Obróbka 5-osiowa: kiedy naprawdę jest potrzebna?

Klasyczna obrabiarka przesuwa narzędzie w trzech osiach liniowych: X, Y i Z. Maszyna 5-osiowa dodaje do nich dwie osie obrotowe, zwykle oznaczane A, B lub C, umieszczone w stole, we wrzecionie lub w obu: mówi się o kinematyce stół-stół, głowica-stół lub głowica-głowica. Te obroty ustawiają część względem narzędzia albo narzędzie względem części.

Za tym samym terminem kryją się dwa tryby pracy, a różnica w kosztach jest znaczna.

• 3+2 osie (5 osi pozycjonowanych): osie obrotowe ustawiają część w danej orientacji i blokują się, po czym obróbka odbywa się w trzech osiach. Dzięki temu w jednym zamocowaniu uzyskuje się dostęp do kilku ścian i płaszczyzn pochylonych.
• 5 osi jednoczesnych (ciągłych): wszystkie pięć osi porusza się razem podczas skrawania, aby podążać za powierzchniami krzywoliniowymi, utrzymując narzędzie w korzystnej orientacji.

Szczegóły podaje słownik. Warto przede wszystkim pamiętać, że wiele części określanych jako „5-osiowe” wykonuje się w 3+2 i nie wymagają one kinematyki jednoczesnej, droższej w programowaniu.

• Mniej zamocowań. Ściany są obrabiane w jednym mocowaniu: skraca się czas manipulacji i ustawiania, a błąd ponownego pozycjonowania między dwoma zamocowaniami znika.
• Lepsze relacje między ścianami. Otwory ukośne, płaszczyzny pochylone i położenia względne są utrzymane razem, bez przezbrajania, pod warunkiem że maszyna jest prawidłowo skalibrowana.
• Krótsze narzędzia. Pochylając część lub narzędzie, sięga się do głębokiej strefy krótszym, a więc sztywniejszym narzędziem, które mniej drga i daje lepszą jakość powierzchni.
• Lepsze warunki skrawania. Na powierzchni krzywoliniowej pochylenie frezu kulistego pozwala uniknąć skrawania jego środkiem, gdzie prędkość skrawania wynosi zero.
• Dostęp do kształtów niemożliwych w trzech osiach: podcięcia ujemne, łopatki, kształty rzeźbione.
• Mniejsze ryzyko odkształceń i braków. Część obrabiana wielokrotnie może się odkształcić lub zostać źle ustawiona; jedno zamocowanie ogranicza te ryzyka.
• Części monolityczne. Część wykonana z pełnego materiału może zastąpić zespół kilku elementów, z mniejszą liczbą połączeń i luzów.

Z natury obróbka 5-osiowa nie jest jednak dokładniejsza niż dobra obróbka 3-osiowa. Dokładność zależy od maszyny, jej kalibracji, mocowania, narzędzia i kontroli, a nie od liczby osi.

Nie każda maszyna 5-osiowa nadaje się do każdej części. Współistnieją trzy kinematyki.

• Stół-stół: obrotowy kołyskowy stół nosi stół obrotowy, a wrzeciono pozostaje pionowe. Bardzo rozpowszechniona w centrach pionowych, odpowiada małym i średnim częściom.
• Głowica-stół: wrzeciono się pochyla, stół się obraca. Lepiej sprawdza się przy częściach ciężkich lub o dużych gabarytach.
• Głowica-głowica: oba obroty realizuje wrzeciono, a część pozostaje nieruchoma. Spotyka się ją przy dużych częściach, zwłaszcza w lotnictwie.

Każda kinematyka ma swoje ograniczenia: zakres ruchu osi obrotowych, ryzyko kolizji między narzędziem, oprawką, mocowaniem i częścią, sztywność stołu obrotowego. Zakład symuluje je w CAM przed obróbką i często sprawdza położenie osi obrotowych pomiarem sondą na maszynie. Warto więc przekazać mu masę i gabaryty części: część nieco zbyt duża dla stołu obrotowego nie da się uratować programowaniem, to kwestia maszyny, a nie ustawień.

Obróbka 5-osiowa jednoczesna jest konieczna, gdy wymaga tego geometria lub gdy narzędzie nie może dosięgnąć powierzchni w inny sposób. Typowe przykłady:

• łopatki, turbiny, śmigła i wirniki pomp, których powierzchnie krzywoliniowe frezuje się za konturem;
• monolityczne części konstrukcyjne dla lotnictwa i przemysłu kosmicznego, z pochylonymi kieszeniami i cienkimi ściankami;
• implanty i narzędzia dla sektora medycznego, o organicznych kształtach;
• części o dowolnych kształtach dla optyki, dóbr luksusowych lub designu, gdzie jakość powierzchni liczy się tak samo jak wymiar;
• gniazda form, z głębokimi wnękami i polerowanymi powierzchniami;
• bloki hydrauliczne i kolektory z otworami ukośnymi;
• odciążone części z jednego bloku dla robotyki i sportów motorowych.

