vysvětlení 5osého CNC obrábění: Co to je a jak to funguje

Co je 5 axis cnc machine a jak se liší od tradičních metod?

Pochopte koncept 5 axis cnc machine

Pětiosé frézování CNC funguje tak, že se pohybuje po pěti různých osách současně – tři přímé osy (X, Y, Z) a dvě rotační (A a B). To znamená, že nástroj může dosáhnout každé části obrobku bez nutnosti zastavení a ručního přemisťování. Už není potřeba zdlouhavé přemisťování, což šetří čas a zároveň zvyšuje přesnost. Stroje dokáží udržet velmi úzké tolerance až do 0,005 milimetru, díky čemuž jsou ideální pro výrobu složitých dílů, jako jsou lopatky pro letecké motory nebo malá lékařská zařízení, která se zavádějí do těla. Díky těmto rotačním pohybům mají výrobci plný přístup ke všem možným tvarům a obtížně dostupným místům. Pro průmyslové odvětví, kde je na prvním místě přesnost, tato technologie zcela změnila možnosti výroby na výrobní lince.

Hlavní rozdíly mezi 3osým a 5osým CNC strojem

Standardní tříosé stroje pracují v přímých liniích po osách X, Y a Z, což znamená, že mají potíže se složitými tvary a detaily na různých stranách, pokud musí zastavit a několikrát se přenastavit. Při každém přesunu těchto strojů do požadované pozice hrozí riziko nesouososti a tento dodatečný krok může podle průmyslových zpráv SME z roku 2023 zabrat až o 40 až 70 procent více času. Na druhou stranu pětiosé systémy využívají dvě další rotační osy, označené A a B, které umožňují nástroji nebo samotnému obrobku měnit úhel během obrábění. Výsledkem jsou hotové díly se složitými vnitřními prostory a šikmými plochami bez nutnosti zastavování, čímž ušetří výrobcům přibližně polovinu výrobního času při výrobě leteckých komponent, kde je nezbytné dosáhnout na více stran současně.

Vývoj víceosých obráběcích možností a výhody

Kořeny pětiosé technologie sahají do 80. let 20. století, kdy byla poprvé použita v leteckém a obranném průmyslu pro obrábění plných titanových komponent. Od přibližně roku 2010 se však situace výrazně změnila díky pokročilejším CNC řídicím systémům a vylepšenému CAM softwaru. To v praxi znamená, že stroje mohou nyní pohybovat všemi pěti osami současně, což má skutečný dopad na výrobní linky. Čísla také částečně vyprávějí příběh – provozy uvádějí potřebu zhruba polovičního počtu upínadel, povrchy obrobků jsou o 35 % hladší a nástroje vydrží přibližně o 30 % déle, protože řez probíhá v lepších úhlech, jak uvádí výzkum z roku 2022 publikovaný v Journal of Manufacturing Systems. Odvětví, kde záleží na přesnosti nejvíce, jako jsou lékařské přístroje, letecké komponenty a výroba energetického zařízení, tuto technologii celkově přijala. V mnoha případech se výrobní zmetkovost snížila o více než čtvrtinu po přechodu na pětiosé systémy.

Vysvětlení pěti os: X, Y, Z, A a B v 5osé CNC stroje

Lineární osy (X, Y, Z) a jejich role při polohování nástroje

Při CNC obrábění spolupracují osy X, Y a Z, aby řídily pohyb řezného nástroje ve třírozměrném prostoru. Vysvětlení: osa X zajišťuje pohyb zleva doprava přes pracovní stůl, což umožňuje například čelní frézování. Osa Y zajišťuje pohyb vpřed a vzad a je důležitá při bočním frézování nebo vytváření drážek. Osa Z zajišťuje pohyb nahoru a dolů, který je potřebný pro vrtání otvorů a soustružnické operace. Pokud vše funguje správně, tyto tři osy mohou polohovat nástroje s přesností ±0,005 milimetru podle norem ISO z roku 2022. Tato úroveň přesnosti umožňuje výrobcům opakovaně vyrábět stejné díly s konzistentní kvalitou.

Rotační osy (A a B) a jejich dopad na orientaci obrobku

Při diskusi o osách stroje, A-os otáčí buď obrobkem nebo vřetenem ve směru, který označujeme jako směr X-osy. Mezitím B-os zajišťuje rotaci podle Y-osy. Co to prakticky znamená je, že nástroje mohou dosáhnout těch obtížných složených úhlů bez nutnosti neustálého přestavování. Jako příklad můžeme uvést výrobu letadlových motorů, kde sklon B-osy o 45 stupňů umožňuje obrábění šikmých děr v lopatkovém věnci s pozoruhodnou přesností. Skutečnou výhodou je odstranění všech těch časově náročných manuálních úprav. Výrobci nyní mohou obrábět složité podřezávání a ty náročné zakřivené tvary, které dříve vyžadovaly více upínání a specializované vybavení.

