Was ist 5-Achsen-Bearbeitung?
Moderne Werkzeugmaschinen können mehrere Achsen aufweisen, aber in der Regel werden zu jedem beliebigen Zeitpunkt nur fünf Achsen für die eigentliche Zerspanung genutzt.
Die so genannte uneingeschränkte 5-Achsen-Bearbeitung oder 5-Achsen-Simultanbearbeitung funktioniert mit einer Kombination aus drei Linear- und zwei Drehachsen, die simultan so bewegt werden, dass komplexe Bearbeitungsflächen interpoliert werden.
Nicht alle 5-Achsen-Arbeiten erfordern die Simultaninterpolation aller fünf Achsen. Einige Maschinen wie die Maschinen der Mazak-Serie VARIAXIS j bieten Achsenkombinationen wie z.B. ‘4+1’ oder ‘3+2, bei denen die Mehrachsen-Funktionalität genutzt werden kann, ohne dass die Achsen voll simultan gesteuert werden müssen.
Dabei werden die beiden Drehachsen für die Neigung des Werkstücks in verschiedene Positionen und für 3-achsige Frässtrategien entsprechend miteinander kombiniert. Bei diesem Vorgang, der auch als 5-seitige Stellachsenbearbeitung bezeichnet wird, wird das Schneidwerkzeug also mithilfe der vierten und fünften Achse in einer bestimmten Ausrichtung vorpositioniert und nicht während des Bearbeitungsvorgangs fortwährend neu ausgerichtet.
Welche Einsatzbereiche bieten sich für die 5-Achsen-Bearbeitung an?
5 Achsen ermöglichen die Bearbeitung äußerst komplexer Teile. Das ist auch der Grund, warum das Verfahren vor allem in der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie – hier insbesondere im Motorsport – im Formenbau und in der Medizintechnik zum Einsatz kommt. Die Teile, die sich mit diesem Verfahren fertigen lassen, sind äußerst vielfältig und können von Gelenkprothesen für die Medizintechnik bis hin zu großen Konstruktionselementen für Flugzeuge reichen. Für letztere werden eigens große Maschinen wie die Mazak VHP 160XL konzipiert, die sich ideal zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung großer Aluminiumteile eignen.
Welches sind die größten Vorteile der 5-Achsen-Bearbeitung?
Die uneingeschränkte 5-Achsen-Bearbeitung oder auch 5-Achsen-Simultanbearbeitung bietet den Nutzern eine ganze Reihe an Vorzügen. Zunächst einmal ermöglichen die fünf Achsen die Bearbeitung hochkomplexer Konturen in einer einzigen Aufspannung, was für eine Verkürzung der Bearbeitungs- und Durchlaufzeiten und damit für ein Höchstmaß an Produktivität sorgt. Zugleich wird nur ein einziges CNC-Programm benötigt. Das ist es, was wir als DONE-IN-ONE-Bearbeitung bezeichnen.
Zum anderen bedeutet 5-Achsen-Bearbeitung geringerer Zeit- und Kostenaufwand für die Vorbereitung von Spannvorrichtungen und damit mehr effektive Bearbeitungszeit. Die Nutzer von 5-Achsen-Technik profitieren somit von einer schnelleren Rendite und einer höheren Rentabilität.
Nicht zuletzt erbringt die 5-Achsen-Bearbeitung aber einer höhere Teilegenauigkeit, weil das Werkstück bis zur Fertigbearbeitung nicht mehrere Arbeitsstationen durchlaufen muss und jedes Umspannen schließlich zulasten der Bearbeitungsgenauigkeit gehen würde. So lässt sich beispielsweise ein Ventilblock problemlos an fünf Seiten bearbeiten, und das bei verkürzter Durchlaufzeit und gleichzeitig höherer Teilegenauigkeit.
Wie schwierig ist die Umstellung von der 3-Achsen- auf die 5-Achsen-Bearbeitung?
Der Wechsel von einfacheren Dreh- und Fräsarbeiten zur uneingeschränkten 5-Achsen-Bearbeitung stellt eine enorme Herausforderung dar. Aber für all jene, die sich von herkömmlichen Verfahren lösen, ihre Fertigung auf die nächste Stufe heben und sich neue Märkte wie die Luft- und Raumfahrttechnik erschließen möchten, bieten sich enorme Vorteile
Eine nicht unerhebliche Rolle spielt der Aufbau der Maschine. Die Maschinennutzer sollten bereits bei der Spezifizierung der gewünschten Maschinenausstattung die besonderen Anforderungen im Auge haben. So kann z.B. die Werkstückdurchbiegung unter Zerspanungslast bei der 5-Achsen-Bearbeitung zum Problem werden. Vor diesem Hintergrund hat Mazak seine verstärkte Zapfenlagerung entwickelt, mit denen die Maschinen der Serien VARIAXIS i und j ausgestattet sind. Zudem sind viele Mazak-Maschinen mit einer ganzen Reihe an intelligenten Funktionen wie dem Intelligent Thermal Shield ausgerüstet. Diese Wärmeabschirmungsfunktion dient zum Schutz gegen Wärmeversatz bei der 5-Achsen-Zerspanung und garantiert damit hohe Genauigkeit.Similarly, many Mazak machines are equipped with a number of intelligent functions, such as Intelligent Thermal Shield, which ensures accuracy against thermal drift during the 5-axis machining process.
