Каждую неделю инженеры-разработчики переплачивают за 5-осевую обработку с ЧПУ, в которой у них нет необходимости, или недоплачивают за 3-осевую обработку, которая на самом деле не позволяет достичь требуемых технических характеристик. Оба решения обходятся дорого. В первом случае деньги тратятся на излишние производственные возможности, во втором — на брак, доработку и задержки поставок.

Вопрос не в том, какой станок лучше. Вопрос в том, какой станок подходит именно для вашей детали, с учетом ваших допусков, геометрии и бюджета. Это четыре разных переменных, и ошибка даже в одной из них приведет вас к неправильному решению.

Данное руководство предоставляет вам основу для принятия такого решения до начала серийного производства. Вы поймёте, как работает каждая конфигурация, что она может, а чего не может, откуда берутся реальные различия в допусках и какие геометрии деталей подходят для того или иного станка. По завершении вы сможете, взглянув на чертеж, определить, какой процесс следует указать.

Как на самом деле работает 3-осевая обработка с ЧПУ?

При 3-осевой обработке с ЧПУ режущий инструмент или, в некоторых конфигурациях, рабочий стол перемещается по трем линейным осям: X (слева направо), Y (спереди назад) и Z (вверх-вниз). Каждый рез, каждое сверление, каждая фрезерная операция выполняется как комбинация перемещений по этим трем направлениям. Режущий инструмент всегда приближается к заготовке сверху, что означает, что станок может обрабатывать верхнюю поверхность и четыре вертикальные стороны детали, но не может обрабатывать элементы на нижней стороне, внутренние изогнутые поверхности или элементы под сложными углами без физического перемещения заготовки.

Такое изменение положения называется «настройкой». Каждый раз, когда вы переворачиваете, поворачиваете или заново закрепляете деталь для обработки новой поверхности, возникает небольшая погрешность положения. Деталь каждый раз устанавливается с небольшими отклонениями. Для деталей с допусками 0,05 мм или более широкими это редко представляет проблему. Для деталей, у которых элементы на разных гранях должны находиться в точном взаимном положении, каждое повторное закрепление добавляет суммарную погрешность, которая накапливается по всей цепочке допусков.

Трехосные станки — это «рабочие лошадки» прецизионного производства. На них изготавливается подавляющее большинство промышленных деталей с ЧПУ: корпуса, кронштейны, фланцы, прокладки, приспособления и блоки. Для таких геометрических форм трехосная обработка быстрее, дешевле и не уступает по точности любому процессу с большим количеством осей. Ошибочно полагать, что большее количество осей всегда означает лучшие результаты.

Как работает 5-осевая обработка с ЧПУ и чем она отличается?

При 5-осевой обработке с ЧПУ к трем линейным осям добавляются две оси вращения. Обычно они обозначаются как A (вращение вокруг оси X) и B (вращение вокруг оси Y), хотя точная конфигурация зависит от типа станка. На некоторых станках вращается режущая головка; на других — рабочий стол с помощью поворотного суппорта; на третьих используется комбинация обоих вариантов. Результат один и тот же: режущий инструмент может подходить к заготовке практически под любым углом без остановки для переустановки детали.

Существует два различных режима 5-осевой обработки, и их путаница часто становится причиной недопонимания между инженерами и производителями.

5-осевая позиционная обработка (обработка по схеме «3+2»)

При позиционной 5-осевой обработке, также называемой “3+2”, две вращательные оси наклоняют заготовку или инструмент под заданный угол, фиксируют их в этом положении, после чего станок выполняет резку с использованием стандартных 3-осевых перемещений. Представьте себе, что заготовка устанавливается под составным углом, чтобы при 3-осевой обработке можно было достичь элементов, недоступных при стандартной ориентации. Это наиболее распространенный вид 5-осевой обработки, который охватывает большинство деталей, для которых требуется «5-осевая» способность. Детали с элементами на четырёх или более гранях, угловыми отверстиями и поверхностями под составным углом — все они выигрывают от применения метода «3+2», при этом не требуя сложности и затрат, связанных с непрерывным одновременным перемещением.

