Тенденции при 5-осната обработка

5-осната механична обработка се основава на използването на цифрово програмно управление (ЦПУ) за едновременно преместване на режещи инструменти или детайли по пет оси. Режещият инструмент се движи по всяка ос така, че върхът му винаги да е перпендикулярен на детайла. Този процес позволява обработката на различни изделия със сложни форми.

Както е известно, при работата с конвенционални 3-осни машини инструментите се преместват по осите X и Y в хоризонтално направление, а по оста Z се извършва движение нагоре и надолу.

При 5-осната обработка са налице две допълнителни оси и множество нови възможности – режещият инструмент може да подходи към детайла от всички посоки, което създава условия за спомагателни дейности като подрязване. Иначе такава операция би била възможна само при машини с долна ос и при препозициониране на детайла. То не само отнема време, но често води и до грешки при обработката, които се свеждат до минимум при използването на 5-осна машина с ЦПУ.

Автомобилната и отбранителната промишленост, енергетиката, аерокосмическата и авиационната индустрия са сред ключовите отрасли, в които 5-осната механична обработка на изделия намира все по-широко приложение. Търсенето на по-прецизни детайли в медицинската индустрия поставя и този сектор сред пазарите с висок потенциал за развитие. Сериозна тенденция на преход от конвенционална към 5-осна обработка се наблюдава и в потребителската електроника, където са налице нарастващи изисквания за високо качество на повърхностите.

С високопроизводителна или високоскоростна 5-осна обработка могат да бъдат изработени сложни геометрии бързо, точно и с една настройка. Подобрената ефективност се дължи на възможностите за премахване на възможно най-много материал за най-кратък период от време. Високата скорост на обработка предполага по-високи темпове на подаване, ускорение и забавяне.

Предимства на 5-осната обработка с ЦПУ

Списъкът на предимствата, които 5-осната обработка с ЦПУ предлага в сравнение с традиционното 3-осно металорязане, е дълъг. Като най-полезни за производствените предприятия в практиката се доказват следните възможности:

Еднократна настройка – 3-осните машини изискват множество настройки, което може да доведе до неправилно базиране, по-високи разходи и други негативни ефекти. С 5-осната обработка е възможно изработването на сложни форми с една настройка, което подобрява ефективността, спестява време, намалява разходите и предотвратява грешките.

По-къси режещи инструменти – 5-осната обработка позволява използването на по-къси режещи инструменти, тъй като главата може да бъде спусната, а резецът – ориентиран по подходящ начин. Това помага да се постигнат по-високи скорости на рязане, без да се оказва прекалено голям натиск върху режещия ръб. По-късите режещи инструменти също така намаляват вибрациите, които могат да причинят пукнатини и неравности. В резултат се получава по-добро качество на повърхността.

Сложни детайли – този процес прави възможна изработката на сложни детайли, които иначе биха изисквали методи като леене. При производство на малки партиди или прототипни продукти изделията могат да бъдат изработени веднага, вместо първо да се правят матрици за отливки.

Увеличен живот на инструмента – с поддържането на постоянно стружкоотделяне и оптимална позиция на рязане при 5-осната обработка се съкращава производственият цикъл, като същевременно се удължава жизненият цикъл на инструмента.

Пробиване на отвори – 5-осната обработка осигурява възможности за пробиване на серии от отвори под различни сложни ъгли за минимум време. При използването на 3-осна машина е необходима различна настройка за всеки отвор.

Предотвратяване на сблъсък – възможностите за накланяне на работния плот или режещия инструмент при 5-осна обработка позволяват ефективно избягване на сблъсъци с държача на инструмента.

