Что такое 5 осей на станке с ЧПУ? Полное руководство

5 осей на станке с ЧПУ, понятное объяснение

Станок с ЧПУ работает по нескольким осям движения, и понимание каждой из них имеет основополагающее значение для выбора правильного оборудования и правильного программирования деталей. На 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ режущий инструмент или заготовка могут перемещаться одновременно в пяти различных направлениях: по трем линейным осям (X, Y и Z) и двум осям вращения (A и B или A и C, в зависимости от конфигурации станка). Именно эта комбинация отличает настоящую 5-осевую обработку от стандартной 3-осевой фрезерной обработки и является причиной того, что сложные аэрокосмические компоненты, лопатки турбин, медицинские имплантаты и автомобильные формы могут быть выполнены за одну установку, а не требовать пяти или шести отдельных операций.

Краткий ответ на вопрос таков: пять осей — это X (влево-вправо), Y (вперед-назад), Z (вверх-вниз) и две оси вращения, которые наклоняют или вращают либо шпиндельную головку, либо рабочий стол. Каждая ось добавляет определенную степень свободы, и именно комбинация всех пяти позволяет обрабатывать подрезы, сложные углы и скульптурные поверхности с помощью одного зажима детали.

Три линейные оси: X, Y и Z

Любой станок с ЧПУ, от простейшего 2-осевого токарного станка до полноценного 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ , построен на том же трехмерном фундаменте декартовых координат. Это линейные оси, и они описывают прямолинейное движение в трех перпендикулярных плоскостях.

Ось X: перемещение влево и вправо

Ось X определяет горизонтальное движение по столу станка — из стороны в сторону или слева направо, если смотреть спереди станка. В вертикальном обрабатывающем центре рабочий стол или колонна обычно перемещаются вдоль этой оси. Диапазон перемещения по оси X является одной из основных характеристик, используемых для описания рабочего диапазона машины. Вертикальный обрабатывающий центр среднего размера может иметь ход по оси X 1020 мм (приблизительно 40 дюймов), а большие 5-осные платформы портального типа могут превышать 3000 мм.

Ось Y: перемещение вперед и назад

Ось Y — это другое горизонтальное направление — спереди назад или по направлению к оператору и от него. Вместе с X он образует горизонтальную плоскость и позволяет инструменту достичь любой точки плоской поверхности заготовки. На большинстве вертикальных обрабатывающих центров ход по оси Y несколько короче хода по оси X. Станок с ходом по оси X 1020 мм может иметь ход по оси Y от 510 до 660 мм, в зависимости от конфигурации стола.

Ось Z: вертикальное перемещение

Ось Z — это вертикальное движение — вверх и вниз. На вертикальном обрабатывающем центре шпиндель движется по оси Z, погружая режущий инструмент в заготовку или втягивая ее. Глубина резания по оси Z тесно связана с жесткостью шпинделя станка и держателя инструмента. При 3-осевой обработке все резание происходит за счет комбинаций движений по осям X, Y и Z. Ограничением является то, что ось инструмента всегда остается параллельной Z, что делает невозможным обработку крутых стенок, подрезов или сложных углов без изменения положения детали вручную.

Только эти три оси определяют то, что называется 3-осевой обрабатывающий центр. Для деталей, до которых можно добраться сверху — плоских пластин, простых карманов, сквозных отверстий и 2D-профилей — 3-осевого станка вполне достаточно. В тот момент, когда деталь требует обработки поверхностей под углом или элементов на нескольких гранях, становится очевидным необходимость добавления осей вращения.

Две оси вращения: A, B и C.

Четвертая и пятая оси вводят вращение в зону резки. В отличие от X, Y и Z, которые описывают линейное смещение в миллиметрах или дюймах, оси вращения измеряются в градусах. На станке с ЧПУ есть три возможные оси вращения — A, B и C, но 5-осевой станок использует только две из них, в зависимости от механической конструкции станка.

Ось А: вращение вокруг X

Ось A — это вращение вокруг оси X. Думайте об этом как о наклоне вперед и назад, как о кивке. Когда ось A вращается, заготовка или режущая головка наклоняется в плоскости, содержащей Y и Z. Вращение по оси A обычно встречается на 5-осевых станках с цапфой, где рабочий стол наклоняется, чтобы представить деталь под углом к ​​неподвижному или перемещаемому шпинделю. Ось А с полным ходом может вращаться от -120° до 30° или от 0° до 360° на непрерывном поворотном столе.

