Czy obróbka 3-osiowa również może być wysokowydajna?
Pixabay – BeekiZwiększenie wydajności procesów obróbczych realizowane było i jest na różne sposoby. Stosuje się różne strategie obróbcze, narzędzia skrawające, oprogramowanie, a przede wszystkim coraz bardziej zaawansowane centra obróbcze. Czy jednak obróbka przy wykorzystaniu mniej zaawansowanej technologicznie maszyny 3-osiowej również może być wysokowydajna?
Obróbka wysokowydajna (high efficiency machining – HEM) to nowoczesna strategia skrawania, w której skoncentrowano się na maksymalizacji wydajności procesu poprzez optymalne wykorzystanie parametrów skrawania i pełnego potencjału narzędzi. W przeciwieństwie do obróbki szybkościowej (high speed machining – HSM) priorytetem nie jest tu sama prędkość skrawania, ale efektywność usuwania materiału przy zachowaniu stabilności procesu. Siłą rzeczy, dzięki większej uniwersalności, do obróbki wysokowydajnej bardziej nadają się obrabiarki 5-osiowe. Nie oznacza to jednak, że nie można zwiększać wydajności również przy wykorzystaniu maszyn obróbczych z 3 osiami.
Główne różnice między obróbką 3-osiową a 5-osiową
Obrabiarki 3-osiowe pracują w układzie trzech prostopadłych osi liniowych (X, Y, Z). Narzędzie skrawające porusza się wyłącznie w tych kierunkach, co ogranicza możliwości obróbki do prostych geometrii, a w przypadku bardziej skomplikowanych detali wymagane jest wielokrotne jego przestawianie.
Maszyny 5-osiowe mają dodatkowe dwie osie obrotowe (A i B), co pozwala na połączenie ruchu liniowego i obrotowego. Umożliwia to obróbkę powierzchni pod różnymi kątami i trudnych do osiągnięcia krawędzi, a także złożonych kształtów 3D bez konieczności zmiany pozycji detalu.
Podstawowa różnica między tymi dwoma rodzajami obrabiarek sprowadza się właśnie do stopnia złożoności geometrii obrabianego detalu. W przypadku maszyny 3-osiowej obróbka jest ograniczona wyłącznie do prostych form 2D/2.5D. Tym samym przy bardziej skomplikowanej obróbce niezbędna jest zmiana mocowania detalu, co dodatkowo wydłuża czas całego procesu.
Dlatego też do obróbki bardziej złożonych kształtów 3D zaleca się korzystać z obrabiarki 5-osiowej. Dzięki większej liczbie kątów i pozycji można przy jednym ustawieniu wykonać cały proces obróbki elementu. Tym samym proces ten jest znacznie krótszy. Dodatkowo zwiększa się precyzja obrabianego przedmiotu, zmniejszając ryzyko pojawienia się błędów pozycjonowania przy częstej zmianie ustawienia. W przypadku obróbki 3-osiowej wysoka precyzja jest zachowana głównie dla prostych detali.
Niewątpliwą zaletą obrabiarki 3-osiowej – poza niższym kosztem nabycia – jest również łatwiejsza obsługa, konfiguracja i programowanie. Obróbka 5-osiowa wymaga bowiem zaawansowanego oprogramowania CAM, a przy tym specjalistycznej wiedzy do generowania ścieżek narzędziowych. Maszyny 5-osiowe mają również bardziej złożoną konstrukcję, co przekłada się na wyższe koszty związane z serwisowaniem i ogólnym utrzymaniem.
Uogólniając nieco, można przyjąć, że trzyosiową obróbkę stosuje się głównie w produkcji części o stosunkowo prostych kształtach i geometrii (takich jak płyty, blachy), a także do tworzenia rowków, otworów i innych detali. Jest idealna do produkcji np. nieskomplikowanych form wtryskowych, prostych części mechanicznych czy elementów konstrukcyjnych dla branży budowlanej.
Z kolei obróbkę 5-osiową stosuje się do wytwarzania złożonych elementów o skomplikowanych kształtach, w przypadku których wymagana jest wysoka precyzja i dokładność. To m.in. różnorodne elementy dla branży lotniczej, motoryzacyjnej czy medycznej.
Pożądane wysokowydajne obrabiarki
Obrabiarki wysokowydajne wyróżniają się kilkoma cechami, które pozwalają im realizować procesy skrawania na najwyższym poziomie efektywności. Przede wszystkim wyposażone są w zaawansowane systemy napędowe, które umożliwiają pracę wrzecion z wysokimi prędkościami. Wrzeciona te często wykorzystują technologie hydrodynamiczne lub hydrostatyczne, co przekłada się na ich stabilność i precyzję.
Konstrukcja tych maszyn jest niezwykle sztywna i oparta na nowoczesnych materiałach kompozytowych, które skutecznie tłumią drgania i zapewniają stabilność termiczną podczas intensywnej pracy.
