Diferències entre usinatge d'eixos 3, 4 i 5

Comprendre els tipus de mecanitzat per eixos i les seves capacitats principals

mecanitzat de 3, 4 i 5 eixos: quan utilitzar cadascun

1. Mecanitzat de 3 eixos: la base de la fabricació senzilla i econòmica

Un sistema de mecanitzat de 3 eixos funciona movent l'eina de tall al llarg de tres eixos lineals— X (esquerra/dreta) , Y (endavant/enrere) , i Z (amunt/avall) —dins d'un espai 3D. Aquest moviment únicament lineal el fa ideal per donar forma a peces simples, planes o amb relleus poc profunds, com suports, plaques o motlles bàsics.

La seva principal avantatja rau en eficiència en Costos : la maquinària té una complexitat menor, requereix un temps mínim de configuració i redueix la sobrecàrrega operativa, tot el qual augmenta els marges de benefici en la producció massiva de components senzills. Per exemple, la fabricació de plaques de muntatge d'alumini per a electrònica depèn en gran mesura de la mecanització de 3 eixos, ja que la peça només necessita tres processos bàsics: fresat de cares (allisat de la superfície superior), perfilat de vores (formar el perímetre de la placa) i perforació (afegir forats per a fixadors), tots ells fàcilment realitzables amb moviments lineals dels eixos.

2. Mecanització de 4 eixos: rotació per a característiques cilíndriques i corbes

la mecanització de 4 eixos millora la configuració de 3 eixos afegint un eix de rotació (típicament l'eix A, que gira al voltant de l'eix X). Aquest eix addicional permet que la peça giri mentre l'eina es mou linealment, eliminant la necessitat de reposicionar manualment i habilitant la fabricació de peces amb formes envoltants o corbes.

Destaca en components on les característiques segueixen una forma cilíndrica, com ara ranures en un vàstago de vàlvula, forats inclinats al llarg d'una superfície corba o solcs en una politja. Un informe de fabricació del 2023 va destacar un benefici clau: els tallers que utilitzen el fresat de 4 eixos per a peces cilíndriques van registrar una reducció del 28% en el temps de preparació comparat amb els sistemes de 3 eixos (que requereixen múltiples reposicionaments). En evitar el gir manual o la re-fixació de la peça, el fresat de 4 eixos també millora la precisió i la consistència, reduint els errors induïts per l'ésser humà.

3. Fresat de 5 eixos: Versatilitat per a peces complexes amb precisió multi-cara

el fresat de 5 eixos és l'estàndard d'or per a peces altament contornejades i amb múltiples cares. Afegeix dos eixos de rotació (normalment l'eix A, que gira al voltant de X, i l'eix C, que gira al voltant de Z) als tres eixos lineals, permetent que l'eina de tall s'apropi a la peça des de gairebé qualsevol angle.

Aquesta versatilitat és indispensable en indústries com l'aeroespacial i la mèdica, on les peces requereixen geometries complexes i toleràncies extremadament ajustades. Exemples inclouen pales de turbina de titani (amb perfils corbats i canals interns de refrigeració), implants d'articulacions de maluc (adaptats a l'anatomia humana) i components estructurals d'aeronaus. A diferència dels sistemes de 3 o 4 eixos, el fresat de 5 eixos completa peces complexes en un configuració Única : per exemple, una pala de turbina es pot mecanitzar completament sense necessitat de repositionar-la, assolint toleràncies tan ajustades com ±0,005 mm i un acabat superficial superior.

fresat de 3 eixos vs. 4 eixos: Eficiència i límits d'aplicació

La taula següent compara les característiques principals del fresat de 3 i 4 eixos per aclarir els seus respectius casos d'ús:

Característica	maquinari en 3 eixos	maquinari en 4 eixos
Configuració d'eixos	X, Y, Z (només lineals)	X, Y, Z (lineals) + 1 rotacional (A/C)
Millor per	Peces planes/3D senzilles (suports, plaques)	Peces cilíndriques amb detalls envoltants (vàstags de vàlvules, politges)
Temps de Preparació	Curta (10–30 minuts per a peces estàndard)	Moderat (20–45 minuts, configuració única)
Versatilitat de materials	Funciona amb la majoria de metalls/plàstics; limitat per la forma de la peça	Els mateixos materials; optimitzat per a peces corbes/cilíndriques
Rang de Tolerància	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Limitacions i avantatges principals

