Was ist 3+2 Achse Bearbeitung?
Die 3+2-Achs-Bearbeitung ist ein CNC- Fräsverfahren, auch bekannt als 5-Achs-Richtungsbearbeitung oder Positionierbearbeitung. Ihr Grundprinzip besteht darin, die drei linearen Achsen (X, Y, Z) einer 5-Achs-Werkzeugmaschine für die Bewegung zu nutzen, während zwei Drehachsen (üblicherweise A- und B-Achse oder A- und C-Achse) Werkzeug und Werkstück in einem geneigten Winkel fixieren. Nach dem Arretieren dieser beiden Drehachsen führt die Werkzeugmaschine die Bearbeitung in dieser Winkelrichtung durch, ähnlich wie eine leistungsstarke 3-Achs-Werkzeugmaschine.
Die 3-Achs-Bearbeitung (3+2-Achs) bedeutet nicht, dass sich alle fünf Achsen während des Bearbeitungsprozesses kontinuierlich und synchron bewegen. Vielmehr wird zunächst der optimale Winkel ermittelt und fixiert, bevor die 5-Achs-Bearbeitung durchgeführt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass mehrere Seiten des Werkstücks in einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden können. Dadurch werden wiederholte Aufspannungen vermieden, was die Effizienz und Genauigkeit erhöht. Es eignet sich besonders für die Bearbeitung komplexer, kastenförmiger Teile oder Formen mit geneigten Konturen.
Wie Does 3+2 Axis Mschmerzend WOrk?
Programmierung und Winkelberechnung
CAM-Softwareentwickler programmieren 3D-Modelle am Computer. Die Software analysiert die geometrische Form der Bauteile, ermittelt automatisch oder manuell die zu bearbeitenden Bereiche und berechnet den optimalen Werkzeugneigungswinkel für jeden Bereich. Die Wahl dieses Winkels ist von entscheidender Bedeutung, um Kollisionen zwischen Werkzeug und Werkstück bzw. Vorrichtung zu vermeiden und gleichzeitig optimale Schnittbedingungen zu gewährleisten.
Positionierung der Drehachse
Das Bearbeitungsprogramm wird in die CNC-Werkzeugmaschine geladen. Die Werkzeugmaschine führt zunächst den Bewegungsbefehl der Drehachse aus und schwenkt das Werkzeug (oder den Arbeitstisch, je nach Bauart der Werkzeugmaschine) präzise auf den im Programm festgelegten Winkel.
Verriegeln und Schneiden
Die rotierende Welle kommt zum Stillstand und verbleibt in dieser Position. Ab diesem Zeitpunkt betrachtet das Steuerungssystem sie als neues „3-Achs“-Bearbeitungskoordinatensystem.
3-Achsen-Bearbeitung
Die Werkzeugmaschine startet und nutzt ausschließlich die X-, Y- und Z-Achse für schnelle und stabile Schnittbewegungen, bis alle Bearbeitungsaufgaben im aktuellen Winkel abgeschlossen sind.
Wiederholungsprozess
Nach Abschluss der 3-Achs-Bearbeitung fährt die Werkzeugmaschine die Rotationsachse zum nächsten vordefinierten Winkel und fixiert diesen, um eine neue Runde der 3-Achs-Bearbeitung zu starten. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Merkmale des Werkstücks bearbeitet sind.
Materialien, die bei der 3+2-Achs-Bearbeitung verwendet werden
Gewöhnliche Metalle:
- Aluminium (6061, 7075 usw.)
- Edelstahl
- Titan
- Messing und Kupfer
Aluminium
Aluminiumlegierungen gehören zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen bei der 3+2-Achs-Bearbeitung und werden aufgrund ihrer hervorragenden Bearbeitbarkeit, hohen Festigkeit und ihres geringen Gewichts sehr geschätzt.
Die 3+ 2-Achs-Bearbeitung verwendet kürzere Schneidwerkzeuge für das Schneiden unter einem geneigten Winkel. Dadurch lassen sich die bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen häufig auftretenden Verformungen wirksam vermeiden, eine extrem hohe Maßgenauigkeit und eine glatte Oberflächenqualität erzielen und der Bedarf an nachfolgender Nachbearbeitung reduzieren.
Edelstahl
Edelstahl findet aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und guten mechanischen Eigenschaften breite Anwendung in der Medizin- und Lebensmittelindustrie. Die 3+2-Achs-Bearbeitung eignet sich hervorragend zur Herstellung komplex strukturierter Ventilkörper, Pumpengehäuse und chirurgischer Instrumente in diesen Bereichen.
Titan
Titanlegierungen werden hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Bereich medizinischer Implantate eingesetzt. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, geringes Gewicht und gute Biokompatibilität aus, sind aber auch typische, schwer zu bearbeitende Werkstoffe.
