3-осевая, 4-осевая и 5-осевая обработка с ЧПУ:объяснение основных отличий

«Сложность деталей, скорость обработки, точность и общая гибкость производства во многом зависят от того, по скольким осям может перемещаться режущий инструмент ?»        

В производстве станки с ЧПУ имеют различные возможности осей:2-, 3-, 5-, 9- или даже 12-осевые. Однако наиболее распространенными являются станки с числом осей до 5. Это может сбить вас с толку относительно того, какой из них следует использовать для достижения наилучших результатов, сохраняя затраты в рамках вашего бюджета. Итак, вам необходимо глубокое понимание различий между 3-, 4- и 5-осевым фрезерованием. .

Давайте рассмотрим плюсы, минусы и промышленное применение 3-, 4- и 5-осевой обработки.

Что означает 3-, 4- и 5-осевая обработка? 

Станки с ЧПУ имеют различные возможности обработки по осям, наиболее распространенными являются 3, 4 и 5 осей. Каждая ось определяет возможность перемещения режущего инструмента в определенном направлении. 

Трехосевая обработка означает, что инструмент движется в трех линейных направлениях:X, Y и Z.  

• Ось X: Горизонтальное направление слева направо  
• Ось Y: Направление спереди назад.
• Ось Z: Направление вверх и вниз (вертикальное) 

По сути, 3-осевой фрезерный станок обрабатывает трехмерные направления относительно неподвижной работы. Он создает менее сложные формы, и если вы хотите обработать разные стороны детали, потребуется изменить положение.

В 4-осевых фрезерных станках помимо этого используется еще одно перемещение:ось A. , где работа может вращаться вокруг оси X. Следовательно, 5-осевые станки могут вращать заготовку в двух направлениях (A и B или C). ):Вокруг осей X и осей Y (или Z), что позволяет повысить сложность без дополнительной настройки или изменения положения.   

4- или 5-осевой фрезерный станок с ЧПУ может обрабатывать плоскость, глубину и контур за один установ, что делает его идеальным для сложных конструкций с чрезвычайно высокой детализацией. Он может выполнять многостороннюю обработку, создавать угловые детали и сложные профили. 

Основные различия между 3-осевой, 4-осевой и 5-осевой обработкой

Прежде всего, существуют разные типы станков с ЧПУ, и фрезерный — один из них. В этой категории фрезерование подразделяется на другие категории в зависимости от возможностей осей, например, 3-, 4- и 5-осевое фрезерование.  У каждого разные возможности. 

Их сложность настройки, возможности обработки, программирование ЧПУ, эксплуатация, стоимость, эффективность времени, точность и требования к техническому обслуживанию также различаются. Понимание этих различий имеет решающее значение, прежде чем решить, какой из них лучше всего подходит для производства ваших деталей и продуктов. 

Настройка и программирование машины

Поскольку оси обработки на 4- и 5-осевых фрезерных станках выше, их сложнее настраивать. Они требуют точного удержания заготовки и выравнивания центра заготовки с осью вращения. С другой стороны, трехосевое фрезерование с ЧПУ имеет гораздо более простую настройку. Однако для многогранного фрезерования требуется повторный зажим. 

В 3-х осях достаточно базовых кодов G&M для линейных движений. Но вам нужны сложные и длинные коды для более высоких осей, например добавление нового фиксированного угла поворота после линейной резки посредством индексации или непрерывного движения для одновременной резки и вращения. 

Эксплуатационная сложность

Поскольку 5-осевые обрабатывающие центры и фрезерные станки с ЧПУ используют сложные программы, их сложнее эксплуатировать, чем 3-осевые станки. Небольшие ошибки в настройке или коде могут привести к неточности и сбоям. Кроме того, существует больший риск столкновения инструмента из-за сложной траектории обработки. 

Поэтому для эксплуатации 5- или 4-осевого фрезерного станка с ЧПУ требуются опытные технические специалисты и инженеры с большим опытом. 

Скорость производства

Поскольку 4- и 5-осевые станки способны вращать заготовку и снимать материал под разными углами, они работают быстрее и точнее. За один проход машины можно работать со многими различными инструментами и резать заготовку с нескольких сторон одновременно. Этот непрерывный процесс исключает многочисленные настройки и выравнивания, различные инструменты перемещаются по заранее определенным путям и удаляют материал из работы; тем временем сама работа поворачивается на несколько сторон, пока не будет достигнута окончательная форма. Однако, если вам нужно обработать только одну сторону заготовки, 3-осевые фрезерные станки по-прежнему обеспечивают хорошую скорость производства.

