Differenze tra lavorazione 3, 4 e 5 assi

Comprensione dei tipi di lavorazione a assi e delle loro capacità principali

lavorazione a 3, 4 e 5 assi – Quando utilizzare ciascuna

1. Lavorazione a 3 assi: la base della produzione semplice ed economica

Un sistema di lavorazione a 3 assi funziona spostando l'utensile lungo tre assi lineari— X (sinistra/destra) , Y (avanti/indietro) , e Z (alto/basso) —all'interno di uno spazio tridimensionale. Questo movimento esclusivamente lineare lo rende ideale per la realizzazione di pezzi semplici, piatti o con forme 3D poco profonde, come staffe, pannelli o stampi di base.

Il suo vantaggio principale consiste nel efficienza dei costi : la macchina ha una complessità ridotta, richiede tempi minimi di allestimento e riduce i costi operativi, elementi che aumentano i margini di profitto nella produzione in grande serie di componenti semplici. Ad esempio, la produzione di piastrine in alluminio per applicazioni elettroniche si basa fortemente sulla fresatura a 3 assi, poiché il pezzo necessita soltanto di tre processi fondamentali: fresatura frontale (piallatura della superficie superiore), profilatura dei bordi (definizione del perimetro della piastra) e foratura (realizzazione di fori per gli elementi di fissaggio), tutti facilmente eseguibili con movimenti lineari degli assi.

2. Fresatura a 4 assi: rotazione per caratteristiche cilindriche e curve

la fresatura a 4 assi si basa sull'allestimento a 3 assi aggiungendo un asse rotazionale (tipicamente l'asse A, che ruota attorno all'asse X). Questo asse aggiuntivo permette al pezzo di ruotare mentre l'utensile si muove linearmente, eliminando la necessità di riposizionamenti manuali e abilitando la lavorazione di parti con geometrie curve o avvolgenti.

È particolarmente indicato per componenti in cui le caratteristiche seguono una forma cilindrica, come scanalature su un gambo valvola, fori inclinati lungo una superficie curva o gole su una puleggia. Un rapporto di produzione del 2023 ha evidenziato un vantaggio fondamentale: i laboratori che utilizzano la fresatura a 4 assi per parti cilindriche hanno registrato una riduzione del 28% del tempo di allestimento rispetto ai sistemi a 3 assi (che richiedono riposizionamenti multipli). Evitando il ribaltamento manuale o il riafferraggio del pezzo, la fresatura a 4 assi migliora anche l'accuratezza e la coerenza, riducendo gli errori indotti dall'operatore.

3. Fresatura a 5 Assi: Versatilità per Precisione Complessa su Superfici Multiple

la fresatura a 5 assi è lo standard di riferimento per parti altamente sagomate e con più facce. Aggiunge due assi rotazionali (solitamente l'asse A, che ruota attorno all'asse X, e l'asse C, che ruota attorno all'asse Z) ai tre assi lineari, consentendo allo strumento di taglio di avvicinarsi al pezzo da quasi ogni angolazione.

Questa versatilità è indispensabile in settori come l'aerospaziale e il medicale, dove i componenti richiedono geometrie complesse e tolleranze estremamente ristrette. Esempi includono pale turbine in titanio (con profili alari curvi e canali di raffreddamento interni), protesi d'anca (adattate all'anatomia umana) e componenti strutturali per aerei. A differenza dei sistemi a 3 o 4 assi, la fresatura a 5 assi completa parti complesse in un impostazione Singola : ad esempio, una pala di turbina può essere lavorata completamente senza riposizionamenti, raggiungendo tolleranze precise fino a ±0,005 mm e una finitura superficiale superiore.

fresatura a 3 assi vs. a 4 assi: Efficienza e limiti applicativi

La tabella seguente confronta le caratteristiche principali della fresatura a 3 e a 4 assi per chiarire i rispettivi casi d'uso:

Caratteristica	fresatura su 3 assi	fresatura su 4 assi
Configurazione assi	X, Y, Z (solo lineari)	X, Y, Z (lineari) + 1 rotazionale (A/C)
Migliore per	Parti semplici piatte/3D (staffe, piastre)	Parti cilindriche con dettagli avvolti (steli delle valvole, pulegge)
Tempo di Montaggio	Breve (10–30 minuti per parti standard)	Moderato (20–45 minuti, configurazione singola)
La versatilità dei materiali	Funziona con la maggior parte dei metalli/plastiche; limitato dalla forma del pezzo	Stessi materiali; ottimizzato per pezzi curvi/cilindrici
Campo di Tolleranza	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Limitazioni e vantaggi principali