Одновременная 5-осевая обработка (полноценная 5-осевая обработка)

При одновременной 5-осевой обработке все пять осей перемещаются одновременно во время резания. Инструмент непрерывно корректирует свой угол по отношению к поверхности заготовки по мере продвижения по пропилу. Это необходимо для обработки поверхностей со сложной формой: лопаток турбин, лопастей рабочих колес, геометрии медицинских имплантатов и конструкционных элементов для аэрокосмической отрасли с плавно изменяющейся кривизной. Одновременная 5-осевая обработка требует более сложного программирования CAM, большего времени на станке и более высоких почасовых ставок. Выбор этого режима в тех случаях, когда достаточно было бы режима «3+2», является распространённой и дорогостоящей ошибкой.

Чем отличаются 3-осевая и 5-осевая обработка по допускам, точности и качеству поверхности?

Именно здесь кроется самое пагубное заблуждение. Многие инженеры полагают, что 5-осевая обработка по своей сути более точна, чем 3-осевая. Это не так. Центр производственных технологий (Manufacturing Technology Centre) в Великобритании опубликовал сравнительные данные, показывающие, что при обработке одной и той же сложной геометрии 5-осевая обработка снизила отклонения по GD&T с 0,008 дюйма при пяти перемещениях заготовки до 0,0015 дюйма за одну установку, а также сократила отбраковку на 34% по сравнению с 3-осевой обработкой той же детали.

Однако это улучшение было достигнуто за счет устранения погрешности повторного зажима, а не за счет самих осей. Трехосный станок со стабильной закрепочной системой и коротким вылетом инструмента регулярно обеспечивает допуски 0,005 мм при обработке призматических деталей. [1]. 5-осевой станок обеспечивает ту же точность 0,005 мм при обработке сложной многогранной геометрии, для которой на 3-осевом станке потребовалось бы четыре или пять перенастроек. Показатель технологической способности (CPK) в среднем составил 1,67 для 5-осевой обработки по сравнению с 1,28 для 3-осевой при идентичной сложной геометрии, что подтверждает статистическое преимущество в качестве, когда геометрия требует многогранной обработки. [2].

Практическое правило: если вашу деталь можно изготовить за одну или две перенастройки на 3-осевом станке, то 3-осевая обработка обеспечит точность, сопоставимую с 5-осевой, по каждому критическому размеру. Как только для изготовления вашей детали потребуется три или более настроек, 5-осевая обработка становится более точным вариантом — не потому, что станок более точен, а потому, что она устраняет погрешность настройки, которая накапливается при каждой смене положения.

Какие детали подходят для обработки на 3-осевом станке, а для каких требуется 5-осевой?

Геометрия детали определяет выбор технологического процесса в большей степени, чем любой другой фактор. Приведенные ниже категории отражают реальные задачи, с которыми сталкивается инженерная команда, а не теоретические крайние случаи.

Детали, предназначенные для 3-осевого станка

Подавляющее большинство промышленных деталей, изготавливаемых на станках с ЧПУ, относятся к категории 3-осевых деталей. К этой категории относятся кронштейны, пластины и прокладки с элементами, доступными сверху и с четырех сторон; корпуса оборудования и электронные шасси без элементов со сложными углами; фланцы и кольцевые детали, у которых все элементы расположены на плоских поверхностях или вдоль одной оси; приспособления и зажимные приспособления с умеренными требованиями к допуску (0,05 мм или больше), а также блоки и коллекторы с элементами с прямыми отверстиями, расположенными параллельно или перпендикулярно друг другу.

Полезный тест: если вы можете расположить деталь так, чтобы к каждому элементу можно было добраться сверху или с одной из четырёх вертикальных сторон, не поворачивая деталь более двух раз, то это 3-осевая деталь. Если для её обработки на 3-осевом станке потребуется три или более перенастроек, чтобы добраться до всех элементов, рассмотрите возможность обработки по схеме «3+2» или одновременной 5-осевой обработки.

Детали, требующие 5-осевой (3+2) обработки

К деталям, требующим обработки по схеме «3+2», относятся детали с наклонными отверстиями, не перпендикулярными ни к одной плоской поверхности; детали с элементами, распределёнными по четырём или более поверхностям в различных ориентациях; корпуса с пазами или углублениями со сложными углами, стоматологические и ортопедические детали со сложной внешней геометрией, которые необходимо обрабатывать под разными углами, а также конструкционные детали для автомобильной и аэрокосмической промышленности, где угловые соотношения между поверхностями должны соответствовать требованиям GD&T к истинному положению с точностью лучше 0,05 мм.

