Skirtumai tarp 3, 4 ir 5 ašių apdirbimo

Ašių apdirbimo tipų ir jų pagrindinių galimybių supratimas

3, 4 ir 5 ašių apdirbimas – kada naudoti kiekvieną

1. 3 ašių apdirbimas: paprasto, ekonomiško gamybos proceso pagrindas

3 ašių apdirbimo sistema veikia taip, kad pjovimo įrankis juda trijose tiesinėse ašyse – X (kairėn/dešinėn) , Y (pirmyn/atgal) , ir Z (aukštyn/žemyn) – trimatėje erdvėje. Šis tik tiesinis judėjimas puikiai tinka formuoti paprastiems, plokštiems ar negiliems 3D detalėms, tokioms kaip laikikliai, plokštės ar paprasti formos.

Pagrindinis pranašumas slypi tame, kad kainos efektyvumas : įranga yra mažiau sudėtinga, reikalauja minimalaus paruošimo laiko ir sumažina eksploatacijos išlaidas – visa tai padidina pelningumą gamybai dideliais kiekiais paprastiems komponentams. Pavyzdžiui, elektronikos aliuminio tvirtinimo plokštėms gaminti labai dažnai naudojama 3 ašių apdirbimas, nes detalėje reikalingi tik trys pagrindiniai procesai: paviršiaus frezavimas (viršutinio paviršiaus išlyginimas), krašto profiliavimas (plokštės perimetro formavimas) ir gręžimas (skylės tvirtinimo elementams) – visi šie veiksmai lengvai atliekami tiesiaeigiais ašių judesiais.

2. 4 ašių apdirbimas: sukimosi galimybė cilindrinėms ir išlenktoms detalėms

4 ašių apdirbimas plečia 3 ašių konfigūraciją pridedant vieną sukimosi ašį (paprastai A ašį, kuri sukasi aplink X ašį). Ši papildoma ašis leidžia ruošiniui suktis, tuo metu, kai įrankis juda tiesiškai, pašalinant būtinybę rankiniu būdu perkelti detale ir atveriant galimybes gaminti detales su apvaliu ar išlinkusiu paviršiumi.

Jis puikiai tinka komponentams, kurių elementai yra cilindrinės formos – pavyzdžiui, grioveliams vožtuvo kamieno paviršiuje, pasvirusiems skyliams išlenktoje paviršiuje arba įpjovoms skriemulyje. 2023 metų gamybos ataskaita pabrėžė svarbią naudą: dirbtuvės, naudojančios 4 ašių apdirbimą cilindriniams detaliams, pasiekė 28 % mažesnį paruošimo laiką palyginti su 3 ašių sistemomis (kurios reikalauja daugkartinio perkėlimo). Vengiant rankinio darbo daikto apvertimo ar perkabinimo, 4 ašių apdirbimas taip pat padidina tikslumą ir vientisumą, sumažindamas žmogaus sukeltas klaidas.

3. 5 ašių apdirbimas: universalumas sudėtingoms, daugiapusių tikslumo detalėms

5 ašių apdirbimas yra aukso standartas labai reljefiniams, daugiapusiems komponentams. Jis prideda du posūkio ašis (paprastai A-ąšį, besisukančią aplink X ašį, ir C-ąšį, besisukančią aplink Z ašį) prie trijų tiesinių ašių, leisdamas pjovimo įrankiui priartėti prie darbo daikto beveik iš bet kurios krypties.

Ši universalumas yra nepakeičiamas tokiose pramonės šakose kaip aviacinė ir medicinos, kur detalės reikalauja sudėtingų geometrijų ir itin siaurų tolerancijų. Pavyzdžiai apima titano turbinos mentes (su išlenktais aerofiliais ir vidiniais aušinimo kanalais), klubo protезus (atitinkančius žmogaus anatomiją) ir lėktuvų konstrukcinius komponentus. Skirtingai nuo 3 ar 4 ašių sistemų, 5 ašių apdirbimas užbaigia sudėtingas dalis viename vienintelis montavimas : pavyzdžiui, turbinos mentė gali būti visiškai apdirbta be perkėlimo, pasiekiant tolerancijas iki ±0,005 mm ir geresnį paviršiaus apdorojimą.

