżkę narzędzia tnącego po powierzchni przedmiotu obrabianego, biorąc pod uwagę prawidłową orientację i unikanie kolizji. Płynne przejścia na ścieżce narzędzia są ważne, aby zapewnić brak wibracji lub defektów powierzchni spowodowanych ostrymi zmianami kierunku.

Ciągłe ścieżki narzędzia poprawiają wydajność obróbki, ponieważ minimalizują niepotrzebne ruchy narzędzia i czas bezczynności maszyny. Pozwalają również na spójne zaangażowanie cięcia, co skutkuje lepszą jakością powierzchni i dłuższą żywotnością narzędzia.

Oprogramowanie matematyki inżynieryjnej opracowuje optymalne prędkości posuwu i metody cięcia podczas operacji obróbki. Umożliwia to producentowi osiągnięcie wysokiej produktywności, przy jednoczesnym zachowaniu precyzji.

Unikanie kolizji i kontrola zakłóceń

Jedną z kluczowych koncepcji bezpiecznej i wydajnej pracy maszyny 5-osiowej jest zapobieganie kolizjom, które wymaga jednoczesnej pracy wielu osi.

Przestrzeń robocza wrzeciona maszyny, narzędzia tnącego, przedmiotu obrabianego i osprzętu, a także struktura maszyny są ograniczone. Kolizje są wstępnie sprawdzane przez zaawansowane oprogramowanie symulacyjne przed rozpoczęciem pracy obrabiarki.

Wiele 5-osiowych maszyn CNC posiada obecnie systemy monitorowania zakłóceń w czasie rzeczywistym. Systemy te zostały zaprojektowane w celu zwiększenia bezpieczeństwa operacji i zminimalizowania możliwości uszkodzenia maszyny.

Jakie są rodzaje 5-osiowych maszyn CNC?

Tabela - 5-osiowe maszyny CNC

Maszyny stołowe mają obie osie obrotowe w stole maszynowym. Wrzeciono jest względnie nieruchome, a obrabiany przedmiot obraca się i przechyla podczas procesu obróbki. Takie ustawienie zapewnia bardzo precyzyjne cięcie ze względu na stabilność wrzeciona podczas cięcia. Maszyny stołowe są idealne do obróbki małych i średnich elementów, które wymagają ekstremalnej dokładności geometrycznej i wyjątkowego wykończenia powierzchni.

Charakteryzują się kompaktową konstrukcją, wysoką dokładnością jednoczesnej obróbki i doskonałą jakością wykończenia powierzchni. Systemy stołowe są często wykorzystywane w zastosowaniach precyzyjnych, takich jak produkcja medyczna i elektronika.

Konfiguracje stół-stół nie są jednak zwykle optymalne dla ciężkich elementów, ponieważ cały element musi być podtrzymywany i przesuwany przez stół obrotowy podczas operacji obróbki.

5-osiowe maszyny CNC ze stołem czołowym

Maszyny z głowicą obrotową i stołem obrotowym (znane również jako konfiguracje z głowicą obrotową i stołem obrotowym) łączą jedną oś obrotu w głowicy wrzeciona z jedną osią obrotu w stole roboczym.

Ten typ konfiguracji hybrydowej zapewnia doskonałą elastyczność i łączy w sobie najlepsze cechy głowicy obrotowej i systemów czopowych. Umożliwia wydajną obróbkę części o różnych rozmiarach i geometrii.

Zaletą maszyn ze stołem głowicowym jest to, że mają dobrą dostępność i wysoką dynamikę, i są powszechnie stosowane w dziedzinie ogólnej produkcji precyzyjnych części, produkcji lotniczej i produkcji form.

Możliwe jest poprawienie pozycji wrzeciona i stołu dla złożonych powierzchni dzięki połączeniu tych dwóch ruchów, przy jednoczesnym zapewnieniu sztywności maszyny i stabilności procesu obróbki.

Poziome 5-osiowe maszyny CNC

Pozioma maszyna 5-osiowa to maszyna, której wrzeciono znajduje się w pozycji poziomej. Takie ustawienie może być wykorzystane do uzyskania lepszego odprowadzania wiórów, ponieważ wióry naturalnie oddalają się od obszaru skrawania pod wpływem grawitacji podczas procesu obróbki.

W przypadku obróbki z dużymi prędkościami szczególnie ważne jest skuteczne usuwanie wiórów, ponieważ ich nagromadzenie może spowodować uszkodzenie narzędzia i wpłynąć na jakość powierzchni wytwarzanych produktów.

Poziome maszyny 5-osiowe są szeroko stosowane w produkcji wielkoseryjnej i złożonych komponentów, które mają wiele powierzchni do obróbki. Są one powszechnie stosowane w produkcji precyzyjnej w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

Orientacja pozioma zapewnia również łatwiejszy dostęp do głębokich wnęk i elementów bocznych w niektórych przypadkach niż inne pionowe konfiguracje maszyn.

