Na czym polega obróbka 5-osiowa?
Frezowanie to jeden z najstarszych, ale ciągle niezastąpionych procesów produkcji. Pierwsze obrabiarki do metalu skonstruowano na początku XIX w. Kolejnym ważnym etapem, który przypadł na połowę XIX stulecia było wprowadzenie przez firmę Brown & Sharp uniwersalnej frezarki. Przez kolejne sto lat w konwencjonalnej obróbce wykorzystywano 3 osie – X, Y i Z, zgodnie z kartezjańskim układem współrzędnych. Oś X jest (na ogół) pozioma. Oś Y przesuwa się względem obserwatora od przodu do tyłu i z powrotem. Natomiast na osi Z odbywa się ruch w górę i w dół.
Trzy ruchome osie liniowe przez ponad sto lat wyznaczały geometryczne granice konwencjonalnej obróbki. Chociaż później możliwe stało się umieszczanie wrzeciona pod dowolnym kątem lub przytrzymywanie części za pomocą uchwytu obrotowego, obróbka kształtująca nadal była ograniczona do 3 osi. Mimo to frezowanie stało się jednym z głównych procesów produkcyjnych w branży obróbki metalu.
Rozwój technologii NC i CNC począwszy od lat 60-tych XX wieku poszerzył możliwości frezowania, ale obróbka 3-osiowa jest nadal nieodzowna. Potwierdza to badanie przeprowadzone w 2018 roku przez Instytut Technologii Produkcji Fraunhofera IPT we współpracy z WBA Aachener Werkzeugbau Akademie, które wykazało, że obróbka 3-osiowa jest nadal dominującą konfiguracją osi, nawet w branży narzędziowej. Jej udział wynosi niemal 50%, przy czym jeszcze 4 lata temu zaledwie 10% zastosowań bazowało na konfiguracji 5-osiowej.
Wskazane w badaniu przyczyny zaskakująco małego wykorzystania obróbki 5-osiowej są oczywiste. Po pierwsze znaczna liczba produkowanych części nie wymaga 5-osiowej obróbki symultanicznej. Z drugiej strony, małą skalę wykorzystania obróbki 5-osiowej można przypisać wiążącym się z nią wyzwaniom dla przedsiębiorstw produkcyjnych – szczególnie w obszarze programowania. Ale to właśnie w tych dwóch aspektach innowacyjność i postęp grają na korzyść obróbki 5-osiowej.
Przyszłościowa obróbka 5-osiowa
Gdy mówimy o obróbce 5-osiowej, trzeba wziąć pod uwagę, czy narzędzie może być w jakikolwiek sposób umieszczone w przestrzeni z dwoma dodatkowymi osiami obrotowymi, uzupełniającymi 3 osie liniowe, albo czy jest zdolne do obróbki w pełni symultanicznej. W pierwszym przypadku mówimy o obróbce z wykorzystaniem 3+2 osi, gdzie czwarta i piąta oś obrotowa utrzymuje obrabiany element w stałym położeniu, ale sama obróbka jest wykonywana w 3 osiach. Z kolei w „rzeczywistej”, tj. 5-osiowej obróbce symultanicznej, wszystkie 5 osi maszyny może interpolować ze sobą w dowolnym ułożeniu.
Postęp w 5-osiowej obróbce symultanicznej
Przede wszystkim trzeba zaznaczyć, że penetracja rynku, która z perspektywy obróbki 5-osiowej nadal utrzymuje się na dosyć niskim poziomie, w przyszłości prawdopodobnie znacznie zmieni się na korzyść tej technologii mimo związanych z nią wyzwań. Wykazano to również w przywołanym już wcześniej badaniu sprzed 4 lat. Ankietowani producenci narzędzi zakładali, że w przyszłości procesy 5-osiowe zwiększą swój udział w obróbce (wykończeniowej) o ponad 50%.