Ось B: вращение вокруг Y

Ось B — это вращение вокруг оси Y — наклон из стороны в сторону или в плоскости XZ. На 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ с поворотной шпиндельной головкой ось B часто является осью, которая наклоняет сам шпиндель, позволяя ему приближаться к заготовке под сложными углами. Вращение по оси B является основой 5-осных конфигураций вилочного типа или поворотной головки, которые распространены в аэрокосмическом производстве, где необходимо обрабатывать большие структурные панели без переворачивания детали.

Ось C: вращение вокруг Z

Ось C — это вращение вокруг оси Z — вращательное движение в плоскости XY, как ленивая Сьюзен. На 5-осном станке ось C обычно является вращающимся компонентом цапфового стола, позволяя заготовке вращаться на 360°, придавая шпинделю разные стороны. На токарно-фрезерном станке вращение по оси C в сочетании с приводным инструментом позволяет фрезеровать лыски, сверлить поперечные отверстия и нарезать шлицы на токарной детали, не перемещая ее на отдельный фрезерный станок.

В большинстве 5-осевых станков используется либо комбинация A C (цапфа с поворотным столом), либо комбинация B C (поворотная головка с поворотным механизмом). Конкретное сопряжение зависит от типа машины и области применения. Конфигурации цапфы C популярны для изготовления мелких точных деталей, поскольку стол жестко поддерживает заготовку. Конфигурации головок B C или A B обычно предпочтительнее для больших заготовок, которые невозможно наклонить на столе.

3-осевой vs 5-Axis: What the Extra Axes Actually Change

Разница между 3-осевой а 5-осевой станок – это не просто то, что у него больше моторов. Дополнительные оси меняют то, что физически возможно обрабатывать, сколько настроек требуется и какое качество поверхности может быть достигнуто.

Одним из наиболее недооцененных преимуществ 5-осевой обработки является возможность использовать более короткие режущие инструменты. На 3-осном станке для достижения глубокой полости или крутой стенки требуется длинная концевая фреза, которая увеличивает вибрацию и отклонение инструмента, снижает скорость резания и ухудшает качество поверхности. На 5-осном станке шпиндель может наклоняться, а деталь может располагаться под углом, поэтому более короткий и жесткий инструмент обеспечивает те же характеристики. Цеха, использующие 5-осевое оборудование, регулярно сообщают о сокращении времени цикла на 30–50 %. при обработке сложных деталей по сравнению с 3-осевыми эквивалентами не потому, что станок движется быстрее, а потому, что требуется меньше настроек, более короткие инструменты и лучшее зацепление фрезы.

Индексированная 5-осевая обработка против одновременной 5-осевой обработки

Наличие 5-осевого станка не означает автоматически, что в каждой операции одновременно используются все пять осей. Существует два принципиально разных способа использования пяти осей, и понимание различий важно для программирования, настройки и расчета.

3 2 Индексация (позиционная 5-осевая)

При обработке 3 2 две оси вращения используются для наклона детали или шпинделя на фиксированный угол, а затем резка выполняется с использованием только трех линейных осей. Оси вращения не перемещаются во время резки — они сохраняют положение, пока X, Y и Z выполняют работу. Иногда это называют позиционной 5-осью или индексированной 5-осью. Это наиболее распространенный способ использования 5-осевых станков в мастерских, поскольку он значительно сокращает количество приспособлений и тисков, не требуя сложных 5-осевых траекторий CAM. Требования к управлению и программированию аналогичны 3-осевой обработке, только с применением углового смещения. По оценкам, 70–80% деталей, обрабатываемых на 5-осном оборудовании, используют 3–2 стратегии. по большинству их характеристик.

Настоящая одновременная 5-осевая обработка

При одновременной 5-осевой обработке все пять осей перемещаются одновременно, непрерывно регулируя положение и ориентацию инструмента по мере его перемещения по изогнутой поверхности. Это то, что требуется для создания поверхностей истинной произвольной формы — тех, что встречаются на лопатках турбин, лопатках рабочего колеса, прогрессивных поверхностях матрицы и ортопедических имплантатах. Наконечник инструмента повторяет поверхность, в то время как ось инструмента наклоняется для поддержания оптимального угла контакта, сводя к минимуму высоту гребешка и обеспечивая превосходное качество поверхности без ручной полировки. Для одновременной обработки пяти осей требуется сложное программное обеспечение CAM, тщательная постобработка и контроллер ЧПУ, способный плавно интерполировать пять осей. Машины, используемые для одновременной работы по 5 осям, обычно имеют высокоскоростные шпиндели с прямым приводом в диапазоне от 15 000 до 30 000 об/мин. и обратная связь по линейной шкале по всем осям для обеспечения точности положения с обратной связью.