Kinematika synchronizovaného pohybu na pěti osách (osy X, Y, Z, A, B/C)

Opravdové obrábění na 5 osách funguje tak, že současně koordinuje všech pět os – jak lineární pohyby, tak i rotace, což je umožněno díky sofistikovanému softwaru pro řízení pohybu. Když vše správně ladí, nástroj udržuje během celého procesu stejný úhel vůči obrobku. To znamená, že materiál se rovnoměrně odstraňuje i u složitých tvarů, bez těch nepříjemných nepravidelností, které někdy vidíme. U reálných aplikací mohou dosahovat povrchové úpravy součástí vyrobených z tvrdých materiálů, jako je titan používaný v letadlové výrobě, hodnoty drsnosti pod Ra 0,8 mikronu. Právě takové výsledky předepisují průmyslové normy pro vysokovýkonné komponenty, kde na přesnost opravdu záleží.

Jak řízení nástroje a orientace nástroje zvyšuje přesnost v 5-osových systémů

Optimalizace orientace nástroje je klíčovou výhodou 5osých systémů. Úpravou úhlu nástroje vůči obrobku:

• Řezné síly působí v ose největší tuhosti nástroje, čímž se snižuje průhyb až o 40 %
• Účinný řezný průměr zůstává konstantní na zakřivených plochách
• Kratší a tužší nástroje lze použít v optimálních úhlech

Tyto faktory dohromady umožňují obrábění jemných prvků s vysokou přesností, jako jsou rádiusové svěrné hranoly o velikosti 0,2 mm u lékařských implantátů, s opakovatelností pod mikron

Typy a konfigurace 5osé CNC stroje : Hlava/Hlava, Stůl/Hlava a Stůl/Stůl

Pokud jde o vyvrtávací centra s pěti osami, dnes se v podstatě vyrábějí dvěma hlavními způsoby. První možností je tzv. stolový stroj s otočným stolem. Tyto stroje jsou vynikající pro opracování krychlových dílů, protože umožňují dobrý přístup z více úhlů, i když mají omezení v nosnosti. Druhou běžnou konstrukcí je swivel rotate design (otočná konstrukce s rotací). U tohoto uspořádání samotná vřetena obsahují otáčející se osy, což umožňuje nástrojům dosáhnout do všech možných složitých tvarů, které by jinak nebyly přístupné. Co činí oba typy cennými, je jejich schopnost současně koordinovat několik os během provozu. To znamená méně zastávek a přenastavování dílů, což šetří čas a peníze, zejména při práci na složitých komponentech s mnoha různými prvky.

Přehled konfigurací 5osých CNC strojů (stolový typ, swivel rotate typ)

Stroje typu trunnion fungují tak, že obrobek se otáčí na naklápěcí stole kolem osy X. Takováto uspořádání jsou poměrně vhodná pro práci s díly ve tvaru krabice, protože umožňují snadný přístup k více stranám součásti. Existuje však jeden velký nedostatek – pokud jde o větší nebo těžší komponenty, tyto stroje nejsou konstruovány tak, aby efektivně zvládly takovéto zatížení. Naproti tomu konfigurace typu swivel rotate (otočné s posuvem) zaujímá zcela jiný přístup. Místo pohybu celého stolu jsou rotační osy integrovány přímo do vřetena. To umožňuje nástrojům zaujmout pozice pod úhly v rozmezí od plus nebo minus 30 stupňů až po 120 stupňů. Skutečnou výhodu tohoto uspořádání si uvědomíme při práci s komplikovanými volně tvarovanými plochami, kde je rozhodující přesnost. Výrobci ve leteckém průmyslu a v oblasti lékařských přístrojů zvláště oceňují, jak tyto stroje udržují velmi úzké tolerance až do rozmezí 0,0001 palce, což je činí nepostradatelnými pro kritické aplikace, kde i nejmenší odchylky mohou způsobit potíže.

Head/Head vs. Table/Head vs. Table/Table: Výkon a kompromisy v aplikacích

U konfigurací Head/Head zůstává obrobek na místě a vřeteno provádí veškeré otáčení, což zajišťuje lepší stabilitu při práci s velkými leteckými díly. Potom existuje hybridní uspořádání Table/Head, kde máme jak rotační stůl, tak i naklápěcí vřeteno. Tato sestava funguje poměrně dobře například pro výrobu forem a lékařského vybavení, protože nabízí dobré spojení schopnosti zpracování různých tvarů a zároveň dostatečné kapacity. U strojů typu Table/Table se všechno točí kolem rotace samotného obrobku. Tyto stroje dokážou vytvářet velmi detailní podřezávání, ale za cenu menších rozměrů pracovního prostoru. Při rozhodování, který systém zvolit, musí výrobci zvážit, jak složité jejich díly jsou, jaké množství výroby zpracovávají a zda jejich návrhy vyžadují speciální geometrie, které standardní uspořádání nemusí snadno zvládnout.