• la lavorazione a 3 assi ha difficoltà con parti che presentano undercut, fori inclinati su superfici curve o caratteristiche avvolgenti—queste richiedono più configurazioni, aumentando tempi e rischio di errore.
• la lavorazione a 4 assi risolve questo problema per le parti cilindriche: ad esempio, realizzare fori a intervalli di 45° su un albero in acciaio è 3 volte più velocemente con 4 assi (l'albero ruota per allineare ogni foro) rispetto a 3 assi (riposizionamento manuale).
• Tuttavia, il 4 assi non è efficace con parti non cilindriche e multi-faccia (ad esempio, un cubo con fori inclinati su tre facce)—il riposizionamento del pezzo annulla la sua efficienza.

lavorazione a 4 vs. 5 Assi: Compromesso tra Precisione e Complessità

la lavorazione a 4 assi rappresenta un'"opzione intermedia" per quanto riguarda la complessità, ma non può competere con la capacità della macchina a 5 assi di gestire parti asimmetriche e con più facce. Ecco un confronto:

1. Gestione della Complessità del Pezzo

i due assi rotazionali della macchina a 5 assi permettono allo strumento di "avvolgere" il pezzo, elemento fondamentale per componenti come le costole alari in fibra di carbonio (con bordi curvi, fori di alleggerimento interni e punti di attacco angolati su tutti e sei i lati). Un importante produttore aerospaziale ha riportato:

• tempi di produzione del 42% più rapidi con la macchina a 5 assi rispetto a quella a 4 assi.
• Gli scarti sono diminuiti dall'8% al 2% (l'unico montaggio elimina gli errori di allineamento).

2. Precisione e Finitura Superficiale

i sistemi a 5 assi utilizzano indicizzazione dinamica per mantenere lo strumento perpendicolare alla superficie di taglio, riducendo l'usura dello strumento e migliorando la qualità superficiale. Per impianti medici (ad esempio protesi al ginocchio, dove la biocompatibilità dipende dalla levigatezza):

• 5 Assi raggiunge Ra 0,4μm finiture superficiali.
• 4 Assi raggiunge solo Ra 0.8μm .

3. Costi e Programmazione

5 Assi richiede:

• Software CAM avanzato (con strumenti di simulazione) per evitare collisioni.
• Investimento iniziale più elevato.

 

• Questo lo rende meno conveniente per parti semplici o di bassa quantità, ma di grande valore per componenti complessi e ad alta precisione.

Abbinare la lavorazione a numero di assi alle esigenze di materiale, geometria e settore

1. Selezione del numero di assi in base al materiale e alla durezza del pezzo

La durezza del materiale influisce direttamente sulla scelta dell'asse, poiché i materiali più duri generano più calore e rischiano distorsioni termiche:

Tipo di Materia	Tipo di asse consigliato	Ragionamento
Materiali morbidi (alluminio 6061-T6, plastica ABS)	3 assi	Facili da tagliare; movimenti lineari raggiungono la finitura desiderata.
Materiali duri (acciaio inossidabile 316L, titanio Ti-6Al-4V)	4/5 Assi	Riduce la frequenza di allestimento (4 Assi) o minimizza l'accumulo di calore (5 Assi).

Secondo il linee guida per la lavorazione ASM International 2022 :

• Per materiali con durezza superiore a 30 HRC (ad esempio acciaio temprato), la lavorazione a 5 assi estende la vita dell'utensile del 35%rispetto al 3 assi.
• Esempio: la lavorazione di un grezzo di ingranaggio in acciaio temprato con 5 assi utilizza un percorso utensile a spirale (distribuisce forza/calore), aumentando la durata degli inserti in metallo duro del 50% rispetto ai tagli rettilinei ad alta forza del 3 assi.

2. Requisiti specifici del settore per gli assi

Settori diversi hanno esigenze uniche che determinano la scelta degli assi:

Settore	casi d'uso 3 assi	casi d'uso 4 assi	casi d'uso 5 assi
Automotive	Supporti motore, alloggiamenti sensori	Alberi di trasmissione, iniettori del carburante	Teste cilindri per corse ad alte prestazioni
Aerospaziale	Semplici supporti strutturali	Componenti cilindrici di base	Pale delle turbine, telai degli aerei, satelliti (il 91% dei produttori di pale per turbine utilizza macchine a 5 assi, secondo un rapporto del 2023)
Medico	Carcasse in plastica per utensili	Aste degli strumenti chirurgici	Protesi d'anca in titanio, barre spinali
Beni di consumo	Custodie in plastica per telefoni, pentole in alluminio	Tappi di bottiglie (colli filettati)	Custodie per orologi di lusso (rare)

