3-Achsen-, 4-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Bearbeitung:Erklärung der wichtigsten Unterschiede

„Die Komplexität der Teile, die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Genauigkeit und die allgemeine Produktionsflexibilität hängen stark davon ab, auf wie vielen Achsen sich das Schneidwerkzeug bewegen kann.“ ?“        

In der Fertigung verfügen CNC-Maschinen über verschiedene Achsenfunktionen:2-Achsen, 3-Achsen, 5-Achsen, 9-Achsen oder sogar 12-Achsen. Am weitesten verbreitet sind jedoch Maschinen mit bis zu 5 Achsen. Dies könnte Sie darüber verunsichern, welches Sie für die besten Ergebnisse verwenden sollten, während die Kosten innerhalb Ihres Budgets bleiben. Daher benötigen Sie ein tiefes Verständnis der Unterschiede zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-Fräsen .

Lassen Sie uns die Vor- und Nachteile sowie die industriellen Anwendungen der 3-, 4- und 5-Achsen-Bearbeitung durchgehen.

Was bedeutet 3-, 4- und 5-Achsen-Bearbeitung? 

CNC-Maschinen verfügen über unterschiedliche Bearbeitungsachsenfunktionen, 3, 4 und 5 Achsen sind die gebräuchlichsten. Jede Achse definiert die Fähigkeit, Schneidwerkzeuge in eine bestimmte Richtung zu bewegen. 

Bei der 3-Achsen-Bearbeitung bewegt sich das Werkzeug in drei linearen Richtungen:X, Y und Z.  

• X-Achse: Horizontale Richtung von links nach rechts  
• Y-Achse: Richtung von vorne nach hinten
• Z-Achse: Auf- und Abwärtsrichtung (vertikal) 

Grundsätzlich deckt eine 3-Achsen-Fräsmaschine dreidimensionale Richtungen relativ zum stationären Werkstück ab. Dadurch entstehen weniger komplizierte Formen, und wenn Sie verschiedene Seiten des Teils bearbeiten möchten, ist eine Neupositionierung erforderlich.

Bei 4-Achsen-Fräsmaschinen handelt es sich darüber hinaus um eine zusätzliche Bewegungsmöglichkeit:A-Achse , wobei sich das Werkstück um die x-Achse drehen kann. Folglich können 5-Achsen-Maschinen das Werkstück in zwei Richtungen drehen (A &B oder C). ):Um die X-Achse und die Y-Achse (oder Z-Achse), was eine höhere Komplexität ohne zusätzliche Einrichtung oder Neupositionierung ermöglicht.   

Eine 4- oder 5-Achsen-CNC-Fräse kann Ebene, Tiefe und Kontur in einer einzigen Aufspannung bearbeiten, was sie ideal für komplexe Designs mit extremen Details macht. Es kann Mehrseitenbearbeitung durchführen, abgewinkelte Elemente herstellen und komplexe Profile erstellen. 

Hauptunterschiede zwischen 3-Achsen-, 4-Achsen- und 5-Achsen-Bearbeitung

Zunächst einmal gibt es verschiedene Arten von CNC-Maschinen, und das Fräsen ist eine davon. In dieser Kategorie wird das Fräsen anhand der Achsenfähigkeit weiter kategorisiert, z. B. 3-, 4- und 5-Achsen-Fräsen.  Jeder hat unterschiedliche Fähigkeiten. 

Ihre Einrichtungskomplexität, Bearbeitungsfähigkeit, CNC-Programmierung, Bedienung, Kosten, Zeiteffizienz, Genauigkeit und Wartungsanforderungen sind ebenfalls unterschiedlich. Es ist wichtig, diese Unterschiede zu verstehen, bevor Sie entscheiden, welches am besten für die Herstellung Ihrer Teile und Produkte geeignet ist. 

Maschineneinrichtung und Programmierung 

Da die Bearbeitungsachsen bei 4- und 5-Achs-Fräsmaschinen höher sind, ist die Einrichtung komplexer. Sie erfordern eine präzise Werkstückhaltung und Ausrichtung der Werkstückmitte mit der Rotationsachse. Andererseits ist der Aufbau einer CNC-3-Achsen-Fräsmaschine viel einfacher. Allerdings ist beim Mehrseitenfräsen ein Umspannen erforderlich. 

