Rozdíly mezi 3, 4 a 5osým obráběním

Porozumění typům osého obrábění a jejich základním schopnostem

3, 4 a 5osé obrábění – Kdy použít které

1. 3osé obrábění: Základ jednoduché a nákladově efektivní výroby

3osý systém obrábění pracuje tak, že nástroj posouvá po třech lineárních osách – X (doleva/doprava) , Y (vpřed/vzad) , a Z (nahoru/dolů) —uvnitř trojrozměrného prostoru. Tento výhradně lineární pohyb činí tuto metodu ideální pro tvorbu jednoduchých rovinných nebo mělkých trojrozměrných dílů, jako jsou úhelníky, desky nebo základní formy.

Její hlavní výhoda spočívá v výhoda : zařízení má nižší složitost, vyžaduje minimální čas na nastavení a snižuje provozní náklady – všechno toto přispívá ke zvýšení ziskové marže při sériové výrobě jednoduchých součástí. Například výroba hliníkových montážních desek pro elektroniku silně závisí na 3osém frézování, protože díl vyžaduje pouze tři základní operace: frézování plochy (vyhlazení horního povrchu), profilování okrajů (tvarování obvodu desky) a vrtání (přidání otvorů pro spojovací prvky) – všechny tyto operace lze snadno provést pomocí lineárních pohybů os.

2. 4osé frézování: Rotace pro válcové a zakřivené prvky

4osé frézování rozšiřuje 3osé uspořádání přidáním jedné rotační osy (obvykle osa A, která rotuje kolem osy X). Tato další osa umožňuje otáčení obrobku během lineárního pohybu nástroje, čímž eliminuje potřebu manuálního přenastavování a otevírá možnosti zpracování dílů s vykroucenými nebo zakřivenými plochami.

Vyniká při obrábění součástí, u nichž prvky sledují válcový tvar – například drážky na ventilovém čepu, šikmé otvory podél zakřiveného povrchu nebo drážky na řemenici. Zpráva o výrobě z roku 2023 zdůraznila klíčovou výhodu: provozovny používající 4osé obrábění pro válcové součásti dosáhly snížení času na nastavení o 28 % ve srovnání se 3osými systémy (které vyžadují více přenastavení). Vyhnutím se manuálnímu přetočení nebo opětovnému upnutí obrobku také 4osé obrábění zlepšuje přesnost a konzistenci a snižuje chyby způsobené člověkem.

3. 5osé obrábění: Univerzálnost pro složité, víceboké přesné díly

5osé obrábění je zlatým standardem pro vysoce tvarované, víceboké součásti. Přidává dvě rotační osy (obvykle osa A, rotující kolem osy X, a osa C, rotující kolem osy Z) ke třem lineárním osám, což umožňuje nástroji přistupovat k obrobku téměř z libovolného úhlu.

Tato univerzálnost je nepostradatelná v odvětvích jako letecký průmysl a medicína, kde díly vyžadují složité geometrie a extrémně úzké tolerance. Příklady zahrnují titanové lopatky turbín (se zakřivenými profily a vnitřními chladicími kanály), kloubové náhrady (přizpůsobené lidské anatomii) a konstrukční díly letadel. Na rozdíl od 3 nebo 4osých systémů dokončuje 5osé obrábění složité díly v jedné jednozásobové nastavení : například lze lopatku turbíny plně opracovat bez přestavování, dosáhnout tolerancí až ±0,005 mm a vynikající jakosti povrchu.

3 osy vs. 4osé obrábění: Efektivita a aplikační hranice

Následující tabulka porovnává základní vlastnosti 3 a 4osého obrábění, aby objasnila jejich příslušná využití:

Funkce	3-osa strojní zpracování	4-osa strojní zpracování
Konfigurace os	X, Y, Z (pouze lineární)	X, Y, Z (lineární) + 1 rotační (A/C)
Nejlepší pro	Jednoduché ploché/3D díly (upínáky, desky)	Válcové součásti s obalenými prvky (ventilové dříky, řemenice)
Čas sestavování	Krátká (10–30 minut pro standardní součásti)	Střední (20–45 minut, jedna upínací sada)
Univerzálnost materiálů	Funguje s většinou kovů/plastů; omezeno tvarem součásti	Stejné materiály; optimalizováno pro zakřivené/válcové obrobky
Rozsah tolerance	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Hlavní omezení a výhody

