Was ist 5-Achsen-CNC-Bearbeitung und wie funktioniert sie?

Während wir das Zeitalter der Industrie 4.0 begrüßen, ist die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) zu einem geworden Eckpfeiler der modernen Fertigung. Diese Technologie, die Computer zur Steuerung von Werkzeugmaschinen nutzt, hat mit ihrer hohen Präzision, Effizienz und Konsistenz die traditionelle Bearbeitung revolutioniert. Da jedoch die Nachfrage nach immer komplexeren und präziseren Bauteilen wächst, greift die herkömmliche 3- oder 4-Achsen-CNC-Bearbeitung oft zurück.

Hier kommt die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung ins Spiel. Durch das Hinzufügen von zwei Rotationsachsen zu den herkömmlichen drei Linearachsen ermöglichen 5-Achsen-CNC-Maschinen dem Werkzeug, sich dem Werkstück aus praktisch jeder Richtung zu nähern. Diese Fähigkeit macht zusätzliche Einrichtungsschritte deutlich überflüssig, steigert die Produktionseffizienz und produziert ästhetisch ansprechende und komplexe Teile, was jeder Werkstatt ein unglaubliches Potenzial eröffnet.

In diesem Artikel geht es vor allem darum, zu klären, was 5-Achsen-CNC-Bearbeitung ist, wie sie funktioniert, detailliert auf den Betrieb der fünf Achsen einzugehen und ihre Vorteile und Einschränkungen zu erläutern.

Was ist 5-Achsen-CNC-Bearbeitung?

Um die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung besser zu verstehen, erklären wir zunächst, was die Achsenanzahl bei der CNC-Bearbeitung bedeutet. Eine Achsenanzahl bezieht sich auf die Anzahl der Richtungen, in die sich das Schneidwerkzeug (oder der Arbeitstisch) bewegen kann, um das gewünschte Produkt herzustellen. Grundsätzlich gilt: Je mehr Achsen eine Maschine besitzt, desto größer wird der Bewegungs- und Drehbereich für Werkzeug und Arbeitstisch, was letztendlich die Herstellung komplexerer und präziserer Bauteile ermöglicht.

Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung werden Schneidwerkzeuge oder Teile gleichzeitig entlang fünf verschiedener Achsen bewegt. Im Gegensatz zur herkömmlichen 3-Achsen-Bearbeitung, die sich entlang der X-, Y- und Z-Linearachsen bewegt, verfügen 5-Achsen-CNC-Maschinen über zwei zusätzliche Rotationsachsen. Dies ermöglicht die Bearbeitung mehrerer Oberflächen in einer einzigen Aufspannung. Es kann problemlos komplexe Kurven und Konturen verarbeiten und ist ideal für die Bearbeitung komplizierter und unregelmäßig geformter Teile.

Beginnen wir nun mit dem Wissen über Achsen in der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung:

Linearachsen:

Die standardmäßige 3-Achsen-Bearbeitung erfolgt entlang der X-, Y- und Z-Achse. Diese drei Linearachsen stellen die Richtungen dar, in die sich die Spindel bzw. das Werkstück bewegen kann.

• X-Achse: Move left and right (parallel to the worktable)
• Y-Achse:Move forward and backward(parallel to the worktable)
• Z-Achse: Move up and down(parallel to the spindle axis)

Rotationsachsen:

Der Einsatz von Rotationsachsen bedeutet, dass eine Maschine entweder das Teil oder das Schneidwerkzeug (Spindelkopf) um eine der zuvor festgelegten Linearachsen drehen kann. Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung verwenden verschiedene Maschinen unterschiedliche Kombinationen der folgenden Rotationsachsen (A & B, B & C oder A & C).

• A-Achse(rotation around the X-axis): Typically can rotate ±120° to ±150°, with some high-end models reaching up to ±180°.
• B-Achse(rotation around the Y-axis): Typically can rotate ±120° to ±150°, with some models reaching up to ±180°.
• C-Achse(rotation around the Z-axis): Generally can achieve continuous 360° rotation, depending on the specific design.

Wie funktioniert die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung?

Bei der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung wird das Schneidwerkzeug oder das Werkstück gleichzeitig entlang fünf verschiedener Achsen bewegt. Die drei Linearachsen und zwei Rotationsachsen bewegen sich gemeinsam, um die erforderliche Bearbeitung zu erreichen.

Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Erklärung, wie die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung funktioniert:

Schritt 1: Design und Vorbereitung

Der erste Schritt besteht darin, das zu bearbeitende Teil mithilfe einer CAD-Software (Computer-Aided Design) zu entwerfen. Der Designer erstellt ein 3D-Modell des Teils und gibt alle erforderlichen Abmessungen, Formen und Merkmale an.

Sobald das Teil entworfen ist, wird eine CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) verwendet, um das 3D-Modell in maschinenlesbare Anweisungen umzuwandeln. Dazu gehört die Definition der Werkzeugwege, die Auswahl der passenden Schneidwerkzeuge und die Festlegung der Bearbeitungsparameter wie Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe.

Schritt 2: Einrichtung und Ausrichtung

Die 5-Achsen-CNC-Maschine wird basierend auf den Anforderungen des Teils ausgewählt. Auf dem Arbeitstisch wird eine Vorrichtung entwickelt und installiert, um das Werkstück sicher zu halten und auszurichten. Schneidwerkzeuge werden basierend auf dem Material, der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit und der Komplexität des Teils ausgewählt und dann im Werkzeugwechsler installiert.

Schritt 3: Bearbeitungsprozess

Laden Sie das CAM-generierte Programm in die Steuerung der CNC-Maschine. Dieses Programm enthält alle notwendigen Anweisungen, damit die Maschine die Bearbeitungsvorgänge ausführen kann.

Beim Einschalten der Maschine wird das Programm gestartet. Und das CNC-System steuert die Bewegung des Werkzeugs entlang der vordefinierten Werkzeugwege. Die drei linearen Bewegungen sind die gleichen wie bei der herkömmlichen 3-Achsen-Bearbeitung: links und rechts (X-Achse), vorwärts und rückwärts (Y-Achse) und auf und ab (Z-Achse). Was die gleichzeitigen Dreh- und Kippbewegungen betrifft, gibt es, wie bereits erwähnt, die folgenden drei Kombinationen:

1. Rotationsbewegungen von A und B2. Rotationsbewegungen des A & C3. Rotationsbewegungen des B & C

Die spezifische Konfiguration dieser Achsen variiert je nach Typ der 5-Achsen-CNC-Maschinen. Das folgende Bild zeigt die Rotationsbewegungen von A & B, A&C und B&C:

Der Bediener überwacht den Bearbeitungsprozess und stellt sicher, dass alles reibungslos läuft. Bei Bedarf können Anpassungen der Schnittparameter oder Werkzeugwege vorgenommen werden, um den Bearbeitungsprozess zu optimieren.

Arten von 5-Achsen-CNC-Maschinen

Da die Nachfrage weiter wächst, gibt es mittlerweile viele Arten von 5-Achsen-Maschinen. Basierend auf der Konfiguration der beiden Rotationsachsen kann jedes 5-Achsen-Fräszentrum in einen von drei Haupttypen eingeteilt werden: Tisch/Tisch, Kopf/Tisch oder Kopf/Kopf.

Tisch/Tisch

Bei diesem Aufbau sind beide Drehachsen auf dem Arbeitstisch montiert. Das bedeutet, dass das Werkstück auf dem Tisch fixiert ist, der sich dreht und neigt, um eine 5-Achsen-Bewegung zu erreichen. Im Vergleich zu anderen Typen ist die Table-Table-Konfiguration einfacher aufgebaut, einfacher zu warten und hat einen minimalen Arbeitsaufwand. Dies macht es sehr effektiv für die Bearbeitung mittelgroßer bis kleiner Werkstücke, insbesondere solcher mit komplexer Form, aber kleiner Größe. Allerdings ist seine Belastbarkeit begrenzt, sodass er für große oder schwere Werkstücke ungeeignet ist.

Kopf/Kopf

Kopf/Kopf-Maschinen führen mit ihren Spindelköpfen alle Dreh- und Schwenkbewegungen aus, während das Werkstück selbst stationär bleibt. Dieser Aufbau vermeidet Störungen zwischen dem Spindelkopf und dem Werkstück und reduziert Fehler, die durch Werkstückbewegungen verursacht werden. CNC-Maschinen vom Kopf/Kopf-Typ sind ideal für die Herstellung großer Teile. Diese Konstruktion weist jedoch einen begrenzten Bewegungsbereich in Richtung der Drehachse auf. Obwohl sich der Spindelkopf in verschiedenen Winkeln drehen und neigen lässt, ist der Bewegungsbereich der Drehachse relativ klein, was bei bestimmten komplexen Bearbeitungsszenarien ein limitierender Faktor sein kann.