• la mecanització 3 eixos té dificultats amb peces que tenen calats, forats en angle sobre superfícies corbes o característiques envoltants: aquestes necessiten múltiples configuracions, cosa que augmenta el temps i el risc d'error.
• la mecanització 4 eixos soluciona això per a peces cilíndriques: per exemple, fer forats a intervals de 45° en un eix d'acer és 3x més ràpid amb 4 eixos (l'eix gira per alinear cada forat) en comparació amb 3 eixos (reposicionament manual).
• Tanmateix, el 4 eixos falla amb peces no cilíndriques i de múltiples cares (per exemple, un cub amb forats en angle a tres cares): reorientar la peça anul·la la seva eficiència.

mecanitzat de 4 vs. 5 eixos: Compensacions entre precisió i complexitat

el mecanitzat de 4 eixos actua com a "punt mitjà" en complexitat, però no pot igualar la capacitat del de 5 eixos per gestionar peces asimètriques i amb múltiples cares. Aquesta és la comparació:

1. Gestió de la complexitat de la peça

els dos eixos de rotació del sistema de 5 eixos permeten a l'eina "envoltar" la peça, essencial per a components com les nervadures d'ales d'avions de fibra de carboni (amb vores corbades, forats d'alleugeriment interns i punts de fixació inclinats a les sis cares). Un fabricant aeroespacial destacat va informar:

• temps de producció un 42% més ràpid amb 5 eixos respecte al de 4 eixos.
• Les tasques de rebuig van baixar de l'8% al 2% (una única configuració elimina errors d'alineació).

2. Precisió i acabat superficial

els sistemes de 5 eixos utilitzen indexatge dinàmic per mantenir l'eina perpendicular a la superfície de tall, reduint el desgast de l'eina i millorant la qualitat superficial. Per a implants mèdics (per exemple, pròtesis de genoll, on la biocompatibilitat depèn de la suavitat):

• el 5 eixos aconsegueix Ra 0,4 μm acabats superficials.
• el 4 eixos només arriba a Ra 0.8μm .

3. Cost i programació

el 5 eixos requereix:

• Programari CAM avançat (amb eines de simulació) per evitar col·lisions.
• Inversió inicial més elevada.

 

• Això el fa menys rendible per a peces senzilles o de baix volum, però imprescindible per a components complexos i d'alta precisió.

Ajustar el mecanitzat per eixos segons el material, la geometria i les necessitats industrials

1. Selecció de l'eix segons el material i la duresa de la peça

La duresa del material afecta directament la selecció de l'eix, ja que els materials més durs generen més calor i poden provocar distorsions tèrmiques:

Tipus de material	Tipus d'eix recomanat	Raonament
Materials tous (alumini 6061-T6, plàstic ABS)	3 Eixos	Fàcil de tallar; els moviments lineals aconsegueixen l'acabat desitjat.
Materials durs (acer inoxidable 316L, titani Ti-6Al-4V)	4/5 Eixos	Redueix la freqüència de configuració (4 eixos) o minimitza l'acumulació de calor (5 eixos).

Segons el directrius de Mecanitzat ASM International 2022 :

• Per a materials amb duresa >30 HRC (per exemple, acer endurit), el fresat de 5 eixos allarga la vida de l'eina en 35%vs. 3 eixos.
• Exemple: El mecanitzat d'un blanque d'engranatge d'acer endurit amb 5 eixos utilitza un camí helicoïdal (distribueix la força/calor), allargant la vida de la placa de carbure en un 50% respecte als talls rectes de gran força dels 3 eixos.

2. Requisits específics d'eixos segons el sector

Diferents sectors tenen necessitats úniques que determinen la selecció dels eixos:

Indústria	aplicacions típiques de 3 eixos	aplicacions típiques de 4 eixos	aplicacions típiques de 5 eixos
Automotiu	Suports de motor, carcasses de sensors	Eixos de transmissió, injectors de combustible	Capçals de cilindre de competició d'alt rendiment
Aeroespacial	Suports estructurals senzills	Components cilíndrics bàsics	Àleps de turbines, bastidors d'aeronaus, satèl·lits (el 91 % dels fabricants d'àleps de turbines utilitzen 5 eixos, segons l'informe del 2023)
Mèdic	Carcasses d'eines de plàstic	Vàstags d'instruments quirúrgics	Implants de maluc de titani, varetes espinals
Bens de consum	Funda de telèfon de plàstic, utensilis de cuina d'alumini	Taps de botella (colls roscats)	Carcasses de rellotges de luxe (rar)