• obrábění na 3 osách má potíže se součástmi s podřezáváním, šikmými otvory na zakřivených plochách nebo obalenými prvky – tyto případy vyžadují více upínání, což zvyšuje čas a riziko chyb.
• obrábění na 4 osách toto řeší u válcových součástí: například vrtání otvorů v úhlu 45° na ocelové hřídeli je 3x rychleji se 4 osami (hřídel se otáčí pro zarovnání každého otvoru) oproti 3 osám (ruční přemístění).
• Nicméně u 4 os dochází k selhání u necylindrických, vícebokých dílů (např. krychle s šikmými otvory na třech stěnách) – přeorientování dílu neguje jeho efektivitu.

zpracování 4 vs. 5 os: kompromis mezi přesností a složitostí

zpracování po 4 osách funguje jako „mezistupeň“ ve složitosti, ale nemůže konkurovat schopnosti 5osého zpracování zvládat asymetrické, víceboké díly. Zde je jejich srovnání:

1. Zvládání složitosti dílu

dvojité rotační osy u 5osého systému umožňují nástroji „obalit“ obrobek – klíčové např. u dílů jako jsou kostry křídel letadel z uhlíkových vláken (s křivými hranami, vnitřními vyvrtanými prohlubněmi a šikmými připojovacími body na všech šesti stranách). Přední výrobce letecké techniky uvedl:

• čas výroby byl o 42 % kratší při použití 5osého oproti 4osému zpracování.
• Počet vyrazených dílů klesl z 8 % na 2 % (jediné nastavení eliminuje chyby zarovnání).

2. Přesnost a jakost povrchu

5osé systémy používají dynamické indexování udržet nástroj kolmo na řeznou plochu, čímž se snižuje opotřebení nástroje a zlepšuje kvalita povrchu. U lékařských implantátů (např. kolenních náhrad, u kterých biokompatibilita závisí na hladkosti):

• 5osá obrábění dosahuje Ra 0,4 μm povrchových úprav.
• 4osé obrábění dosahuje pouze Ra 0.8μm .

3. Náklady a programování

5osé obrábění vyžaduje:

• Pokročilý CAM software (s nástroji pro simulaci) pro předcházení kolizím.
• Vyšší počáteční investice.

 

• To ho činí méně nákladově efektivním pro jednoduché nebo malosériové díly – ale neocenitelným pro složité, vysokopřesné komponenty.

Osvědčené frézování podle materiálu, geometrie a průmyslových požadavků

1. Výběr osy na základě materiálu obrobku a tvrdosti

Tvrdost materiálu přímo ovlivňuje volbu osy, protože tvrdší materiály generují více tepla a hrozí tepelná deformace:

Typ materiálu	Doporučený typ osy	Důvod
Měkké materiály (hliník 6061-T6, plast ABS)	3 osy	Snadno opracovatelné; lineární pohyby dosahují požadované úpravy povrchu.
Tvrdé materiály (nerezová ocel 316L, titan Ti-6Al-4V)	4/5 osa	Snižuje četnost nastavení (4 osa) nebo minimalizuje hromadění tepla (5 osa).

Podle 2022 ASM International – Pokyny pro obrábění :

• U materiálů s tvrdostí >30 HRC (např. kalená ocel) prodlužuje 5osé obrábění životnost nástroje o 35%ve srovnání s 3osým.
• Příklad: Obrábění заготовky ozubeného kola z kalené oceli na 5osém stroji využívá spirálovou dráhu nástroje (rozděluje sílu/teplo), čímž prodlužuje životnost karbidových břitových destiček o 50 % oproti přímým řezům s vysokou silou při 3osém obrábění.

2. Požadavky na počet os dle odvětví

Různá odvětví mají specifické požadavky, které určují volbu počtu os:

Průmysl	použití 3osého obrábění	použití 4osého obrábění	použití 5osého obrábění
Automobilový průmysl	Motorové konzoly, skříně senzorů	Hnací hřídele, vstřikovače paliva	Výkonné závodní hlavy válců
Letecký průmysl	Jednoduché konstrukční úhelníky	Základní válcové komponenty	Lopatky turbín, letectvích rámy, satelity (91 % výrobců lopatek používá 5osé obrábění, podle zprávy z roku 2023)
Lékařský	Plastové skříně nástrojů	Náboje chirurgických nástrojů	Titanové kyčelní implantáty, páteřní tyče
Spotřební zboží	Plastové krabičky na telefony, hliníkové hrnce a pánve	Uzávěry lahví (závitové krčky)	Košile luxusních hodinek (vzácné)