Детали, требующие одновременной 5-осевой обработки

Одновременная 5-осевая обработка предназначена для геометрии произвольной формы, когда угол наклона инструмента должен непрерывно повторять изгибы криволинейной поверхности: лопатки турбин и лопатки компрессоров с плавно изменяющимися профилями крыла, центробежные рабочие колеса с закрученными лопастями и малыми зазорами между лопастями, сердечники пресс-форм со сложными скульптурными поверхностями полостей, которые должны соответствовать классу качества поверхности А, костные пластины и компоненты имплантатов с анатомически профилированными поверхностями, а также лопасти пропеллеров и судовое оборудование со сложной гидродинамической геометрией.

Если ваша деталь не подпадает ни под одну из этих категорий, то, почти наверняка, ей не требуется одновременная 5-осевая обработка. Необоснованное указание этого требования приводит к увеличению стоимости обработки одной детали на 40–80 процентов без какого-либо улучшения качества.

Сколько на самом деле стоит 5-осевая обработка по сравнению с 3-осевой?

Разница в стоимости между 3-осевой и 5-осевой обработкой обусловлена тремя факторами: почасовой ставкой за использование станка, временем программирования и временем наладки. Понимание всех этих факторов поможет определить, в каких случаях надбавка оправдана, а в каких — нет.

Ключевой вывод, который можно сделать из этой таблицы, заключается в том, что 5-осевая обработка не всегда обходится дороже в расчете на одну деталь с учетом общей стоимости программы. Если для обработки детали на 3-осевом станке требуется четыре или пять перенастроек, каждая из которых занимает от 30 до 45 минут рабочего времени оператора, совокупные затраты на перенастройку могут превысить надбавку к ставке за обработку на 5-осевом станке. Детали, требующие более трёх настроек на 3-осевом станке, всегда следует оценивать с точки зрения возможности обработки по схеме «3+2» до окончательного утверждения коммерческого предложения.

Каковы наиболее распространенные примеры деталей для каждого технологического процесса?

Реальные примеры применения позволяют устранить неоднозначность быстрее, чем абстрактные правила. Приведенные ниже примеры отражают детали, производимые на предприятии точного машиностроения, обслуживающем клиентов из аэрокосмической, медицинской, автомобильной отраслей и сферы бытовой электроники.

• 3-осевая обработка: алюминиевый монтажный кронштейн 6061-T6, шесть элементов на трёх гранях, допуск по положению 0,05 мм. Одна настройка. 3-осевая обработка — правильный выбор. 5-осевая обработка привела бы к увеличению затрат без каких-либо преимуществ.
• 3-осевой: Корпус медицинского инструмента из нержавеющей стали 316L, прямоугольного сечения, с четырьмя резьбовыми отверстиями на верхней поверхности и прорезью на передней поверхности. Два варианта исполнения 3-осевой модели. 3-осевой вариант является правильным.
• Ось 3+2: аэрокосмический кронштейн из титана 5-го класса, угловые выступы под углом 35 градусов, сквозные отверстия, проходящие через наклонные поверхности, точность положения по GD&T 0,02 мм. Четыре настройки на 3-осевой системе приведут к суммарному смещению базы отсчета на 0,08 мм. Требуется 5-осевая система.
• Ось «3+2»: алюминиевая вставка с угловым гнездом для подъемника, отклоненным на 12 градусов от вертикали, и зенковкой под составным углом. В стандартной 3-осевой ориентации доступ к этой области невозможен без специального углового приспособления. Система «3+2» — правильный и экономически выгодный выбор.
• Одновременная 5-осевая обработка: рабочее колесо компрессора из инконеля 625, семь скрученных лопаток с зазором между лопатками 0,2 мм, плавно изменяющийся профиль лопатки. Только при одновременной 5-осевой обработке. Никакой другой метод не позволяет получить такую геометрию.
• Одновременная 5-осевая обработка: позвоночный имплантат из PEEK с анатомически профилированными поверхностями верхней и нижней концевых пластин, требуемая шероховатость Ra 0,4 мкм. Одновременная 5-осевая обработка с использованием инструментов медицинского назначения и контролем с помощью датчиков в процессе обработки.

