obróbka pięciu osi na maszynie CNC wyjaśniona: czym jest i jak działa

Czym jest 5-wymiarowa maszyna CNC i czym różni się od tradycyjnych metod?

Zrozumienie koncepcji 5-wymiarowa maszyna CNC

Pięcioosiowe frezowanie CNC działa poprzez jednoczesny ruch po pięciu różnych osiach – trzech prostoliniowych (X, Y, Z) oraz dwóch obrotowych (A i B). Oznacza to, że narzędzie tnące może dotrzeć do każdej części obrabianego elementu bez konieczności zatrzymywania się i ręcznego przestawiania. Nie ma już potrzeby żmudnego przestawiania, co oszczędza czas i zwiększa dokładność. Maszyny mogą utrzymywać bardzo ścisłe tolerancje rzędu 0,005 milimetra, dzięki czemu doskonale nadają się do produkcji skomplikowanych części, takich jak łopatki silników samolotowych czy miniaturowe urządzenia medyczne wprowadzane do wnętrza ciała. Gdy w grę wchodzą ruchy obrotowe, producenci uzyskują pełen dostęp do różnych trudnych kształtów i miejsc trudno dostępnych. Dla branż, w których liczy się precyzja, tego typu technologia całkowicie zmieniła to, co jest możliwe na linii produkcyjnej.

Główne różnice między 3-osiową a 5-osiową maszyną CNC

Standardowe maszyny 3-osiowe pracują w linii prostej w kierunkach X, Y i Z, przez co mają trudności z przetwarzaniem skomplikowanych kształtów i detalów położonych po różnych stronach, chyba że zatrzymają się i zresetują wiele razy. Za każdym razem, gdy maszyny te muszą zostać przesunięte w odpowiednią pozycję, istnieje ryzyko problemów z niedokładnym wyrównaniem, a ten dodatkowy krok może zabrać od 40 do 70 procent więcej czasu, według raportów branżowych z 2023 roku opracowanych przez SME. Z kolei systemy 5-osiowe posiadają dodatkowe osie obrotowe oznaczone jako A i B, które pozwalają narzędziu lub obrabianej części zmieniać kąt położenia podczas ciągłego usuwania materiału. Efekt? Części o skomplikowanych przestrzeniach wewnętrznych i powierzchniach pochyłych są finalizowane bez zatrzymywania maszyny, co pozwala producentom zaoszczędzić około połowy czasu produkcji przy wytwarzaniu komponentów lotniczych, gdzie jednoczesne osiągnięcie wielu stron jest kluczowe.

Ewolucja możliwości i zalet przetwarzania wieloosiowego

Korzenie technologii 5-osiowej sięgają lat 80. XX wieku, kiedy to po raz pierwszy została wykorzystana w przemyśle lotniczym i obronnym do obróbki elementów ze spawanego tytanu. Od około 2010 roku sytuacja zmieniła się diametralnie dzięki lepszym sterownikom CNC oraz ulepszeniom oprogramowania CAM. Oznacza to w praktyce, że maszyny mogą poruszać się jednocześnie po wszystkich pięciu osiach, co znacząco wpływa na pracę na hali produkcyjnej. Liczby same mówią wiele – zakłady informują o potrzebie użycia około połowy mniej oprzyrządowania, osiągnięciu powierzchni o 35% bardziej gładkich oraz o narzędziach, które trwają około 30% dłużej, ponieważ cięcie następuje pod lepszym kątem, jak podaje Journal of Manufacturing Systems w swoim raporcie z 2022 roku. Branże, w których precyzja ma szczególne znaczenie, takie jak produkcja urządzeń medycznych, komponentów lotniczych czy maszyn energetycznych, całkowicie przyjęły tę technologię. Same wskaźniki odpadów zmniejszyły się nawet o ponad jedną czwartą w wielu przypadkach po przejściu na systemy 5-osiowe.