Evitant errors freqüents en el mecanitzat d'eixos

1. Errors en la selecció d'eixos segons el volum de producció

• Ús excessiu del 5 eixos : Per a peces simples de baix volum (p. ex., 50 suports d'alumini), el 3 eixos costa un 60% menys (tarifes per hora del 5 eixos: 150-300 $; 3 eixos: 50-100 $).
• Ús insuficient del 5 eixos : Per a peces complexes d’alt volum (p. ex., 1.000 pales de turbina), el 4 eixos requereix un temps de muntatge tres vegades superior al del 5 eixos, cosa que augmenta els costos de mà d'obra i provoca retards.
• Ignorar la geometria : Les peces amb rebaixos interiors (p. ex., ranures encastades en carcasses de plàstic) necessiten 5 eixos; el 3 eixos provoca desalineaments i el 4 eixos no pot accedir a rebaixos no cilíndrics. Un estudi del 2023 va trobar que el 68% de les peces descartades en mecanitzat de 3/4 eixos es deu a aquest error.

2. Millors pràctiques en programació i configuració

3 Eixos

• Utilitzeu codi G bàsic per a moviments lineals.
• Utilitzeu plaques d'utillatge de canvi ràpid per reduir el temps de preparació (de 10 a 15 minuts per canvi de peça).
• Sempre feu una prova en sec (sense material) per evitar col·lisions entre l'eina i l'utillatge (les eines de 3 eixos són més grans i més propenses als impactes).

4 eixos

• Utilitzeu programari CAM amb simulació de 4 eixos per visualitzar la rotació.
• Centreu la peça sobre l'eix A/C (un desplaçament de 0,1 mm provoca errors dimensionals).
• Fixeu peces cilíndriques amb mordasses/bosells per garantir la concentricitat: un proveïdor automobilístic va reduir els errors en un 40% amb un centrada adequada.

5 eixos

• Invertiu en programari CAM avançat (p. ex., Mastercam, SolidWorks CAM) amb detecció de col·lisions.
• Utilitzeu una taula trunnion de 5 eixos per fixar la peça (permet la rotació completa sense necessitat de reposicionar).
• Formeu els programadors en el «control de l'angle d'atac» (ajusteu l'angle de l'eina per millorar l'acabat i la vida útil): tallers aerospacials que apliquen aquest mètode assolen rendiments del 95% en el primer intent.

Procés pas a pas per a la selecció del tipus d’eixos en mecanitzat

Seguiu aquest marc per triar el tipus d’eixos adequat per a aplicacions industrials:

1. Comenceu per la peça: geometria, tolerància, material

• Geometria : Superfícies planes = 3 eixos; característiques cilíndriques/envoltades = 4 eixos; formes multilaterals/contornejades = 5 eixos.
  • Exemple: placa d'alumini plana (3 eixos); eix d'acer amb ranures helicoidals (4 eixos); pala de turbina de titani (5 eixos).
• Tolerància : ±0,005 mm o més ajustat = 5 eixos; ±0,05 mm = 3/4 eixos.
• Material : tou = 3 eixos; dur = 4/5 eixos.

Un informe del 2023 sobre mecanització de precisió va descobrir que les tallers que analitzen primer la peça redueixen en un 55% els errors en la selecció dels eixos.

2. Alineeu-vos amb el volum de producció i els objectius de cost

Volum de producció	Peça simple	Peça complexa
Alt (>1.000 unitats)	3 eixos (baix cost)	4/5 eixos (configuració més ràpida)
Baix (1–100 unitats)	3 eixos (econòmic)	5 eixos (evita el temps excessiu de configuració)

Segons la Guia Industrial de Mecanitzat 2024, l'anàlisi «cost-volum» (que relaciona l'eix amb la quantitat) redueix els costos totals en un 22%.

3. Avaluació dels Recursos del Taller

• Disponibilitat de Màquines : Utilitzeu 3 eixos per a peces senzilles si no hi ha màquines de 4/5 eixos; externalitzeu el treball complex per a baixos volums.
• Experiència del Programador : Comenceu amb 4 eixos per a complexitat moderada si l'equip no té experiència amb 5 eixos.
• Fixació/Eina : Assegureu-vos d'accés a eines especialitzades (p. ex., taules de trunnion per a 5 eixos) abans de seleccionar el tipus d'eix.