Bei 3 Achsen genügen grundlegende G- und M-Codes für lineare Bewegungen. Für höhere Achsen benötigen Sie jedoch komplexe und langwierige Codes, z. B. das Hinzufügen eines neuen festen Drehwinkels nach dem linearen Schneiden durch Indexierung oder eine kontinuierliche Bewegung für gleichzeitiges Schneiden und Drehen. 

Betriebliche Komplexität

Da CNC-5-Achsen-Bearbeitungszentren und -Fräsmaschinen komplexe Programme erfordern, ist die Bedienung schwieriger als bei 3-Achsen-Maschinen. Kleine Fehler in der Einrichtung oder im Code können zu Genauigkeit und Fehlern führen. Darüber hinaus besteht aufgrund des komplexen Bearbeitungspfads ein höheres Risiko einer Werkzeugkollision. 

Daher erfordert der Betrieb einer 5- oder 4-Achsen-CNC-Fräse erfahrene Techniker und Ingenieure mit umfassender Erfahrung. 

Produktionsgeschwindigkeit 

Da 4- und 5-Achsen-Maschinen das Werkstück drehen und Material aus mehreren Winkeln entfernen können, sind sie schneller und präziser. Ein einziger Maschinendurchlauf kann mit vielen verschiedenen Werkzeugen arbeiten und das Werkstück von mehreren Seiten gleichzeitig schneiden. Durch diesen kontinuierlichen Prozess entfällt das mehrfache Einrichten und Ausrichten, verschiedene Werkzeuge bewegen sich über vorgegebene Pfade und entfernen das Material von der Arbeit; Währenddessen dreht sich die Arbeit selbst in mehrere Seiten, bis die endgültige Form erreicht ist. Wenn Sie jedoch nur eine Seite des Werkstücks bearbeiten müssen, bieten 3-Achsen-Fräsmaschinen dennoch eine gute Produktionsgeschwindigkeit.

Kosteneffizienz

Die 4-Achsen- und 5-Achsen-Bearbeitung ist teurer als die 3-Achsen-CNC-Bearbeitung, sie lohnt sich jedoch für Anwendungen, die ein hohes Maß an Genauigkeit und Präzision für die Funktionalität erfordern. Z. B. komplexe Nockenerhebungen, spiralförmig gefräste Profile usw. Einfache Formen und Profile sind hingegen kostengünstiger und lassen sich besser mit 3-Achsen-Maschinen herstellen. 

Präzision und Genauigkeit

4- und 5-Achsen-Bearbeitungsvorgänge liefern präzisere und genauere Ergebnisse sowohl für die Prototypenerstellung als auch für die Serienfertigung. Der Toleranzunterschied zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-CNC-Fräsen beträgt ungefähr ±0,001″, ±0,001″/±0,01° und ±0,0005″/±0,008° gleichzeitig. Insbesondere besteht ein höheres Fehlerrisiko, wenn Sie 3-Achsen-Maschinen für mehrseitige Aufgaben verwenden, da diese wiederholt spannen müssen.

Teile/Produkte mit komplexen Designs 

Wie bereits erwähnt, werden 4- und 5-Achsen-Fräsmaschinen für die Bearbeitung hochkomplexer Designs mit Details bevorzugt. 3-Achsen-Fräser arbeiten jeweils nur auf einer Seite des Werkstücks (2,5 D) oder erfordern eine Neueinrichtung, um eine andere Seite zu formen. Mittlerweile ermöglichen 3+1 oder 3+2 Achsen Arbeitsrotation und kontinuierliches Fräsen. 

• 3-Achsen: Einfache Designs mit Funktionen wie flachen Profilen, Taschen und Schlitzen, vertikalen Löchern, Vorsprüngen, Fasen, abgestuften Oberflächen usw. 
• 4-Achsen: Designs mit radialen Mustern, Spiral- oder Spiralnuten, Seitenlöchern, Winkelschnitten usw. 
• 5-Achsen: Komplexe Designs mit komplizierten Merkmalen wie Freiformflächen, Hinterschnitten, abgewinkelten Löchern in mehreren Achsen usw. 

Qualität der Oberflächenbeschaffenheit

5- oder 4-Achsen-CNC-Operationen können eine feine und spiegelähnliche Oberfläche mit einem Ra-Wert von bis zu 0,4 µm erzielen. Dies liegt an optimalen Werkzeugwinkeln, kürzeren Werkzeugen und kontinuierlichem Schneiden. Andererseits können beim 3-Achs-Fräsen Oberflächen mit einem minimalen Rauheitswert von 1,6 µm erzeugt werden. 

