5-akselinen CNC-koneistus selitetty: Mikä se on ja miten se toimii

Mikä on 5-akselinen CNC-kone ja miten se eroaa perinteisistä menetelmistä?

Käsitteen ymmärtäminen 5-akselinen CNC-kone

Viisakselinen CNC-työstö toimii liikkumalla viiden eri akselin suuntaan yhtä aikaa – kolme suoraa viivaa (X, Y, Z) sekä kaksi kiertoa (A ja B). Tämä tarkoittaa, että työkalu voi päästä käsiksi jokaiseen työkappaleen osaan ilman tarvetta pysähtyä ja manuaalisesti säätää asentoja. Tylsää uudelleenasennusta ei enää tarvita, mikä säästää aikaa ja tekee kaiken huomattavasti tarkemmaksi. Koneet voivat pitää hyvin tiukkoja toleransseja noin 0,005 millimetrin tarkkuudella, joten ne soveltuvat hyvin monimutkaisten osien valmistukseen, kuten lentokoneen moottoriterävistä tai kehon sisään sopivista pienistä lääketieteellisistä laitteista. Kun pyörimisliike tulee mukaan, valmistajat saavat täyden pääsyn kaikenlaisiin hankaliin muotoihin ja vaikeasti saavutettaviin kohtiin. Teollisuuden aloilla, joilla tarkkuus on ensimmäisenä, tämäntyyppinen teknologia on täysin muuttanut sen, mitä tehdasalueella on mahdollista saavuttaa.

Tärkeimmät erot 3- ja 5-akselisen CNC-koneiston välillä

Standardi 3-akseliset koneet toimivat suorilla viivoilla X-, Y- ja Z-suuntiin, mikä vaikeuttaa niiden käyttöä monimutkaisten muotojen ja eri puolilla olevien ominaisuuksien käsittelyyn, ellei niitä pysäytetä ja uudelleensijoiteta useita kertoja. Joka kerran, kun näitä koneita on siirrettävä asento, on olemassa riski kohdistusvirheistä ja tämä lisävaihe voi kuluttaa jopa 40–70 prosenttia enemmän aikaa teollisuusraporttien mukaan vuodelta 2023 SME:n mukaan. Toisaalta 5-akseliset järjestelmät tuovat mukaan lisäksi pyörivät akselit A ja B, jotka mahdollistavat työkalun tai osan kulman muuttamisen sen jälkeen, kun materiaalia on edelleen poistettu. Tuloksena? Osat, joissa on monimutkaisia sisätiloja ja viistetyt pinnat, voidaan valmistaa pysähtymättä, mikä säästää valmistajille noin puolet tuotantoon käytetystä ajasta ilman komponenttien valmistuksessa, joissa on ratkaisevan tärkeää päästä usealle sivulle yhtä aikaa.

Moniakselisoidun koneistuksen ominaisuuksien kehittyminen ja edut

Viisiakselitekniikan juuret juontavat 1980-luvulle, jolloin sitä käytettiin ensimmäisenä ilmailussa ja puolustuksessa kiinteiden titaanikomponenttien koneistukseen. Vuodesta 2010 alkaen tilanne on kuitenkin muuttunut huomattavasti parempien CNC-ohjelmien ja CAM-ohjelmistojen parantuessa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että koneet voivat nyt liikkua kaikkien viiden akselin suunnassa yhtä aikaa, mikä tekee todellisen eron tuotantotiloissa. Numerot kertovat osan tarinasta – liikkeet raportoivat tarvitsevansa noin puolet vähemmän kiinnikkeitä, saavuttavansa 35 % sileämmät pinnat yhteensä ja työkalut kestävät noin 30 % pidempään, koska leikkaus tapahtuu paremmilla kulmilla, kuten Journal of Manufacturing Systems raportoi vuonna 2022. Alat, joissa tarkkuus on tärkeintä, kuten lääketieteellisten laitteiden, lentokonekomponenttien ja energiateollisuuden valmistus, ovat omaksuneet tämän tekniikan lämpimästi. Yksin jätteiden määrä laski yli neljänneksellä monissa tapauksissa siirryttyä 5-akselijärjestelmiin.