Связанные руководства и источники по технологии Elite Mold Tech

Связанные руководства: Полное руководство по выбору технологического процесса, Руководство по материалам для обработки на станках с ЧПУ, Услуги по 5-осевой обработке с ЧПУ.

Авторитетные источники: Стандарт ISO 2768-1 «Общие допуски», Общество инженеров-технологов (SME).

Закажите экспертизу DFM в компании Elite Mold Tech

Готовы перейти от чертежа к изготовлению детали? Загрузите свой CAD-файл на сайт Elite Mold Tech и получите в течение 12 часов отчет по технологичности (DFM) с рекомендациями нашей инженерной команды по допускам, материалам и стоимости, прежде чем принять окончательное решение о изготовлении пресс-форм.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли 5-осевая обработка с ЧПУ позволяет изготавливать детали с большей точностью, чем 3-осевая обработка?

Нет, и это одно из самых распространенных и дорогостоящих заблуждений в сфере прецизионного производства. Как 3-осевая, так и 5-осевая обработка с ЧПУ позволяют достигать допусков до 0,005 мм. Разница в точности между этими двумя процессами почти полностью обусловлена погрешностями настройки, а не самой конфигурацией станка. При обработке детали, которую можно изготовить за одну или две наладки, 3-осевая обработка обеспечивает точность размеров, идентичную 5-осевой, при более низкой стоимости единицы продукции. Преимущество 5-осевой обработки в точности проявляется именно при изготовлении деталей, требующих трёх или более перенастроек на 3-осевом станке, где каждое повторное закрепление вносит небольшую погрешность положения, которая накапливается по всей цепочке допусков. Выбор 5-осевой обработки для простого кронштейна только потому, что это “звучит более точно”, — прямой путь к переплате без повышения качества.

В чём заключается разница между 3+2-осевой обработкой и полноценной одновременной 5-осевой обработкой?

При 3+2-осевой обработке, также называемой позиционной 5-осевой, две оси вращения устанавливают заготовку или режущую головку под фиксированным составным углом, фиксируют их в этом положении, после чего станок выполняет резку с использованием стандартного 3-осевого перемещения. Это позволяет обрабатывать большинство деталей, для которых целесообразно использование 5-осевой обработки: наклонные отверстия, сложные карманы и элементы на нескольких непараллельных гранях. При полной одновременной 5-осевой обработке все пять осей непрерывно перемещаются во время резания. Угол наклона инструмента меняется от момента к моменту, следуя за сложной криволинейной поверхностью. Одновременная 5-осевая обработка необходима для геометрии свободной формы: лопаток турбин, рабочих колес, имплантатов с анатомическими контурами и скульптурных поверхностей полостей пресс-форм. Она требует более сложного программирования CAM и предполагает более высокую почасовую ставку. Для деталей, не имеющих непрерывно изогнутых поверхностей свободной формы, обработка по схеме «3+2» обеспечивает эквивалентные результаты при меньших затратах времени на программирование и обработку.

На моей детали имеются элементы на пяти разных гранях. Означает ли это, что мне обязательно потребуется 5-осевая обработка?

Не всегда. Вопрос заключается не в том, на скольких гранях расположены элементы, а в том, можно ли обработать эти элементы на 3-осевом станке без накопления недопустимой погрешности перенастройки. Прямоугольный блок с элементами на всех шести гранях иногда можно изготовить на 3-осевом станке за четыре–шесть настроек, если допуски между гранями достаточно большие (0,05 мм или более), чтобы компенсировать погрешность перепозиционирования. Однако если эти элементы должны соотноситься друг с другом с соблюдением жестких геометрических допусков (истинное положение 0,02 мм или меньше), накопленное смещение базовой точки в результате многократных перенастроек приведет к браку, который невозможно предотвратить ни с помощью какого бы то ни было контроля в процессе обработки. В таком случае правильным решением будет обработка на станке с 3+2 осями. Конкретный критерий таков: если геометрический допуск между элементами на разных гранях уже, чем ожидаемое смещение нулевой точки в результате повторного закрепления, вам потребуется 5-осевая обработка.

Подходит ли 5-осевая обработка с ЧПУ для крупносерийного производства или только для изготовления прототипов и мелких партий?

