Фрезерная обработка 3+2, 4+1 и 5 осей: отличия, примеры деталей и выбор станка

Введение

3+2, 4+1 и 5 осей – три режима фрезерной обработки на станках с ЧПУ, у которых есть две поворотные оси. Режимы различаются тем, сколько осей движется одновременно, пока идет резание.

3+2 – позиционная пятиосевая обработка

Поворотные оси разворачивают деталь под нужным углом и фиксируются, резание идет только по X, Y, Z. Подходит для корпусов с плоскостями и отверстиями под разными углами.

4+1 – одновременно работают четыре оси X, Y, Z и одна поворотная, пятая выставлена под углом и зафиксирована.

Непрерывная 5-осевая обработка

Все пять осей движутся синхронно, инструмент держит заданный угол к поверхности по всей траектории. Без нее не обработать крыльчатки, моноколеса, лопатки турбин и сложные пресс-формы.

Дальше о каждом режиме подробнее: как он работает, какие детали на нем можно делать, чем отличается по точности, стоимости и требованиям к ЧПУ и CAM. Для каждого режима указано, какие станки Avertum подходят.

Оси станка: что значат X, Y, Z, A, B, C

Пятиосевой станок имеет три линейные оси и две поворотные. Линейные: X – продольная, Y – попереченая, Z – вертикальная, эти оси перемещают инструмент относительно детали, поворотные A, B, C вращают деталь или шпиндель вокруг X, Y и Z соответственно.

Трехосевой станок с наклонно-поворотным столом

Станок с интегрированным столом-люлькой

Станок с двухосевой шпиндельной головой

Какие именно две поворотные оси есть у станка, определяет его компоновка. От нее зависят размер и масса детали, доступ инструмента и жесткость системы.

Число осей станка и число одновременно управляемых осей – разные характеристики. На одном и том же пятиосевом станке можно работать в режиме 3+2, 4+1 или в пяти осях. Режим задают управляющая программа из CAM-системы и возможности ЧПУ.

Обработка 3+2: позиционное пятиосевое фрезерование

В режиме 3+2 станок поворачивает деталь двумя поворотными осями, зажимает их тормозами и фрезерует как обычный трехосевой станок. Этот режим также называют позиционной, индексной или пятиосевой обработкой с фиксированной ориентацией инструмента.

Как это работает

1. ЧПУ разворачивает систему координат в наклонную плоскость: у Fanuc это G68.2, у Siemens – CYCLE800, у Heidenhain – функция PLANE.
2. Поворотные оси выходят в заданный угол и фиксируются тормозами.
3. Инструмент работает по X, Y, Z, как при трехосевой обработке, но уже в повернутой плоскости.
4. После обработки грани оси разжимаются, деталь поворачивается к следующей стороне.

Преимущества

• За один установ обрабатываются пять сторон. Переустановок нет, поэтому уходит и погрешность повторного базирования, а соосность и взаимное расположение отверстий выдержать проще.
• Инструмент можно взять короче. Деталь наклоняют к шпинделю, и до дна глубокого кармана достает фреза с меньшим вылетом. Вибраций меньше, подачи и точность выше.
• Жесткость остается высокой. Поворотные оси зажаты, поэтому силовые режимы почти такие же, как на трехосевом станке.
• Программировать проще. Хватает функции наклонной плоскости в ЧПУ и базового модуля CAM, опция одновременной 5-осевой интерполяции не нужна.

Ограничения

• Не подходит для поверхностей с непрерывно меняющейся кривизной: на лопатках и крыльчатках остаются ступеньки, приходится уменьшать шаг.
• Между позициями уходит время на разжим, поворот и зажим осей.
• На наклонно-поворотном столе масса и габарит детали ограничены грузоподъемностью и диаметром планшайбы.

Примеры деталей для 3+2

Поворотный кулак

Корпус коробки передач

Кронштейн

Гидроблок

Станки Avertum для обработки 3+2

Обработку 3+2 можно организовать на станках разной компоновки. Выбор зависит от размера и массы заготовки, серийности и бюджета.

Для мелких и средних деталей подходят все серии вертикально-фрезерных станков Avertum с наклонно-поворотными столами HVX5S, у которого планшайба до 250 мм (например, HVX5S-200N). Так на трёхосевом станке появляется обработка 3+2, а отдельный пятиосевой центр покупать не нужно: получается компоновка «один станок — две зоны обработки». У столов HVX5S-200 и HVX5S-200N ось наклона фиксируется гидравлическим тормозом. Это доступный вход в многоосевую обработку мелких корпусов и фитингов.

Для больших заготовок используют портальные фрезерные обрабатывающие центры в паре со столом HVX5S, у которого планшайба 400 мм.