Pięć osi wyjaśnionych: X, Y, Z, A i B w maszyny CNC 5-osiowe

Osie liniowe (X, Y, Z) i ich rola w pozycjonowaniu narzędzia

W obróbce CNC osie X, Y i Z współpracują ze sobą, kontrolując ruch narzędzia skrawającego w trójwymiarowej przestrzeni. Rozłóżmy to na części pierwsze: oś X odpowiada za ruch z lewej na prawą stronę stołu maszyny, umożliwiając m.in. frezowanie czołowe. Przechodzimy do osi Y – odpowiada ona za pozycjonowanie od przodu do tyłu i odgrywa kluczową rolę przy frezowaniu bocznym lub wykonywaniu rowków. Natomiast oś Z odpowiada za ruch w górę i w dół, niezbędny do wiercenia otworów i wykonywania operacji roztaczania. Działając poprawnie, te trzy osie pozwalają na pozycjonowanie narzędzi z dokładnością do ±0,005 milimetra zgodnie ze standardami ISO z 2022 roku. Taki poziom precyzji umożliwia producentom wytwarzanie części z dużą powtarzalnością.

Osie obrotowe (A i B) i ich wpływ na orientację przedmiotu obrabianego

Mówiąc o osiach maszyny, oś A zasadniczo obraca albo przedmiot obrabiany, albo wrzeciono wzdłuż tzw. kierunku osi X. Tymczasem oś B odpowiada za obrót wokół osi Y. Oznacza to w praktyce, że narzędzia mogą uzyskiwać dostęp do tych trudnych do osiągnięcia kątów złożonych bez konieczności ciągłego przepinania. Weźmy na przykład produkcję silników odrzutowych, gdzie 45-stopniowy pochylenie osi B umożliwia precyzyjne wiercenie pochyłych otworów w łopatkach turbiny z niezwykłą dokładnością. Rzeczywistą zaletą jest tutaj pozbycie się tych czasochłonnych ręcznych regulacji. Producenci mogą teraz obrabiać skomplikowane podcięcia i te trudne kształty krzywoliniowe, które wcześniej wymagały wielu ustawień i specjalistycznego sprzętu.

Kinematyka Ruchu Synchronicznego na Pięciu Osiach (Osi X, Y, Z, A, B/C)

Rzeczywiste obróbka pięciu osi polega na jednoczesnym koordynowaniu wszystkich pięciu osi – zarówno ruchów liniowych, jak i obrotowych, co jest możliwe dzięki zaawansowanemu oprogramowaniu sterującemu ruchem. Gdy wszystko jest prawidłowo wypoziomowane, narzędzie tnące utrzymuje ten sam kąt względem przedmiotu obrabianego przez cały proces. Oznacza to, że materiał jest równomiernie usuwany z złożonych kształtów, unikając irytujących nierówności, które czasem widzimy. W praktycznych zastosowaniach części wykonane z trudnoobrabialnych materiałów, takich jak tytan stosowany w budowie samolotów, mogą osiągać chropowatość powierzchni poniżej Ra 0,8 mikrona. Tego rodzaju wyniki są dokładnie tym, co wymagają normy przemysłowe dla wysokiej klasy komponentów, gdzie liczy się precyzja.

Jak kontrola ścieżki i orientacji narzędzia zwiększa precyzję w systemami 5-osiowymi

Optymalizacja orientacji narzędzia to cecha wyróżniająca systemy 5-osiowe. Poprzez dobieranie kąta narzędzia względem przedmiotu obrabianego:

• Siły skrawania są wyrównane do najmocniejszej osi narzędzia, co zmniejsza ugięcie o aż 40%
• Efektywny średnica cięcia pozostaje stała na powierzchniach krzywoliniowych
• Krótsze i bardziej sztywne narzędzia mogą być używane pod optymalnymi kątami

Wspólnie te czynniki umożliwiają precyzyjne obrabianie drobnych elementów, takich jak zaokrąglenia o promieniu 0,2 mm na implantach medycznych, z powtarzalnością submikronową.

Typy i konfiguracje maszyny CNC 5-osiowe : Głowica/Głowica, Stoło/Głowica i Stoło/Stoło

W przypadku centrów frezarskich o pięciu osiach istnieją obecnie dwa główne sposoby ich konstrukcji. Pierwszą opcją jest tzw. maszyna typu trunnion, w której obraca się stół roboczy. Takie maszyny doskonale sprawdzają się przy obróbce części o kształtach prostopadłościennych, umożliwiając dobry dostęp z wielu kątów, choć mają pewne ograniczenia co do maksymalnego obciążenia. Drugim popularnym rozwiązaniem jest konstrukcja z układem obrotowo-kiemnym. W takim przypadku osie obrotowe znajdują się bezpośrednio w wrzecionie, co pozwala narzędziom dotrzeć do najbardziej skomplikowanych kształtów, które byłyby niemożliwe do wykonania w inny sposób. Obie odmiany cechuje możliwość jednoczesnego sterowania wieloma osiami. Dzięki temu zmniejsza się liczbę przerw potrzebnych do ponownego pozycjonowania części, co przekłada się na oszczędność czasu i kosztów, szczególnie przy produkcji skomplikowanych elementów o wielu różnych detalach.

