Erinevused 3-, 4- ja 5-telgelistel töötlusmasinatel

Teljetöötluse tüüpide ja nende põhivõimete mõistmine

3, 4 ja 5 telje töötlus – millal igaüht kasutada

1. 3-teljeline töötlus: lihtsa ja kuluefektiivse valmistamise alus

3-teljeline töötlussüsteem toimib lõiketööriista liigutamisel kolmes lineaarses teljes – X (vasakult paremale) , Y (edasi-tagasi) , ja Z (üles-alles) – kolmemõõtmelises ruumis. See ainult lineaarne liikumine teeb selle ideaalseks lihtsate, tasapinnaliste või madalate 3D osade kujundamiseks, näiteks kinnitusribade, plaatide või lihtsate vormide puhul.

Selle peamine eelis seisneb selles, et kulutõhusus : masinad on vähem keerulised, nõuavad minimaalset seadistusaega ja vähendavad toiminguksulu – kõik see suurendab kasumlikkust lihtsate komponentide suurtootmises. Näiteks tehakse elektroonikaseadmete alumiiniumist kinnituskonte peamiselt 3-telgelist töötlust, kuna detaili valmistamiseks piisab kolmest põhitöötlusest: pinna freesimine (ülemise pinna siledaks tegemine), ääre profiilimine (plaadi ümbermõõdu kuju andmine) ja augud puurimine (kinnitusvahendite jaoks) – kõik need on võimalik teostada lineaarsete telgede liikumisega.

2. 4-telgeline töötlus: pöörlemine silindriliste ja kumerate elementide jaoks

4-telgeline töötlus laiendab 3-telgelist süsteemi ühe pöördeteljega (tavaliselt A-telg, mis pöörleb X-telje ümber). See täiendav telg võimaldab töödelda pöörlevat tööpiece'i samal ajal, kui tööriist liigub lineaarselt, vältides vajadust käsitsi ümber paigutada, ning avab võimalused osade valmistamiseks, millel on ümber keevatud või kumerad elemendid.

See on eriti hea komponentide puhul, mille tunnused järgivad silindrilist kuju – näiteks ventiilivarre otsas asuvaid sooni, kõveral pinnal asuvaid kaldusid aukusid või rulli sooned. Aastane tootmisaruande kohaselt on oluline eelis, et töökojad, kes kasutavad silindriliste osade jaoks 4 telgelist töötlemist, saavutasid 28% vähenduse seadistusaegas võrreldes 3 telgiste süsteemidega (mille puhul on vaja mitu korda ümber paigutada). Käsimuudatused töödetaiva ümber keeramise või uuesti kinnitamise vältimisel parandab 4 telgeline töötlemine ka täpsust ja järjepidevust, vähendades inimese tekitatud vigu.

3. 5 telgeline töötlemine: Mitmekülgsus keerukate, mitmepoolsete täppisdetailide jaoks

5 telgeline töötlemine on kuldstandardiks kõverjooneliste, mitmepoolsete osade puhul. See lisab kolme lineaarteljele kaks pöördetelge (tavaliselt A-telg, mis pöörleb X-telje ümber, ja C-telg, mis pöörleb Z-telje ümber), võimalust lõikevahendil ligineda töödetaivale peaaegu igast nurgast.

See mitmekülgsus on asendamatu sellistes tööstusharudes nagu lennundus ja meditsiin, kus osadele esitatakse keerulisi geomeetria- ja väga kitsaid tolerantsinõudeid. Näideteks on tiitriastme turbiinisirbid (kumerad õhuvoolukiired ja sisemised jahutuskanalid), puusaimplantaadid (inimese anatoomiale vastavalt) ja lennukite konstruktsiooniosad. Erinevalt 3 või 4 teljega süsteemidest valmistab 5 teljeline töötlemine keerulised osad valmis ühes seadistuses : näiteks saab turbiinisirbe täielikult töödelda ühe seadistusega, saavutades tolerantsid kuni ±0,005 mm ja suurepärase pindlõpu.

3 telge vs 4 teljeline töötlemine: efektiivsus ja rakenduspide

Alljärgnev tabel võrdleb 3 ja 4 teljelise töötlemise põhiomadusi nende vastavate kasutusjuhtude selgitamiseks:

Omadus	3 telje toormahakasutamine	4 telje toormahakasutamine
Telje konfiguratsioon	X, Y, Z (ainult lineaarsed)	X, Y, Z (lineaarsed) + 1 pöörlev (A/C)
Parim	Lihtsad tasased/3D osad (kinnitused, plaatid)	Silindrilised osad ümber keevitatud elementidega (ventiilide tihendid, rullid)
Seadistusaeg	Lühike (10–30 minutit standardsete osade jaoks)	Keskmine (20–45 minutit, üks seadistus)
Materjali mitmekesisus	Töötab enamiku metallide/plastidega; piiratud osa kujuga	Sama materjalid; optimeeritud kõverate/silindriliste töödetaaside jaoks
Tolerantsivahemik	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Peamised piirangud ja eelised