Oczywiście zalety frezowania trójwymiarowego można określić coraz łatwiej i są one coraz bardziej atrakcyjne dla użytkowników. Zastosowanie 5 sterowanych numerycznie osi w technologii produkcyjnej umożliwia dowolną zmianę pozycji narzędzia oraz jego krawędzi tnących w każdym czasie oraz przesuw wzdłuż zakrzywionej powierzchni z precyzyjnym zachowaniem żądanego kąta względem powierzchni przedmiotu obrabianego.
Jedną z największych zalet obróbki 5-osiowej jest możliwość produkowania skomplikowanych części i precyzyjnych komponentów zwykle tylko z jedną konfiguracją, w krótszym czasie i przy niższym koszcie. Taki stopień swobody technologii symultanicznej obróbki 5-osiowej umożliwia produkcję części praktycznie o dowolnym kształcie w ramach jednej operacji, bez zmiany uchwytu. W ten sposób można zaoszczędzić bezproduktywny czas pracy maszyny bez obciążenia i wyeliminować niedokładności związane z przenoszeniem części z jednej maszyny na inną. Narzędzie można zawsze idealnie ustawić względem przedmiotu obrabianego. To pozwala używać krótszych narzędzi i z kolei przekłada się na większą sztywność, umożliwia zwiększenie prędkości posuwu oraz przedłuża trwałość narzędzi.
Rosnące znaczenie obróbki 5-osiowej można przypisać trendowi w kierunku produkcji coraz bardziej wymagających i skomplikowanych części w bardzo małych seriach. Kolejne czynniki to między innymi coraz większy nacisk na precyzyjne wykonanie i jakość wykończenia powierzchni komponentów, a także krótszy czas realizacji i dostawy. Producentom takim jak DMG MORI zależy również na coraz powszechniejszym stosowaniu odpowiednich 5-osiowych centrów obróbczych. Producenci obrabiarek mogą polegać na coraz bardziej inteligentnych systemach sterowania, które niedługo przeniosą programowanie obróbki 5-osiowej w fabryce do pola widzenia użytkownika. Dostawcy również stale usprawniają łańcuch procesów cyfrowych od projektowania CAD/CAM do obróbki CNC. Zdaniem wielu specjalistów w pełni zautomatyzowane programowanie NC wraz z inteligentną symulacją może być wkrótce możliwe.
Maszyny do 5-osiowej obróbki symultanicznej
Kluczem do sukcesu niezmiennie jest odpowiednia obrabiarka albo właściwe centrum obróbkowe. Osie A, B i C wspomagają osie X, Y, Z, przejmując ruch obrotowy wrzeciona, obrabianej części lub stołu z uchwytem w różnych konfiguracjach, w zależności od kinematyki maszyn. Uniwersalny ruch narzędzia względem części obrabianej można uzyskać trzema podstawowymi sposobami – zgodnie z legendarną instrukcją obróbki CNC:
- umieszczając przedmiot obrabiany nieruchomo i korzystając z dwóch osi obrotowych narzędzia,
- korzystając z osi stacjonarnej narzędzia i dwóch osi obrotu przedmiotu obrabianego, np. z użyciem stołu obrotowego lub
- wykorzystując jedną oś ruchu obrotowego narzędzia i jedną oś ruchu obrotowego przedmiotu obrabianego, które są umieszczone względem siebie pod kątem 90°.
W obrabiarkach ze stołem obrotowym stół z osią A wykonuje obrót wokół wzdłużnej ścieżki przesuwu osi X, a w przypadku obrabiarek z głowicą obrotową oś B głowicy roboczej obraca się wokół osi Y, a oś C obraca się jednocześnie wokół osi Z. O tym która konfiguracja jest właściwa zawsze decyduje spektrum obrabianych przez klienta elementów.
Podsumowanie
Na koniec należy zaznaczyć, że podstawy obróbki 5-osiowej nie różnią się w przypadku frezarek i tokarek. Można jednak zadać w tym miejscu pytanie o zalety integracji procesów. To już jednak całkowicie inna historia, którą zajmiemy się w kolejnym artykule.