3+2-positional Fünf-Achsen-Bearbeitung: Grundlagen, Parameter und Grenzen

Was ist dieser Prozess?

Die 3+2-positional Fünf-Achsen-Bearbeitung (kurz: 3+2-Bearbeitung) ist ein Verfahren der CNC-Bearbeitung, bei dem zwei zusätzliche Drehachsen (üblicherweise A- und B-Achse für die Rotation um die X- und Y-Achse oder C- und A-Achse für die Rotation um Z und X) zunächst in eine festgelegte Position gebracht werden, bevor die eigentliche Bearbeitung mit den drei linearen Achsen (X, Y, Z) erfolgt. Anders als bei der kontinuierlichen Fünf-Achsen-Bearbeitung, bei der alle fünf Achsen gleichzeitig während des Schnitts bewegt werden, bleibt die Ausrichtung der Drehachsen während der Bearbeitung eines Werkstückabschnitts konstant.

Für die 3+2-Bearbeitung werden spezielle Bearbeitungszentren benötigt, die über die erforderlichen Drehachsen verfügen. Beispiele aus dem Gree CNC-Portfolio sind das GA-FA320 (5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit Φ320 mm Rundtisch) und das GA-UHD500 (hochpräzises 5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit 500×500 mm Tisch und 800 kg maximaler Tischbelastung).

Die zentralen Eigenschaften, die diesen Prozess für viele Anwendungen attraktiv machen, sind:

1. Indizierte Bearbeitung: Die Werkstückausrichtung wird in festen Schritten (Indizes) angepasst, um mehrere Seiten des Werkstücks in einer einzigen Aufspannung zu bearbeiten.
2. Kürzere Werkzeuge: Durch die geneigte Ausrichtung von Werkstück oder Spindel kann der Werkzeugüberhang reduziert werden, was die Steifigkeit der Bearbeitung verbessert.
3. Steife Aufspannungen: Da die Drehachsen während des Schnitts nicht bewegt werden, können sie mit höheren Spannkräften fixiert werden als bei kontinuierlicher Fünf-Achsen-Bearbeitung.
4. Einfachere Programmierung: Die Bearbeitung jedes Werkstückabschnitts erfolgt wie eine herkömmliche 3-Achsen-Bearbeitung, sodass keine komplexen kontinuierlichen Fünf-Achsen-Programme erstellt werden müssen.

Wie verhält sich der Prozess unter dem Werkzeug?

Die 3+2-Bearbeitung kombiniert die Eigenschaften von 3-Achsen-Bearbeitung mit den Vorteilen der geneigten Ausrichtung. Ihr Verhalten unter dem Werkzeug lässt sich anhand von vier Kernfaktoren beschreiben:

Schnittkräfte

Während der eigentlichen Bearbeitung eines Abschnitts sind die Schnittkräfte vergleichbar mit denen einer 3-Achsen-Bearbeitung, da die Drehachsen fixiert sind. Der Unterschied liegt in der Ausrichtung der Kräfte relativ zum Werkstück und der Aufspannung: Bei einer geneigten Ausrichtung können Kräfte, die bei 3-Achsen-Bearbeitung zu Verformungen führen würden, günstiger auf die Aufspannung übertragen werden. Beispielsweise kann eine schräge Ausrichtung dazu führen, dass Zugkräfte statt Druckkräfte auf dünne Werkstückwände wirken, was Verformungen reduziert.

Die Höhe der Schnittkräfte hängt zudem von der Werkzeuglänge ab: Kürzere Werkzeuge (ein zentraler Vorteil der 3+2-Bearbeitung) haben eine höhere Steifigkeit, sodass sie höhere Kräfte übertragen können, ohne zu schwingen.

Wärmeentwicklung

Die Wärmeentwicklung während der 3+2-Bearbeitung entspricht im Wesentlichen der von 3-Achsen-Bearbeitung bei vergleichbaren Schnittparametern. Ein wichtiger Unterschied ergibt sich jedoch aus der Zugänglichkeit der Schnittstelle: Durch die geneigte Ausrichtung kann Kühlmittel besser in den Schnittbereich gelangen, was die Wärmeabfuhr verbessert. Dies reduziert die Wärmebelastung von Werkzeug und Werkstück und verringert das Risiko von thermischen Verformungen.

Spanbildung

Die Spanbildung hängt von der Ausrichtung des Werkzeugs relativ zur Werkstückgeometrie ab. Bei einer optimalen Ausrichtung kann der Spanwinkel des Werkzeugs besser an die Werkstückgeometrie angepasst werden, was zu gleichmäßigeren Spanbildung und geringeren Schnittkräften führt. Beispielsweise kann bei der Bearbeitung von Freiformflächen eine geneigte Ausrichtung verhindern, dass das Werkzeug mit dem Werkstück kollidiert und gleichzeitig einen günstigen Spanwinkel beibehält.