Pionowe 5-osiowe maszyny CNC

Pionowe maszyny 5-osiowe mają pionowe wrzeciono i są jednym z najpopularniejszych typów maszyn w dzisiejszej produkcji.

Często są one bardziej kompaktowe i ekonomiczne niż maszyny poziome lub bramowe. Pionowa konfiguracja zapewnia doskonałą widoczność obszaru cięcia, upraszczając konfigurację i monitorowanie dla operatorów.

Pionowe maszyny 5-osiowe są szeroko stosowane w produkcji form, obróbce medycznej, prototypowaniu i produkcji precyzyjnej. Są one wszechstronne i mogą być wykorzystywane w wielu sektorach i zastosowaniach.

Wysokoobrotowe wrzeciona, systemy automatyzacji i technologie stabilizacji termicznej są powszechnie stosowane w zaawansowanych pionowych centrach obróbczych w celu zwiększenia ich wydajności.

Jakie są zastosowania obróbki 5-osiowej?

Łopatki turbin, elementy konstrukcyjne i podzespoły silników należą do typowych zastosowań obróbki 5-osiowej w przemyśle lotniczym. Elementy te często charakteryzują się złożoną geometrią i kształtem, co wymaga ruchów w wielu osiach.

Producenci z branży medycznej wytwarzają implanty, narzędzia chirurgiczne i komponenty protetyczne o złożonych kształtach anatomicznych przy użyciu obróbki 5-osiowej. Precyzja i gładkość wykończenia powierzchni są niezbędne w takich zastosowaniach.

Części silnika, obudowy skrzyni biegów, elementy złożone złącza do rur stalowych, a prototypy funkcjonalne są wytwarzane w przemysł motoryzacyjny z obróbką 5-osiową. Technologia pięcioosiowa stanowi również kluczową technologię dla producentów form i matryc, umożliwiającą opracowywanie skomplikowanych wnęk form i powierzchni narzędzi.

Strategie ścieżki narzędzia są wykorzystywane w 5-osiowej obróbce CNC

Dzięki zaawansowanym strategiom ścieżki narzędzia, jednym z głównych celów jest utrzymanie narzędzia tnącego w materiale w sposób spójny i produktywny. Płynny ruch narzędzia minimalizuje siły skrawania, redukuje wibracje i może prowadzić do lepszej jakości wykończenia powierzchni. Ponieważ maszyna 5-osiowa jest czasami używana do tworzenia złożonych i zakrzywionych powierzchni oraz skomplikowanych geometrii, ścieżka narzędzia musi zapewniać brak gwałtownych zmian kierunku, które mogłyby powodować powstawanie śladów narzędzia lub występowanie niestabilności obróbki.

Jedną z najpopularniejszych strategii ścieżki narzędzia w obróbce 5-osiowej jest obróbka konturowa. W tym przypadku narzędzie tnące śledzi kontur powierzchni części i zawsze zmienia swój kąt. Jest to popularna technika stosowana w przypadku łopatek turbin, form, komponentów lotniczych i implantów medycznych, które mają gładkie, swobodne powierzchnie. Ciągłe konturowanie poprawia jakość powierzchni i eliminuje potrzebę wykonywania dodatkowych operacji konturowania.

Dodatkową techniką wytwarzania powierzchni kompozytowych jest obróbka wiórowa, w której bok (bok) narzędzia tnącego utrzymuje ciągły kontakt z obrabianą powierzchnią, zamiast cięcia tylko końcówką narzędzia. Główną zaletą obróbki wiórowej jest to, że można ją wykorzystać do usunięcia dużej ilości materiału z dużą dokładnością wymiarową, co czyni ją bardzo wydajną w produkcji ścian i powierzchni stożkowych. Metoda ta jest szczególnie przydatna w zastosowaniach takich jak przemysł lotniczy i produkcja form.

Kolejną ważną częścią opracowywania strategii ścieżki narzędzia jest unikanie kolizji. W obróbce pięcioosiowej wrzeciono, uchwyt narzędzia, obrabiany przedmiot i element maszyny są w ruchu, więc oprogramowanie CAM musi stale sprawdzać, czy nie występują potencjalne zakłócenia. Zaawansowane systemy symulacyjne automatycznie dostosowują ścieżki narzędzia, aby zapobiec kolizjom, zachowując jednocześnie wydajność obróbki.

Co to jest 5-osiowe centrum obróbcze CNC?

Charakterystyka 5-osiowego centrum obróbczego CNC

5-osiowe centrum obróbcze CNC to system łączący kilka funkcji obróbki. Operacje frezowania, wiercenia, gwintowania i konturowania są często wykonywane jednocześnie na tych maszynach.

Zaawansowane centra obróbcze wyposażone są w wysokoobrotowe wrzeciona, automatyczne zmieniacze palet i inteligentny system sterowania, zapewniając maksymalną produktywność. Automatyzacja robotyczna i monitorowanie narzędzi to inne technologie dostępne w wielu systemach, umożliwiające obróbkę bez nadzoru.

