3-, 4- и 5-осевая обработка: когда нужны дополнительные оси

Как называются оси

Линейные оси станка обозначают X, Y и Z, а поворотные вокруг них — A, B и C соответственно. Так их называет международный стандарт ISO 841 на систему координат станков с ЧПУ. На вертикальном фрезерном станке Z идёт вдоль шпинделя, X и Y — по столу. Поворотный стол, который крутит деталь вокруг оси X, даёт ось A, наклон вокруг Y — ось B, вращение стола вокруг вертикали — ось C.

Число осей в названии станка считают по управляемым координатам. У многоосевых станков их бывает от 4 до 9: к пяти основным добавляются противошпиндели, вторые суппорты и оси подачи прутка.

3 оси: базовый вариант

На 3-осевом фрезерном станке инструмент всегда смотрит вниз, вдоль Z, и подходит к детали только сверху. Всё, что видно сверху, обрабатывается за один установ: плоскости, карманы, пазы, отверстия, 3D-поверхности без поднутрений. Бок или низ приходится обрабатывать иначе: деталь снимают, переворачивают и заново выставляют.

Для большинства деталей это нормально. Плита, крышка, кронштейн из плиты, корпус с элементами на двух сторонах обрабатываются за два установа, и 3-осевой станок остаётся самым дешёвым и простым в программировании. Проблемы начинаются, когда сторон становится четыре-пять, а точное взаимное положение отверстий на разных гранях задано на чертеже.

4-я ось: поворотный стол

Четвёртая ось на вертикальном станке — обычно поворотный стол или делительная головка, которая вращает деталь вокруг оси X (ось A). Её ставят на стол 3-осевого станка как опцию или покупают станок со встроенной осью. Число осей часто выбирают при заказе: у вертикального центра Wattsan VMC 600 в карточке указаны варианты на 3, 4 и 5 осей. Четырёхосевые станки есть и среди оборудования для дерева и мебели: у QUICK KH4A поле от 1300×2500 до 2000×4000 мм.

Работает 4-я ось двумя способами. В позиционном режиме деталь поворачивают на заданный угол, фиксируют и обрабатывают грань как на обычном 3-осевом станке. Так делают лыски и пазы вала под разными углами, шестигранники, отверстия по окружности на боковой поверхности. В непрерывном режиме поворот идёт одновременно с перемещением по X, Y, Z: так фрезеруют винтовые канавки, кулачки с профилем по окружности, гравировку на цилиндре.

В столярном производстве лестниц длинные косоуры удобнее резать на станке с полем 1,5×3 м и больше, чтобы не перекладывать заготовку, а балясины выносят на отдельный станок с токарной осью.

Горизонтальные обрабатывающие центры почти всегда имеют поворотный стол (ось B) и обрабатывают корпусные детали с четырёх сторон за один установ. Для серийных корпусов это стандарт.

5 осей: позиционно или непрерывно

Пятиосевой станок добавляет к трём линейным осям две поворотные. Благодаря им инструмент можно наклонить к детали под любым углом в пределах хода осей. Режимов работы два, и различать их нужно, потому что они сильно отличаются по цене и сложности.

Ставки из руководства сервиса Hubs — американские и усреднённые. Для наших цехов важно соотношение: позиционная 5-осевая обработка заметно дороже 3-осевой, а непрерывная дороже ещё.

Позиционная обработка 3+2

Станок поворачивает деталь в нужное положение, фиксирует поворотные оси и режет тремя линейными, как обычный 3-осевой. Программировать это почти так же просто: CAM строит траекторию в наклонной системе координат. Главный выигрыш — пять сторон детали за один установ. Отверстия на разных гранях оказываются точно связаны между собой, а вместо нескольких специальных приспособлений хватает одних тисков.

Второй выигрыш, о котором часто забывают, — короткий инструмент. Глубокую стенку на 3-осевом станке достают длинной фрезой с большим вылетом, и она вибрирует. При наклоне детали та же стенка доступна короткой жёсткой фрезой. Hubs в сравнении 3- и 5-осевой обработки пишет, что короткий инструмент снижает вибрации и прогиб, а от этого выигрывают и точность, и качество поверхности.

Непрерывная 5-осевая обработка

Здесь поворотные оси работают во время резания, и инструмент всё время держится под нужным углом к поверхности. Это единственный способ фрезеровать лопатку турбины, крыльчатку насоса или компрессора, глубокую формообразующую вставку с поднутрениями. Шаровая фреза при наклоне режет не вершиной, где скорость резания близка к нулю, а боковой частью, и поверхность получается чище.

Цена этого режима — программирование и проверка. Траекторию строят только в CAM, её обязательно проверяют в симуляции на столкновения со станком и оснасткой, а G-код выдаёт постпроцессор под конкретную кинематику станка. Стойка должна уметь пересчитывать положение кончика инструмента при повороте осей: эту функцию у разных производителей называют TCPM, RTCP или TCPC.

Компоновки 5-осевых станков

Пять осей можно распределить между столом и шпинделем по-разному. От компоновки зависит, какие детали удобно обрабатывать.

Hubs описывает две основные схемы так: у станка с трунионом вращается стол, у станка с поворотной головой наклоняется сам шпиндель. Станки на фото в начале статьи — с поворотно-наклонным столом. Это самая распространённая схема для деталей размером до нескольких сотен миллиметров.

Когда переплата за оси окупается

Если у детали главная ось вращения, сначала стоит посмотреть на токарный и токарно-фрезерный станок: это обычно дешевле, чем 5-осевая фрезеровка. Как выбрать между токарной и фрезерной обработкой, разобрано в статье «Фрезерный или токарный станок». Подробнее о многоосевых станках в подтеме «4- и 5-осевые станки».

У пятой оси есть ещё одна статья расходов, о которой мало говорят: кинематику и постпроцессор проверяют на пробной детали при пусконаладке. Перед покупкой спросите, кто проводит этот запуск и поможет ли с постпроцессором, а не только сколько стоит станок.