Распространенные конфигурации 5-осевых станков и их назначение осей

Не каждый 5-осевой станок реализует оси вращения одинаково. Механическая конфигурация напрямую влияет на рабочий диапазон, жесткость и типы деталей, с которыми машина хорошо справляется.

Цапфовый стол (AC)

Наиболее широко продаваемая конфигурация 5-осевых вертикальных обрабатывающих центров малого и среднего размера использует цапфовый стол, который наклоняется по оси A и вращается по оси C. Шпиндель представляет собой обычный вертикальный шпиндель, который перемещается только по осям X, Y и Z. Заготовка крепится к поворотному столу, который установлен на цапфе. Эта конфигурация чрезвычайно жесткая, поскольку деталь поддерживается с обеих сторон оси A. Он хорошо подходит для компактирования компонентов аэрокосмической промышленности, медицинских устройств и прецизионных вставок пресс-форм. Ограничением являются размер и вес заготовки: типичная цапфа станка среднего размера может принимать заготовки диаметром до 600 мм и массой 300 кг.

Поворотная головка (ось B) с поворотным столом (ось C)

В этой компоновке шпиндель наклоняется по оси B (вращение вокруг Y), а поворотный стол обеспечивает вращение по оси C. Заготовка садится на обычный плоский стол или поворотное приспособление. Поскольку шпиндель наклоняется, а не заготовка, нет ограничений на вес заготовки из-за вращения. Эта конфигурация популярна для крупных деталей аэрокосмической отрасли и длинных заготовок, таких как профили и шпангоуты фюзеляжа, где деталь просто невозможно наклонить на столе.

Поворотная головка вилочного типа (A B)

Какой-то элитный 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр с ЧПУ конструкции перемещают обе оси вращения в шпиндельной головке, при этом шпиндель установлен в вилке, которая наклоняется в направлении A, а весь узел вилки вращается в направлении B. Это передает все вращательные движения в головку и позволяет использовать всю площадь стола для больших, тяжелых или неудобных заготовок. Головки вил обычно могут перемещаться от вертикального до горизонтального положения и в любом месте между ними, обеспечивая практически полный охват полусферы угла подхода инструмента.

Портальный 5-осевой

Для очень больших заготовок — лонжеронов крыльев, корабельных винтов, больших основ пресс-форм — 5-осевые станки портального типа подвешивают шпиндельную головку на мосту, который перемещается по неподвижному или передвижному столу. Портал обеспечивает перемещение по осям X и Y, часто превышающее 5–10 метров, а перемещение по оси Z обеспечивается плунжером или пинолью. Оси вращения встроены в шпиндельную головку. Эти машины менее распространены в обычных мастерских, но они являются основой производства аэрокосмических конструкций и тяжелой промышленности.

Отрасли промышленности и детали, способствующие внедрению 5-осевой технологии

Решение инвестировать в 5-осевой вертикальный обрабатывающий центр обычно обусловлено конкретной геометрией детали и требованиями к допускам. Следующие отрасли постоянно производят работу, которую непрактично или невозможно выполнить на 3-осном станке.

• Аэрокосмическая промышленность: Конструктивные кронштейны с отверстиями под сложным углом, лопатки турбины с закрученными секциями профиля, рабочие колеса с малыми межлопастными зазорами. Boeing, Airbus и их поставщики полагаются на 5-осевую обработку структурных компонентов из титана и алюминия, где допуски на сложных поверхностях часто составляют ±0,025 мм.
• Медицинский: Ортопедические имплантаты, такие как компоненты бедренного колена и спинальные клетки, имеют гладкие поверхности анатомического профиля, на которых не должно быть следов механической обработки, чтобы избежать возникновения повышенного напряжения in vivo. Фрезерование зубных протезов из диоксида циркония и кобальт-хрома практически полностью выполняется на 5-осном оборудовании.
• Автомобильная промышленность: Прогрессивные поверхности штампов для панелей кузова, отверстий впускного коллектора, камер сгорания головки блока цилиндров и корпусов компрессоров турбокомпрессора — все они выигрывают от 5-осевой обработки. Поставщики высокопроизводительных гоночных компонентов являются особенно активными пользователями.
• Энергия: Корпуса насосов, рабочие колеса и корпуса клапанов для нефтегазовой отрасли часто имеют сложные внутренние каналы. Компоненты ступиц ветряных турбин и большие корпуса редукторов в секторе электроэнергетики также являются кандидатами на 5-осные технологии.
• Плесень и умереть: Пресс-формы для литья под давлением с глубокими полостями, выдувные формы и ковочные штампы с изогнутыми линиями разъема выигрывают от 5-осевых чистовых проходов, благодаря которым инструмент становится коротким, а силы резания одинаковыми по всей поверхности.