Konfigurace	Stabilita přesnosti	Pracovní prostor	Rychlost	Optimální použití
Klíšťata/Klíšťata	⭐⭐⭐⭐⭐	Velký	Střední	Lopatky turbíny, trup
Stůl/Klíšťata	⭐⭐⭐⭐✩	Střední	Vysoký	Lékařské implantáty, formy
Stůl/Stůl	⭐⭐⭐⭐✩	Malého	Nízká	Šperky, zubní protézy

U vysoce organických tvarů, jako jsou lopatky turbíny, přináší spojitá pěsiosá obrábění výhody z hlediska nákladů a kvality. U jednodušších vícestranných dílů často postačí indexované metody (3+2).

Jak 5 axis cnc machine Š orky: od CAD/CAM programování po realizaci

Jak funguje 5osá CNC obráběcí centra: Podrobný krok za krokem návod

Začneme tím, že inženýři využívají CAD modelování k vytvoření 3D návrhu libovolné součástky, která má být vyrobena. Jakmile je tento digitální model připraven, je předán do CAM softwaru, který jej převede na konkrétní strojní instrukce, včetně drah nástrojů a všeho toho G-kódu. Dalším krokem je upevnění surového materiálu na otočný stůl a nainstalování správných řezných nástrojů. Jakmile vše běží, tyto pokročilé systémy koordinují přímočaré pohyby (např. osy X, Y, Z) spolu s rotačními pohyby (osy A a B), aby mohly vyřezávat složité tvary bez nutnosti více nastavení. Během provozu neustále pracují senzory, které kontrolují přesnost polohy a měří úroveň řezných sil, čímž udržují vysokou přesnost v toleranci asi 0,0005 palce nebo lepší. Tato úroveň kontroly znamená, že obsluha už nemusí tak často zasahovat a provádět úpravy.

Indexovaná (3+2) vs. kontinuální 5osá obrábění

Technická	Typ pohybu	Ideální aplikace	Vliv na čas cyklu
Indexovaný (3+2)	Otočné osy se zablokují před 3osým frézováním	Mnohastěnné hranoly	15–20 % rychlejší při sériové výrobě
Spojité	Současný 5osý pohyb během řezání	Organické tvary (např. lopatky turbín, lékařské implantáty)	Až 40% úspora oproti více nastavením

Indexované frézování je efektivní pro součásti s diskrétními úhlovými prvky, zatímco spojité 5osé řízení je nezbytné pro hladké, složité plochy, které by jinak vyžadovaly ruční dokončování.

Role CAD/CAM softwaru při programování složitých drah nástroje

CAM software se stalo nezbytným pro programování úloh s 5 osami, které zvládají složité výpočty týkající se pozice nástroje, vstupních úhlů a vyhýbání se kolizím během obráběcích operací. Algoritmy softwaru se starají o úpravy potřebné pro různé délky nástrojů, kompenzují jakékoliv posuny obrobku a berou v úvahu skutečný pohyb strojů – což je zvláště důležité při práci s náročnými prvky, jako jsou hluboké kapsy nebo podřezávané plochy. Jakmile je plánování dokončeno, přichází do hry postprocesory, které převádějí vypočtené dráhy na konkrétní G-kódové instrukce odpovídající možnostem konkrétního CNC stroje. Výrobci, kteří přešli na tento druh digitálního pracovního postupu, uvádějí podle údajů z pozdního roku 2023 pokles chyb v programování o 70–75 % ve srovnání se staršími manuálními metodami.

Kdy je spojitá 5osá obrábění nezbytná a kdy už je nadbytečná? Praktické úvahy

Pětiosé obrábění opravdu září, pokud jde o složité tvary nebo nepohodlné úhly – například výroba podpěr letadlových motorů nebo lékařských implantátů páteře. Pokud však jde o základní díly, jako jsou upevňovací konzoly nebo skříně s jednoduchými pravými úhly, je vhodné použít indexované techniky 3+2 nebo prosté tříosé obrábění. Tyto alternativní metody snižují programátorské komplikace a obecně urychlují výrobu zhruba o třetinu ve srovnání s nepřetržitým pětiosým obráběním. Pro vlastníky továren, kteří zvažují své možnosti, dává smysl nejprve analyzovat, co všechno se skutečně bude vyrábět, a pak teprve rozhodovat o nákladných investicích do zařízení. Skutečná výhoda se projeví u těch jedinečně tvarovaných dílů, kde by tradiční metody nastavování trvaly věčnost a stály majlant.