• 3 telje töötlus on ebasobiv alamosade, kõveratel pindadel asuvate kaldpiltide või ümber keevitatud elementide jaoks – nendel juhtudel on vaja mitut seadistust, mis suurendab aega ja veaohtu.
• 4 telje töötlus lahendab selle silindriliste osade puhul: näiteks 45° intervalliga augud terasest vardal on 3 korda kiiremini 4 teljega (varras pöörleb, et joondada iga auk) võrreldes 3 teljega (käsitsi ümberpaigutamine).
• Siiski ei suuda 4 teljega töötlus toime tulla mitmepoolsete, mittenüriste osadega (nt kuubik nurga all avatud augudega kolmel küljel) – osa ümberorienteerimine kaotab selle eelise.

4 vs 5 teljega töötlus: täpsuse ja keerukuse vaheline kompromiss

4 teljega töötlus on "kompromisslahendus" keerukuse osas, kuid see ei saavuta 5 teljega süsteemi võimet töödelda asümmeetrilisi, mitmepoolseid detaile. Nii erinevad nad omavahel:

1. Detaali keerukuse töötlemine

5 teljega süsteemide topeltpöörlevad teljed võimaldavad tööriistal "ümber keerduda" tööpiece'iga – oluline näiteks süsiniku kiududest lennuki tiibade ribide puhul (kõverad ääred, sisemised kergendusaugud ja nurga all olevad kinnituspunktid kõigil kuuel küljel). Üks juhtiv lennurajatis valmistaja andis teada:

• 5 teljega töötlus oli 42% kiirem kui 4 teljega.
• Materjalikadu vähenes 8%lt 2%ni (üks paigaldus elimineeris joondamisvigu).

2. Täpsus ja pindade finish

5 teljega süsteemid kasutavad dünaamilist indekseerimist säilitada tööriista risti lõikepinnaga, vähendades tööriista kulumist ja parandades pindade kvaliteeti. Meditsiiniliste implantaatide puhul (nt põlveliigeste asendamisel, kus kehale sobilikkus sõltub libedadusest):

• 5 telg saavutab Ra 0,4 μm pindtöötluskvaliteedi.
• 4 telg jõuab ainult Ra 0.8μm .

3. Kulud ja programmeerimine

5 telg nõuab:

• Edasijõudnud CAM-tarkvara (simuleerimisvahenditega), et vältida põrkeid.
• Suuremat algset investeeringut.

 

• Seetõttu ei ole see lihtsate või madala kogusega detailide puhul nii majanduslik, kuid on hinnatu komplitseeritud ja kõrge täpsusega komponentide puhul.

Teljede sobivuse järgi sobitamine materjalile, geomeetrile ja tööstusharu vajadustele

1. Telje valik töödetaali materjali ja kõvaduse alusel

Materjali kõvadus mõjutab otseselt telje valikut, kuna kõvemad materjalid tekitavad rohkem soojust ja on soojusdeformatsiooni ohu all:

Materjalitüüp	Soovitatav teljetüüp	Põhjendus
Lõdvad materjalid (alumiinium 6061-T6, ABS-kunstplast)	3 akselit	Kerge töödelda; lineaarliikumised tagavad soovitud pindetöötluse.
Kõvad materjalid (roostevaba teras 316L, tiitane Ti-6Al-4V)	4/5 telge	Vähendab seadistuste sagedust (4 telge) või minimeerib soojuse kogunemist (5 telge).

Alustades 2022. aasta ASM International töötöötlusjuhised :

• Materjalide puhul, mille kõvadus ületab 30 HRC (nt kõvaks tärvitatud teras), pikendab 5 teljeline töötöötlus tarvikute eluiga 35%vs. 3 telg.
• Näide: 5 teljega töötlemine kõvastatud terasest käigukasti tüki puhul kasutab spiraalset tööriistarada (jaotab jõu/soojuse), pikendades karbiidsete sisestite eluiga 50% võrra võrreldes 3 telje kõrgekoormuse sirgete lõiketega.

2. Tööstusharudele iseloomulikud teljenõuded

Erinevatel sektoritel on erilised nõuded, mis määravad teljesüsteemi valiku:

Tööstus	3 telje kasutusjuhud	4 telje kasutusjuhud	5 telje kasutusjuhud
Autotööstus	Mootoritoed, andurikotlid	Võllid, kütusemanetid	Kõrgtoimelised võidusõidumootorite silindrikatted
Lennundus	Lihtsad konstruktsioonikaablid	Põhilised silindrilised komponendid	Turbinalihid, lennukikarbid, satelliidid (91% turbinalihade valmistajatest kasutab 5 telge, 2023. aasta aruande kohaselt)
Meditsiiniline	Plastsetest tööriistade korpustest	Kirurgiliste instrumentide varred	Tiitri puusaimplantaadid, selgroogud
Tarbijatoodete	Plasttelefonikotid, alumiiniumist köögitarbed	Pudelikorkid (kruusrõngas)	Luksuskaekeste korpused (haruldased)