Конкретный пример из аэрокосмического сектора: обработка алюминиевого структурного ребра с фланцами под сложным углом и облегченными отверстиями на 3-осном станке требует, чтобы оператор обработал одну грань, удалил деталь, изготовил специальное приспособление для угловой пластины, повторно обозначил деталь и обработал элементы фланца — часто от четырех до шести установов для одной детали. На 5-осном станке одно и то же ребро может быть выполнено в двух установках (сверху и снизу), при этом все элементы сложного угла программируются непосредственно в 5-осевой траектории инструмента. Время настройки сокращается примерно с четырех часов до менее одного часа, а точность позиционирования вращения с индексом ЧПУ гораздо более повторяема, чем повторная фиксация вручную.

Ключевые характеристики для оценки 5-осевого вертикального обрабатывающего центра с ЧПУ

При сравнении 5-осевых станков количество осей — это только отправная точка. Приведенные ниже характеристики определяют, сможет ли машина справиться с работой, которую вы собираетесь выполнить.

Диапазон перемещения и наклона поворотной оси

Угловой диапазон осей A и C (или B и C) определяет, какие объекты достижимы без изменения положения. Цапфа, наклоняющаяся всего на угол от -30° до 110°, недостаточна для обработки нижней стороны детали за один зажим. Непрерывное вращение оси C на 360° и наклон оси A не менее ±90° охватывают самый широкий диапазон геометрических форм деталей. Убедитесь, что машина может сохранять положение под режущей нагрузкой под любым углом или используется механизм блокировки, который снижает жесткость оси в разблокированном состоянии.

Точность позиционирования поворотной оси

Стандарты ISO 230-1 и ISO 230-7 определяют, как измеряется точность оси вращения. Для точных работ точность углового позиционирования ±3 угловых секунды или лучше ожидается на качественных 5-осевых станках. Некоторые высокопроизводительные машины с моментными двигателями с прямым приводом и датчиками угла достигают ±1 угловой секунды. Ошибка в 1 угловую секунду на радиусе 300 мм приводит к ошибке позиционирования около 0,0015 мм, что вполне в пределах допуска для большинства прецизионных деталей. Поворотные оси с червячным приводом и компенсацией люфта менее точны и больше подходят для менее трудоемких работ.

Конус шпинделя и диапазон скоростей

В большинстве 5-осевых вертикальных обрабатывающих центров используются инструменты HSK-A63 или BT40/CAT40. Инструмент HSK предпочтителен для 5-осевой обработки, поскольку его одновременный контакт торца и конуса обеспечивает более высокую жесткость и лучшее биение, что критично, когда шпиндель наклонен и силы резания действуют в необычных направлениях. Частота вращения шпинделя составляет от 12 000 до 24 000 об/мин, а некоторые высокоскоростные шпиндели для обработки алюминия достигают 30 000 об/мин и более.

Контроллер ЧПУ и компенсация кинематики

Для 5-осевой обработки требуется контроллер, способный компенсировать RTCP (центральную точку вращающегося инструмента), иногда называемый TCP или TCPM. Эта функция удерживает запрограммированную вершину инструмента в правильном положении на заготовке даже при изменении угла осей вращения, автоматически компенсируя смещение длины инструмента в новой ориентации. Без RTCP каждое изменение угла требует от программиста перерасчета положения инструмента вручную, что фактически делает невозможным одновременную 5-осевую обработку. Fanuc 31i, Siemens 840D sl, Heidenhain TNC 640 и Mitsubishi M800 — это контроллеры, которые чаще всего встречаются на качественных 5-осевых станках, и все они поддерживают RTCP.

Грузоподъемность стола и рабочий диапазон

Конфигурация цапфы по своей сути ограничивает вес заготовки, поскольку деталь вращается вместе со столом. 5-осевые машины среднего размера с цапфой обычно принимают 200–500 кг на поворотном столе . Превышение этого предела может привести к неточности из-за отклонения или перегрузки привода оси. Для более тяжелых заготовок более подходит конфигурация с поворотной головкой, поскольку стол неподвижен, а головка вместо этого вращается.