Evitare gli errori comuni nella lavorazione a assi

1. Errori nella selezione degli assi in base al volume di produzione

• Utilizzo eccessivo del 5 Assi : Per parti semplici in bassa quantità (ad esempio, 50 supporti in alluminio), il costo del 3 Assi è del 60% inferiore (tariffe orarie del 5 Assi: $150–$300; 3 Assi: $50–$100).
• Sotto-utilizzo del 5 Assi : Per parti complesse in alta quantità (ad esempio, 1.000 pale di turbina), il 4 Assi richiede un tempo di allestimento triplo rispetto al 5 Assi, aumentando i costi di manodopera e causando ritardi.
• Ignorare la geometria : Le parti con sottosquadri (ad esempio, scanalature incassate su alloggiamenti in plastica) necessitano del 5 Assi; il 3 Assi causa disallineamenti, mentre il 4 Assi non riesce a raggiungere sottosquadri non cilindrici. Uno studio del 2023 ha rilevato che il 68% degli scarti nelle lavorazioni 3/4 Assi deriva da questo errore.

2. Best practice per programmazione e allestimento

3 assi

• Utilizzare G-code base per movimenti lineari.
• Adottare piastre porta-morsetti a cambio rapido per ridurre i tempi di allestimento (10–15 minuti per ogni cambio di pezzo).
• Eseguire sempre una prova a vuoto (senza materiale) per evitare collisioni tra utensile e morsetto (gli utensili del 3 Assi sono più grandi e più soggetti a impatti).

4 assi

• Utilizza un software CAM con simulazione a 4 assi per visualizzare la rotazione.
• Centra il pezzo sull'asse A/C (uno scostamento di 0,1 mm provoca errori dimensionali).
• Fissa le parti cilindriche con morsetti/mandrini per garantire la concentricità: un fornitore automobilistico ha ridotto gli errori del 40% grazie a un corretto centraggio.

5 assi

• Investi in un software CAM avanzato (ad esempio Mastercam, SolidWorks CAM) con rilevamento delle collisioni.
• Utilizza un tavolo trunnion a 5 assi per fissare il pezzo (consente una rotazione completa senza riposizionamento).
• Forma i programmatori sul controllo dell'angolo di attacco (modifica l'angolazione dell'utensile per migliorare la finitura e la durata dell'utensile): aziende aerospaziali che utilizzano questa tecnica raggiungono rese del 95% già al primo passaggio.

Processo Passo-Passo per la Selezione del Tipo di Asse di Lavorazione

Segui questo schema per scegliere il tipo di asse più adatto alle applicazioni industriali:

1. Parti dalla geometria del pezzo, dalle tolleranze e dal materiale

• Geometria : Superfici piane = 3 Assi; caratteristiche cilindriche/avvolte = 4 Assi; forme complesse su più lati/con profili sagomati = 5 Assi.
  • Esempio: piastra piatta in alluminio (3 assi); albero in acciaio con scanalature elicoidali (4 assi); paletta della turbina in titanio (5 assi).
• Tolleranza : ±0,005 mm o più stretto = 5 assi; ±0,05 mm = 3/4 assi.
• Materiale : Morbido = 3 assi; duro = 4/5 assi.

Un rapporto del 2023 sulla lavorazione di precisione ha rilevato che le aziende che analizzano prima i pezzi riducono gli errori di selezione degli assi del 55%.

2. Allineare il volume di produzione agli obiettivi di costo

Volume di produzione	Pezzi semplici	Pezzi complessi
Alto (>1.000 unità)	3 assi (basso costo)	4/5 assi (setup più rapido)
Basso (1–100 unità)	3 Assi (economico)	5 Assi (evita tempi eccessivi di allestimento)

Secondo la Guida all'usinatura industriale 2024, l'"analisi costo-volume" (che collega l'asse alla quantità) riduce i costi complessivi del 22%.

3. Valutare le Risorse del Reparto

• Disponibilità della macchina : Utilizzare il 3 Assi per parti semplici se non ci sono macchine a 4/5 Assi; esternalizzare lavorazioni complesse per bassi volumi.
• Competenza del Programmatore : Iniziare con il 4 Assi per complessità moderate se il team non ha esperienza con il 5 Assi.
• Dispositivi/Utensili : Assicurarsi l'accesso a utensili specializzati (ad esempio tavole basculanti per il 5 Assi) prima di scegliere il tipo di asse.