Мастер 5-осевой ЧПУ-обработки: экспертное руководство для точного производства

Введение в 5-осевую ЧПУ-обработку

Когда говорят о многоосевой ЧПУ-обработке или множественной обработке, 5-осевая ЧПУ-обработка всегда упоминается как передовой метод производства. Полная 5-осевая ЧПУ-обработка означает способность станка перемещать инструмент или заготовку в пяти разных осях одновременно. 5-осевая ЧПУ-обработка считается более развитой и изощренной версией процесса ЧПУ-обработки.

Что такое 5-осевой станок ЧПУ?

Как мы знаем, 5-осевая ЧПУ-обработка достигается на 5-осевых станках ЧПУ. В наши дни 5-осевые станки ЧПУ считаются невероятно отличными для создания сложных форм с лучшей чистовой отделкой. Люди могут узнать много о 5-осевой ЧПУ-обработке, поняв, как работают 5-осевые станки ЧПУ в цеху ЧПУ.

В 5-осевом процессе обработки есть две дополнительные оси по сравнению с осями X, Y и Z. Две дополнительные оси могут быть либо A и B, либо A и C, либо B и C. Они задействованы для завершения обработки высокосложных форм. Теперь вопрос: как другие две оси развертываются в 5-осевом процессе ЧПУ-обработки?

Две дополнительные оси используются за счет движения стола, на котором закреплен обрабатываемый материал. Таким образом, стол может вращаться в любую сторону на 360 градусов вокруг режущего инструмента, давая станку доступность к боковой резке. В то же время, если рассматривать движение одной оси, либо в положении A, B или C, вращение ограничено 180 градусами. В 5-осевом процессе обработки либо происходит качание головки инструмента относительно неподвижной заготовки, либо вращение или движение стола под углом, дающее столу наклонное положение. В зависимости от требований к признакам, стол может наклоняться под разными углами для достижения сложных форм. В зависимости от размера и веса объекта, подлежащего необходимому производству, выбор либо качания, либо вращения стола решается. Если работа тяжелее, то она подвергается качанию, иначе 5-осевая обработка идет с наклоном стола для выполнения требуемого процесса обработки. Существуют также разные виды 5-осевой обработки из-за типов 5-осевых станков ЧПУ.

Каковы типы 5-осевых станков ЧПУ?

Для удовлетворения разных потребностей рынка производители ЧПУ-оборудования предоставили разные типы 5-осевых станков ЧПУ. Среди типов есть базовая разница в гибкости вращения стола или движения режущего инструмента в разных направлениях. Они в основном заключаются в следующих пяти типах 5-осевых станков ЧПУ.

1. Тип с двойной поворотной головкой шпинделя

В этом типе две вращающие координаты напрямую контролируют направление оси инструмента.

2. Тип с качающейся головкой с тангажем

Две координатные оси находятся на вершине инструмента, но ось вращения не перпендикулярна линейной оси.

3. Тип с двойным вращающимся столом

В этом типе 5-осевой обработки две вращающие координаты напрямую контролируют вращение пространства.

4. Тип с качающимся рабочим столом

Две координатные оси находятся на рабочем столе, но ось вращения не перпендикулярна линейной оси.

5. Тип вращающийся стол + качающаяся головка шпинделя

В этом типе две вращающие координаты действуют в разных местах. Одна действует на инструмент, а другая — на заготовку.

5-осевая ЧПУ-обработка VS 3+2 обработка VS 4+1 обработка

5-осевая обработка = 5-сторонняя обработка?

Многие люди до сих пор не могут отличить 5-осевую ЧПУ-обработку от 5-сторонней обработки, хотя они исследуют промышленность ЧПУ-обработки уже много лет. Они даже часто путают их или думают, что 5-осевая ЧПУ-обработка относится к 5-сторонней обработке. На самом деле они отличаются друг от друга. В этом разделе мы подробно объясним их различия.

3+2 осевая ЧПУ-обработка

3+2 ЧПУ-обработка означает три оси центра обработки, плюс одна вращательная и одна наклонная. 3+2 ЧПУ-обработка также известна как пятисторонняя обработка. Это означает, что вы можете обработать пять сторон детали в одной установке.