Takie części obrabia się często z pełnego materiału, z dużym usuwaniem naddatku: czas skrawania ma wtedy duży udział w cenie. Obróbka 3+2 wystarcza natomiast w przypadku znacznej części obudów, wsporników i korpusów, których ściany są różnie zorientowane, ale pozostają płaskie, z kilkoma otworami ukośnymi.

Centrum 5-osiowe kosztuje więcej w zakupie i utrzymaniu: jego stawka godzinowa jest wyższa. Orientacyjnie poradnik o cenie obróbki CNC podaje około 45 do 80 € netto za godzinę w 3 osiach i około 80 do 150 € netto w 5 osiach. Cena części nie wynika jednak wyłącznie ze stawki godzinowej.

Działają dwa przeciwstawne efekty. Z jednej strony wyższa stawka i dłuższe programowanie (ścieżki, symulacja kolizji) obciążają koszty stałe. Z drugiej jedno zamocowanie eliminuje ustawienia, dedykowane mocowania i ponowne obróbki, co może skrócić łączny czas. Przy części o pięciu ścianach często daje to przewagę obróbce 5-osiowej. Przy części płaskiej, obrabianej z jednej lub dwóch stron, tylko zwiększa koszt.

• Obróbka 5-osiowa często wychodzi taniej przy części o czterech lub pięciu ścianach, przy krótkiej serii, w której każde dodatkowe zamocowanie mocno waży, lub gdy tolerancje położenia między ścianami byłyby trudne do utrzymania w kilku zamocowaniach.
• Wychodzi drożej przy części pryzmatycznej obrabianej z jednej lub dwóch stron, przy dużej serii, w której dedykowane mocowanie w trzech osiach się amortyzuje, lub gdy czas maszyny dominuje nad wszystkim innym.

Liczą się też rozmiar i masa: dopuszczalna średnica na stole obrotowym i jego maksymalne obciążenie ograniczają części, które można obrabiać. Jak w każdej obróbce, ilość rozkłada koszty stałe: zob. jak liczona jest wycena.

• Przejście na 3+2: jeśli ściany są płaskie, a powierzchnie pochylone to płaszczyzny, wystarczy obróbka pozycjonowana.
• Dodanie czwartej osi: oś obrotowa na centrum pionowym lub maszyna z poziomym wrzecionem i indeksowaniem dobrze radzi sobie z częściami o czterech ścianach.
• Kilka zamocowań w trzech osiach, z precyzyjnym bazowaniem (kołki, dedykowane mocowanie): przy średniej serii dobrze zaprojektowane mocowanie może kosztować mniej niż czas pracy maszyny 5-osiowej, pod warunkiem zaakceptowania kontroli położenia między ścianami.
• Przeprojektowanie części: usunięcie podcięcia, zastąpienie otworu ukośnego prostym, podział części na kilka łączonych elementów.
• Łączenie procesów: odlew lub odkuwka surowa albo część drukowana w metalu, a następnie obróbka wyłącznie powierzchni funkcjonalnych; zob. druk 3D czy obróbka CNC.
• Toczenie-frezowanie dla części obrotowej z funkcjami frezowanymi: zob. toczenie automatowe czy toczenie CNC.

Gdy mają Państwo wątpliwości, warto poprosić zakład o wycenę dwóch wariantów: rozwiązania w 3+2 lub w kilku zamocowaniach oraz rozwiązania w 5 osiach jednoczesnych. Różnica cen ułatwia wybór i pozwala zdecydować świadomie.

• Rysunek z wymiarami i plik STEP, ze wskazaniem indeksu rewizji.
• Ściany i funkcje krytyczne: wymiary położenia między ścianami, bazy pozycjonowania, wymiarowanie GPS, jeśli z niego Państwo korzystają.
• Półfabrykat: pręt, płyta, odkuwka, odlew lub część drukowana.
• Materiał, jego stan i ewentualny certyfikat.
• Ilości, z progami, aby ocenić udział kosztów stałych.
• Tolerancje, chropowatość i oczekiwana kontrola: proszę wskazać, czy wymagany jest raport z pomiarów, ponieważ kontrola otworów ukośnych i ścian pochylonych wymaga współrzędnościowej maszyny pomiarowej.
• Akceptowalne strefy mocowania i dopuszczalne ślady.

Warto opisać funkcję, zamiast narzucać proces: jeśli uważają Państwo, że potrzebna jest obróbka 5-osiowa, proszę wyjaśnić dlaczego i pozwolić zakładowi zaproponować najtańsze rozwiązanie spośród 3+2 i 5 osi jednoczesnych. W Meaflow dodanie zapytania jest bezpłatne i bez prowizji: kilka zakładów obróbki CNC może przesłać Państwu ofertę, którą porównacie, zanim zaczniecie rozmowę przez komunikator.