Viisi akselia selitettynä: X, Y, Z, A ja B 5-akseliset CNC-koneet

Lineaariset akselit (X, Y, Z) ja niiden rooli työkalun sijoittamisessa

CNC-työstössä X-, Y- ja Z-akselit toimivat yhdessä määrittääkseen, kuinka leikkaustyökalu liikkuu kolmiulotteisessa tilassa. Tarkastellaan tätä tarkemmin: X-akseli hallitsee liikkeen vasemmalta oikealle konepöydän suuntaisesti, mikä mahdollistaa esimerkiksi pinnan freisauksen. Y-akseli puolestaan vastaa etu-takaviistosta ja on erityisen tärkeä sivupinnan freisauksessa tai urien valmistuksessa. Z-akseli taas huolehtii ylös-alas-liikkeestä, joka on välttämätöntä reikien poraamisessa ja tarkassa porauksessa. Kun kaikki kolme akselia toimivat oikein, työkalut voidaan sijoittaa tarkkuudella ±0,005 millimetriä ISO-standardeja (2022) noudattaen. Tämä tarkkuustaso mahdollistaa valmistajille osien tuotannon johdonmukaisesti aina uudelleen.

Pyöritysakselit (A ja B) ja niiden vaikutus työkappaleen asentoimiseen

Koneen akseleista puhuttaessa A-akseli saa periaatteessa työkappaleen tai poranterän pyörähtämään X-akselin suuntaisesti. Samaan aikaan B-akseli huolehtii pyörimisestä Y-akselin suhteen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että työkalut pääsevät käsiksi niihin hankaliin yhdistettyihin kulmiin ilman, että työkappaletta täytyy jatkuvasti uudelleen kiinnittää. Kuvitellaan esimerkiksi moottorin valmistus, jossa B-akselin 45 asteen kallistus mahdollistaa työntekijöille kulmattujen reikien poraamisen turbiinisiivenpyörään erinomaisella tarkkuudella. Todellinen etu on kaikkien aikaa vievien manuaalisten säätöjen poistaminen. Valmistajat voivat nyt työstää monimutkaisia alapuoliskoja ja vaikeita kaarevia muotoja, joiden työstäminen vaati aikaisemmin useita asetuksia ja erikoisvarustusta.

Viiden akselin synkronoidun liikkeen kinematiikka (X-, Y-, Z-, A-, B/C-akselit)

Todenäköinen 5-akselinen konepajoitus toimii koordinoimalla kaikki viisi akselia yhtä aikaa – sekä lineaariset liikkeet että pyörryt, mikä on mahdollista monimutkaisen liikesäätöohjelmiston ansiosta. Kun kaikki asettuu oikein, työkalu pysyy samassa kulmassa työkappaleen suhteen koko prosessin ajan. Tämä tarkoittaa, että materiaalia poistetaan tasaisesti monimutkaisista muodoista ilman niitä ärsyttäviä epäjohdonmukaisuuksia, joita joskus nähdään. Todellisissa sovelluksissa kuten lentokoneiden rakentamiseen käytettävistä vaikeasti työstettävistä materiaaleista valmistettujen osien pinnanlaatu voi saavuttaa arvot alle Ra 0,8 mikronin. Tällaiset tulokset vastaavat juuri sitä, mitä teollisuusstandardeissa vaaditaan suorituskykyisille komponenteille, joissa tarkkuus on ratkaisevan tärkeää.

