Różnice między obróbką 3-, 4- i 5-osiową

Zrozumienie typów toczenia osiowego i ich podstawowych możliwości

toczenie 3-, 4- i 5-osiowe – kiedy zastosować każdy rodzaj

1. Toczenie 3-osiowe: Podstawa prostej i opłacalnej produkcji

System toczenia 3-osiowego działa poprzez przesuwanie narzędzia tnącego wzdłuż trzech liniowych osi – X (w lewo/prawo) , Y (do przodu/do tyłu) , oraz Z (w górę/dół) —w przestrzeni 3D. Taki wyłącznie liniowy ruch czyni ją idealną do wykonywania prostych, płaskich lub płytkich elementów 3D, takich jak uchwyty, płyty czy podstawowe formy.

Jej główna zaleta polega na efektywność kosztowa : maszyny charakteryzują się mniejszym stopniem skomplikowania, wymagają minimalnego czasu przygotowania i zmniejszają koszty operacyjne — wszystko to zwiększa marżę zysku w przypadku produkcji dużych partii prostych komponentów. Na przykład, produkcja aluminiowych płyt montażowych do urządzeń elektronicznych w dużej mierze opiera się na frezowaniu 3-osiowym, ponieważ detal ten wymaga jedynie trzech podstawowych procesów: frezowania czołowego (wyrównanie powierzchni górnej), profilowania krawędzi (nadanie kształtu obwodu płyty) oraz wiercenia (wykonanie otworów na łączniki) — wszystkie te operacje można łatwo wykonać za pomocą ruchów osi liniowych.

2. Frezowanie 4-osiowe: obrót dla cech cylindrycznych i krzywoliniowych

frezowanie 4-osiowe rozwija układ 3-osiowy poprzez dodanie jednej osi obrotowej (zazwyczaj oś A, która obraca się wokół osi X). Ta dodatkowa oś pozwala na obracanie przedmiotu obrabianego podczas liniowego ruchu narzędzia, eliminując konieczność ręcznego przestawiania i umożliwiając obróbkę elementów o zakrzywionych lub owiniętych kształtach.

Doskonale sprawdza się przy komponentach, których cechy odpowiadają kształtowi cylindrycznemu — takim jak rowki na trzpieniu zaworu, ukośne otwory na zakrzywionej powierzchni czy bruzdy na kole pasowym. Raport produkcyjny z 2023 roku wskazał kluczową zaletę: zakłady wykorzystujące obróbkę 4-osiową do części cylindrycznych odnotowały 28% skrócenie czasu przygotowania w porównaniu z systemami 3-osiowymi (które wymagają wielokrotnego przestawiania). Unikając ręcznego odwracania lub ponownego mocowania przedmiotu, obróbka 4-osiowa poprawia również dokładność i spójność, zmniejszając błędy wynikające z działania człowieka.

3. Obróbka 5-osiowa: uniwersalność dla złożonych, wielostronnych precyzyjnych detali

obróbka 5-osiowa to standardowy wybór dla silnie profilowanych, wielostronnych części. Dodaje dwie osie obrotowe (zazwyczaj oś A, obracająca się wokół X, i oś C, obracająca się wokół Z) do trzech osi liniowych, umożliwiając narzędziu tnącemu dostęp do przedmiotu obrabianego niemalże z każdego kąta.

Ta wszechstronność jest niezwykle ważna w branżach takich jak lotnicza i medyczna, gdzie części wymagają skomplikowanych geometrii oraz bardzo wąskich tolerancji. Przykłady to łopatki turbin z tytanu (z zakrzywionymi profili i wewnętrznymi kanałami chłodzenia), wszczepów biodrowych (dopasowanych do anatomii ludzkiej) czy elementów konstrukcyjnych samolotów. W przeciwieństwie do systemów 3- lub 4-osowych, obróbka 5-osiowa pozwala na kompletną realizację skomplikowanych części w jednym jedno ustawienie : na przykład, łopatkę turbiny można całkowicie wykończyć bez konieczności przestawiania, osiągając tolerancje rzędu ±0,005 mm oraz wysoką jakość powierzchni.

obróbka 3 osi vs. 4 osi: Efektywność i granice zastosowania

Poniższa tabela porównuje podstawowe cechy obróbki 3- i 4-osiowej, aby wyjaśnić ich odpowiednie zastosowania:

Cechy	machining 3-osiowe	machining 4-osiowe
Konfiguracja osi	X, Y, Z (tylko liniowe)	X, Y, Z (liniowe) + 1 obrotowa (A/C)
Najlepszy dla	Proste płaskie/części 3D (uchwyty, płyty)	Części cylindryczne z otaczającymi cechami (trzony zaworów, koła pasowe)
Czas montażu	Krótki (10–30 minut dla standardowych części)	Umiarkowany (20–45 minut, jedna konfiguracja)
Różnorodność materiałów	Działa z większością metali/plastików; ograniczony przez kształt części	Te same materiały; zoptymalizowany pod kątem zakrzywionych/cylindrycznych przedmiotów
Zakres tolerancji	±0,01–0,05 mm	±0,008–0,03 mm