В этой версии процесса ЧПУ-обработки три оси используются одновременно, в то время как две другие оси используются для перепозиционирования заготовки, подлежащей производству. Например, если мы контролируем оси X, Y и C одновременно, то оси Z и A будут использоваться для позиционирования.

4+1 осевая ЧПУ-обработка

4+1 ЧПУ-обработка означает, что она использует структуру 5-осевого станка, но удерживает одну из вращательных или наклонных осей фиксированной. 4+1 обработка более способна, чем 3+2 ЧПУ-обработка. Однако это все еще не настоящая полная 5-осевая ЧПУ-обработка.

В этом процессе обработки ясно, что четыре оси будут задействованы одновременно, в то время как только одна ось останется неподвижной и будет развернута для функции позиционирования. Например, мы можем двигаться одновременно по осям X, Y, B и C, в то время как ось Z будет использоваться для установки позиции материала.

Полная 5-осевая ЧПУ-обработка

Что касается полной 5-осевой обработки, она относится к тому, что все пять осей станка движутся одновременно (3 линейные оси, одна вращательная и одна наклонная). Она способна производить очень сложные детали. Это 5-осевая связная обработка.

В этом случае все пять осей работают одновременно для достижения высококлассных результатов. Конвенциональные три оси, такие как X, Y и Z, развернуты для поступательного движения, в то время как две другие оси, обычно называемые B и C, используются для наклона или полного вращения инструмента или заготовки в зависимости от признаков станка ЧПУ.

5-осевая ЧПУ-обработка — подходящий метод для обработки крючковидных поверхностей, необычных форм, полостных деталей, косых отверстий и т.д. В то время как 5-сторонняя обработка похожа, но более способна, чем 3-осевая обработка. Она может обрабатывать только пять сторон, но не сможет достичь некоторых специальных операций в одной установке.

Процедура программирования 5-осевых станков ЧПУ довольно похожа на традиционные 3-осевые станки ЧПУ, в которых сначала пользователь создает CAD-модель желаемого продукта. Затем ПО генерирует G-код для модели детали соответственно. Однако 5-осевые станки ЧПУ задействуют угловые значения в дополнение к осевым, что делает G-код немного более сложным. Углы определяются в зависимости от конфигурации стола и головки 5-осевого станка ЧПУ.

Инструменты, используемые в 5-осевых станках, также улучшены в отношении их геометрии и форм. Более стремительные формы и геометрии режущих инструментов дают лучшие результаты в виде допусков и посадок готовых продуктов. Однако тип материалов все еще похож на конвенциональные методы, зависящие от прочности режущего материала.

Бонус:

1. 5-осевая обработка или пятиосевая обработка иногда сокращается просто до 5X ЧПУ-обработки.
2. В реальном серийном производстве 90% работы, выполняемой 5-осевыми станками, на самом деле является просто 5-сторонней (только позиционирование). Знаете почему? Из-за структуры и реальных требований деталей функция пятиосевой связи не была задействована. Именно поэтому люди путают 5-осевую ЧПУ-обработку и 5-стороннюю обработку.

Цены 5-осевых станков ЧПУ

Цены 5-осевых станков ЧПУ обычно очень высоки и сильно варьируются в зависимости от признаков и типа станка ЧПУ. Стоимость идет от $10,000 до $500,000 в зависимости от разных факторов. Однако малые предприятия с низкой производственной мощностью могут приобрести услуги такой инновационной технологии почасовыми ставками. Компании, производящие 5-осевые станки ЧПУ, обычно предоставляют такие индивидуальные решения по 5-осевой ЧПУ-обработке.

Типы конфигураций для 5-осевого центра обработки

Стол-стол, головка-стол и головка-головка — примеры распространенных комбинаций 5-осевых станков ЧПУ.

Первая конфигурация — стол-стол, также характеризуемая как станок с труннионным столом. Обе вращательные оси содержатся в труннионном столе, а головка всегда неподвижна, вращая деталь на столе. Эта установка основана на стандартном 3-осевом станке ЧПУ, с двумя вращательными осями, используемыми для позиционирования заготовки в желаемой ориентации. Труннионный станок ЧПУ обеспечивает лучшие возможности для подрезки, большие рабочие объемы и лучшую скорость и долговечность. Качающаяся или шарнирная головка, доступная в конфигурации головка-головка или головка-стол, является второй конфигурацией 5-осевого станка.