Przegląd konfiguracji maszyn CNC o pięciu osiach (typ trunnion, typ obrotowo-kiemny)

Maszyny o konstrukcji trunnion obracają przedmiot obrabiany na stołku pochylnym wokół tzw. osi X. Tego rodzaju konfiguracje sprawdzają się całkiem dobrze przy pracy z częściami o kształcie prostopadłościanu, ponieważ umożliwiają łatwy dostęp do wielu ich stron. Istnieje jednak jeden duży minusem — w przypadku większych lub cięższych komponentów maszyny te nie są przystosowane do skutecznego obsługiwanie takich obciążeń. Natomiast konfiguracje z funkcją obrotu i przekrętu przyjmują zupełnie inne podejście. Zamiast przesuwać cały stół, osie obrotowe integrowane są bezpośrednio z głowicą wrzecionową. Umożliwia to narzędziom pozycjonowanie się pod kątami od plus/minus 30 stopni aż do 120 stopni. Rzeczywista zaleta staje się widoczna przy pracy z złożonymi powierzchniami swobodnymi, gdzie liczy się precyzja. Producenci z branż lotniczej i medycznej szczególnie doceniają możliwość utrzymania bardzo ścisłych tolerancji rzędu zaledwie 0,0001 cala, co czyni te maszyny niezastąpionymi w kluczowych zastosowaniach, gdzie nawet najmniejsze odchylenia mogą prowadzić do problemów.

Głowica/Głowica kontra Stoło/Głowica kontra Stoło/Stoło: kompromisy dotyczące wydajności i zastosowań

W konfiguracjach Głowica/Głowica przedmiot obrabiany pozostaje nieruchomy, podczas gdy wszystkie ruchy obrotowe wykonuje wrzeciono, co zapewnia lepszą stabilność podczas pracy nad dużymi elementami lotniczymi. Kolejnym rozwiązaniem jest hybrydowa konfiguracja Stoło/Głowica, w której mamy zarówno obracający się stół, jak i pochylane wrzeciono. Takie ustawienie sprawdza się całkiem dobrze w przypadku np. form odlewniczych czy sprzętu medycznego, ponieważ oferuje dobrą równowagę między możliwościami obsługi różnych kształtów a wystarczającą pojemnością. Natomiast maszyny Stoło/Stoło opierają się na obracaniu samego przedmiotu obrabianego. Pozwalają uzyskać bardzo precyzyjne podcięcia, ale mają mniejsze wymiary przestrzeni roboczej. Decydując o wyborze systemu, producenci muszą wziąć pod uwagę złożoność wykonywanych części, wielkość serii produkcyjnych oraz to, czy projekt wymaga specjalnych geometrii, które mogą być trudne do realizacji w standardowych konfiguracjach.

Konfiguracja	Stabilność dokładności	Przestrzeń robocza	Prędkość	Optymalne zastosowania
Głowica/Głowica	⭐⭐⭐⭐⭐	Duży	Średni	Łopatki turbiny, kadłub
Stół/Głowica	⭐⭐⭐⭐✩	Średni	Wysoki	Implanty medyczne, formy
Stół/Stół	⭐⭐⭐⭐✩	Mały	Niski	Biżuteria, protezy dentystyczne

Dla bardzo złożonych kształtów jak łopatki turbiny, toczenie ciągłe pięciowrzecionowe zapewnia korzyści finansowe i jakościowe. Dla prostszych wielościennych elementów często wystarczają metody indeksowane (3+2).

