Czy maszyna CNC 5-osiowa jest efektywną opcją w obróbce metali?

Maszyna CNC 5-osiowa oferuje ruch w trzech osiach liniowych i dwóch osiach obrotowych, które działają jednocześnie, co umożliwia złożoną obróbkę powierzchni. Centra obróbcze 3-osiowe przesuwają część w dwóch kierunkach (X i Y), a narzędzie porusza się w górę i w dół (Z). Centra obróbcze 5-osiowe CNC mogą natomiast obracać się na dwóch dodatkowych osiach obrotowych, co pomaga narzędziu tnącemu zbliżać się do części ze wszystkich kierunków. Taki typ maszyny umożliwia pracę przy mniejszych tolerancjach, co pozwala na uzyskanie skomplikowanych geometrii, precyzję i elastyczność.

Jak działa 5-osiowa maszyna CNC?

Maszyna CNC wykorzystuje technologię subtraktywną do kształtowania komponentów za pomocą narzędzi tnących, które usuwają materiał w celu uzyskania pożądanego kształtu. Można to więc zrobić za pomocą dowolnej techniki wykorzystywanej w obróbce CNC, jak choćby frezowanie, toczenie, szlifowanie czy wiercenie. Kształt jest początkowo definiowany przez plik CAD (Computer-Aided Design). Następnie tworzony jest program w G-Code, który dostarcza maszynie CNC precyzyjnych instrukcji. Podczas gdy większość frezarek CNC działa z trzema osiami — Z, X i Y — 5-osiowe maszyny CNC wykorzystują dodatkowe osie, aby umożliwić cięcie pod wieloma kątami, co pozwala na bardziej złożone i skomplikowane projekty. W 5-osiowej maszynie CNC osie A, B i C są wprowadzane w celu zwiększenia elastyczności operacji cięcia. Narzędzie tnące na 5-osiowej maszynie CNC może uzyskać dostęp do przedmiotu obrabianego z dowolnej z pięciu osi. Porusza się wzdłuż osi liniowych Z, X i Y i obraca się wokół osi A, B lub C:

Oś X – od lewej do prawej

Oś Y – przód do tyłu

Oś Z – w górę i w dół

Oś A – obrót o 180 stopni wokół osi X

Oś B – obrót o 180 stopni wokół osi Y

Oś C – obrót o 180 stopni wokół osi Z

Konkretna konfiguracja projektu CAD lub maszyny określa, które dwie z trzech dodatkowych osi obrotowych są używane. Narzędzie i obrabiany przedmiot mogą poruszać się w tandemie, co zapewnia płynną i precyzyjną obróbkę skomplikowanych geometrii.

Korzyści, jakie zapewnia 5-osiowa maszyna CNC

W porównaniu do obrabiarek np. 3-osiowych, maszyna CNC z pięcioma osiami oferuje wiele korzyści. Wśród najważniejszych można wyróżnić:

• jednorazowe ustawienie parametrów obróbki przedmiotu, a nie jak w przypadku konwencjonalnych maszyn kilkukrotne zmiany konfiguracji w trakcie procesu, 5-osiowa maszyna CNC wykonuje więc w pełni zadanie w jednym ustawieniu, co znacznie skraca czas procesu,
• możliwość stosowania krótszych narzędzi tnących, które są mniej podatne na drgania i zapewniają lepsze wykończenie powierzchni, czwarta i piąta oś umożliwia więc przybliżenie obrabianego detalu do narzędzia tnącego,
• większą elastyczność ruchu, która pozwala uzyskać złożone kształty i wzory oraz dostęp do kątów i łuków obróbki w jednym podejściu, które wcześniej wymagały wielu ustawień i zmian przyrządów,
• dokładność obrotową, która nie była możliwa do uzyskania w 3-osiowych maszynach CNC, gdyż za każdym razem gdy element był usuwany z maszyny tracił precyzyjne wyrównanie, co oczywiście miało wpływ na końcową jakość i tolerancje wymiarowe,
• krótkie cykle obróbki, gdyż w obróbce 5-osiowej narzędzie skrawające pozostaje styczne do powierzchni skrawanej i przy każdym przejściu narzędzia usuwa się więcej materiału, a takie podejście prowadzi do zwiększonej wydajności i skróconego czasu obróbki,
• wydłużenie czasu sprawności wrzeciona, co umożliwia ciągłą i wydajną pracę.