В отличие от труннионного типа, головка-головка, где головка выполняет все вращения, стол статичен. Головка-стол, но с другой стороны, состоит из наклонной головки и вращающегося стола, что позволяет использовать более короткие или стандартные по длине инструменты. Качающиеся головки могут перемещать головку инструмента вокруг блока, чтобы вписаться в маленькие пространства. Качание шпинделя устанавливает вращательные оси так, что более тяжелые материалы могут быть легко обработаны и сформированы на 5-осевых станках ЧПУ.

Зачем переходить на 5-осевую ЧПУ-обработку?

Преимущества 5-осевых станков ЧПУ огромны. Эти станки используются в разных производственных группах, таких как медицинские инструменты, требующие очень гладких и сложных форм, авиационное оборудование, требующее высококлассной чистовой отделки и гладких концов, другие секторы, требующие жестких допусков и массового производства продуктов.

Одна из базовых потребностей 5-осевого процесса обработки — ловкость выполнять вычитательные процессы и получать те сложные геометрии, которые довольно трудно получить с конвенциональной 3-осевой ЧПУ-обработкой. Например, когда нам нужны резание, сверление и нарезка резьбы все одновременно на разных гранях куска материала под разными углами, то простой станок ЧПУ требует много усилий. Пользователь должен менять позиции заготовки, чтобы создавать углы в процессе резания, если он идет с простой ЧПУ-обработкой. Это займет много времени и усилий. Именно здесь 5-осевые станки ЧПУ эффективно завершают работу.

5-осевой станок ЧПУ может создавать такие формы и углы в один проход, тем самым сокращая время и усилия с повышенной точностью и качеством чистовой отделки. Когда достигнуты разные формы и геометрии, и лид-тайм сокращается, это увеличивает производственный объем даже при смешанном производстве. Отрасли вроде авиакосмической, автомобильной, медицинской и похожих других, требующих, чтобы их продукты были высокоточными и точными профилями, 5-осевая обработка служит лучше всего. Поскольку человеческое участие уменьшено в процессе обработки, высокие допуски и стандарты достигаются с 5-осевыми станками ЧПУ. Любой с правильным станком, хорошими знаниями CAD (компьютерно-основанного проектирования) и выбором материалов может использовать 5-осевые станки ЧПУ для создания своих продуктов помимо производящей компании.

Преимущества 5-осевой ЧПУ-обработки

Когда мы дошли до этого, мы можем заключить преимущества 5-осевых станков ЧПУ следующим образом:

1. Сокращение лид-тайма и увеличение скорости производства
2. Повышение точности и качества процесса обработки
3. Ловкость для получения сложных геометрий и форм
4. Расширение производственной мощности
5. Замена разного обработческого оборудования одним 5-осевым станком ЧПУ
6. Снижение потенциальных ошибок на каждом этапе процесса обработки
7. Более долгий срок службы режущих инструментов благодаря автоматическому выбору инструмента и оптимизированной скорости резания
8. Высококлассная чистовая отделка из-за меньших вибраций в 5-осевых станках ЧПУ

Программирование 5-осевого станка ЧПУ

Процедура создания G-кода для станка ЧПУ начинается с CAD-модели, спроектированной в любом моделирующем ПО. Затем CAD-модель обычно превращается в алгоритм, т.е. G-код, содержащий всю необходимую информацию, такую как скорость шпинделя, подача и осевые движения режущих инструментов. Алгоритмы, используемые для управления высокоскоростным режущим инструментом 5-осевых станков ЧПУ, не сильно отличаются от конвенционального 3-осевого G-кода. Однако движение режущего инструмента под разными углами или наклонение положения стола требует информации о продвигающихся углах и кривизнах путей.

При программировании на 5 осях у нас есть две возможности для управления вращательными движениями и позициями. Мы можем использовать вращательные углы или векторы инструмента для вывода данных. Векторы инструмента — это в основном команды, развернутые в конце осей X, Y и Z, которые дают информацию инструменту вращаться или наклоняться под определенным углом. Приложение уникально для каждой разной настройки станка из-за использования векторов инструмента IJK. Станку позволено использовать любые оси, которые у него есть, для позиционирования инструмента в его командную позицию и угол наклона, потому что он не командует никаким конкретным вызовом оси (A, B или C). Эта гибкость позволяет делить одну и ту же запрограммированную деталь между множеством станков в цеху независимо от конфигурации станка.