Miten työkalun liikeradan ja suunnan säätö parantaa tarkkuutta 5-akselin järjestelmät

Työkalun suunnan optimointi on keskeinen etu 5-akselijärjestelmissä. Säätämällä työkalun kulmaa työkappaleeseen nähden:

• Jyrsintävoimat kohdistuvat työkalun vahvimman akselin suuntaisiksi, jolloin taipuma vähenee jopa 40 %
• Tehollinen leikkaushalkaisija pysyy vakiona kaarevien pintojen yli
• Lyhyempiä ja jäykempiä työkaluja voidaan käyttää optimaalisissa kulmissa

Yhdessä nämä tekijät mahdollistavat tarkan koneistuksen hienojen yksityiskohtien, kuten lääkinnällisten implanttien 0,2 mm säteisten pyöristysten, valmistuksen alamikronin tarkkuudella.

Tyypit ja konfiguraatiot 5-akseliset CNC-koneet : Pää/Pää, Pöytä/Pää ja Pöytä/Pöytä

Viisiakselisten koneistuskeskusten osalta nykyään on olemassa periaatteessa kaksi pääasiallista rakennetyyppiä. Ensimmäinen vaihtoehto on niin kutsuttu työpöytäkiertoakselinen kone, jossa työpöytä pyörii. Näitä koneita käytetään hyvin laatikkomainen osiin, koska ne tarjoavat hyvän pääsyn useista kulmista, vaikka niillä onkin painorajoja. Toinen yleinen rakenne on kääntöpyörimämuotoilu. Tässä konfiguraatiossa pääakseli sisältää pyörivät akselit, mikä mahdollistaa työkalujen pääsyn monimutkaisiin muotoihin, jotka olisivat muuten mahdottomia. Molempia tyyppejä arvokkaaksi tekee niiden kyky koordinoida useita akseleita samanaikaisesti. Tämä tarkoittaa, että osia ei tarvitse pysäyttää ja uudelleen sijoittaa yhtä usein, mikä säästää aikaa ja kustannuksia erityisesti monimutkaisten komponenttien valmistuksessa, joissa on paljon erilaisia ominaisuuksia.

5-akselisten CNC-koneiden konfiguraatioiden yleiskatsaus (työpöytäkiertoakselityyppi, kääntöpyörimätyyppi)

Trunnion-tyyppiset koneet toimivat siten, että työkappale pyörii kallistuvassa pöydässä X-akselin ympäri. Näillä kokoonpanoilla on melko hyvä käyttökelpoisuus laatikkomainen osiin, koska niiden monipuolinen sivuaccessi on helppo toteuttaa. Mutta siinä on yksi suuri haittapuoli – kun on kyse suuremmista tai raskaammista komponenteista, nämä koneet eivät ole rakennettu kantamaan tuollaisia kuormia tehokkaasti. Swivel-kierron konfiguraatiot puolestaan lähestyvät asiaa täysin eri tavalla. Sen sijaan, että koko pöytää liikutettaisiin, pyörimisakselit integroidaan suoraan poran päälaatikkoon. Tämä mahdollistaa työkalujen asettumisen kulmissa, jotka vaihtelevat plussa tai miinukseen 30 asteesta aina 120 asteeseen asti. Todellinen etu tulee ilmi, kun käsitellään monimutkaisia vapaamuotoisia pintoja, joissa tarkkuus on erittäin tärkeää. Ilmailu- ja lääkintälaitevalmistajat erityisesti arvostavat sitä, että näillä koneilla voidaan säilyttää erittäin tiukat mittatoleranssit, jopa 0,0001 tuuman tarkkuudella, mikä tekee niistä välttämättömiä kriittisissä sovelluksissa, joissa jopa pienimmätkin poikkeamat voivat aiheuttaa ongelmia.