Jak? 5-wymiarowa maszyna CNC W prace: od programowania CAD/CAM do realizacji

Jak działa maszyna CNC o 5 osiach: krok po kroku

Na początek inżynierzy wykorzystują modelowanie CAD do stworzenia trójwymiarowego projektu dowolnego komponentu, który ma zostać wykonany. Gdy model cyfrowy jest gotowy, trafia do oprogramowania CAM, które tłumaczy go na konkretne instrukcje dla maszyn, w tym ścieżki narzędzi i cały ten kod G. Następnie surowy materiał zostaje zamocowany na stole obrotowym, a także dobiera się odpowiednie narzędzia tnące. Kiedy wszystko jest uruchomione, zaawansowane systemy koordynują zarówno ruchy liniowe (takie jak osie X, Y, Z), jak i ruchy obrotowe (osie A i B), aby móc wycinać skomplikowane kształty bez konieczności wielokrotnego przestawiania. Czujniki pracują nieprzerwanie podczas działania, sprawdzając dokładność pozycjonowania i mierząc poziom siły cięcia, utrzymując tolerancję na poziomie około 0,0005 cala lub lepszym. Taki poziom kontroli oznacza, że operatorzy nie muszą już tak często ingerować i dokonywać korekt.

Techniki indeksowane (3+2) vs. ciągłe maszyny 5-osiowe

Technika	Rodzaj ruchu	Idealne zastosowania	Wpływ czasu cyklu
Indeksowany (3+2)	Osy obrotowe blokują się przed frezowaniem 3-osiowym	Wielościenne części pryzmatyczne	o 15-20% szybszy w produkcji serii
Ciągłe	Ruch pięciu osi jednocześnie podczas cięcia	Płynne kontury (np. łopatki turbin, implanty medyczne)	Do 40% skrócenie czasu w porównaniu z wieloma ustawieniami

Frezowanie indeksowane jest efektywne przy obróbce części z wyraźnymi cechami kątowymi, natomiast ciągły ruch pięciu osi jest niezbędny przy tworzeniu gładkich, złożonych powierzchni, które inaczej wymagałyby wykańczania ręcznego.

Rola oprogramowania CAD/CAM w programowaniu złożonych ścieżek narzędzia

Oprogramowanie CAM stało się nieodzowne w programowaniu zadań 5-osiowych, umożliwiając złożone obliczenia związane z pozycjonowaniem narzędzi, kątami wejścia i unikaniem kolizji podczas operacji obróbczych. Algorytmy oprogramowania dbają o niezbędne korekty dla różnych długości narzędzi, kompensują przesunięcia w przechwycie oraz uwzględniają sposób, w jaki maszyny faktycznie się poruszają – co ma szczególne znaczenie przy trudnych cechach, takich jak głębokie kieszenie czy obszary z rowkami. Gdy całe planowanie zostanie zakończone, w grę wchodzą postprocesory, tłumumacząc wyliczone ścieżki na konkretne instrukcje G-code dostosowane do możliwości danej maszyny CNC. Producenti, którzy przełączyli się na tego typu cyfrowe przepływy pracy, zgłaszają obniżenie błędów programowania o około 70-75% w porównaniu do starszych metod ręcznych, według najnowszych danych branżowych z końca 2023 roku.

Kiedy ciągłe 5-osiowe obrabianie jest konieczne, a kiedy nadmiarowe? Zagadnienia praktyczne

Obróbka pięciu osi naprawdę się sprawdza przy skomplikowanych kształtach lub trudnych kątach – myśląc o elementach takich jak podpory silników samolotowych czy urządzenia medyczne wszczepiane w kręgosłup. Natomiast przy prostych częściach, takich jak uchwyty montażowe czy obudowy o prostych kątach, lepsze okazują się techniki indeksowane 3+2 lub zwykła trójosiowa obróbka, które świetnie sobie radzą z zadaniem. Te alternatywne metody zmniejszają problemy z programowaniem i przyspieszają produkcję o około jedną trzecią w porównaniu do ciągłej obróbki pięcioosiowej. Dla właścicieli fabryk rozważających swoje opcje sensowne jest przeanalizowanie, jakie dokładnie części trzeba produkować, zanim zdecydują się oni na kosztowne zakupy nowego sprzętu. Prawdziwe korzyści daje produkcja nietypowych kształtów, gdzie tradycyjne metody montażu zabrałyby wiele czasu i pieniędzy.

Zalety i zastosowania obróbka CNC 5-osiowa w przemyśle

Zwiększona precyzja, jakość powierzchni i mniejsza liczba ustawień dzięki maszynom 5-osiowym

Gdy narzędzia pozostają prawidłowo zaangażowane podczas operacji cięcia, pięcioosiowe maszyny CNC mogą osiągać chropowatość powierzchni poniżej 16 mikrocalej Ra i pozbyć się irytujących błędów kumulowanych wynikających z konieczności wielokrotnego ustawiania. Prawdziwy zysk? Czasy ustawiania skracają się o 40 do 60 procent. To ogromna różnica przy pracach nad kluczowymi elementami, takimi jak łopatki turbin czy implanty medyczne. Przecież jakość powierzchni to nie tylko wygląd – wpływa ona bezpośrednio na sposób, w jaki te komponenty działają w swoim zastosowaniu.