Существуют разные пакеты ПО для ЧПУ-программирования, которые могут использоваться для создания G-кода, развертываемого в 5-осевых станках ЧПУ. ПО вроде Autodesk, Mastercam, Siemens NX, PowerMill и Edgecam — наиболее часто используемое ПО для программирования 5-осевых станков.

Шаги, которые нужно учитывать при 5-осевом процессе ЧПУ-обработки

• Убедиться, что есть достаточная частота обработки станка ЧПУ для управления путем режущего инструмента, заданным G-кодом, загруженным в станок ЧПУ.
• Для создания полностью функциональных ЧПУ-операций также убедиться, что функции опережения (look ahead), позволяющие NC-станку вычислять быстрее.
• Выбрать лучшую систему держава инструмента для процесса ЧПУ-обработки, обеспечивающую безвибрационное движение инструмента при создании профиля на материале.
• Контролировать скорость подачи в процессе для поддержания долговечности режущего инструмента. Контроль скорости режущих инструментов на разных материалах — базовый ключ к увеличению срока службы режущего инструмента.
• Еще один очень важный фактор, за которым нужно следить — контроль тепла шпинделя с использованием соответствующего охлаждающего средства. Поэтому разные смазки или водяные струйные системы используются для поддержания низкой температуры кончика режущего инструмента и очистки опилов с позиции режущего инструмента.
• Также, перед тем как подвергать заготовку производству прямо в 5-осевом станке ЧПУ, лучше сделать симуляцию траектории инструмента, которая может обеспечить правильный процесс с корректными результатами.

Режущие инструменты для процесса ЧПУ-обработки

Материалы режущих инструментов, используемых для резания или формовки заготовки в 5-осевых станках ЧПУ, не отличаются от 3-осевых станков ЧПУ. Однако станции держава инструментов сильно отличаются, а возможность смены инструмента в 5-осевом ЧПУ значительно улучшена. Они также включают автоматические смены заготовки или автоматический паллет-ченджер, который снижает человеческое взаимодействие с режущим инструментом и материалом в процессе производства. Эта гибкость также позволяет высокосмешанное или малообъемное производство, повышающее эффективность любой производственной компании. В 5-осевой ЧПУ-обработке в автоматическом магазине смены инструментов 60-120 станций держава. Большее количество станций держава обеспечивает настройку работы на довольно сложных дизайнах.

Выбор материала режущего инструмента зависит от разных факторов: материал инструмента должен быть на 40-60% прочнее материала, на котором он работает. Аналогично, он должен иметь высокую теплопроводность с низким коэффициентом трения. Также фабрикация материала режущего инструмента должна быть легкой, чтобы они могли быть легко доступны. Некоторые материалы режущих инструментов, используемые в ЧПУ-обработке, приведены ниже:

Углеродистая сталь

Этот материал — самый популярный режущий материал в ЧПУ-обработке благодаря доступности и низкой стоимости. Содержит небольшое количество марганца и кремния с 0.6-1.5% углерода.

Быстрорежущая сталь

Этот материал — второй по распространенности в ЧПУ-обработке из-за своей долговечности и высокой износостойкости. Содержит вольфрам, хром, молибден с разумным количеством углеродистой стали.

Твердые сплавы

Эти материалы используются для операций сверхвысокоскоростного резания, так как этот материал имеет высокую теплостойкость и может выдерживать температуру вроде 1000°C. Состав в основном включает вольфрам, титан и тантал.

Керамика

Этот материал химически инертен и не корродирует, поэтому может служить дольше по сравнению с металлическими режущими инструментами в коррозивных средах. Эти инструменты даже в десять раз быстрее ВРС. Их материал в основном состоит из нитрида кремния и оксида алюминия.

Другие материалы режущих инструментов включают алмазные насадки, нитрид кубора или кермет.

Геометрии режущих инструментов

5-осевые режущие инструменты слегка отличаются от конвенциональных, так как они подвергаются угловому резанию, поэтому должны быть более гибкими в своих формах для выполнения работы.