Допълнителни ползи

Често срещано, но погрешно схващане за 5-осната обработка е, че тя е ефективна само за производството на комплексни детайли, изискващи специална обработка. Въпреки че последното е факт, а ползата от допълнителните оси в подобни приложения е очевидна, тя не се проявява единствено при сложните изделия. Експертна статистика показва, че повече от 60% от детайлите, изработвани в съвременните цехове с ЦПУ оборудване, изискват обработка от пет страни. Въпреки че машините с 3 оси могат да се окажат достатъчни за изпълнение на производствените задачи, 5-осната обработка осигурява възможности за тяхното по-бързо и по-ефективно реализиране.

За разлика от обработката по 3 оси, в 5-осните конфигурации режещият инструмент остава винаги тангенциален спрямо обработващата повърхност. При всяко подаване на инструмента се премахва повече материал, а изискването за по-малко на брой настройки води до икономия на време и разходи.

Допълнително предимство, свързано с възможностите за финишна обработка с по-високо качество на повърхностите, е, че допълнителните оси спестяват време. При обработка с 3-осна машина са необходими по-дълги времена на подвеждане, тъй като се изискват много малки подавания, за да се постигне качество на повърхността, като това при 5-осната обработка.

За изработка на голяма част от детайлите се налага движение по всичките 5 оси. Допълнителните движения позволяват обработка на дъги и ъгли, които биха могли да бъдат обработени на друга машинна конфигурация само с допълнителни настройки и специални приспособления, включително лесно подрязване. Това е едно от най-широко признатите предимства, свързани с тази усъвършенствана технология.

5-осната обработка подобрява и точността на работа вследствие на възможностите за по-малък брой настройки, които драстично намаляват риска от грешки. Някои задачи могат да се извършват дори с една-единствена настройка.

По-късите режещи инструменти създават предпоставки за по-дълъг живот на инструмента. 5-осните машини позволяват главата на машината да бъде по-близо до повърхността на режещия ръб. Това прави възможно използването на по-висока скорост на рязане, което в крайна сметка води до удължен жизнен цикъл на инструмента, тъй като вибрациите са редуцирани.

Видове 5-осни машини

Съществуват редица приложения, при които 5-осните машини пестят време и оптимизират производствения процес. Важно уточнение обаче е, че няма универсална конфигурация, подходяща за всички технологични задачи. За да отговорят на нуждите на съвременната металообработка, производителите на 5-осни машини ги предлагат в няколко варианта. Най-отличителната разлика при отделните модели на оборудването от този тип е организацията на въртящите се оси. За улеснение достъпните на пазара конфигурации могат да бъдат подразделени условно в три категории: “глава-глава”, “маса-глава” и “маса-маса”.

При 5-осните машини с конфигурация “глава-глава” (както подсказва и условното им наименование) и двете въртящи се оси на машината са разположени в главата. Конструкцията на тези машини включва глава с възможности за движение по 5 оси върху портал, който се движи над неподвижна маса, на която е закрепен детайлът. Това позволява на главата на практика да обикаля изделието, което прави конфигурацията идеална за производството на големи детайли. Поради своя дизайн тези машини обикновено имат ограничен ход както на наклона, така и на въртящите се оси.

При 5-осните машини от типа “маса-глава” едната въртяща се ос е разположена в масата, докато другата е разположена в главата. Накланящата се ос, позиционирана в главата, има ограничен обхват, докато въртящата се ос в масата обикновено има възможност за неограничени движения. Тъй като детайлът е закрепен на въртящата се ос, при тази конструкция е налице лимит при размера на компонентите, които могат да бъдат обработени. Предимство на конфигурацията пред моделите от типа “глава-глава” е възможността за непрекъснато въртене на детайла.

5-осните машини с конфигурация “маса-маса” разполагат с две въртящи се оси, позиционирани в масата. Подобно на конструкциите от типа “маса-глава”, те обикновено имат ограничен обхват на оста на накланяне и неограничен обхват на въртящата се ос. От трите изброени варианта този типично се характеризира с най-малко работно пространство. В замяна на това някои машини тип “маса-маса”са оборудвани с линейни двигатели, което ги прави изключително бързи.