Die 3+2-Achs-Bearbeitung erhöht die Steifigkeit des Prozesssystems erheblich durch den Einsatz kurzer Werkzeuge zum Schneiden in festen Winkeln. Dies ist entscheidend, um Werkzeugvibrationen und Verschleiß zu vermeiden, die bei der Bearbeitung von Titanlegierungen häufig auftreten.
Die wichtigsten Vorteile der 3+2-Achs-Bearbeitung
Höhere Genauigkeit
Der Schlüssel zu höherer Präzision bei der 3+2-Achs-Bearbeitung liegt darin, „die Mehrseitenbearbeitung mit nur einer Aufspannung durchzuführen“.
Die 3+2-Achs-Technologie positioniert das Werkstück mittels einer Drehachse im gewünschten Winkel und fixiert es anschließend. In nur einer Aufspannung werden alle geneigten Flächen und unterschiedlichen Winkel mithilfe von drei Linearachsen bearbeitet. Dadurch werden die durch mehrere Aufspannungen entstehenden Fehler vermieden und die geometrische Genauigkeit sowie die Positionstoleranz des Bauteils sichergestellt.
Reduzierte Rüst- und Zykluszeiten
Die 3-Achs-Bearbeitung mit 2 Achsen eliminiert die komplexen Achsenbewegungsberechnungen und die Verzögerung, die bei der kontinuierlichen 5-Achs-Bearbeitung erforderlich sind, um die vertikale Ausrichtung des Schneidwerkzeugs zu gewährleisten. Der Bearbeitungsweg ist direkter und effizienter, wodurch die Gesamtproduktionszeit vom Rohmaterial bis zum fertigen Produkt deutlich reduziert wird.
Verbesserte Oberflächengüte
Bei der Bearbeitung tiefer Kavitäten oder steiler Seitenwände müssen 3-Achs-Werkzeugmaschinen Werkzeuge mit langem Überhang verwenden, was leicht zu Vibrationen und Flattern führen und Vibrationsspuren auf der Werkstückoberfläche hinterlassen kann.
Die 3+ 2-Achs-Bearbeitung ermöglicht es, mit kurzen und starren Werkzeugen diese Bereiche durch Neigen des Werkstücks zu erreichen und Vibrationen effektiv zu unterdrücken.
Zugang zu schwer erreichbaren Bereichen
Die 3+2-Achs-Bearbeitung bietet dem Schneidwerkzeug eine optimale Sicht. Durch die flexible Anpassung der räumlichen Position des Werkstücks entsteht ein freier Arbeitsweg für das Schneidwerkzeug, sodass es auch zuvor schwer zugängliche Bereiche problemlos erreichen kann.
Geringere Kosten im Vergleich zu einer vollständigen 5-Achsen-Technologie
Hardwareseitig sind 5-Achs-Werkzeugmaschinen mit 3+2-Achs-Funktionen in der Regel günstiger als leistungsstarke, kontinuierliche 5-Achs-Werkzeugmaschinen, da sie etwas geringere Anforderungen an das dynamische Ansprechverhalten und die Synchronisationsleistung der rotierenden Achsen stellen.
Hinsichtlich der Schneidwerkzeuge und der täglichen Wartung nutzen 3+2-Achs-Maschinen vermehrt Standard-Schneidwerkzeuge, und die Verschleiß- und Wartungskosten der Werkzeugmaschine sind vergleichsweise geringer. Daher bietet die 3+2-Achs-Bearbeitung für Anwendungen, die keine Bearbeitung komplexer Freiformflächen erfordern, eine Lösung, die ein optimales Verhältnis zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit gewährleistet.
Was ist 5-Achs-Bearbeitung?
Die 5-Achs-CNC-Bearbeitung ist ein computergesteuertes Fertigungsverfahren, das fünf verschiedene Bewegungsachsen nutzt, um eine höhere Flexibilität und Präzision beim Bearbeiten zu erzielen. Neben den herkömmlichen linearen Achsen X, Y und Z arbeitet eine 5-Achs-CNC-Maschine auch mit zwei zusätzlichen Drehachsen, die üblicherweise als A-Achse und B-Achse bezeichnet werden.
Durch die Integration dieser Rotationsachsen kann das Schneidwerkzeug das Werkstück aus einem breiten Winkel- und Ausrichtungsbereich bearbeiten. Dieser erweiterte Bewegungsbereich ermöglicht die präzise Bearbeitung hochkomplexer Formen, darunter tiefe Hohlräume, Hinterschnitte, Konturflächen und komplizierte Kurven. Die Möglichkeit, das Werkzeug zu neigen und zu drehen, minimiert den Bedarf an Mehrfachaufspannungen und Neupositionierungen erheblich und verbessert so sowohl die Bearbeitungseffizienz als auch die Gesamtgenauigkeit.