Pää/Pää vs. Pöytä/Pää vs. Pöytä/Pöytä: Suorituskyvyn ja käytön kompromissit

Pää/Pää -konfiguraatiossa työkappale pysyy paikallaan kunnes kara tekee kaiken pyörimisen, mikä antaa paremman vakauden suurten lentokoneosien kanssa työskenneltäessä. Sitten on olemassa hybridiratkaisu, jossa on sekä pyörivä pöytä että kallistuva kara. Tämä asettelu toimii melko hyvin esimerkiksi muotteihin ja lääkintäkalustoihin, koska se tarjoaa hyvän yhdistelmän erilaisten muotojen käsittelyyn ja riittävän kapasiteetin. Pöytä/Pöytä -koneille kaikki pyörii varsinaisen työkappaleen ympärille. Nämä voivat luoda erittäin yksityiskohtaisia alapuolia, mutta sen sijaan tila on rajoitetumpi. Kun päätetään, kumpaa järjestelmää valita, valmistajien tulisi harkita osastensa monimutkaisuutta, minkä kokoisia tuotantomääriä heillä on ja vaativatkö suunnitelmansa erityisiä geometrioita, joita tavalliset järjestelmät eivät välttämättä pysty kattamaan.

Kokoonpano	Tarkkuuden vakaus	Työalue	Nopeus	Optimaaliset käyttötarkoituksiset
Pää/pää	- Mitä sinä teet?	Suuret	Keskikoko	Turboliitäimet, runko
Pöytä/pää	⭐⭐⭐⭐✩	Keskikoko	Korkea	Lääkinnälliset istukkeet, muottien
Pöytä/pöytä	⭐⭐⭐⭐✩	Pieni	Alhainen	Korut, hammasproteesit

Erittäin orgaanisille muodoille, kuten turbiinilapille, jatkuva viiden akselin koneitys tuo kustannus- ja laatuhyötyjä. Yksinkertaisemmille monipuolille osille riittää indeksoitu (3+2) -menetelmä.

Miten 5-akselinen CNC-kone L orks: CAD/CAM-ohjelmoinnista toteutukseen

Miten 5-akselinen CNC-kone toimii: Vaiheittainen analyysi

Aloitetaan suunnittelijat käyttämällä CAD-mallinnusta rakentaakseen 3D-tyyppisen suunnitelman komponentista, joka halutaan valmistaa. Kun tämä digitaalinen malli on valmis, se syötetään CAM-ohjelmistoon, joka muuttaa sen koneille tarkoitettuihin ohjeisiin, mukaan lukien työkalureitit ja kaikki G-koodiin liittyvät asiat. Seuraavassa vaiheessa raakamateriaali kiinnitetään pyöröpöydälle ja valitaan sopivat leikkaustyökalut. Kun kaikki käynnistyy, nämä edistyneet järjestelmät koordinoivat sekä suoraviivaisia liikkeitä (kuten X-, Y- ja Z-akselit) että pyörimisliikkeitä (A- ja B-akselit), jotta voidaan valottaa monimutkaisia muotoja tarvitsematta useita asetelmia. Anturit toimivat jatkuvasti käytön aikana tarkistaakseen sijainnin tarkkuuden ja mittaamaan leikkausvoimien määrää, pitäen asiat tiukasti n. 0,0005 tuuman tarkkuudella tai paremmalla. Tämä hallintataso tarkoittaa, että operaattoreiden ei tarvitse enää puuttua ja tehdä säätöjä yhtä usein.

Indeksoidut (3+2) vs. jatkuvan 5-akselisten koneistustekniikoiden vertailu

Tekniikka	Liiketyyppi	Ihanteelliset sovellukset	Syklin ajan vaikutus
Indeksoitu (3+2)	Kiertoakselit lukkiutuvat ennen 3-akselista jyrsintää	Monitahokkaat prismattiset osat	15–20 % nopeampi erävalmistukseen
Jatkuva	Samanaikainen 5-akselinen liike leikatessa	Orgaaniset muodot (esim. turbiinilapaset, lääkinnälliset implantit)	Jopa 40 % vähennys useiden asetusten suhteen

Indeksoitu valmistus on tehokas osille, joissa on erilliset kulmat, kun taas jatkuva 5-akselinen liike on välttämätön sileiden, monimukaisten pintojen valmistukseen, joiden viimeistely vaatisi muuten käsin viimeistelyä.