Tisch/Kopf

Maschinen mit einer Kopf/Tisch-Konfiguration sind eine Mischung aus Tisch/Tisch- und Kopf/Kopf-Konfigurationen. Eine Drehachse befindet sich am Spindelkopf, die andere am Drehtisch. Im Gegensatz zur Kopf/Kopf-Konfiguration, bei der die Drehachse am Spindelkopf in bestimmten Situationen auf physische Struktur oder Bewegungseinschränkungen stoßen kann, kann sich die Drehachse auf dem Tisch in der Kopf/Tisch-Konfiguration frei drehen, sodass sich das Werkstück weiter drehen kann . Dieser Aufbau ermöglicht einen besseren Zugang zu Hinterschnitten und komplexen Oberflächen oder mehrseitigen Werkstücken. Da das Werkstück jedoch auf der Drehachse fixiert ist, kann die Tragfähigkeit und Drehfähigkeit des Drehtisches die Größe und das Gewicht des Werkstücks begrenzen.

Vorteile der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung

Die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung bietet mehrere wesentliche Vorteile, die sie zu einer unverzichtbaren Technologie in der modernen Fertigung machen, insbesondere wenn es um die Bearbeitung komplexer Teile und hochpräziser Produkte geht. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:

1. Fähigkeit, komplexe Geometrie zu erstellen

Die Möglichkeit, alle fünf Achsen gleichzeitig zu bewegen, ermöglicht eine dynamische Anpassung des Winkels und der Position des Werkzeugs und ermöglicht so einen besseren Zugang zu schwer zugänglichen Bereichen des Werkstücks. Dies ermöglicht die Bearbeitung hochkomplexer Geometrien wie tiefe Hohlräume, Hinterschnitte, Freiformflächen und komplizierte Konturen, die mit der herkömmlichen 3-Achsen- oder 4-Achsen-Bearbeitung sehr schwierig oder unmöglich wären.

2. Effizienz und Präzision

Effiziente Bearbeitung: Die 5-Achsen-Bearbeitung minimiert den Bedarf an mehreren Aufspannungen und Neupositionierungen, indem sie die Durchführung mehrseitiger Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung ermöglicht. Dieser unterbrechungsfreie Prozess reduziert Ausfallzeiten, erhöht den Gesamtdurchsatz und führt zu schnelleren Produktionszyklen.

Hohe Präzision: 5-Achsen-Maschinen können eine außergewöhnliche Präzision erreichen, indem sie das Werkzeug über fünf Freiheitsgrade steuern. Diese präzise Steuerung stellt sicher, dass komplexe Oberflächen mit genauen Toleranzen, oft bis auf den Mikrometerbereich, bearbeitet werden. Die gleichzeitige Bewegung aller fünf Achsen stellt sicher, dass das Schneidwerkzeug während des gesamten Bearbeitungsprozesses eine optimale Positionierung und Ausrichtung beibehält, wodurch Fehler reduziert und die Genauigkeit verbessert werden.

3. Hervorragende Oberflächenbeschaffenheit

Die Rotationsachsen der 5-Achsen-Bearbeitung spielen in diesem Aspekt eine entscheidende Rolle, da sie es dem Schneidwerkzeug ermöglichen, einen konstanten und optimalen Schnittwinkel relativ zur Werkstückoberfläche beizubehalten, was das Risiko von Werkzeugflattern verringert und eine glattere, hochwertige Oberfläche gewährleistet beenden. Darüber hinaus ermöglicht die 5-Achsen-Bearbeitung den Einsatz kürzerer Schneidwerkzeuge, wodurch Vibrationen und Durchbiegungen reduziert werden, was zu besseren Oberflächengüten führt und den Bedarf an zusätzlichen Endbearbeitungsprozessen minimiert.