Концевые фрезы: Это вращающие режущие инструменты, которые могут использоваться для удаления материала, особенно в 5-осевых станках ЧПУ. Концевая фреза, как сверло, используется для более многозадачных операций обработки. Концевые фрезы — боковые режущие инструменты, которые режут в любом направлении, в отличие от сверл, которые могут резать только осево по материалу. Разные категории концевых фрез:

Шаровые концевые фрезы: Этот тип концевой фрезы имеет идеальное 3-D контурное действие, генерирующее высококлассные изогнутые профили. Наклон оси инструмента позволяет канелям захватить материал, оттягивая его от детали, а не вталкивая, вызывая накопление на самом резе, и поверхности детали.

V-биты: Это тоже вид концевых фрез, обычно доступны в двух вариантах: 90° или 60°, полностью зависящих от требуемой впадины на материале в производстве.

Многоканальные концевые фрезы: Когда в игре больше кромок с большим количеством канавок на режущем инструменте, процесс обработки может поддерживать более высокие скорости и подачи. Кроме того, дополнительные канавки увеличивают режущую поверхность инструмента, приводя к более долгой жизни инструмента. Эти преимущества в сумме дают значительно более высокие скорости удаления металла, лучшую чистовую отделку и контроль общих затрат.

Сверла со спиральными канавками: Этот режущий инструмент имеет две канавки с двумя сторонами для удаления материала с заготовки. Это самый распространенный тип режущих инструментов в НК-обработке. У него три основные части, как у других режущих инструментов: хвостовик, корпус и режущая кромка.

Цены 5-осевых станков ЧПУ

Закупочная стоимость 5-осевого станка ЧПУ сильно варьируется. Она может варьироваться от тысячи долларов до пятисот тысяч долларов. Цена зависит от размера, признаков и типа станка ЧПУ. Некоторые важные факторы вариации цены 5-осевых станков ЧПУ:

• Тип материала заготовки: сталь, алюминий, титан или другие
• Дизайн станка ЧПУ: труннионный или качающийся тип
• Категория осей: 3+2, 4+1 или полная 5-осевая ЧПУ-обработка
• Размер станка и другие признаки: держащая способность инструмента и мощность шпинделя

Некоторые простые сравнения для разных типов 5-осевых станков ЧПУ приведены ниже:

• 3+2 5-осевая фрезерная машина ЧПУ может стоить $35,000 – 200,000
• Труннионный 5-осевой фрезерный станок ЧПУ стоит около $200,000 – 500,000
• Качающаяся головка 5-осевой фрезерный станок ЧПУ стоит почти $150,000 – 500,000
• Мини 5-осевая фрезерная машина ЧПУ цены варьируются от $3,000 – 10,000
• 3+2 5-осевая малая фрезерная машина ЧПУ может быть приобретена в диапазоне $25,000 – 40,000

Обычно цены 5-осевых станков ЧПУ довольно высоки, но кто у кого требуются услуги 5-осевой ЧПУ-обработки, также может получить индивидуальное ЧПУ-производство почасовыми ставками.

Индивидуально проектируемые услуги 5-осевой ЧПУ-обработки

Потребность в 5-осевой ЧПУ-обработке выросла во всем мире благодаря ее гладкой отделке, точным допускам и меньшему времени. Однако для малообъемного производства станки ЧПУ могут быть очень дорогими для покупки и не дают максимума от станка, когда нет достаточной работы или вам не нужно его надолго. Поэтому крупные компании или производители также предоставляют услуги ЧПУ-обработки. Услуги оплачиваются на почасовой основе. Цены за час использования 5-осевых станков могут снова варьироваться в зависимости от типа станка ЧПУ. Однако клиент получает индивидуальные решения и персонализированное производство деталей, получая эти услуги. Цена 5-осевой услуги ЧПУ-обработки может быть от $50 до $200 в час, что можно переговорить и напрямую договориться с компанией-провайдером.

Заключение

5-осевая ЧПУ-обработка на самом деле отличается от 5-сторонней ЧПУ-обработки. Существует 5 разных типов 5-осевых станков ЧПУ. С профессиональной точки зрения, многоосевая обработка вроде 3+2 и 4+1 обработки либо довольно ПОЛНАЯ 5-осевая обработка. То, что они могут сделать — это 5-сторонняя обработка. Но 4+1 ЧПУ-обработка более способна, чем 3+2 обработка.