Anwendungen von 3 vs. 4 vs. 5-Achsen-Fräsen 

Der CNC-Bearbeitungsprozess selbst findet unabhängig von der Achsfähigkeit in verschiedenen Branchen Anwendung. Der einzige Unterschied besteht darin, dass Maschinen mit höheren Achsen zur Herstellung komplexer und kritischer CNC-bearbeiteter Teile verwendet werden, während Maschinen mit niedrigeren Achsen (z. B. 3) hauptsächlich verwendet werden, um Teile herzustellen, die weniger kritisch für die Präzision sind und einfache geometrische Merkmale aufweisen.  Beispielsweise lassen sich einfache Platten und Gehäuse für die Elektronik kostengünstig mit 3-Achsen-CNC herstellen, während Artikel wie kundenspezifische medizinische Implantate oder Flugzeugtriebwerkskomponenten aufgrund der Notwendigkeit einer hohen Genauigkeit mit 5- oder sogar höheren CNC-Achsen hergestellt werden.

Die folgende Tabelle veranschaulicht anhand von Beispielen den Anwendungsunterschied zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-CNC-Fräsen in gängigen Branchen.

Industrie 3-Achsen-Fräsanwendungen 4-Achsen-Fräsanwendungen 5-Achsen-Fräsanwendungen AutomobilBremssattelhalterungen, Motormontageplatten, Radnabenteile.Nockenwellen, Zylinderköpfe, GetriebegehäuseZylinderkopfanschlüsse, Prototypen von Leichtmetallrädern, Motoransaugkrümmer,Luft- und RaumfahrtHalterungen, Vorrichtungen usw.Turbinenschaufelwurzeln, Windholm-Endstücke und kundenspezifische Halterungen.Kraftstoffdüsen, Fahrwerksteile und RumpfabschnitteMedizinmedizinische Möbel, Tabletts und einfache Werkzeuge.Turbinenblattwurzeln, Windholm-Endstücke und kundenspezifische Halterungen.Zylinderköpfe, Formen, Testprototypen, Übertragungskomponenten.ElektronikLeiterplatten, Kühlkörper, Gehäuse, Anschlüsse, EinfassungenKundenspezifische Implantate (Hüfte/Knie/Zahnmedizin), chirurgische Roboter, Prothetik, DiagnosegeräteteileKundenspezifische Kühlkörper mit dichten Rippen, MikroanschlüsseForm- und WerkzeugwerkzeugeFormen mit abgewinkelten Merkmalen, Kühlkanälen, AuswerferstiftöffnungenKomplexe Spritzgussformen, tiefe Formhohlräume, Hinterschnitte, hochglanzpolierte Formprofile, Bohrlochwerkzeuge, Turbinenschaufeln, Kompressorteile, komplexe Ventile. EnergieStandardteile, Halterungen, einfache Ventile, Zylinderblöcke, Ventilkörper, Rotoren, Laufräder. Turbinenschaufeln, Kompressorteile, komplexe Ventile

Vor- und Nachteile des 3-Achsen-Fräsens 

Vorteile 

• 3-Achsen-CNC ist einfach und kostengünstig; Es sind keine hochqualifizierten Bediener und keine komplexe Programmierung erforderlich. 
• Es leistet hervorragende Arbeit bei der Bearbeitung flacher Oberflächen wie Bohren, Abflachen, Schlitzen usw.
• Die Werkzeugeinrichtung ist viel einfacher und schneller als bei Maschinen mit höheren Achsen. 
• Es kann für die Mehrseitenbearbeitung verwendet werden, indem das Werkstück neu eingespannt und das Werkzeug eingestellt wird.

Nachteile 

• Es ist eine Herausforderung, komplexe geometrische Merkmale mit 3-Achsen-Fräsen zu formen, wie tiefe Hohlräume, unregelmäßige Konturen, abgewinkelte Merkmale und Hinterschnitte. 
• Es hat eine längere Zykluszeit und eine vergleichsweise geringe Maßgenauigkeit 