Levinud telje töötlemisvigu vältimine

1. Teljede valiku vead tootmismahtude järgi

• 5 telje ülemäärane kasutamine : Vähese koguse ja lihtsate detailide puhul (nt 50 alumiiniumist kinnitusplaati) on 3-teljeline töötlelus 60% odavam (5-teljelise tunnihind: 150–300 USD; 3-teljeline: 50–100 USD).
• 5 telje alamäärane kasutamine : Suure koguse keerukate detailide puhul (nt 1000 turbiinilõõtsa) nõuab 4-teljeline 3 korda rohkem seadistusaega kui 5-teljeline – see tõstab tööjõukulusid ja põhjustab viivitusi.
• Geomeetria ignoreerimine : Alampoolse kujundiga detailid (nt plastkarbidest sisselõiged) vajavad 5-teljelist töötlust; 3-teljeline põhjustab valesti paigutuse, 4-teljeline ei jõua mittesüsilindrilistele alampoolsetele osadele ligi. 2023. aasta uuring leidis, et 68% 3/4-teljeliste masinate prakimisest tuleneb just selle vea tõttu.

2. Programmeerimise ja seadistamise parimad tavased

3 akselit

• Kasutage lihtsat G-koodi lineaarsete liikumiste jaoks.
• Rakendage kiirevahetus fiksaaziplaatide kasutamist seadistusaja vähendamiseks (10–15 minutit detailivahetuse kohta).
• Käivita alati kuivtest (ilma materjalita), et vältida tööriista ja tihendi kokkupuudet (3 telje tööriistad on suuremad ja vastuvõtlikumad löökidele).

4 telg

• Kasuta CAM-tarkvara 4 telje simuleerimisega, et visualiseerida pööramist.
• Tsentreeri töödetaš üle A/C telje (0,1 mm nihe põhjustab mõõtevigusid).
• Kindlusta silindrilised osad kartside/pingepuhuritega tsentrikuse säilitamiseks – üks autotootja vähendas vigade arvu 40%, kasutades õiget tsentreerimist.

5 Telg

• Investeeri edasijõudnud CAM-tarkvarrasse (nt Mastercam, SolidWorks CAM) kokkupõrke tuvastamisega.
• Kasuta 5 telje trunnion lauda töödetaši kindlaks hoidmiseks (võimaldab täielikku pööramist ümberasetamiseta).
• Õpeta programmeerijaid „ettekaldenurga kontrolli“ kasutama (reguleeri tööriista nurka, et parandada pindade kvaliteeti ja pikendada tööriista eluiga) – kosmosetööstuses seda kasutavad ettevõtted saavutavad 95% esimese läbimise õnnestumise määra.

Sammas-sammult teljesteeninduse valiku protsess

Järgi seda raamistikku sobiva telje tüübi valimiseks tööstuslikel rakendustel:

1. Alustage osaga: geomeetria, tolerants, materjal

• Geomeetria : Tasased pinnad = 3 telg; silindrilised/keerdjoonega kujundid = 4 telg; mitmepoolsed/kujuvormilised kujundid = 5 telg.
  • Näide: tasane alumiiniumplaat (3 telg); terasest telg kerakujuliste lahtedega (4 telg); tiitriast tuurbinaliht (5 telg).
• Tolerants : ±0,005 mm või kitsam = 5 telg; ±0,05 mm = 3/4 telg.
• Materjal : pehme = 3 telg; kõva = 4/5 telg.

2023. aasta täppismehaanikaraportis leiti, et töökojad, mis analüüsivad esmalt detaili, vähendavad telgvaliku vead 55%.

2. Sobitage tootmismaht ja kulu eesmärgid

Tootmismahus	Lihtsad osad	Keerulised osad
Kõrge (>1000 ühikut)	3 telg (madala hinnaga)	4/5 telg (kiirem seadistus)
Madal (1–100 ühikut)	3 telg (majanduslik)	5 telg (vältib liigset seadistusaega)

2024. aasta tööstusliku töötöödjuhendi kohaselt vähendab „kulu-mahuanalüüs“ (telje ja koguse sidumine) üldkulusid 22%.

3. Hinda tootmisvõimalusi

• Masinate saadavus : Kasuta lihtsate detailide puhul 3-telgelist masinat, kui 4/5-telgelist masinat pole; keerukam töö tuleb madalate kogustega välja lasta tellimustööna.
• Programmeerija ekspertteadmised : Alustage 4 teljega mõõduka keerukusega, kui meeskonnal puudub 5 telje kogemus.
• Kinnitused/tööriistad : Enne teljesüsteemi valimist veenduge, et oleks ligipääs eriotstarbelistele tööriistadele (nt trunnion lauad 5 telje jaoks).