Sterowanie obrabiarkami wysokowydajnymi odbywa się za pomocą inteligentnych systemów, które przewidują ścieżkę narzędzia z dużym wyprzedzeniem. Pozwala to na płynne i optymalne prowadzenie narzędzia.
Istotnym elementem jest również efektywne zarządzanie wiórami. Jest ono realizowane przez kombinację chłodzenia pod wysokim ciśnieniem i systemów powietrzno-olejowych, które zapobiegają przegrzewaniu i zatorom.
Zastosowanie obrabiarek wysokowydajnych niesie ze sobą wiele korzyści. Przede wszystkim możliwa jest redukcja czasu obróbki – nawet o 70% w porównaniu z tradycyjnymi metodami – co znacząco zwiększa efektywność produkcji.
Dodatkowo, dzięki utrzymaniu stałej grubości wióra i optymalnemu rozkładowi obciążeń, wydłużona zostaje żywotność narzędzi, co przekłada się na niższe koszty eksploatacji. Obrabiarki wysokowydajne umożliwiają także obróbkę materiałów trudnoskrawalnych, które w tradycyjnych warunkach byłyby bardzo trudne do efektywnej obróbki.
Oczywiście trzeba pamiętać, że inwestycja w tego typu maszyny wiąże się z wysokimi kosztami – zarówno samych urządzeń, jak i specjalistycznego oprogramowania. Obrabiarki wysokowydajne są również wrażliwe na błędy mocowania narzędzi i niedokładności maszyny, które mogą negatywnie wpłynąć na stabilność i jakość obróbki.
Wysokowydajna obróbka na obrabiarce 3-osiowej
Choć centra obróbcze 5-osiowe oferują większą elastyczność i wydajność przy skomplikowanych elementach, nowoczesne maszyny 3-osiowe również mogą osiągać bardzo wysokie wskaźniki usuwania materiału i skracać czas cyklu produkcyjnego.
Obróbka wysokowydajna na maszynach 3-osiowych wyróżnia się przede wszystkim zastosowaniem zaawansowanych strategii CAM, które umożliwiają realizację cykli zgrubnych i wykańczających z wykorzystaniem trochoidalnych ścieżek narzędzia czy adaptacyjnego sterowania posuwem. Dzięki temu narzędzia są wykorzystywane efektywniej, a prędkości usuwania materiału znacząco rosną.
Ważne jest również wyposażenie w wysokowydajne wrzeciono, które umożliwia pracę z dużymi prędkościami obrotowymi. Kolejną istotną cechą jest możliwość optymalizacji parametrów skrawania, takich jak głębokość i szerokość skrawania oraz prędkość obrotowa wrzeciona. Automatyzacja i precyzyjne sterowanie CNC eliminują błędy ludzkie, zapewniając powtarzalność i stabilność procesu.
Żeby obrabiarka 3-osiowa mogła realizować obróbkę wysokowydajną, musi spełniać określone wymagania sprzętowe. Przede wszystkim powinna wyróżniać się odpowiednią sztywnością dynamiczną, która minimalizuje drgania i utrzymuje wysoką precyzję nawet przy dużych obciążeniach. Maszyna powinna być wyposażona w systemy monitorowania drgań w czasie rzeczywistym, które pozwalają na bieżąco kontrolować stabilność procesu i reagować na ewentualne zakłócenia.
Istotne są również nowoczesne systemy mocowania narzędzi (niezbędne do zapewnienia szybkiej wymiany i stabilnego osadzenia narzędzi), systemy chłodzenia (obniżają temperaturę w strefie skrawania, co również ma znaczenie dla żywotności narzędzi) i odprowadzania wiórów (niezbędne przy intensywnym skrawaniu). Zaawansowany system sterowania pozwala na płynne prowadzenie ścieżki narzędzia i szybkie przetwarzanie kodu G, co przekłada się na stabilność i powtarzalność procesu.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Na wydajność procesu obróbki wysokowydajnej wpływa nie tylko sama maszyna, ale także zastosowanie odpowiednich strategii i technologii wspomagających. Przykładem jest wspomniana już strategia trochoidalna, która zmniejsza obciążenie narzędzi poprzez prowadzenie ich po spiralnych ścieżkach skrawania. Pozwala to na utrzymanie wysokich prędkości i posuwów przy niższym ryzyku uszkodzenia narzędzia. Adaptacyjne sterowanie posuwem automatycznie koryguje parametry obróbki na podstawie pomiarów sił skrawania.
Wysokowydajna obróbka na obrabiarkach 3-osiowych niesie ze sobą wiele korzyści. Przede wszystkim jest to rozwiązanie bardziej przystępne cenowo w porównaniu z maszynami 5-osiowymi, co czyni je atrakcyjnym wyborem zwłaszcza dla małych i średnich przedsiębiorstw.
Ponadto prostsza obsługa i szybsza konfiguracja sprawiają, że wdrożenie produkcji jest mniej czasochłonne, a wymagania dotyczące konserwacji są niższe. Maszyny 3-osiowe cechuje też wszechstronność – mogą obrabiać różnorodne materiały i szeroki zakres części, o ile dostęp do ich powierzchni jest możliwy z jednej strony.