Vor- und Nachteile des 4- und 5-Achsen-Fräsens

Vorteile 

• Vier Achsen ermöglichen die Drehung des Werkstücks um die X-Achse und fünf Achsen ermöglichen die Drehung um die X- und Y-Achse. Also höhere Flexibilität im Fräsprozess.
• Höhere Genauigkeit und Konsistenz, auch bei komplexen Designs. 
• Sie können alle Seiten des Werkstücks bearbeiten, ohne seine Ausrichtung zu ändern, wodurch die Zykluszeit verkürzt und die Genauigkeit erhöht wird.
•  Es ist einfach, abgewinkelte Bearbeitungsvorgänge und komplexe Konturierungen durchzuführen. 
• Es reduziert die Einrichtungs- und Vorrichtungskosten, da Sie das Werkstück drehen und kontinuierlich fräsen können. 
• Insbesondere Fräser behalten einen optimalen Kontaktwinkel bei, der dazu beiträgt, eine hervorragende Oberflächengüte zu erzielen.

Nachteile 

• Für den Betrieb von 4- und 5-Achsen-Fräsmaschinen sind hochqualifizierte Bediener und eine komplexe CAM-Modellierung erforderlich. 
• Bei einfacheren Prototypen und Produkten können sie aufgrund der hohen Maschinen- und Ersteinrichtungskosten teuer sein. 
• Die Produktionskosten sind nur für Teile in Industriequalität und CNC-Bearbeitungsanwendungen gerechtfertigt, die ein hohes Maß an Genauigkeit für die Funktionalität erfordern. 

Wie wählt man zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-Fräsen?

Es kann nicht direkt beantwortet werden, welches zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-Fräsen das Beste ist. Die richtige Option hängt von der Anforderung und der Komplexität des Auftrags ab, den Sie bearbeiten möchten. 

Einige kritische Überlegungen sind wie folgt; 

Komplexität des Designs

Überlegen Sie zunächst, welche Art von geometrischen Merkmalen Ihr Design aufweist:Einfache 2,5D- und flache Merkmale oder komplexe Merkmale wie Hinterschneidungen und unregelmäßige Konturen? Wenn es komplex ist, müssen Sie Ihr Teil mit Fräsen auf höheren Achsen (4 oder 5) bearbeiten. Zum Beispiel Turbinenschaufeln und Kunststoffformwerkzeuge.

Toleranz und Wiederholbarkeit 

 Benötigen Sie für Leistung und Funktionalität sehr enge Toleranzen wie 0,0005 Zoll oder genügen nur allgemeine Toleranzen? Wenn ja, können 4- und 5-Achsen-Maschinen dies nur mit hervorragender Konstanz liefern. Ansonsten wählen Sie 3-Achs-Fräsen. 

Anwendungsbranche 

Es ist auch wichtig, die Branche zu berücksichtigen, für die Sie produzieren. Wenn es sich um Teile/Prototypen für präzisionsempfindliche Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin oder Verteidigung handelt, müssen Sie möglicherweise höhere Achsen wählen. Ansonsten können Sie sich für Maschinen mit 3 Achsen entscheiden. 

Produktionsvolumen und -kosten 

Produktionsvolumen und Kosten stehen in einem Zusammenhang zueinander. Insbesondere bei der Bearbeitung mit höheren Achsen reduzieren große Stückzahlen die Produktionskosten pro Teil erheblich. Denn Programmier-, Schritt- und Werkzeugkosten verteilen sich auf mehrere Chargen. Für kleine Losgrößen können Sie durch Anpassung des Setups auch bei Designs mit mittlerer Komplexität weiterhin 3-Achs-Fräsen verwenden. 

Mehrachsige Bearbeitungsdienste bei RapidDirect 

Wenn Sie Ihr Design fertig haben und nicht sicher sind, welche Fräsmaschine die gewünschten Ergebnisse zu den besten Preisen liefern kann. Sie können Vergleichsangebote erhalten, indem Sie Ihr Design hier hochladen . Bei RapiDirect bieten wir nicht nur CNC-Bearbeitungsdienstleistungen an, sondern helfen Ihnen auch bei der Auswahl der richtigen Bearbeitungsmethode und der Optimierung Ihres Projektbudgets. 

Darüber hinaus verfügen wir über eine hauseigene Bearbeitungsanlage mit Fräsmaschinen mit 3, 4, 5, 6 und noch höheren Achsen, die komplexe 3D-Modelle mit höchster Präzision in die Realität umsetzen können. Unsere Ingenieure und Bediener verfügen über mehr als ein Jahrzehnt Erfahrung in der Mehrachsenbearbeitung, die Sie für den Erfolg Ihrer CNC-Bearbeitungsprojekte nutzen können.