Серия VMC Вертикальные трехосевые обрабатывающие центры с одиночной колонной и подвижной конструкцией рабочего стола

Серия CFV Флагман, оснащенный усовершенствованным электрическим шпинделем и системой приводов с высокой динамической характеристикой

Серия MOV Вертикально-фрезерные обрабатывающие центры для высокоскоростной обработки

Наклонно-поворотные столы - 4 и 5 ось 4 и 5 ось для фрезерования сложных деталей

Обработка 4+1: четыре оси в движении, пятая зафиксирована

В режиме 4+1 станок одновременно перемещает X, Y, Z и вращает деталь вокруг одной поворотной оси, а вторая поворотная ось стоит под постоянным углом. По сути это непрерывная четырехосевая обработка в наклоненной плоскости.

Чем 4+1 отличается от «просто 4 осей» и от 3+1

• 4 оси (непрерывная) – трехосевой станок с поворотным столом, обычно ось A вдоль X. Деталь вращается синхронно с движением инструмента, наклонить ее нельзя.
• 3+1 (индексная) – поворотная ось выходит в угол и фиксируется, резание идет по X, Y, Z. Это четырехосевой аналог 3+2.
• 4+1 – к непрерывной четвертой оси добавляется наклон пятой. Например, на столе A/C ось A наклонена на 30° и зажата, а ось C вращается вместе с X, Y, Z.

Как это работает

Технолог выбирает угол наклона, при котором инструмент лучше всего подходит к поверхности, и фиксирует его. Дальше траектория строится как для четырехосевой обработки: ЧПУ интерполирует три линейные оси и одну круговую. Для пазов на цилиндре удобна цилиндрическая интерполяция (у Fanuc – G07.1): программа пишется по развертке поверхности.

Преимущества

• Тела вращения со сложным профилем обрабатываются за один установ. Винтовые канавки, кулачки и спиральные ребра идут непрерывно, без ступенек от индексирования.
• Проще и дешевле полной 5-осевой обработки: в интерполяции меньше осей, поэтому проще CAM, постпроцессор и проверка столкновений.
• Жесткость выше, чем в 5-осевом режиме, потому что ось наклона во время резания зажата тормозом.
• Доступ лучше, чем у классической 4-й оси. Наклон позволяет обработать коническую поверхность, торец под углом или профиль, который не виден при горизонтальной оси.

Ограничения

• Ориентация инструмента меняется только в одной плоскости. Поверхности двойной кривизны и закрученные лопатки 4+1 не обработать без ступенек.
• На наклонно-поворотном столе длина и диаметр детали ограничены планшайбой. Длинные валы обрабатывают на классической 4-й оси с задней бабкой.
• Нужен ЧПУ с одновременной интерполяцией четырех осей и, при необходимости, функцией цилиндрической интерполяции.

Примеры деталей для 4+1

Корпус наручных часов

Тяга

Костный винт

Рукоятка ножа

Непрерывная 5-осевая обработка

При непрерывной (одновременной) 5-осевой обработке ЧПУ в каждой точке траектории согласованно двигает три линейные и две поворотные оси. Инструмент сохраняет заданный угол к поверхности, поэтому станок обрабатывает двойную кривизну, поднутрения и узкие межлопаточные каналы.

Как это работает

• RTCP, он же TCPM, – функция управления центром инструмента. При каждом повороте осей она пересчитывает линейные перемещения, чтобы вершина фрезы оставалась на траектории. У Fanuc это TCP (G43.4), у Siemens TRAORI, у Heidenhain FUNCTION TCPM или M128. Без нее программа жестко привязана к длине инструмента и положению детали.
• Опережающий просмотр кадров нужен, чтобы ЧПУ заранее анализировало траекторию и сглаживало подачу. Без него на поворотах осей появляются рывки и следы на поверхности.
• Калибровка кинематики. Точность зависит от того, насколько точно ЧПУ знает положение центров поворотных осей, поэтому центры периодически проверяют измерительным щупом.

Преимущества

• Боковой частью фрезы можно обрабатывать линейчатые поверхности лопаток и стенки с переменной малкой, и хватает одного прохода.
• Вершина сферической фрезы режет почти с нулевой скоростью. При наклоне инструмента резание идет под оптимальным углом, шероховатость получается ниже, а стойкость инструмента выше.
• В глубоких полостях инструмент можно держать коротким: наклон шпинделя не дает державке упираться в стенки формы.
• Поднутрения и закрытые каналы, недоступные при фиксированной ориентации, тоже обрабатываются за один установ.

Ограничения

• Нужны ЧПУ с опцией одновременной 5-осевой интерполяции, CAM-модуль 5-осевой обработки и проверенный постпроцессор.
• Обязательна симуляция программы по G-коду с моделью станка: риск столкновения выше, чем в 3+2.
• Поворотные оси во время резания не зажаты, поэтому силовые режимы ниже, чем в 3+2. Черновую обработку часто делают в 3+2, а чистовую – в непрерывном режиме.
• Выше требования к квалификации технолога-программиста.