Vyhnutí se běžným chybám při obrábění na osách

1. Chyby při výběru osy podle objemu výroby

• Nadměrné používání 5osého stroje : U nízkých objemů a jednoduchých dílů (např. 50 hliníkových úhelníků) jsou náklady na 3osý stroj o 60 % nižší (hodinová sazba 5osého: 150–300 USD; 3osého: 50–100 USD).
• Nedostatečné využití 5osého stroje : U velkých sérií složitých dílů (např. 1 000 lopatek turbíny) vyžaduje 4osý stroj třikrát delší čas na nastavení než 5osý – což zvyšuje pracnost a zpoždění.
• Ignorování geometrie : Díly s vybráním (např. zapuštěné drážky na plastových skříních) vyžadují 5osý stroj; 3osý způsobuje nesouosost, 4osý nedosáhne na neválcová vybrání. Studie z roku 2023 zjistila, že 68 % zmetků při použití 3/4osých strojů pochází z této chyby.

2. Osvědčené postupy při programování a nastavování

3 osy

• Používejte základní G-kód pro lineární pohyby.
• Používejte rychloupínací upínací desky k minimalizaci času nastavení (10–15 minut na výměnu dílu).
• Vždy proveďte suchý test (bez materiálu), abyste předešli kolizím nástroje s upínacím zařízením (nástroje 3osého stroje jsou větší a náchylnější ke srážkám).

4 osy

• Používejte CAM software s 4osou simulací pro vizualizaci rotace.
• Umístěte obrobek do středu osy A/C (odchylka 0,1 mm způsobuje rozměrové chyby).
• Válcové díly pevně upínejte do sklíčidel/proužků pro dosažení souososti – jeden dodavatel automobilového průmyslu snížil chyby o 40 % správným centrovaním.

5 os

• Investujte do pokročilého CAM softwaru (např. Mastercam, SolidWorks CAM) s detekcí kolizí.
• Použijte 5osý sklopný stůl k upevnění obrobku (umožňuje plnou rotaci bez přepevňování).
• Školte programátory ve „kontrole náběžného úhlu“ (nastavení úhlu nástroje ke zlepšení povrchové jakosti a životnosti nástroje) – letecké firmy využívající tuto metodu dosahují výtěžnosti 95 % hned napoprvé.

Postupný proces výběru os obrábění

Dodržujte tento postup pro výběr vhodného typu osy pro průmyslové aplikace:

1. Začněte s dílem: geometrie, tolerance, materiál

• Geometrie : Rovinné plochy = 3 osy; válcové/obalené prvky = 4 osy; vícestranné/tvarované tvary = 5 os.
  • Příklad: hliníková rovinná deska (3 osy); ocelový hřídel s šroubovitými drážkami (4 osy); titanové lopatky turbíny (5 os).
• Tolerance : ±0,005 mm nebo přesnější = 5 os; ±0,05 mm = 3/4 osy.
• Materiál : Měkký materiál = 3 osy; tvrdý materiál = 4/5 os.

Podle zprávy Precision Machining z roku 2023 firmy, které nejprve analyzují díl, snižují chyby při výběru os o 55 %.

2. Přizpůsobte objem výroby a cíle nákladů

Objem výroby	Jednoduché díly	Složité díly
Vysoký (>1 000 ks)	3 osy (nízká cena)	4/5 os (rychlejší nastavení)
Nízké (1–100 kusů)	3 osy (ekonomické)	5 os (zabraňuje nadměrnému času na nastavení)

Podle průmyslového strojního zpracování 2024 „analýza nákladů a objemu“ (propojující osy a množství) snižuje celkové náklady o 22 %.

3. Vyhodnocení zdrojů dílny

• Dostupnost stroje : Použijte 3osé stroje pro jednoduché součásti, pokud nemáte 4/5osé stroje; složitější práce outsourcujte při nízkých objemech.
• Odbornost programátora : Začněte s 4osým strojem pro střední složitost, pokud tým nemá zkušenosti s 5osými stroji.
• Přípravek/Nástroj : Před výběrem typu osy zajistěte přístup k specializovaným nástrojům (např. trunnion stoly pro 5os) .