Wady 5-osiowych maszyn CNC

Mimo licznych zalet obróbka 5-osiowa ma również swoje minusy. Zakup maszyn CNC tego typu wraz z ich oprogramowaniem, to z reguły wysokie koszty początkowej inwestycji w porównaniu ze standardowymi maszynami 3-osiowymi. Do tego należy doliczyć odpowiednio wysokie koszty późniejszej konserwacji i serwisowania. Nie należy również zapominać, że obróbka CNC 5-osiowa obejmuje dwa dodatkowe ruchy obrotowe poza trzema osiami liniowymi, co czyni ją bardziej złożoną od obróbki 3-osiowej. Koordynacja ruchu wszystkich osi w celu uniknięcia kolizji i zapewnienia precyzyjnej interpolacji może być trudna. Do osiągnięcia bezkolizyjnej pracy maszyny oraz optymalnej jakości powierzchni i precyzji wymagane jest złożone oprogramowanie CAD/CAM, co może wymagać wiedzy wykwalifikowanego programisty. To z kolei wiąże się z wyższymi kosztami pozyskania i utrzymania takiego specjalisty. Potrzebni są również wykwalifikowani operatorzy maszyn CNC, którzy na bieżąco będą potrafili skonfigurować ustawienia i zarządzać złożonością technologiczną maszyny CNC. Mimo to zalety obróbki 5-osiowej generalnie przeważają nad wadami. Ważne jest jednak dokładne przeanalizowanie wyzwań związanych z wprowadzeniem do parku maszyn CNC obrabiarki 5-osiowej.

Kontrola jakości 5-osiowej maszyny CNC

Maszyna CNC 5-osiowa umożliwia znaczne ograniczenie liczby błędów i zwiększenie wydajności w porównaniu do tradycyjnych technik obróbki. Tak, jak w przypadku każdego procesu produkcyjnego kontrola jakości jest niezbędna. Dotyczy każdej fazy procesu CNC i obejmuje również dokumentację czy standardy proceduralne. Kontrola jakości 5-osiowej  obróbki CNC obejmuje trzy podstawowe poziomy: dokładność narzędzia, testowanie części oraz monitorowanie i kontrolę procesu:

• Test dokładności narzędzia odnosi się do ruchu, centrowania i pozycjonowania obrabiarki. Orientacja wrzeciona, wspornika, osi i innych czynników, takich jak prostopadłe pozycjonowanie wału głównego względem stołu roboczego, to różne aspekty testu dokładności narzędzia. Istotne jest, aby kąt i wygięcie wału oraz osi liniowej były dokładne i precyzyjne.
• Test części obejmuje zaprogramowane parametry części, jej położenie, wykończenie powierzchni, tolerancje wymiarowe i geometryczne oraz kształt, tak aby spełniały one wymagania, specyfikacje i zastosowanie.
• Monitorowanie i kontrola procesu to nadzór nad innymi czynnikami testowania. Kroki procesu są badane na każdym etapie, aby uniknąć błędów procesu i zaczynają się od pomysłu i koncepcji, aż do końcowej masowej produkcji i zakończeniu procesu. Wszystkie jego poziomy są dokładnie badane, oceniane i monitorowane, aby uniknąć błędów i marnotrawstwa.

Pomimo wysokiej dokładności i niezawodności 5-osiowej obróbki CNC, kontrola nadal pozostaje kluczowa, aby zapewnić, że produkt końcowy jest zgodny z wizją i wymaganiami klienta.

Jakie są rodzaje 5-osiowej obróbki CNC?

Podstawowa różnica między typami 5-osiowych maszyn CNC leży w położeniu ich osi obrotowych. W niektórych z tych maszyn obrót następuje poprzez przesunięcie stołu, obracając w ten sposób obrabiany przedmiot. W innych obrót jest osiągany poprzez obrót głowicy narzędzia, podczas gdy materiał pozostaje nieruchomy. Maszyny z głowicą obrotową mogą obsługiwać większe i cięższe materiały, ponieważ obrabiany przedmiot nie musi być przesuwany. Natomiast maszyny z wirującym stołem zapewniają większą prędkość i stabilność w przypadku lżejszych przedmiotów.

Kiedy 5-osiowa maszyna CNC jest efektywnie wykorzystana?