Примеры деталей для непрерывной 5-осевой обработки

Моноколесо

Гребной винт

Пресс-форма

Лопатка турбины

Примеры станков Avertum для непрерывной 5-осевой обработки

Для импеллеров и имплантов важны высокие обороты и конус HSK: на высоких частотах вращения он держит инструмент жестче и точнее, чем BT40. Для крупных форм и панелей выбор определяется рабочей зоной, поэтому смотрят на портальные компоновки.

Стойка ЧПУ и 5-осевая обработка

Кинематика станка определяет, что он может сделать физически, а стойка ЧПУ определяет, как он это сделает. От стойки зависит, какие режимы станок поддерживает, как ровно идёт инструмент по сложной поверхности и сколько времени уходит на наладку.

Требования растут вместе с режимом. Для 3+2 хватает функции наклонной плоскости, для 4+1 нужна ещё интерполяция четырёх осей, а для непрерывной 5-осевой обработки список длиннее:

• Одновременная интерполяция пяти осей. Без неё непрерывная обработка невозможна.
• RTCP, она же TCP или TCPM. Положение инструмента в программе можно задавать углами осей (у Fanuc это G43.4) или вектором направления инструмента (G43.5). Какой способ выбрать, зависит от стойки и постпроцессора.
• Опережающий просмотр кадров и сглаживание траектории. У Fanuc этим занимается AICC II, а Smooth TCP и интерполяция NURBS помогают получить чистую поверхность на высокой подаче. У других производителей функции называются иначе, суть та же.
• Быстрая обработка кадров. Программы для сложных поверхностей состоят из огромного числа коротких кадров. Если стойка не успевает их считать, подача падает, а на детали появляются следы.
• Компенсация погрешностей. У Fanuc погрешность установки детали учитывает функция WSEC (G54.4), у Heidenhain кинематику станка проверяют циклы KinematicsOpt.

Многие из этих функций производители стоек продают отдельными опциями. Станок с пятью осями на бумаге не обязательно готов к непрерывной 5-осевой обработке, поэтому в спецификации смотрите не только модель стойки, но и список включённых опций. Докупать их потом нередко дороже, чем заказать вместе со станком.

Стойка влияет и на CAM. Постпроцессор пишут под конкретную пару «станок плюс стойка»: для одной и той же кинематики на Fanuc, Siemens и Heidenhain G-код выглядит по-разному. До покупки стоит выяснить, есть ли готовый постпроцессор для вашей CAM-системы и модели ЧПУ.

Сравнение: 3+2, 4+1 и 5 осей в одной таблице

Чем больше осей движется одновременно, тем сложнее геометрия, которую можно получить. Вместе с этим растут требования к ЧПУ, CAM-системе и квалификации программиста, а жесткость при резании снижается.

Технологи обычно берут самый простой режим, которого хватает для нужной геометрии и шероховатости. На одной детали режимы часто совмещают: черновую обработку ведут в 3+2, чистовую в непрерывных 5 осях.

Как выбрать режим обработки и станок

Режим выбирают по самому сложному элементу детали, а конкретный станок – по габаритам, массе, серийности и материалу.

Выбор режима обработки

Если на детали есть элементы разных типов, ориентируйтесь на самый сложный: станок, способный на 5 осей, выполнит и 3+2, и 4+1.

После выбора режима проверьте еще пять параметров:

1. Габариты и масса детали вместе с приспособлением. Наклонно-поворотные столы HVX5S рассчитаны на детали массой до 200 кг, точный предел зависит от модели. Крупные корпуса обрабатывают на горизонтальных центрах серии HF, формы и панели длиной в метры на пятиосевых портальных станках.
2. Серийность. В крупных сериях важны палеты, автоматизация и быстрая смена инструмента. Под это рассчитан HF08.
3. Материал. От материала зависит, что важнее. Алюминий и пластики требуют высоких оборотов шпинделя, титан и жаропрочные сплавы крутящего момента и жесткости.
4. ЧПУ и программное обеспечение. Проверьте опции наклонной плоскости, интерполяции 4 и 5 осей и RTCP, а также постпроцессор под вашу CAM-систему.
5. Бюджет и планы роста. Трехосевой центр с наклонно-поворотным столом дает доступный старт, а пятиосевой станок сразу закрывает все три режима.

Итог: какой режим выбрать

3+2 подходит для большинства корпусных деталей и быстро окупается за счет сокращения установов. 4+1 нужен для тел вращения с винтовыми и спиральными элементами. Непрерывная 5-осевая обработка оправдана там, где без нее геометрию не получить: крыльчатки, лопатки, импланты, сложные формы.

Пятиосевой станок вроде CFM63 работает во всех трех режимах, поэтому покупать его «на вырост» часто выгоднее, чем трехосевой центр, который потом придется дорабатывать. Если бюджет ограничен, начать можно с вертикального центра и наклонно-поворотного стола HVX5S.

Специалисты Avertum подберут станок и оснастку под вашу деталь, выполнят пусконаладку и обучат операторов и программистов. Пришлите чертеж или 3D-модель на info@avertum.ru или позвоните: +7 499 640 0000.