4. Reduzierte Vorrichtungs- und Werkzeugwechsel

Die 5-Achs-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile in einer einzigen Aufspannung. Dadurch wird die Notwendigkeit häufiger Vorrichtungs- und Werkzeugwechsel minimiert und das Risiko von Fehlausrichtungen, Fehlern und möglichen Werkstückschäden verringert. Die optimierten Werkzeugwege sollen außerdem dazu beitragen, die Belastung und Hitze der Schneidwerkzeuge zu reduzieren und deren Lebensdauer zu verlängern. Dies führt zu weniger Unterbrechungen für Werkzeugwechsel oder Wartung und trägt zu einem kontinuierlicheren und effizienteren Bearbeitungsprozess bei.

5. Breite Anwendungsfelder

Die Vielseitigkeit der 5-Achsen-CNC-Bearbeitungstechnologie hat ihren Einsatz in verschiedenen Branchen ausgeweitet:

Luft- und Raumfahrt: Wird häufig zur Herstellung von Flugzeugkomponenten, Triebwerksteilen und anderen hochpräzisen, komplexen Produkten verwendet.

Militär: Unverzichtbar für die Herstellung von Präzisionswaffen und -ausrüstung, bei der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung sind.

Präzisionsinstrumente und medizinische Geräte: Ideal für die Herstellung von Geräten und Instrumenten mit strengen Anforderungen an Präzision und Oberflächenqualität, um optimale Leistung und Zuverlässigkeit in kritischen Anwendungen sicherzustellen.

Einschränkungen der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung

Trotz ihrer Vorteile weist die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung auch bestimmte Einschränkungen auf:

1. Hohe Anschaffungs- und Wartungskosten

5-Achsen-CNC-Maschinen sind vor allem aufgrund ihres fortschrittlichen Designs und ihrer Fähigkeiten teurer als herkömmliche 3-Achsen- und 4-Achsen-Maschinen. Darüber hinaus sind die Wartungskosten dieser Maschinen höher, da die komplexe mechanische Struktur mit zahlreichen beweglichen Teilen regelmäßig gewartet und kalibriert werden muss. Darüber hinaus erfordern die hochentwickelten Steuerungssysteme die Aufmerksamkeit von Experten, was die Betriebskosten weiter in die Höhe treibt.

2. Programmierkomplexität

Für die Programmierung der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung sind fortschrittliche CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) und hochqualifizierte Bediener erforderlich. Darüber hinaus ist der Prozess zeitaufwändig und erfordert eine detaillierte Planung und Überprüfung, um genaue und effiziente Werkzeugwege sicherzustellen. Diese Komplexität kann zu erhöhten Schulungskosten und längeren Rüstzeiten führen.

3. Erforderliche Fachkenntnisse des Bedieners

Bediener benötigen eine spezielle Schulung, um die Feinheiten der Maschinen und ihrer Steuerungssysteme zu verstehen. Durch die spezielle Schulung der Bediener entstehen zusätzliche Kosten, da diese mit den erweiterten Funktionen und Fähigkeiten dieser Maschinen vertraut sein müssen.

4. In bestimmten Anwendungen nicht anwendbar

In einigen Szenarien ist eine 5-Achsen-Bearbeitung möglicherweise nicht möglich. Beispielsweise können bei der Verwendung von kurzen Fräsern oder breiten Griffen 5-Achs-Bearbeitungstechniken aufgrund von Vibrationen, die bei Neigungswinkeln auftreten, problematisch sein. Diese Vibrationen können die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte beeinträchtigen und die 5-Achsen-Bearbeitung für bestimmte Aufgaben weniger effektiv machen. In solchen Fällen ist die 3-Achsen-Bearbeitung möglicherweise die praktischere Wahl und bietet Stabilität und Präzision für bestimmte Anwendungen, bei denen die Vorteile der 5-Achsen-Bearbeitung nicht so wichtig sind.

Arbeiten Sie mit Chiggo für die 5-Achsen-CNC-Bearbeitung zusammen

Wir glauben, dass Sie durch diesen Artikel ein umfassendes Verständnis der 5-Achsen-CNC-Bearbeitung gewonnen haben. Diese fortschrittliche Technik ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Geometrien und erleichtert die Herstellung komplexer Teile mit hervorragender Oberflächengüte. Auch wenn die Anschaffungskosten höher sein können, spart die 5-Achsen-Bearbeitung auf lange Sicht letztendlich Zeit und Geld. Um Ihre präzisen 5-Achsen-Bearbeitungsprojekte effizienter und kostengünstiger zu gestalten, müssen Sie sich für einen zuverlässigen Partner entscheiden. Suchen Sie nicht weiter als Chiggo!

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