3 ašys vs. 4 ašys apdirbimas: efektyvumas ir taikymo ribos

Žemiau pateikta lentelė palygina pagrindines 3 ir 4 ašių apdirbimo savybes, kad būtų aiškesni jų atitinkami naudojimo atvejai:

Ypatybė	3-asis mašininis apdorojimas	4-asis mašininis apdorojimas
Ašių konfigūracija	X, Y, Z (tik tiesiniai)	X, Y, Z (tiesiniai) + 1 rotacinė (A/C)
Tinkamiausias	Paprastos plokščios/3D detalės (laikikliai, plokštės)	Cilindrinės detalės su apvyniotomis savybėmis (ventilių stemai, skriemuliai)
Sudėjimo laikas	Trumpa (10–30 min. standartinėms detalėms)	Vidutinis (20–45 min, vienas sureguliavimas)
Medžiagų universalumą	Veikia su dauguma metalų/plastikų; ribojamas detalės formos	Tie patys medžiagų tipai; optimizuota išlenktoms/apskritoms detalėms
Tikslumo ribos	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Pagrindiniai apribojimai ir privalumai

• 3 ašių apdirbimas kelia sunkumų detalėms su įpjovomis, pasvirusiais skylėmis išlenktose paviršiuose arba apvalkalais – tokios detalės reikalauja kelių sureguliavimų, dėl ko didėja laiko sąnaudos ir klaidų rizika.
• 4 ašių apdirbimas tai išsprendžia cilindrinėms detalėms: pavyzdžiui, gręžti skyles 45° intervalu ant plieninio veleno galima 3 kartus greičiau naudojant 4 ašių sistemą (velenas pasisuka, kad kiekviena skylė būtų tinkamai išdėstyta), palyginti su 3 ašių sistema (reikalingas rankinis perkėlimas).
• Tačiau 4 ašių sistema neveikia su nestandartinėmis, daugiapusių formų detalėmis (pvz., kubu, kuriame yra pasvirusių skylių trijuose šonuose) – detalės perkėlimas pašalina jos efektyvumą.

4 ašių ir 5 ašių apdirbimas: tikslumo ir sudėtingumo kompromisai

4 ašių apdirbimas yra „tarpinė riba“ pagal sudėtingumą, tačiau jis negali prilygti 5 ašių gebėjimui apdoroti nesimetriškus, daugiapuses detalias. Štai kaip jie palyginami:

1. Detalių sudėtingumo apdorojimas

5 ašių dviejų rotacinių ašių dėka įrankis gali „apsisukti aplink“ заготовkę – tai būtina tokios detalėms kaip anglies pluošto lėktuvo sparno rėmai (su išlenktais kraštais, vidiniais palengvinimo skylių ir pasvirusiais tvirtinimo taškais visose šešiose pusėse). Vienas pirmaujantis aviacijos gamintojas pranešė:

• 5 ašių apdirbimu gamyba vyksta 42 % greičiau nei 4 ašių.
• Atmetimo norma sumažėjo nuo 8 % iki 2 % (vienintelis tvirtinimas pašalina derinimo klaidas).

2. Tiksliumas ir paviršiaus kokybė

5 ašių sistemos naudoja dinaminį indeksavimą kad įrankis visada liktų statmenas pjovimo paviršiui, mažinant įrankio dėvėjimąsi ir gerinant paviršiaus kokybę. Medicinos implantams (pvz., kelio protezams, kurių biologinė suderinamumas priklauso nuo glodumo):

• 5 ašis pasiekia Ra 0,4 μm paviršiaus apdorojimą.
• 4 ašis pasiekia tik Ra 0.8μm .

3. Kaina ir programavimas

5 ašims reikia:

• Pažangios CAM programinės įrangos (su simuliacijos įrankiais), kad būtų išvengta susidūrimų.
• Didesni pradiniai investicijai.