Korzyści z produktywności

Funkcja “wszystko w jednym” stosowana w maszynach 5-osiowych znacznie skraca czas przygotowania. Badania dotyczące produkcji przemysłowej wskazują, że połączenie wielu operacji 3-osiowych w ramach jednego ustawienia 5-osiowego może skrócić całkowity czas przygotowania o od 70% do 80%. Ponadto dzięki wyeliminowaniu błędów związanych z tolerancją nakładania się, które pojawiają się przy każdym ponownym mocowaniu elementu, znacznie wzrasta wydajność produkcji od pierwszego przejścia (FPY) złożonych komponentów dla przemysłu lotniczego i medycznego, co prowadzi do znacznego obniżenia ogólnych kosztów produkcji ^[2].

Producenci mogą wytwarzać bardziej skomplikowane części szybciej, przy zachowaniu stałej jakości. Jest to szczególnie przydatne w przypadku produkcji wielkoseryjnej.

Jak wypada 5-osiowe CNC w porównaniu z 3-osiowym CNC?

Różnice między 5- i 3-osiowym układem CNC

Najbardziej oczywistą różnicą między 5-osiowym a 3-osiowym systemem CNC jest zakres ruchu. Maszyna 5-osiowa posiada dwie osie obrotowe, podczas gdy maszyna 3-osiowa umożliwia jedynie ruch liniowy w osiach X, Y i Z.

Obróbka trójosiowa jest stosowana w przypadku prostszych części lub części o prostszej geometrii. Złożone komponenty wymagają jednak wielu ustawień i 3-osiowych repozycjonowań w maszynie 3-osiowej.

Obróbka 5-osiowa dociera do kilku powierzchni bez konieczności zmiany położenia, co zwiększa wydajność i minimalizuje błędy wyrównania.

Porównanie dokładności i wydajności

Ogólnie rzecz biorąc, 5-osiowa maszyna CNC może być używana do osiągnięcia większej dokładności w przypadku złożonych komponentów ze względu na fakt, że części są mocowane za pomocą jednego ustawienia. Minimalizacja etapów zmiany położenia zmniejsza niespójności wymiarowe.

Narzędzie tnące może również zbliżać się do powierzchni pod optymalnymi kątami, dzięki czemu jest bardziej wydajne w procesie obróbki. Zwiększa to wydajność cięcia i skraca czas obróbki.

Maszyny trzyosiowe są nadal tańsze i prostsze w programowaniu, a także sprawdzają się w mniej skomplikowanych zastosowaniach.

Rozważania dotyczące kosztów

5-osiowe maszyny CNC są znacznie droższe niż 3-osiowe maszyny CNC ze względu na zastosowanie doskonałej technologii sterowania ruchem i złożoność samej maszyny.

Koszty szkolenia operatora i programowania są również znaczące w przypadku maszyn 5-osiowych. Korzyści produkcyjne (zwiększona produktywność i skrócony czas konfiguracji) mogą jednak z nawiązką zrekompensować inwestycję w przypadku producentów, którzy wytwarzają złożone precyzyjne komponenty. Wybór między maszyną 3-osiową a 5-osiową jest zwykle uzależniony od wielkości produkcji, złożoności komponentów, tolerancji i budżetu.

Wnioski

5-osiowa technologia CNC to jeden z najlepszych rodzajów nowoczesnej obróbki skrawaniem. Jest w stanie działać na 5 osiach współrzędnych, które umożliwiają producentom wytwarzanie złożonych części z niezwykłą precyzją, wydajnością i jakością powierzchni. 5-osiowa maszyna CNC to wszechstronna obrabiarka wykorzystywana w wielu branżach i zastosowaniach, w tym w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i przemysłowym. W nowej erze inżynierii precyzyjnej i zaawansowanej produkcji przemysłowej, napędzanej ciągłą ewolucją produkcji poprzez automatyzację, cyfryzację i technologie inteligentnych fabryk, 5-osiowe CNC będzie nadal kluczowym narzędziem inżynierii precyzyjnej.

W przypadku projektów o złożonej geometrii i ścisłych tolerancjach warto nawiązać współpracę z zakładem wyposażonym w precyzyjna obróbka wieloosiowa jest to najbardziej niezawodny sposób na przekształcenie zaawansowanych projektów w rzeczywiste elementy.

Referencje

[1] Lasemi, A., Xue, D. i Gu, P. (2010). Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie obróbki CNC powierzchni o dowolnym kształcie: przegląd aktualnego stanu wiedzy. Projektowanie wspomagane komputerowo, 42(7), 641-654. https://doi.org/10.1016/j.cad.2010.04.002

[2] Bohez, E. L. (2002). Projektowanie i analiza łańcucha kinematycznego pięcioosiowej frezarki. Międzynarodowe czasopismo poświęcone obrabiarkom i produkcji, 42(4), 505-520. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00134-1