Эффективность затрат

4-осевая и 5-осевая обработка дороже, чем 3-осевая обработка с ЧПУ, но ее стоит выбирать для применений, требующих высокого уровня точности и функциональности. Например, сложные кулачки, винтовые фрезерованные профили и т. д. Между тем, простые формы и профили экономически эффективны, и их лучше производить на трехосных станках. 

Точность и аккуратность

Операции 4- и 5-осевой обработки обеспечивают более точные и точные результаты как при прототипировании, так и при полномасштабном производстве. Разница допусков между 3, 4 и 5-осевым фрезерованием с ЧПУ составляет приблизительно ±0,001″, ±0,001″/±0,01° и ±0,0005″/±0,008° одновременно. В частности, вероятность ошибки возрастает, если вы используете трехосные станки для многосторонних задач, поскольку их необходимо многократно зажимать.

Детали/изделия сложной конструкции

Как упоминалось ранее, 4- и 5-осные фрезерные станки предпочтительнее для обработки очень сложных конструкций с детализацией. 3-осевые фрезерные станки одновременно работают только с одной стороной заготовки (2,5 D) или требуют переналадки для формирования другой стороны. Между тем, оси 3+1 или 3+2 обеспечивают вращение заготовки и непрерывное фрезерование. 

• 3 оси: Простые конструкции с такими элементами, как плоские профили, карманы и прорези, вертикальные отверстия, выступы, фаски, ступенчатые поверхности и т. д. 
• 4-оси: Конструкции с радиальными узорами, спиральными или винтовыми канавками, боковыми отверстиями, угловыми вырезами и т. д. 
• 5-ось: Сложные конструкции со сложными элементами, такими как поверхности произвольной формы, подрезы, отверстия под углом по нескольким осям и т. д. 

Качество отделки поверхности

5- или 4-осевые операции с ЧПУ позволяют добиться идеальной и зеркальной поверхности, значение Ra до 0,4 мкм. Это происходит благодаря оптимальным углам наклона инструмента, более коротким инструментам и непрерывной резке. С другой стороны, 3-осевое фрезерование позволяет получать поверхности с минимальным значением шероховатости 1,6 мкм. 

Применение 3-, 4- и 5-осевого фрезерования

Сам процесс обработки с ЧПУ находит применение в нескольких отраслях, независимо от возможностей оси. Единственная разница заключается в том, что станки с более высокими осями используются для производства сложных и ответственных деталей, обработанных на станках с ЧПУ, тогда как более низкие оси (например, 3) в основном используются для того, чтобы сделать детали менее критичными с точки зрения точности и иметь простые геометрические характеристики.  Например, простые пластины и корпуса для электроники экономически выгодно производить с помощью 3-осевого ЧПУ, тогда как такие изделия, как индивидуальные медицинские имплантаты или компоненты авиационных двигателей, производятся с 5- или даже более осевыми ЧПУ из-за необходимости высокой точности.

В следующей таблице показаны различия в применении 3-, 4- и 5-осевого фрезерования с ЧПУ в распространенных отраслях с примерами;

Промышленность Приложения для 3-осевого фрезерования Приложения для 4-осевого фрезерования Приложения для 5-осевого фрезерования Автомобильная промышленность Кронштейны тормозных суппортов, монтажные пластины двигателя, детали ступиц колес. Распределительные валы, головки цилиндров, корпус редуктора. Порты головки блока цилиндров, прототипы легкосплавных дисков, впускные коллекторы двигателя, аэрокосмическая отрасль. Кронштейны, крепления и т. д. Корни лопаток турбины, концевые фитинги ветрового лонжерона и специальные кронштейны. Топливные форсунки, детали шасси и секции фюзеляжа. Медицинская медицинская мебель, лотки и простые инструменты. Корни лопаток турбины, конец ветрового лонжерона. фитинги и специальные кронштейны.Головки цилиндров, пресс-формы, испытательные прототипы, компоненты трансмиссии.ЭлектроникаПечатные платы, радиаторы, корпуса, разъемы,корпусаИндивидуальные имплантаты (тазобедренные/коленные/зубные), хирургические роботы, протезы, детали диагностических устройствНестандартные радиаторы с плотными ребрами, микроразъемыОснастка для пресс-формФормы с угловыми элементами, охлаждающие каналы, отверстия для выталкивающих штифтовСложные литьевые формы, глубокие штампы полости, выточки, зеркальные профили пресс-форм, Скважинный инструмент, лопатки турбин, детали компрессоров, сложные клапаны. ЭнергияСтандартные детали, кронштейны, простые клапаны, блоки цилиндров. Корпуса клапанов, роторы, рабочие колеса. Лопатки турбин, детали компрессоров, сложные клапаны.