Werkzeugverschleiß

Der Werkzeugverschleiß bei der 3+2-Bearbeitung wird hauptsächlich durch zwei Faktoren beeinflusst:

1. Steifigkeit des Werkzeugs: Kürzere Werkzeuge haben eine höhere Steifigkeit, sodass sie weniger schwingen. Schwingungen führen zu unregelmäßigen Schnittkräften und beschleunigen den Verschleiß, sodass kürzere Werkzeuge in der Regel eine längere Lebensdauer haben.
2. Ausrichtung des Werkzeugs: Eine geneigte Ausrichtung kann den Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück verändern. Beispielsweise kann bei der Bearbeitung von harten Materialien eine geringere Schnitttiefe pro Zahn möglich sein, wenn die Ausrichtung nicht optimal gewählt wird, was den Verschleiß erhöht.

Praktische Parameter

Die Wahl der Parameter hängt von der Werkstückgeometrie, dem Material und dem verwendeten Bearbeitungszentrum ab. Im Folgenden werden typische Bereiche und die zugrundeliegenden Abwägungen erläutert:

Spindeldrehzahl (n)

Die Spindeldrehzahl wird hauptsächlich durch die zulässige Schnittgeschwindigkeit (vc) des Werkstückmaterials und den Werkzeugdurchmesser (d) bestimmt (Formel: n = (1000 × vc) / (π × d)).

Typische Bereiche:

• Für weiche Materialien (Aluminium, Kunststoffe): 10.000 bis 30.000 U/min
• Für mittlere Materialien (Stahl, Edelstahl): 5.000 bis 15.000 U/min
• Für harte Materialien (Gusseisen, gehärteter Stahl): 2.000 bis 8.000 U/min

Abwägungen:

• Höhere Drehzahlen reduzieren die Schnittkräfte und verbessern die Oberflächenqualität, erfordern aber eine ausreichende Spindelsteifigkeit. Beispielsweise eignet sich das GA-DV750 (vertikales Bearbeitungszentrum mit Hochgeschwindigkeits-Elektrospindel und 30.000 U/min maximaler Drehzahl) ideal für die Bearbeitung von Aluminium mit hohen Drehzahlen.
• Niedrigere Drehzahlen ermöglichen höhere Drehmomente, was für die Bearbeitung von harten Materialien oder großen Werkzeugen erforderlich ist. Das GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum mit direkt gekoppelter mechanischer Spindel und 95,5 Nm maximalem Drehmoment) ist beispielsweise für die Bearbeitung von Stahl mit niedrigeren Drehzahlen und höheren Kräften geeignet.

Vorschubgeschwindigkeit (vf)

Die Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich aus der Anzahl der Werkzeugzähne (z), dem Vorschub pro Zahn (fz) und der Spindeldrehzahl (n) (Formel: vf = fz × z × n).

Typische Bereiche:

• Für weiche Materialien: 500 bis 3.000 mm/min
• Für mittlere Materialien: 200 bis 1.500 mm/min
• Für harte Materialien: 50 bis 500 mm/min

Abwägungen:

• Höhere Vorschübe erhöhen die Produktivität, können aber zu höheren Schnittkräften und schlechterer Oberflächenqualität führen.
• Niedrigere Vorschübe verbessern die Oberflächenqualität und reduzieren die Belastung von Werkzeug und Spindel, verringern aber die Produktivität.

Werkzeuggeometrie

Die Werkzeuggeometrie wird hauptsächlich durch die Werkstückgeometrie und die Ausrichtung bestimmt:

• Werkzeugüberhang: Der Überhang sollte so gering wie möglich gewählt werden, um die Steifigkeit zu maximieren. Bei der 3+2-Bearbeitung kann der Überhang um bis zu 50% reduziert werden im Vergleich zur 3-Achsen-Bearbeitung, was einen deutlichen Vorteil darstellt.
• Spanwinkel: Der Spanwinkel sollte an das Werkstückmaterial angepasst werden: Positive Spanwinkel für weiche Materialien (reduzieren Schnittkräfte), negative Spanwinkel für harte Materialien (erhöhen die Werkzeugsteifigkeit).
• Werkzeugdurchmesser: Der Durchmesser sollte so groß wie möglich gewählt werden, um die Steifigkeit zu maximieren, aber klein genug, um die Werkstückgeometrie zu erreichen.

Was geht schief?

Die 3+2-Bearbeitung ist robust, aber es gibt typische Fehlerquellen, die zu Ausschuss führen können. Im Folgenden werden die häufigsten Fehler, ihre Erkennung und Behebung beschrieben:

Ehrliche Grenzen

Die 3+2-Bearbeitung hat klare Grenzen, die sie für bestimmte Anwendungen ungeeignet machen:

1. Komplexe Freiformflächen: Für Freiformflächen, die eine kontinuierliche Anpassung der Ausrichtung erfordern, ist die 3+2-Bearbeitung nicht geeignet. In solchen Fällen ist eine kontinuierliche Fünf-Achsen-Bearbeitung erforderlich.
2. Sehr kleine Werkstücke: Bei sehr kleinen Werkstücken kann die Aufspannung auf einem 5-Achsen-Bearbeitungszentrum schwierig sein, und die Vorteile der 3+2-Bearbeitung (kürzere Werkzeuge, mehrere Seiten in einer Aufspannung) sind oft nicht ausreichend, um die höheren Kosten der Maschine zu rechtfertigen.
3. Hohe Stückzahlen einfacher Teile: Für einfache Teile mit hohen Stückzahlen ist eine 3-Achsen-Bearbeitung oder eine spezielle Maschine (z. B. Bohrzentrum) oft kostengünstiger, da die Investitionskosten für 5-Achsen-Maschinen höher sind.
4. Sehr hohe Präzisionsanforderungen: Obwohl 5-Achsen-Maschinen wie das GA-UHD500 eine hohe Präzision bieten, können die zusätzlichen Drehachsen zu geringeren Genauigkeiten führen als hochpräzise 3-Achsen-Maschinen für einfache Teile.

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Auftrags

1. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine, die den Anforderungen entspricht:
   • Für kleine bis mittlere Werkstücke mit hohen Drehzahlen: GA-FA320
   • Für große, schwere Werkstücke mit hohem Drehmoment: GA-UHD500
   • Für Aluminiumbearbeitung mit hohen Drehzahlen: GA-DV750
2. Aufspannung: Stellen Sie sicher, dass die Aufspannung steif genug ist, um die Schnittkräfte aufzunehmen. Verwenden Sie Spannkräfte, die ausreichend hoch sind, um das Werkstück während der Bearbeitung zu fixieren.
3. Werkzeugauswahl: Wählen Sie Werkzeuge mit so geringem Überhang wie möglich. Überprüfen Sie die Werkzeuggeometrie auf Eignung für das Werkstückmaterial und die Ausrichtung.
4. Ausrichtung der Drehachsen: Kalibrieren Sie die Drehachsen vor der Bearbeitung. Überprüfen Sie die Ausrichtung auf Kollisionen mit dem Werkstück, der Aufspannung oder der Maschine.
5. Schnittparameter: Passen Sie die Parameter an das Werkstückmaterial und die Maschine an. Beginnen Sie mit konservativen Parametern und erhöhen Sie sie schrittweise, um Fehler zu vermeiden.
6. Kühlmittel: Stellen Sie sicher, dass das Kühlmittel ausreichend in den Schnittbereich gelangt. Verwenden Sie Hochdruckkühlmittel, wenn möglich, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
7. Erster Testlauf: Führen Sie einen Testlauf ohne Werkstück durch, um Kollisionen zu vermeiden. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Bearbeitung an einem Testwerkstück, bevor Sie mit der Serienproduktion beginnen.

FAQ

1. Was ist der Unterschied zwischen 3+2-positional und kontinuierlicher Fünf-Achsen-Bearbeitung? Bei der 3+2-Bearbeitung bleiben die Drehachsen während des Schnitts fixiert, während sie bei der kontinuierlichen Fünf-Achsen-Bearbeitung gleichzeitig mit den linearen Achsen bewegt werden. Die 3+2-Bearbeitung ist einfacher zu programmieren und bietet steifere Aufspannungen, während die kontinuierliche Fünf-Achsen-Bearbeitung für komplexe Freiformflächen geeignet ist.

2. Kann ich eine 3-Achsen-Maschine für die 3+2-Bearbeitung verwenden? Nein, die 3+2-Bearbeitung erfordert eine Maschine mit zwei zusätzlichen Drehachsen. Es gibt jedoch Aufspannungen mit integrierten Drehachsen, die an 3-Achsen-Maschinen angebaut werden können. Diese sind jedoch in der Regel weniger präzise und steif als integrierte Drehachsen von 5-Achsen-Maschinen.

3. Welche Vorteile bietet die 3+2-Bearbeitung gegenüber der 3-Achsen-Bearbeitung? Die wichtigsten Vorteile sind: Bearbeitung mehrerer Seiten in einer einzigen Aufspannung (reduziert Rüstzeiten und verbessert die Genauigkeit), kürzere Werkzeuge (höhere Steifigkeit, weniger Schwingungen), bessere Zugänglichkeit zu komplexen Geometrien und einfachere Programmierung im Vergleich zur kontinuierlichen Fünf-Achsen-Bearbeitung.

4. Wie genau ist die 3+2-Bearbeitung? Die Genauigkeit hängt hauptsächlich von der Maschine ab. Hochpräzise 5-Achsen-Maschinen wie das GA-UHD500 bieten eine Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und eine Wiederholgenauigkeit von 0,004 mm, was für die meisten Anwendungen ausreichend ist. Die Genauigkeit kann jedoch durch thermische Verformungen, Aufspannungen und Werkzeugverschleiß beeinflusst werden.

5. Für welche Materialien ist die 3+2-Bearbeitung geeignet? Die 3+2-Bearbeitung ist für fast alle gängigen Werkstückmaterialien geeignet, einschließlich Aluminium, Stahl, Edelstahl, Gusseisen, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe. Die Parameter werden jeweils an das Material angepasst.

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