Výhody a použití 5osé CNC obrábění v průmyslu

Zvýšená přesnost, kvalita povrchu a snížení počtu nastavení u pětiosých strojů

Když nástroje zůstanou během obrábění správně zapojené, 5osé CNC stroje mohou dosáhnout povrchové drsnosti pod 16 mikropalec Ra a eliminují ty nepříjemné chyby vzniklé při opakovaných nastaveních. Pravé eso v rukávu? Čas potřebný na nastavení klesne až o 40 až 60 procent. To dělá obrovský rozdíl při práci na dílech, které opravdu záleží, jako jsou lopatky turbín nebo ortopedické implantáty. Koneckonců, kvalita povrchu jde o víc než jen o vzhled – ve skutečnosti ovlivňuje, jak tyto komponenty fungují ve svých konkrétních aplikacích.

Obrábění složitých geometrií a jemných tvarů efektivně

Současný pohyb ve všech pěti osách umožňuje vyrábět vysoce složité tvary – jako jsou lopatky impeleru, kostní konstrukce (scaffolds) nebo formy pro vstřikování – v jediné operaci. Tato vlastnost snižuje potřebu více komponent a sestav, až o 30 %, a zlepšuje konstrukční spolehlivost odstraněním spojovacích ploch.

Prodloužená životnost nástrojů a zvýšená účinnost vrtání díky optimálním úhlům nástrojů

Při rotaci nástrojů kolem své osy zasahují materiál přesně pod správným úhlem pro maximální účinnost. Tím zůstává kontakt mezi nástrojem a materiálem stabilní po celé straně, místo toho, aby se zanořoval do středu, kde dochází k rychlému opotřebení. Rovnoměrné rozložení opotřebení po hřbetu řezu znamená, že tyto nástroje vydrží déle než je nutné je vyměnit. Další výhodou je lepší odvod třísek, který zabraňuje nadměrnému hromadění tepla během provozu. Co je na tomto uspořádání skutečně výhodné? Vrtáky udržují rovné vstupní body i při práci na zakřivených plochách. Výsledek? Čistší řezy a otvory, které mají přesné rozměry pokaždé, což je velmi důležité v prostředích vyžadujících přesnou výrobu.

Vysoké pořizovací náklady vs. dlouhodobý návratnost investice: Zhodnocení investice do technologie 5osých CNC strojů

Ačkoli 5osé stroje rozhodně stojí na začátku více, většina dílen zjistí, že si v průběhu času ušetří peníze. Vezměme si jako příklad tuto jednu leteckou společnost. Snižují čas obrábění pro některé opravdu složité díly z celých 18 hodin na pouhých 5 hodin celkem. To je zhruba sedmdesátiprocentní zlepšení. Když dílny odstraní tyto dodatečné kroky při nastavování a přestanou tolik spoléhat na manuální práci, jejich výrobní rychlosti výrazně vzroste. To znamená, že strojírny mohou zpracovávat složitější zakázky, které ve skutečnosti přinášejí lepší ceny na trhu. Rychlejší dodací lhůta také pomáhá rychleji se vrátit k těmto počátečním investicím, než se očekávalo.

Kritické aplikace v leteckém, lékařském a energetickém sektoru

Zásadní význam 5osého obrábění se opravdu ukazuje v odvětvích, kde jsou předpisy přísné a kde nemůže být výkon nijak ohrožen. Vezměme si třeba letecké společnosti, které se spoléhají na tuto technologii při výrobě komponentů, jako jsou žebra křídla nebo upevnění motorů, jež vyžadují extrémně přesná měření a bezchybné aerodynamické vlastnosti. Velký prospěch z těchto strojů mají také v oboru medicíny. Chirurgové nyní mohou získat speciálně vyrobené titanové klece pro páteř nebo implantáty lebky, které jsou přizpůsobeny konkrétní anatomii každého pacienta. Ani energetické společnosti nezůstávají pozadu, neboť využívají 5 axis cnc machine k výrobě složitých dílů, jako jsou trysky turbín nebo oběžná kola čerpadel. To vše je navíc pozoruhodné proto, kolik času a nákladů se díky zlepšeným pracovním postupům ušetří. Vezměme si průmysl výroby kardiostimulátorů, kde výroba prototypů dříve vyžadovala 15 různých nastavení, zatímco nyní pouze 3. Tato úroveň snížení zkracuje nejen výrobní čas, ale také pravděpodobnost chyb vznikajících během výroby.