Kluczowe ograniczenia i zalety

• obróbka 3-osiowa ma trudności z częściami posiadającymi wcięcia, otworami pod kątem na zakrzywionych powierzchniach lub otaczającymi cechami — te wymagają wielu ustawień, co zwiększa czas i ryzyko błędów.
• obróbka 4-osiowa rozwiązuje ten problem dla części cylindrycznych: na przykład wiercenie otworów w odstępach 45° na stalowym wałku jest 3x szybciej z 4 osiami (wrzeciono obraca się, aby wyrównać każde otwór) w porównaniu do 3 osi (ręczne przepozycjonowanie).
• Jednak 4 osie nie radzą sobie dobrze z niemieszczystymi, wielościennymi częściami (np. sześcianem z ukośnymi otworami na trzech ściankach) — ponowne ustawienie przedmiotu znosi ich wydajność.

obróbka 4 vs. 5 osi: kompromis między precyzją a złożonością

obróbka 4 osiowa stanowi „złoty środek” pod względem złożoności, ale nie może dorównać możliwościom 5 osiowym w przypadku asymetrycznych części wielościennych. Oto porównanie:

1. Obsługa złożoności części

podwójne osie obrotowe systemu 5 osiowego pozwalają narzędziu „obejść” przedmiot — kluczowe dla elementów takich jak żeberka skrzydeł samolotów z włókna węglowego (z zakrzywionymi krawędziami, wewnętrznymi otworami lekkimi i ukośnymi punktami mocowania na wszystkich sześciu stronach). Wiodący producent branży lotniczej zgłosił:

• czas produkcji skrócony o 42% przy użyciu obróbki 5 osiowej w porównaniu do 4 osiowej.
• Wskaźnik odpadów zmniejszył się z 8% do 2% (jedna instalacja eliminuje błędy wyrównania).

2. Precyzja i jakość powierzchni

systemy 5 osiowe używają indeksowanie dynamiczne aby utrzymać narzędzie prostopadle do powierzchni skrawania, zmniejszając zużycie narzędzia i poprawiając jakość powierzchni. W przypadku implantów medycznych (np. endoprotez kolanowych, gdzie biokompatybilność zależy od gładkości):

• 5 osi osiąga Ra 0,4μm wykończenia powierzchni
• 4 osie osiągają tylko Ra 0.8μm .

3. Koszt i programowanie

5 osi wymaga:

• Zaawansowanego oprogramowania CAM (z narzędziami symulacji) w celu uniknięcia kolizji.
• Wyższych początkowych nakładów inwestycyjnych.

 

• Sprawia to, że jest mniej opłacalne dla prostych lub niskoseryjnych części — ale nieocenione dla złożonych komponentów o wysokiej precyzji.

Dopasowanie osi obróbki do materiału, geometrii i potrzeb branżowych

1. Wybór osi na podstawie materiału i twardości przedmiotu obrabianego

Twardość materiału bezpośrednio wpływa na wybór osi, ponieważ twarde materiały generują więcej ciepła i mogą ulec odkształceniom termicznym:

Typ materiału	Zalecany typ osi	Uzasadnienie
Miękkie materiały (aluminium 6061-T6, plastik ABS)	3 osie	Łatwe do obróbki; ruchy liniowe zapewniają pożądane wykończenie.
Twarde materiały (stal nierdzewna 316L, tytan Ti-6Al-4V)	4/5 osi	Redukuje częstotliwość ustawień (4 oś) lub minimalizuje nagrzewanie się (5 osi).

Zgodnie z 2022 ASM International Machining Guidelines :

• Dla materiałów o twardości >30 HRC (np. stali hartowanej), obróbka 5-osiowa wydłuża żywotność narzędzia o 35%w porównaniu do 3 osiowej.
• Przykład: Obróbka przedmiotu wyjściowego zębnika ze stali hartowanej na maszynie 5-osiowej odbywa się po ścieżce spiralnej (rozkład siły/ciepła), co wydłuża żywotność płytek węglikowych o 50% w porównaniu do wysokosiłowych prostych przecinów przy obróbce 3-osiowej.

2. Wymagania dotyczące liczby osi w różnych branżach

Różne sektory mają unikalne wymagania, które decydują o wyborze liczby osi:

Branża	zastosowania 3-osiowe	zastosowania 4-osiowe	zastosowania 5-osiowe
Motoryzacja	Uchwyty silnika, obudowy czujników	Wały napędowe, wtryskiwacze paliwa	Wysokowydajne głowice cylindrów do wyścigów
Aeronautyka i kosmonautyka	Proste wsporniki konstrukcyjne	Podstawowe cylindryczne komponenty	Łopatki turbin, kadłuby samolotów, satelity (91% producentów łopatek turbin wykorzystuje obrabiarki 5-osiowe, według raportu z 2023 roku)
Medycyna	Plastikowe obudowy narzędzi	Trzony instrumentów chirurgicznych	Implanty biodrowe tytanowe, pręty kręgosłupa
Towary konsumenckie	Plastikowe etui na telefon, aluminium na naczynia kuchenne	Kapsle do butelek (gwintowane szyjki)	Obudowy luksusowych zegarków (rzadkie)