Początkowo 5-osiowe maszyny CNC były używane głównie w przemyśle lotniczym, ale obecnie są szeroko stosowane również w innych sektorach. Maszyna CNC 5-osiowa może zastąpić 3-osiową maszynę CNC, oferując gładsze wykończenia i większą wydajność. Skraca ona czasy cykli i minimalizuje potrzebę ręcznej wymiany narzędzi lub zmiany położenia komponentów. W maszynie CNC 3-osiowej zmiana położenia komponentu jest konieczna do obróbki wszystkich jego powierzchni, co może powodować problemy z wyrównaniem i błędy ludzkie. Maszyna CNC 5-osiowa eliminuje te wyzwania, zapewniając łatwy dostęp do wszystkich powierzchni komponentu. Oprogramowanie CAM i CAD dla 5-osiowych maszyn CNC może być wysoce zaawansowane, oferując liczne opcje programowania. Te narzędzia często obejmują funkcje unikania kolizji i postprocesory do bezproblemowej integracji maszyny. Przy odpowiedniej konfiguracji te programy mogą nawet ułatwić taką obróbkę CNC, w której maszyna pracuje bez nadzoru. Obróbka CNC 5-osiowa jest szczególnie przydatna do tworzenia złożonych kształtów 3D i wykonywania tradycyjnej obróbki na powierzchniach kątowych lub nieregularnych. Niektóre typowe branże, które korzystają z obróbki CNC 5-osiowej, obejmują:

• Zastosowania lotnicze, w których ceniona jest możliwość wytwarzania konturowanych krawędzi i gładkich powierzchni. Komponenty lotnicze są często geometrycznie złożone, a precyzja 5-osiowej maszyny CNC jest kluczowa dla uzyskania skomplikowanych detali i cięć wewnętrznych. Ponadto zdolność maszyny do ukończenia komponentu w jednym przejściu bez zmiany położenia zwiększa dokładność i wydajność.
• Produkcję urządzeń medycznych, w których obróbka CNC 5-osiowa oferuje znaczące korzyści producentom implantów, urządzeń i innych precyzyjnych części. Wysoka precyzja maszyn umożliwia wydajne produkowanie małych, misternie szczegółowych komponentów, oszczędzając czas i pieniądze, dzięki zwiększonej dokładności i usprawnionym procesom.
• Zastosowania wojskowe, gdzie 5-osiowe maszyny CNC są często używane do produkcji precyzyjnych części do urządzeń wojskowych. Oprócz zastosowań lotniczych, produkują komponenty do łodzi podwodnych, łopatki sprężarek, turbiny, inteligentną broń, czujniki, części silników o wysokiej wydajności, technologię stealth, a nawet broń jądrową. Chociaż nie wszystkie komponenty są związane z wojskiem, prawie połowa wszystkich 5-osiowych maszyn CNC na świecie jest kupowana na potrzeby projektów lub kontraktów z udziałem rządu amerykańskiego.
• Sprzęt energetyczny, a konkretnie do produkcji określonych i szczegółowych części wymaganych przez sektor energetyczny. Podczas pracy ze szczególnie twardymi lub ściernymi materiałami maszyny te zapewniają stabilność, ułatwiając kształtowanie i cięcie materiału. Zwiększają również wydajność procesu i zmniejszają zużycie narzędzi.
• Farmaceutykę i przetwórstwo żywności oraz wiele in.

Jak najlepiej wykorzystać możliwości, jakie oferuje 5-osiowa maszyna CNC?

Na początek warto zebrać jak najwięcej informacji, aby podjąć decyzję czy zastosować obróbkę 3-osiową czy 5-osiową oraz przeanalizować koszty. Czasami nie warto uruchamiać maszyny 5-osiowej, gdy podobne prace wykona maszyna CNC o mniejszej liczbie osi.

Kolejny krok to zastosowanie oprogramowania symulacyjnego, aby zweryfikować każdy proces przed wysłaniem go z systemu CAD w celu uniknięcia kolizji. Podczas pracy na maszynie 5-osiowej trudno jest zwizualizować punkty kolizji. Dzięki oprogramowaniu można dokładnie monitorować długość narzędzia, interferencję narzędzia i rozmiar części. Należy również pamiętać, aby pracować z narzędziami przeznaczonymi do obróbki 5-osiowej, szczególnie przy dużych prędkościach. Maszyna CNC 5-osiowa oferuje możliwość podjęcia zadań, których wcześniej nie mogły wykonać maszyny o mniejszej liczbie osi. Przejście z 3-osiowych maszyn na maszynę CNC 4+1 lub nawet pełną 5-osiową jest kolejnym logicznym krokiem w planowaniu inwestycji i produkcji. Ze względu na cenę takich maszyn zaleca się jednak, aby dobrze przemyśleć, które procedury najlepiej spełnią określone wymagania produkcyjne. Istnieje również potrzeba wyboru odpowiedniego rodzaju obrabiarki CNC, aby w pełni zrealizować rentowność i wydajność produkcji.