 

• Dėl to ji mažiau naudinga paprastiems ar mažo kiekio detaliams – tačiau nepakeičiama sudėtingoms, didelės tikslumo detalėms.

Ašių apdirbimo pritaikymas prie medžiagos, geometrijos ir pramonės reikalavimų

1. Ašies parinkimas pagal ruošinio medžiagą ir kietumą

Medžiagos kietumas tiesiogiai veikia ašies pasirinkimą, nes kietesnės medžiagos sukuria daugiau šilumos ir gali sukelti šiluminį iškraipymą:

Medžiagos tipas	Rekomenduojama ašies rūšis	Pagrindas
Minkštos medžiagos (aliuminis 6061-T6, ABS plastikas)	3 ašys	Lengvai apdirbamos; tiesiniai judesiai užtikrina pageidaujamą paviršiaus apdorojimą.
Kietos medžiagos (nerūdijantis plienas 316L, titanas Ti-6Al-4V)	4/5 Ašis	Sumažina paruošimo dažnumą (4 ašis) arba mažina šilumos kaupimąsi (5 ašis).

Pagal 2022 m. ASM International apdirbimo rekomendacijos :

• Medžiagoms, kurių kietumas >30 HRC (pvz., kalintas plienas), 5 ašių apdirbimas pratęsia įrankio tarnavimo laiką 35%palyginti su 3 ašių apdirbimu.
• Pavyzdys: kietinant plieno pavaros išjungimo apdorojimas naudojant 5 ašis naudoja spiralę įrankio trajektoriją (paskirsto apkrovą/šilumą), dėl ko karbido plokštelės tarnavimo laikas pailgėja 50 %, palyginti su 3 ašių aukštos jėgos tiesiais pjūviais.

2. Pramonei būdingi ašių reikalavimai

Skirtingos sritys turi unikalius poreikius, kurie lemia ašių pasirinkimą:

Pramonė	3 ašių naudojimo atvejai	4 ašių naudojimo atvejai	5 ašių naudojimo atvejai
Automobilių pramonė	Variklio tvirtinimo detalės, jutiklių korpusai	Velenai, kuro injektoriai	Aukštos našumo lenktynių cilindrų galvutės
Oro erdvė	Paprasti konstrukciniai tvirtinimo elementai	Pagrindiniai cilindriniai komponentai	Turbino mentės, lėktuvų rėmai, palydovai (pagal 2023 m. ataskaitą, 91 % turbino mentžių gamintojų naudoja 5 ašis)
Medicinos	Plastikiniai įrankių korpusai	Chirurginių instrumentų velenai	Titano klubo implantai, stuburo strypai
Pirkalų prekės	Plastikiniai telefonų apdangalai, aliumininė indų gamyba	Butelių dangteliai (su sriegiu kakleliai)	Prabangių laikrodžių korpusai (retai)

Dažnų ašių apdirbimo klaidų vengimas

1. Klaidos renkantis ašis pagal gamybos apimtį

• Perdidelis 5 ašių naudojimas : Mažo tūrio, paprastiems detalės tipams (pvz., 50 aliumininių kampuočių) 3 ašių naudojimas kainuoja 60 % mažiau (5 ašių valandinės kainos: 150–300 USD; 3 ašių: 50–100 USD).
• Nepakankamas 5 ašių panaudojimas : Didelio tūrio sudėtingoms detalėms (pvz., 1 000 turbinos mentelių) 4 ašių apdirbimui reikia triskart daugiau paruošimo laiko nei 5 ašių – tai padidina darbo išlaidas ir veda į delsimus.
• Geometrijos nepaisymas : Detalės su įpjovomis (pvz., įleistos skylės plastikiniuose korpusuose) reikalauja 5 ašių apdirbimo; 3 ašių apdirbimas sukelia netikslumus, o 4 ašių negali pasiekti netgi cilindrinių įpjovų. 2023 m. tyrimas parodė, kad 68 % brokuotų detalių dėl 3/4 ašių apdirbimo kyla būtent dėl šios klaidos.