5-осевая обработка широко применяется в крупносерийном производстве в аэрокосмической, автомобильной и медицинской отраслях. При серийном производстве экономика выглядит иначе: затраты на программирование представляют собой единовременные инвестиции, распределяемые на все детали в партии, а время цикла на 5-осевых станках для сложных деталей зачастую короче, чем на 3-осевых, поскольку многократная наладка заменяется одной непрерывной операцией. Рабочее колесо, для обработки которого на 3-осевом станке требуется шесть перенастроек по 45 минут каждая (всего 270 минут на одну деталь), может быть изготовлено за 90 минут на станке с одновременной 5-осевой обработкой. При объемах производства от 500 и более единиц такое сокращение времени цикла обеспечивает значительную экономию затрат, которая компенсирует более высокую стоимость станка. Анализ безубыточности зависит от сложности детали, времени наладки и соотношения разницы в стоимости станка к разнице во времени цикла; он является частью анализа DFM, который компания Elite Mold Tech проводит перед принятием каких-либо обязательств по производству.

Могу ли я снизить затраты, спроектировав деталь таким образом, чтобы избежать 5-осевой обработки?

Да, и это одна из наиболее недооцененных стратегий сокращения затрат при проектировании прецизионных деталей. Элементы, требующие сложных углов, зачастую можно перепроектировать как элементы, перпендикулярные плоской поверхности, без ущерба для функциональности. Наклонные отверстия иногда можно заменить прямыми отверстиями, проходными в угловые выступы, которые являются частью отливки или поковки. Глубокие карманы, требующие доступа 5-осевого инструмента для обеспечения зазора, иногда можно расширить, чтобы обеспечить доступ 3-осевого инструмента. Не каждую деталь можно перепроектировать таким образом, особенно в аэрокосмической и медицинской отраслях, где геометрия определяется функциональными требованиями и нормативными стандартами, а не удобством производства. Однако в коммерческих и промышленных областях 30-минутное обсуждение вопросов DFM, в ходе которого два наклонных элемента перепроектируются в перпендикулярные, может сократить затраты на механическую обработку на 40 процентов. Компания Elite Mold Tech проводит такой анализ каждой новой детали перед тем, как определиться с методом механической обработки.

Какие материалы можно обрабатывать на 5-осевых станках с ЧПУ, и существуют ли какие-либо ограничения?

Пятиосевые станки с ЧПУ обрабатывают тот же спектр материалов, что и трёхосевые станки: алюминиевые сплавы, в том числе 6061-T6 и 7075-T6, нержавеющую сталь марок 304 и 316L, титан марок 5 и 23, инконел 625 и 718, латунь, медь и технические пластики, включая PEEK, Delrin и поликарбонат. Ограничения по материалам, существующие для 3-осевых станков, в равной степени применимы и к 5-осевым, с одним дополнительным моментом: непрерывное многоосевое движение при одновременной 5-осевой обработке вызывает нагрев по сложным схемам, что может повлиять на термическую стабильность тонкостенных деталей из титана и инконеля. Это требует тщательно продуманной стратегии охлаждения, снижения скоростей подачи на критических проходах и, в некоторых случаях, промежуточного снятия напряжений между черновой и чистой обработкой. Для стандартных деталей из алюминия и нержавеющей стали 5-осевая обработка не представляет никаких проблем с материалами, с которыми не сталкивается 3-осевая обработка.

Об авторе:
Алекс Морган специализируется на создании технического контента в сфере высокоточного производства, уделяя особое внимание обработке на станках с ЧПУ, литью под давлением, литью в пресс-формы, 3D-печати, обработке листового металла и изготовлению пресс-форм на заказ. Обладая более чем десятилетним опытом в области создания контента для B2B-сектора в сфере производства и поисковой оптимизации (SEO), он создает технически точные материалы, предназначенные для инженеров, разработчиков продукции, отделов закупок и лиц, принимающих решения в сфере производства. Его работа помогает мировым производителям четко доносить до клиентов в США, Европе и Азиатско-Тихоокеанском регионе информацию о сложных производственных возможностях, вариантах материалов, допусках, процессах изготовления инструментов и стандартах качества. Он пишет для производственных компаний, для которых важны техническая компетентность, точность и надежность.