Интересно е сравнението между 5-осната обработка и тази по 3+2 оси. Макар на пръв поглед да изглеждат сходни, между двете производствени методологии има съществени разлики. Т. нар. 3+2-осна технология (често наричана 5-осна индексирана обработка) изисква спиране и повторно стартиране на рязането, докато 5-осната обработка е непрекъсната. Тя се явява усъвършенстван, опростен и по-бърз начин за постигане на същите или по-добри резултати.

Аналогични методи

Редно е да се посочат ключовите разлики между двата гореспоменати метода за металорязане. При едновременна обработка по пет оси всички те работят едновременно. При обработката по 3+2 оси обикновено се изпълнява програма за 3-осно фрезоване, докато режещият инструмент остава статичен по 4-ата и 5-ата ос. Поради тази причина “3+2” технологията понякога се нарича и позиционна 5-осна обработка.

Пълноценното 5-осно рязане предлага предимства, които методът “3+2” не успява да осигури, като по-краткото време на изпълнение и повишената точност са само няколко от множеството примери. 5-осната обработка осигурява значително разширени възможности, които я правят все по-приложима във високотехнологични отрасли като аерокосмическата индустрия и отбраната. Основен аргумент в полза на 3+2-осните машини е, че някои конкретни детайли (предвид дизайна им) е по-ефективно да бъдат изработени на такава машина, отколкото на 5-осна. Изборът на метод до голяма степен се определя от вида на самия детайл, който се произвежда. Сред водещите предимства на 3+2-осната обработка е, че не е необходима толкова голяма начална инвестиция, колкото за закупуването на 5-осна машина. Ето защо предприятията понякога използват този тип оборудване като междинен стадий при прехода между 3-осна и 5-осна обработка. Тъй като 5-осните машини на пазара стават все по-компактни и достъпни обаче, тази практика вече не е толкова честа.

При избора между 3D печат или 5-осна обработка втората технология е категоричен победител в приложения, при които качеството и ефективността са приоритет. Основната разлика между двата метода се корени във факта, че 5-осната обработка се състои в отстраняване на материал, докато триизмерното принтиране е адитивен процес. Тези два съвременни подхода са водещи в различни производства, но е възможно да се изпълняват и като допълващи се технологии. За изработката на сложни детайли, компоненти от различни материали и работа с големи натоварвания 5-осните машини са по-доброто практическо решение. 3D печатът се доказва като по-подходящ метод за изработката само на определени детайли със специфични характеристики.

Иновации при обработващите центри

Модерните 5-осни обработващи центри се отличават с множество иновативни технологии, които допълнително повишават ефективността и производителността им в сравнение с конвенционалните машини за 3-осно металорязане.

Възможностите за управление посредством сензорен екран отдавна не са присъщи само на смартфоните и таблетите. Производителите на обработващи центри с ЦПУ все по-масово интегрират такава функционалност в машините си, за да улеснят и ускорят програмирането им, правейки го по-удобно и интуитивно. Сензорният екран позволява на оператора да навигира през дълги списъци, програми, таблици и друго съдържание чрез т. нар. скролване или кинетично превъртане.

Модерните обработващи центри за 5-осни операции осигуряват и възможности за улеснено програмиране на сложни форми. Водещите производители на централни програмни управления продължават да интегрират в продуктите си функции, които оптимизират програмирането на контури или отвори на наклонени повърхности например и го правят достъпно и за по-малко опитни оператори.

Интелигентните възможности за обработка на 5-осните системи позволяват на машините лесно и ефективно да подават данни към корпоративни платформи за ресурсно планиране или цялостно управление на производството, към програми за мониторинг и др. Безпрецедентните видимост и прозрачност и функциите за анализ, които тези технологии осигуряват, са ключови фактори за повишаване на конкурентоспособността и рентабилността на предприятията, които инвестират във внедряването им.