2. Programavimo ir paruošimo geriausios praktikos

3 ašys

• Naudokite paprastą G-kodą tiesiesiems judesiams.
• Naškinkite greitai keičiamas tvirtinimo plokštes, kad sumažintumėte paruošimo laiką (10–15 min. kiekvienam detalių keitimui).
• Visada vykdykite bandomąjį paleidimą (be medžiagos), kad išvengtumėte įrankių ir tvirtinimo susidūrimų (3 ašių įrankiai yra didesni ir labiau linkę į smūgius).

4 ašys

• Naudokite CAM programinę įrangą su 4 ašių simuliacija, kad galėtumėte vizualizuoti sukimosi judesį.
• Centruokite заготовę ant A/C ašies (0,1 mm poslinkis sukelia matmenų klaidas).
• Tvirtinkite cilindro formos detalias čiaupais/čiaupeliais, kad būtų užtikrinta koncentriškumas – vienas automobilių tiekėjas dėl tinkamo centravimo sumažino klaidas 40 %.

5 ašių

• Investuokite į pažangią CAM programinę įrangą (pvz., Mastercam, SolidWorks CAM) su susidūrimo aptikimu.
• Naudokite 5 ašių tranzitą stalą заготовės tvirtinimui (leidžia visiškai sukti be perkėlimo).
• Mokykite programuotojus „pakrypimo kampo valdymo“ principų (reguliuokite įrankio kampą, kad pagerintumėte apdirbimo kokybę/įrankio tarnavimo laiką) – aviacijos gamyklos, naudojančios šį metodą, pasiekia 95 % pirmojo bandymo sėkmingumo rodiklį.

Palaipsninis ašių apdirbimo parinkimo procesas

Laikykitės šios sistemos, kad pasirinktumėte tinkamą ašių tipą pramoninėms aplikacijoms:

1. Pradėkite nuo detalės: geometrija, tarpiniai matmenys, medžiaga

• Geometrija : Plokštie paviršiai = 3 ašys; cilindriniai/apvynioti elementai = 4 ašys; daugiapusių/kontūrinių formų detalės = 5 ašys.
  • Pavyzdys: plokščia aliuminio plokštė (3 ašys); plieninis velenas su sriegio grioveliais (4 ašys); titano turbinos mentė (5 ašys).
• Tolerancija : ±0,005 mm arba mažesnė = 5 ašys; ±0,05 mm = 3/4 ašys.
• Medžiaga : Minkšti = 3 ašys; kieti = 4/5 ašys.

2023 m. tikslaus apdirbimo ataskaita parodė, kad įmonės, kurios iš pradžių analizuoja detalis, sumažina ašių pasirinkimo klaidas 55 %.

2. Suderinkite su gamybos apimtimi ir sąnaudų tikslais

Gaminių kiekis	Paprasčios detalės	Sudėtingos detalės
Didelė (>1 000 vienetų)	3 ašys (žemos kainos)	4/5 ašys (greitesnis paruošimas)
Žemas (1–100 vienetų)	3 ašys (ekonomiškas)	5 ašys (vengia papildomo paruošimo laiko)

Pagal 2024 metų pramoninio apdirbimo vadovą „kainos ir apimties analizė“ (siejanti ašis su kiekiu) sumažina bendras išlaidas 22 %.

3. Įvertinkite gamyklos išteklius

• Prieinamumas staklėms : Naudokite 3 ašių stakles paprastiems detaliams, jei nėra 4/5 ašių staklių; sudėtingesni darbai mažoms partijoms užsakyti išorėje.
• Programuotojo patirtis : Pradėkite nuo 4 ašių vidutinio sudėtingumo darbams, jei komanda neturi 5 ašių patirties.
• Fiksavimo priemonės / įrankiai : Prieš pasirenkant ašies tipą, įsitikinkite, kad turite prieigą prie specializuotų įrankių (pvz., sukamųjų stalų 5 ašiai).