Рекомендации по программированию для всех пяти осей

Написание программ ЧПУ для 5-осевого станка существенно отличается от программирования 3-осевого обрабатывающего центра. Дополнительные оси создают ряд проблем при программировании, которые требуют как правильного программного обеспечения, так и четкого понимания кинематики станка.

Требования к программному обеспечению CAM

Не все пакеты CAM поддерживают создание истинной 5-осевой траектории. Для индексированной работы 3 2 большинство CAM-систем среднего уровня (Mastercam, Fusion 360, SolidCAM) хорошо справляются с программированием. Для одновременных 5-осевых поверхностей — рабочих колес, турбинных лопаток, органических форм произвольной формы — в производственных средах чаще используются такие пакеты, как Siemens NX, Hypermill, Tebis и Delcam PowerMILL, благодаря их расширенным функциям отслеживания поверхности, управлению углом опережения/запаздывания и алгоритмам предотвращения зарезов.

Точность постпроцессора

Постпроцессор преобразует траектории инструмента CAM в G-код, специфичный для станка, который учитывает кинематическую конфигурацию реального станка. Постпроцессор, написанный для цапфового станка Hermle C 400, нельзя использовать непосредственно на DMG Mori DMU 50 без модификации, хотя оба станка являются 5-осными. Плохо настроенный постпроцессор является наиболее частым источником сбоев и выхода деталей за пределы допусков на 5-осевых станках. Производители станков и опытные реселлеры CAM обычно поставляют и проверяют постпроцессоры для поддерживаемых ими станков.

Моделирование машин и обнаружение столкновений

Поскольку на 5-осном станке инструмент может приближаться к заготовке практически с любого направления, риск столкновения корпуса шпинделя, держателя инструмента или режущего инструмента с деталью, приспособлением или столом значительно выше, чем на 3-осном станке. Моделирование станка в среде CAM — с использованием точной твердотельной модели станка, держателей инструментов, приспособлений и заготовки — не является обязательным для 5-осевой работы; это стандартный шаг в процессе программирования. Пакеты программного обеспечения, такие как VERICUT, NCSimul и встроенные инструменты моделирования в системах CAM, используются для проверки отсутствия коллизий всей программы перед ее запуском на машине.

Когда 5-осевая система стоит вложений, а когда нет

Закупочная цена качественного 5-осевого вертикального обрабатывающего центра обычно в два-четыре раза превышает цену эквивалентного 3-осевого станка. Дополнительные затраты оправданы, когда этого требует работа, но для цехов, работающих в основном с призматическими или 2,5D-деталями, экономика 3-осевой обработки остается высокой.

5-осевые инвестиции явно оправданы, когда:

• Детали имеют элементы сложного угла, подрезы или скульптурные поверхности, которые требуют многократной ручной настройки на 3-осном станке.
• Материал заготовки дорогой (титан, инконель, медицинская нержавеющая сталь), а стоимость брака из-за ошибок ручного перемещения высока.
• Допуски деталей требуют более качественной обработки поверхности, чем можно достичь при использовании 3-осевых ступенчатых шаблонов.
• Объемы производства достаточны, чтобы окупить более высокие затраты на оборудование и инвестиции в программирование.
• Магазин конкурирует за контракты в аэрокосмической, медицинской или оборонной сферах, где для предложения по существу необходимы 5-осевые возможности.

3-осевой режим остается лучшим выбором, когда:

• Большая часть работы состоит из плоских пластин, простых карманов и элементов, доступных с одной стороны.
• Объемы деталей велики, а время цикла короткое, поэтому эффективность наладки важнее, чем сокращение наладки.
• В магазине нет (и его сложно нанять) программистов с опытом работы с 5-осевой CAM.
• Капитальный бюджет ограничен, и более качественный 3-осевой станок обеспечивает более немедленную отдачу, чем 5-осевой станок более низкого качества.

Практическая золотая середина, которую выбирают многие магазины, — это покупка качественного товара. 3-осевой вертикальный обрабатывающий центр в паре с поворотным столом четвертой оси. Это обеспечивает 4-осевую индексированную обработку за небольшую часть стоимости полного 5-осевого станка и охватывает большой процент деталей, для которых в противном случае потребовалась бы 5-осевая обработка — особенно те, которые требуют вращения для доступа к нескольким граням, но не требуют одновременной 5-осевой контурной обработки.