Свързаните възможности за обработка включват функции за: отдалечен мониторинг; управление на инструментите; пакетна обработка и планиране; машинен мониторинг (с графика на състоянието на машината в реално време, предупреждения за предстоящи и настъпили отклонения в работните параметри и други неизправности и т. н.); контрол на качеството; събиране и анализ на данни; ERP интеграция; възможности за сърфиране в интернет и др.

В допълнение към тези интелигентни функции подобряването на скоростта на обработка е друга водеща стратегия за повишаване конкурентоспособността на предприятията. Техниките за високоскоростно рязане (HSC) на 5-осни обработващи центри са сред технологиите с голям потенциал да навлязат в производствените практики на все по-широк кръг от отрасли. На практика увеличение на скоростта може да бъде постигнато сравнително лесно, но поддържането на висока прецизност и качество на обработка при такава скорост в условия на съкратени производствени цикли изисква усъвършенствани технологии при инструментите и най-високо ниво на управление с ЦПУ.

Все по-сложните геометрии и трудните за обработка материали продължават да създават предизвикателства при механичната обработка, включително и при 5-осните системи. С всяка изминала година обаче производителите на машини, инструменти и софтуер разработват все повече решения, които да помогнат за ефективно преодоляване на тези предизвикателства. Трохоидалното фрезоване е пример за това. Тази техника използва постоянно кръгово интерполирано движение за по-ефикасно отстраняване на материал в гребените и на повърхността на детайла. Трохоидалното фрезоване спомага за намаляване на износването на машините и инструментите.

Усъвършенствани функции на 5-осните машини

ЦПУ устройствата от най-ново поколение имат богат асортимент от функции, които правят 5-осните машини все по-лесни за настройка и експлоатация. Кинематиката и математическите изчисления при 5-осната обработка могат да бъдат изключително сложни. Високотехнологичното програмно управление на оборудването разполага с достатъчно възможности да обработи и най-сложните приложения, така че да е възможно автоматизираното им изпълнение без нужда от ръчно въвеждане на команди от страна на опитен машинен инженер или програмист.

Функциите за управление на централната точка на инструмента например контролират движението на всяка ос чрез автоматично добавяне на компенсация на дължината на инструмента към програмата на инструменталния път. Тези функции също така управляват скоростта на подаване на всяка ос, така че централната точка на инструмента да се движи по протежение на детайла с определената скорост на подаване. С тази инструментална опция не се налага да се взимат предвид центровете на ротация при програмиране на детайла.

Функцията за динамично отклонение на фиксирането е задължителна за 3+2-осната обработка. Тя позволява изчисляване на всички останали работни координати от ЦПУ при въвеждането само на една-единствена стойност. В резултат е налице опростена програма за изработка на детайла.

С по-голямата свобода на движение на инструмента и детайла при 5-осната обработка непреднамерените сблъсъци на инструмента или държача с други части от детайла или елементи на приспособлението е основателна грижа. Функциите за предотвратяване на сблъсъци помагат да се елиминират грешките от уравнението, които допускат сблъсъка, като се интегрират възможности за 3D симулиране на машината, материала и инструмента с цел създаване на виртуален модел на процеса. С тези данни симулацията на процеса в реално време може да се стартира секунди преди реалното рязане. Всякакви възможни проблеми могат да бъдат открити достатъчно рано, а машината автоматично да спре преди реалното настъпване на сблъсък.

Понякога данните за повърхността на детайла от CAD модела не са непрекъснати и когато се внесат в CAM платформата, тези прекъсвания на геометрията могат да създадат нежелани резки ъглови движения в пътя на инструмента. Контролът на стойката на инструмента автоматично компенсира това състояние, което води до по-кратки времена на цикъл, подобрено качество на повърхността и опростено програмиране. Тази функция улеснява работата както на програмистите, така и на операторите, тъй като може да се прилага изцяло във фонов режим на управление.