Obróbka skomplikowanych geometrii i złożonych konturów w sposób efektywny

Ruch pięciu osi jednocześnie umożliwia wytwarzanie bardzo skomplowanych kształtów – takich jak łopatki wirników, rusztowania kostne czy formy wtryskowe – w jednej operacji. Ta możliwość zmniejsza potrzebę stosowania wielu komponentów i zespołów, zmniejszając liczbę części nawet o 30% i poprawiając niezawodność konstrukcji dzięki wyeliminowaniu połączeń spawanych czy innych styków.

Dłuższy czas pracy narzędzi i większa skuteczność wiercenia dzięki optymalnym kątom narzędzi

Gdy narzędzia obracają się wokół swojej osi, uderzają w materiały pod idealnym kątem, zapewniając maksymalną skuteczność. Dzięki temu kontakt między narzędziem a materiałem pozostaje stabilny na bokach, zamiast sięgać w środek, gdzie szybko następuje zużycie. Równomierne rozłożenie zużycia na całej krawędzi tnącej oznacza, że narzędzia te mają dłuższą żywotność przed wymianą. Lepsze odprowadzanie wiórów to kolejna zaleta, ponieważ zapobiega ono nadmiernemu nagrzewaniu się podczas pracy. Co szczególnie korzystne w tym rozwiązaniu? Wiertła zachowują proste punkty wejścia nawet przy pracy na powierzchniach zakrzywionych. Efektem są czystsze cięcia i otwory o dokładnych wymiarach, co ma ogromne znaczenie w środowiskach produkcji precyzyjnej.

Wysokie koszty początkowe w porównaniu do długoterminowego zwrotu z inwestycji: Ocena inwestycji w technologię frezowania 5-osiowego CNC

Chociaż maszyny 5-osiowe zdecydowanie kosztują więcej na początku, większość zakładów stwierdza, że oszczędzają pieniądze na dłuższą metę. Weźmy jako przykład jedną firmę z branży lotniczej. Czas obróbki niektórych bardzo skomplikowanych części skróciła się z aż 18 godzin do zaledwie 5 godzin łącznie. To zwiększenie wydajności wynosi około 70 procent. Gdy zakłady pozbywają się tych dodatkowych kroków montażowych i przestają tak bardzo polegać na pracy ręcznej, ich szybkość produkcji znacznie rośnie. Oznacza to, że warsztaty maszynowe mogą realizować bardziej skomplikowane zlecenia, które w rzeczywistości przynoszą wyższe ceny na rynku. Szybszy czas realizacji pozwala także szybciej zrekompensować początkowe nakłady inwestycyjne.

Zastosowania krytyczne w sektorach lotniczym, medycznym i energetycznym

Charakterystyczna dla obróbki pięciu osi elastyczność wyraźnie wyróżnia się w sektorach, gdzie przepisy są rygorystyczne, a jakość działania nie może być narażona. Przykładem są firmy z branży lotniczej, które polegają na tej technologii przy produkcji elementów takich jak żeberka skrzydeł czy mocowania silników, wymagających ekstremalnie precyzyjnych pomiarów i bezbłędnych właściwości aerodynamicznych. Medycyna również skorzystała z tego rozwiązania. Chirurdzy mogą teraz otrzymać specjalnie wykonane tytanowe klatki kręgosłupa oraz implanty czaszkowe dopasowane do unikalnej anatomii każdego pacjenta. Również firmy zajmujące się energią korzystają z 5-wymiarowa maszyna CNC produkcji skomplikowanych części takich jak dysze turbinowe czy wirniki pomp. Co czyni te osiągnięcia tak imponującymi, to ilość czasu i kosztów oszczędzonych dzięki ulepszeniom w przepływie pracy. Weźmy na przykład branżę monitorów kardiologicznych, gdzie wczesniejsze prototypy wymagały 15 różnych etapów przygotowania, a dziś jedynie trzech. Tego rodzaju redukcja skraca czas produkcji i zmniejsza ryzyko błędów w trakcie procesu wytwarzania.