CAD/CAM-ohjelmiston rooli monimutkaisten työkalureittien ohjauksessa

CAM-ohjelmisto on tullut välttämättömäksi 5-akselisen ohjelmoinnin tehtävissä, jotka vaativat monimutkaista laskentaa työkalun sijoittamisesta, tulo kulmista ja törmäysten välttämisestä koneistuksen aikana. Ohjelmiston algoritmit huolehtivat eri työkalujen pituuksien mukaisista säädöistä, kompensoivat työkappaleen siirtymiset ja ottavat huomioon, miten koneet todella liikkuvat – mikä on erityisen tärkeää vaikeiden ominaisuuksien, kuten syvien kolojen tai alapuolisten alueiden, käsittelyssä. Kun suunnittelu on valmis, jälkikäsittelyt ohjelmat muuttavat lasketut polut tietyn CNC-koneen ymmärtämiksi G-koodi ohjeiksi. Valmistajat, jotka ovat siirtyneet tähänlaiseen digitaaliseen työskentelyyn, ilmoittavat noin 70–75 %:n vähennyksen ohjelmointivirheissä verrattuna vanhoihin manuaalisiin menetelmiin, kuten vuoden 2023 lopulla kerrottiin teollisuuden tiedoissa.

Milloin jatkuva 5-akseli on välttämätön ja milloin se on liiallista? Käytännön seikat

Viisiakselinen koneistus hohtaa erityisesti monimutkaisten muotojen tai hankalien kulmien parissa, ajatellaan esimerkiksi lentokoneen moottoritukia tai selkään istutettavia lääkinnällisiä laitteita. Kun tarkastellaan yksinkertaisia osia, kuten kiinnitysholkit tai kotelo-osat, joissa on suorakulmaiset muodot, 3+2-akselinen indeksointitekniikka tai pelkkä kolmiakselinen koneistus tekevät työstä huoletta. Näillä vaihtoehdoilla saadaan aikaa säästöä noin kolmanneksen verran jatkuvaa viisiakselista koneistusta nopeammin vähentäen ohjelmointiongelmia. Tuotantolaitosten omistajille, jotka punnistelevat vaihtoehtojaan, on järkevää arvioida ensin mitä todella tarvitaan ennen kalliiden laitteiden hankintaa. Todellinen hyöty tulee juuri niistä ainutlaatuisen muotoisista osista, joissa perinteiset asetukset veisivät valtavasti aikaa ja kustannuksia.

Edut ja käyttösovellukset 5-akselinen CNC-koneistus teollisuudessa

Parannettu tarkkuus, pinnanlaatu ja vähemmän asetuksia viisiakselisilla koneilla

Kun työkalut pysyvät oikein käytössä leikkausoperaatioiden aikana, 5-akseliset CNC-koneet voivat tuottaa pinnanlaadun, joka on alle 16 mikrotuumaa Ra ja poistaa turhat virheiden kertymät, jotka syntyvät, kun useita asetuksia joudutaan tekemään. Todellinen plussa? Asetusaika pienenee 40–60 prosenttia. Se tekee kaiken erotuksen silloin, kun työskennellään tärkeillä osilla, kuten turbiinisiivillä tai lääketieteellisillä implantteilla. Lopuksi pinnanlaatu ei ole vain ulkonäköä – sillä on todellinen vaikutus näiden komponenttien suorituskykyyn niissä sovelluksissa, joihin niitä käytetään.

Monimutkaisten geometrioiden ja mutkikkaiden reunojen koneistus tehokkaasti

Samanaikainen viiden akselin liike mahdollistaa erittäin monimutkaisten muotojen, kuten esimerkiksi siipipyöräsiivien, luuston tukirakenteiden ja muottien, valmistuksen yhdessä operaatiokerrassa. Tämä ominaisuus vähentää tarvetta useille komponenteille ja kokoonpanoille, jolloin osien lukumäärä vähenee jopa 30 % ja rakenteellista luotettavuutta parannetaan poistamalla liitännät.