Czym przede wszystkim charakteryzują się maszyny do obróbki wysokowydajnej?
Temat obróbek wysokowydajnych należy, przy doborze odpowiedniej obrabiarki, zawsze podzielić na dwa scenariusze – obróbkę wysokowydajną seryjną i wysokowydajną jednostkową.
W pierwszej sytuacji kluczowe okazują się zwykle parametry odpowiedzialne za redukcję czasu bez skrawania. Ich redukcje zapewniamy m.in. dzięki szybkim dobiegom, wysokiej dynamice czy też szybkim zmianom narzędzia, w co idealnie wpisuje się np. obrabiarka Haas DM oraz seria HX firmy Kitamura.
Nie bez znaczenia jest też ograniczenie przestojów wynikających ze zmiany przedmiotów obrabianych – tutaj w grę wchodzi cała gama automatyzacji Haas, która obejmuje roboty, coboty, zmieniacze palet i systemy automatycznego załadunku APL.
W przypadku obróbek jednostkowych stawiamy na czasowy wydatek usuwania materiału. Wtedy królują obrabiarki o sztywnym, mocnym wrzecionie i dużej mocy – takie jak np. bardzo popularna Haas VF-3yt, która dzięki dwustopniowej przekładni i napędzie 22,4 kW pozwala na osiągnięcie do 460 Nm i pracę bardzo dużymi narzędziami, w tym głowicami jeżowymi.
Co, poza samą maszyną obróbczą, może przyczyniać się do zwiększenia wydajności procesów obróbczych?
Tak jak najlepszy samochód bez opon nie zajedzie daleko, tak najlepsza obrabiarka bez oprzyrządowania jest tylko bardzo drogim meblem. Żeby uzyskać oczekiwaną wydajność, stabilność procesu (co zmniejsza przestoje i czasy pozamaszynowe) oraz wykorzystać najnowsze technologie, kluczowe jest skorzystanie z narzędzi najwyższej jakości, w tym japońskich produktów Kyocera. Połączmy to ze sztywnymi oprawkami z katalogu Groth i mamy receptę na sukces.
Od strony montażu przedmiotu istotne jest korzystanie z systemów szybkowymiennych, takich jak Gerardi Quick Change i Zero Point, które pozwalają w ciągu sekund wymienić przedmiot obrabiany i kontynuować pracę.
Jakub Szyndlar
technolog ds. rozwoju klienta
Abplanalp
Obróbka wysokowydajna na 3 osiach ma jednak swoje ograniczenia. Przede wszystkim dostęp do powierzchni jest ograniczony do jednej strony, co w przypadku bardziej złożonych geometrii wymaga wielokrotnego przestawiania detalu i przezbrajania maszyny.
Ponadto brak możliwości jednoczesnej obróbki wielu płaszczyzn ogranicza efektywność przy skomplikowanych kształtach przestrzennych. W takich sytuacjach może pojawić się ryzyko drgań narzędzia, zwłaszcza przy głębokich wnękach, co negatywnie wpływa na jakość powierzchni i może wymagać dodatkowych operacji wykańczających.
W praktyce wysokowydajna obróbka 3-osiowa znajduje zastosowanie m.in. w produkcji form i matryc, gdzie cykle zgrubne, półwykańczające i wykańczające mogą być realizowane nawet na złożonych powierzchniach 3D, pod warunkiem odpowiedniego zaprogramowania ścieżek narzędzia. Również w produkcji elementów maszyn i prototypów – gdzie większość powierzchni jest łatwo dostępna z góry lub z boku – 3-osiowa obróbka wysokowydajna sprawdza się znakomicie.
Jeśli chodzi o porównanie wydajności obróbki 3-osiowej i 5-osiowej, to w przypadku prostych lub umiarkowanie złożonych detali maszyny 3-osiowe mogą osiągać bardzo dobre wyniki – szczególnie gdy wykorzystuje się nowoczesne strategie CAM i odpowiednio dobrane narzędzia.
Przy bardziej skomplikowanych elementach, które wymagają obróbki wielu płaszczyzn pod różnymi kątami, centra 5-osiowe pozostają jednak bezkonkurencyjne. Pozwalają one na eliminację konieczności częstego przestawiania detalu i umożliwiają jednoczesną obróbkę wielu powierzchni, co znacznie skraca czas cyklu i podnosi efektywność produkcji.
Wysokowydajna obróbka na obrabiarkach 3-osiowych to realna i opłacalna opcja dla wielu zastosowań przemysłowych, zwłaszcza gdy geometria detalu nie wymaga wielokrotnego przezbrajania. Odpowiedni dobór narzędzi, strategii programowania i parametrów skrawania pozwala na osiągnięcie imponujących efektów wydajnościowych. Niemniej jednak, w przypadku bardzo złożonych części, które wymagają obróbki wieloosiowej, rozwiązania 5-osiowe oferują większą elastyczność i krótszy czas realizacji.
O Autorze