Unikanie typowych błędów podczas frezowania wieloosiowego

1. Błędy w wyborze osi w zależności od wielkości produkcji

• Przeciążanie obrabiarką 5-osiową : Dla małoseryjnej produkcji prostych elementów (np. 50 uchwytów aluminiowych) obrabiarka 3-osiowa jest o 60% tańsza (cena godzinowa 5-osiowej: 150–300 USD; 3-osiowej: 50–100 USD).
• Niewystarczające wykorzystanie obrabiarki 5-osiowej : Dla dużoseryjnej produkcji skomplikowanych części (np. 1000 łopatek turbiny) obrabiarka 4-osiowa wymaga 3 razy więcej czasu na ustawienie niż maszyna 5-osiowa – co zwiększa koszty pracy i opóźnienia.
• Zaniedbywanie geometrii : Elementy z podcięciami (np. wgłębienia w obudowach plastikowych) wymagają obróbki 5-osiowej; na maszynie 3-osiowym powstają niedokładności, a 4-osiowa nie obsługuje podcięć niemetrycznych. Badanie z 2023 roku wykazało, że 68% odpadów przy produkcji na maszynach 3/4-osiowych wynika z tego błędu.

2. Najlepsze praktyki programowania i ustawiania

3 osie

• Używaj podstawowego kodu G do ruchów liniowych.
• Stosuj szybkozmienne płyty mocujące, aby skrócić czas przygotowania (10–15 minut na wymianę części).
• Zawsze przeprowadzaj próbę bez materiału, aby uniknąć kolizji narzędzi z uchwytem (narzędzia 3-osiowe są większe i bardziej narażone na zderzenia).

4 osie

• Używaj oprogramowania CAM z symulacją osi 4-osiowej, aby zwizualizować obrót.
• Wycentruj przedmiot obrabiany na osi A/C (nierównowaga 0,1 mm powoduje błędy wymiarowe).
• Mocuj części cylindryczne w szczękach/toczniach dla zachowania współśrodkowości — jeden dostawca motoryzacyjny zmniejszył błędy o 40% dzięki prawidłowemu centrowaniu.

5 osi

• Inwestuj w zaawansowane oprogramowanie CAM (np. Mastercam, SolidWorks CAM) z wykrywaniem kolizji.
• Używaj 5-osiowego stołu obrotowego do mocowania przedmiotu (umożliwia pełen obrót bez konieczności przestawiania).
• Szkol programistów z zakresu kontroli kąta natarcia (regulacja kąta narzędzia w celu poprawy jakości powierzchni i trwałości narzędzia) — firmy lotnicze stosujące tę metodę osiągają 95% wydajności przy pierwszym przejściu.

Krok po kroku: Proces doboru rodzaju osi dla obróbki

Postępuj zgodnie z tą procedurą, aby wybrać odpowiedni typ osi dla zastosowań przemysłowych:

1. Zacznij od części: geometria, tolerancje, materiał

• Geometria : Powierzchnie płaskie = 3 osie; cechy cylindryczne/owinięte = 4 osie; kształty wielostronne/profilowane = 5 osi.
  • Przykład: płyta aluminiowa płaska (3 osie); wałek stalowy z rowkami śrubowymi (4 osie); łopatka turbiny tytanowej (5 osi).
• Tolerancja : ±0,005 mm lub mniejsze = 5 osi; ±0,05 mm = 3/4 osie.
• Materiał : Miękki = 3 osie; twardy = 4/5 osi.

Zgodnie z raportem Precision Machining za 2023 r., zakłady analizujące najpierw część zmniejszają błędy doboru osi o 55%.

2. Dostosuj do wielkości produkcji i celów kosztowych

Wolumen produkcji	Proste części	Złożone części
Wysoka (>1000 sztuk)	3 osiowe (niski koszt)	4/5 osiowe (szybsze przygotowanie)
Niski (1–100 sztuk)	3 osiowe (opłacalne)	5 osiowe (unikanie nadmiernego czasu przygotowania)

Zgodnie z przewodnikiem Przemysłowe obróbki z 2024 roku, analiza „koszt-ilość” (powiązanie osi z ilością) obniża ogólne koszty o 22%.

3. Oceń zasoby warsztatu

• Dostępność maszyny : Użyj maszyn 3 osiowych do prostych części, jeśli nie ma dostępnych maszyn 4/5 osiowych; zlecaj zewnętrznie pracę złożoną przy niskich wolumenach.
• Doświadczenie programisty : Rozpocznij od 4 osi dla średniej złożoności, jeśli zespół nie ma doświadczenia w pracy na 5 osiach.
• Uchwyt/osprzęt : Upewnij się, że masz dostęp do specjalistycznego sprzętu (np. stoły trunnionowe dla 5 osi) przed wybraniem typu osi.