Paransitut työkalun kesto ja poraus tehokkuus optimaalisten työkalukulmien ansiosta

Kun työkalut pyörivät akselinsa ympäri, ne osuvat materiaaliin juuri oikeassa kulmassa maksimoidakseen tehokkuuden. Tämä pitää työkalun ja materiaalin välisen kontaktin tasaisena sivuilla sen sijaan, että se uppoaisi keskelle, jossa kulumisnopeus on suuri. Kuluman tasainen leviäminen leikkausreunalle tarkoittaa, että näitä työkaluja voidaan käyttää pidempään ennen kuin ne täytyy vaihtaa. Parempi puristus on toinen etu, koska se estää liiallista lämmön kertymistä käytön aikana. Mikä tekee tästä asetelmasta erityisen hyödyllisen? Porat pitävät suoran tulokulmansa jopa kaarevaisiin pintoihin tehtäessä. Lopputulos? Pidemmät leikkaukset ja reiät, joiden mitat täsmäävät aina oikein – mikä on erityisen tärkeää tarkassa valmistuksessa.

Korkea alkuperäinen kustannus vs. pitkän aikavälin ROI: Arviointi 5-akselin CNC-koneistoteknologiaan sijoittumisesta

Vaikka 5-akseliset koneet maksavatkin alun perin enemmän, suurin osa liikkeistä huomaa säästävänsä rahaa ajan mittaan. Otetaan esimerkiksi yksi ilmailualan yritys. Se sai vähennettyä eräiden erittäin monimutkaisten osien työstöajan 18 tuntia kokonaisuudessaan vain viiteen tuntiin. Se tarkoittaa suunnilleen 70 prosentin parannusta. Kun liikkeet pääsevät eroon ylimääräisistä asetustöistä ja eivät enää niin paljon nojaa manuaaliseen työhön, tuotannon nopeus nousee merkittävästi. Tämä taas mahdollistaa sen, että konepajat voivat ottaa hankalampia töitä, joista saa markkinoilla paremman hinnan. Myös nopeampi toimitusaika puolestaan auttaa saamaan alkuperäiset sijoitukset takaisin nopeammin kuin odotettiin.

Kriittiset käytöt ilmailu-, lääkäri- ja energiasektoreilla

Viiden akselin koneistuksen merkitys korostuu erityisesti sektoreilla, joissa säännöt ovat tiukat ja suorituskykyä ei voida uhraa. Esimerkiksi ilmailuteollisuus käyttää tätä teknologiaa valmistamaan komponentteja, kuten siipivahvistimia ja moottoritukia, joiden mittatarkkuuden ja aerodynamiikan täytyy olla erittäin tarkkoja. Myös lääketieteellä on hyötynyt merkittävästi näistä koneista. Nyt kirurgit voivat saada räätälöityjä titaanisiä selkärankakilpikonduja ja kallon implantteja, jotka sopivat täydellisesti potilaan yksilölliseen anatomiaan. Myös energiayhtiöt hyötyvät teknologiasta, valmistamalla sillä monimutkaisia osia, kuten turbiininsuihkut ja pumpun impellerit. Kaikkea tämä tekee vaikuttavaksi on se, kuinka paljon aikaa ja kustannuksia säästyy työnkulkujen parantuessa. Otetaan esimerkiksi sydänseurantalaitealalla, jossa prototyyppien valmistukseen meni aiemmin 15 eri asennusvaihetta, mutta nykyisin niitä tarvitaan vain kolme. Tällainen vähennys säästää valmistusaikaa ja vähentää virheiden mahdollisuutta valmistuksessa. 5-akselinen CNC-kone valmistaa monimutkaisia osia, kuten turbiininsuihkut ja pumpun impellerit. Kaikkea tämä tekee vaikuttavaksi on se, kuinka paljon aikaa ja kustannuksia säästyy työnkulkujen parantuessa. Otetaan esimerkiksi sydänseurantalaitealalla, jossa prototyyppien valmistukseen meni aiemmin 15 eri asennusvaihetta, mutta nykyisin niitä tarvitaan vain kolme. Tällainen vähennys säästää valmistusaikaa ja vähentää virheiden mahdollisuutta valmistuksessa.