Преимущества и недостатки 3-осевого фрезерования

Преимущества

• 3-осевой станок с ЧПУ прост и экономичен; для этого не нужны высококвалифицированные операторы и сложное программирование. 
• Он отлично справляется с обработкой плоских поверхностей, например, сверлением, правкой, прорезями и т. д.
• Настройка инструмента намного проще и быстрее, чем на станках с более высокой осью. 
• Его можно использовать для многосторонней обработки путем повторного зажима заготовки и регулировки инструмента.

Недостатки 

• С помощью трехосного фрезерования сложно формировать сложные геометрические элементы, такие как глубокие полости, неровные контуры, угловые элементы и подрезы. 
• У него более длительное время цикла и сравнительно низкая точность размеров.

Преимущества и недостатки 4- и 5-осевого фрезерования

Преимущества

• Четыре оси позволяют вращать работу вокруг оси X, а пять осей — вокруг осей X и Y. Таким образом, повышается гибкость процесса фрезерования.
• Более высокая точность и единообразие даже для сложных проектов. 
• Вы можете обрабатывать все стороны заготовки, не меняя ее ориентации, что сокращает время цикла и повышает точность.
•  Легко выполнять операции обработки под углом и сложную контурную обработку. 
• Это снижает затраты на установку и приспособления, поскольку вы можете непрерывно вращать заготовку и фрезеровать. 
• В частности, фрезы поддерживают оптимальный угол контакта, что помогает добиться превосходного качества обработки поверхности.

Недостатки 

• Для управления 4- и 5-осными фрезерными станками требуются высококвалифицированные операторы и сложное CAM-моделирование. 
• Для более простых прототипов и продуктов они могут быть дорогими из-за высоких затрат на оборудование и первоначальную настройку. 
• Затраты на производство оправданы только для деталей промышленного класса и машинной обработки с ЧПУ, требующих высокого уровня точности для функциональности. 

Как выбрать между 3-, 4- и 5-осевым фрезерованием?

Нельзя однозначно ответить, какой из 3-, 4- и 5-осевого фрезерования лучше. Правильный вариант зависит от требований и сложности выполняемой работы. 

Некоторые критические соображения заключаются в следующем; 

Сложность дизайна

Во-первых, подумайте, какие геометрические особенности имеет ваш дизайн:простые 2,5D и плоские элементы или сложные элементы, такие как подрезы и неровные контуры? Если сложно, вам нужно обработать свою деталь фрезерованием по более высоким осям (4 или 5). Например, лопатки турбин и инструменты для формования пластмасс.

Допуск и повторяемость

 Нужны ли вам очень жесткие допуски, например 0,0005 дюйма, для производительности и функциональности или достаточно общих допусков? Если да, то 4- и 5-осевые станки могут обеспечить это только с превосходной стабильностью. В противном случае выберите 3-осевое фрезерование. 

Индустрия приложений

Также важно учитывать отрасль, для которой вы производите. Если детали/прототипы предназначены для отраслей, чувствительных к точности, таких как аэрокосмическая, медицинская или оборонная промышленность, вам может потребоваться выбрать более высокие оси. В противном случае вы можете выбрать станки с 3 осями. 

Объем и стоимость производства

Объем производства и себестоимость связаны друг с другом. Большие объемы значительно снижают себестоимость производства детали, особенно при обработке по более высоким осям. Потому что затраты на программирование, этапы и инструменты распределяются на несколько партий. Для небольших партий вы все равно можете использовать 3-осевые фрезы, отрегулировав настройку, даже для конструкций умеренного уровня сложности. 

Услуги по многоосной обработке в RapidDirect 

Если у вас есть готовый проект и вы не уверены, какой фрезерный станок сможет обеспечить желаемые результаты по лучшим ценам. Вы можете получить сравнительные расценки, загрузив свой дизайн здесь. . В RapiDirect мы не только предоставляем услуги обработки с ЧПУ, но также помогаем вам выбрать правильный метод обработки и оптимизировать бюджет вашего проекта. 

Кроме того, у нас есть собственный обрабатывающий центр с 3, 4, 5, 6 и даже более высокоосными фрезерными станками, которые могут воплощать в жизнь сложные 3D-модели с предельной точностью. Наши инженеры и операторы имеют более чем десятилетний опыт многоосной обработки, который вы можете использовать для успеха своих проектов обработки с ЧПУ.