Die große Herausforderung für Maschinenanwender, die sich erstmals an die 5-Achsen-Zerspanung heranwagen, besteht in der Regel in der hohen Komplexität der Programme. Da das Werkzeug gleichzeitig in verschiedenen Richtungen bewegt wird, sind die Werkzeugbahnstrategien natürlich deutlich aufwendiger. Das Einbinden von 5 Achsen ist also mit hoher Komplexität verbunden – das heißt, es ist nicht damit getan, seine 3-Achsen-Drehmaschine einfach auszutauschen. Mit der richtigen Unterstützung lassen sich aber schon bald Produktivitätssteigerungen erzielen, die alle Mühen mehr als wett machen.
Wie schwierig ist die 5-Achsen-Bearbeitung?
Die 5-Achsen-Programmierung fordert den meisten Werkstätten in Bezug auf ihre Fähigkeiten einiges ab. Schließlich geht es nicht mehr darum, herkömmliche 2D-Zeichnungen im Programme umzusetzen, sondern mittels CAD/CAM-Software erstellte Solidmodelle zu digitalisieren und hierfür völlig neue Zerspanungswerkzeuge und Zerspanungsstrategien wie trochoidale Werkzeugbahnen einzusetzen.
Die Möglichkeiten der CNC-Steuerung spielen bei der Einbindung von 5 Achsen in die Bearbeitungsprozesse eine ganz wesentliche Rolle. So nimmt beispielsweise die SmoothX – Mazaks CNC-Steuerung speziell für die 5-Achsen-Technik – mit ihrer Vielzahl an innovativen Programmierfunktionen dem Programmierer einiges an Arbeit ab.
Die SmoothX beinhaltet Funktionen wie z.B. '3D Assist' für die 3+2-Stellachsenbearbeitung. Hierüber können 3D CAD-Modelle direkt in die CNC-Steuerung importiert und zu einem MAZATROL-Programm digitalisiert werden. Die Programmierzeiten sind damit erheblich kürzer und Handeingabefehler werden vermieden. Weitere zukunftsweisende Merkmale sind die 'Quick EIA'-Schnittstelle mit einer Funktion zur Schnellanzeige der aus CAD/CAM-Systemen importierten Werkzeugbahnen und die VIEW SURF-Analysefunktion zum Ausfindigmachen von Werkzeugbahnfehlern im Programm, die zu Oberflächenfehlern führen könnten.
SmoothX verfügt zudem über MAZA-CHECK, eine kombinierte Kalibrier- und Maschinenzustandskontrollfunktion, die in Verbindung mit einem Messtaster für gleichbleibend hohe Genauigkeit der 5-Achsen-Maschine sorgt. Dabei erfolgt eine kontinuierliche Überwachung auf geometrische Abweichungen des Maschinendrehpunkts, die ggf. automatisch ausgeglichen werden.
Wie einfach lässt sich die 5 Achsen-Bearbeitung automatisieren?
Zwar ist Automatisierung bei der 5-Achsen-Arbeit kein Muss, aber sie bietet doch große Vorteile in Sachen Effizienz. Profitieren können davon insbesondere solche Maschinenanwender, die auf HMLV-Fertigung, also die Fertigung unterschiedlichster Teile in kleinen Losgrößen setzen und unnötige Nebenzeiten durch wiederholte Rüstvorgänge vermeiden möchten. Für sie bietet sich beispielsweise die VARIAXIS i-300 AWC an. Es handelt sich hierbei um ein kompaktes Bearbeitungszentrum für die 5-Achsen-Simultanbearbeitung mit automatischem Werkstückwechsler (AWC) und großem, nachträglich noch erweiterbarem Werkzeugmagazin. Sämtliche Funktionen lassen sich über die SmoothX CNC-Steuerung steuern und programmieren.
Unter dem Strich wird die Aufnahme der 5-Achsen-Bearbeitung in das Werkstatt-Portfolio einiges an Unterstützung und technischem Support für die Anwendungstechniker erfordern. Wir bei Mazak sind dafür bekannt, dass wir unsere Kunden in beispielhafter Weise unterstützen, und dies eben auch in scheinbar hoffnungslosen Fällen Für ambitionierte Maschinenanwender, die ihre Möglichkeiten erweitern und neue Märkte erobern möchten, wird der Wechsel zur 5-Achsen-Zerspanung ganz ohne Zweifel Riesenfortschritte in puncto Fertigungskapazität mit sich bringen.