3- und 2-Achs-Bearbeitung und kontinuierliche 5-Achs-Bearbeitung: Wichtigste Unterschiede
3+2-Achsen-Bearbeitung
Während des Schneidvorgangs bleibt die Rotationsachse stationär. Ihre Aufgabe ist es, das Werkstück zu positionieren und anschließend einen effizienten Schnitt in einer festgelegten Richtung durchzuführen.
Kontinuierliche 5-Achsen-Bearbeitung
Während des gesamten Schneidprozesses bewegen sich alle fünf Achsen (drei lineare und zwei rotatorische Achsen) gleichzeitig, kontinuierlich und koordiniert. Ziel ist die „dynamische Umformung“, die zur Bearbeitung extrem komplexer Freiformflächen wie Laufräder, Propeller, Turbinenschaufeln usw. eingesetzt wird.
3+2-Achsen-Bearbeitung vs Vollständige 5-Achsen-Bearbeitung
| Funktion | 3+2-Achsen-Bearbeitung | Vollständige 5-Achsen-Bearbeitung |
| Äxte im Einsatz | X, Y, Z + zwei Positionierungsachsen | X, Y, Z + zwei simultane Drehachsen |
| Bewegungsart | Linear mit Positionsrotation | Vollständig simultane Bewegung |
| Kosten | Medium | Hoch |
| Zykluszeit | Moderat | Schnellste |
| Am besten geeignet für | Teile mittlerer Komplexität | Hochkomplexe, organische Formen |
Die 3+2-Achs-Bearbeitung eignet sich hervorragend für die Bearbeitung von Teilen, die aus mehreren diskreten Winkelebenen bestehen, während die kontinuierliche 5-Achs-Bearbeitung auf komplexe gekrümmte Oberflächen fokussiert ist, die eine ständige Änderung der Werkzeugrichtung während der Bewegung erfordern.
Designtipps für 3+2 Achse Maschinenbearbeitung
Teileausrichtung optimieren
In der Konstruktionsphase muss überlegt werden, wie sich die meisten Merkmale mit möglichst wenigen Rotationsachsenwinkeln realisieren lassen. Idealerweise sollten möglichst viele Bohrungen, Aussparungen und Profile in derselben oder wenigen Richtungen angeordnet werden.
Werkzeugzugriff sicherstellen
Beim Neigen des Werkstücks muss eine gründliche Kollisionsprüfung durchgeführt werden. Dabei ist nicht nur die Werkzeugspitze zu prüfen, sondern auch, ob der Werkzeughalter, die Spannvorrichtung und selbst der Spindelkopf mit anderen Teilen des Werkstücks, der Vorrichtung oder dem Maschinentisch kollidieren.
Bei der Konstruktion tiefer Kavitäten oder konkaver Merkmale muss sichergestellt werden, dass bei dem geplanten Neigungswinkel eine ausreichende Werkzeuglänge vorhanden ist, um die Bearbeitungsgrundfläche sicher zu erreichen, und dass der Werkzeughalter die Seitenwand nicht zerkratzt.
Sichere Befestigungselemente entwerfen
Da die 3+2-Achs-Bearbeitung in verschiedenen Winkeln und mitunter sogar mit umgekehrter Werkstücklage erfolgt, muss die Spannvorrichtung eine zuverlässige Klemmung in alle Richtungen gewährleisten. Die Konstruktion der Spannvorrichtung selbst sollte so kompakt und niedrig wie möglich sein, um Kollisionen mit Werkzeugmaschinenkomponenten während der Rotation zu vermeiden.
Konstruktion für die Planbearbeitung
Bei jedem Positionierungswinkel entspricht die 3+2-Achsen-Bearbeitung im Wesentlichen einer 3-Achs-Bearbeitung. Daher eignen sich vor allem planare Merkmale, die sich effizient mit einer 3-Achs-Strategie bearbeiten lassen. Obwohl auch einige flache Oberflächen bearbeitet werden können, bleibt die Bearbeitung komplexer dreidimensionaler Freiformflächen die Stärke der kontinuierlichen 5-Achs-Bearbeitung.
Warum 3+2 wählen? Achse Bearbeitung für die Produktion
Für Unternehmen, die Flexibilität, Präzision und Effizienz benötigen, ohne in komplette 5-Achs-Systeme investieren zu wollen, bietet die 3+2-Bearbeitung die perfekte Lösung.
Hier einige Vorteile aus der Praxis, die Hersteller gemeldet haben:
- 40–60 % kürzere Zykluszeiten im Vergleich zur herkömmlichen 3-Achs-Bearbeitung
- Verbesserte Genauigkeit bei mehrflächigen Teilen
- Geringere Einrichtungskosten, da weniger Aufbauten erforderlich sind
- Höhere Produktivität bei der Klein- bis Mittelserienfertigung
- Höhere Maschinenauslastung, da sich die Drehachsen automatisch neu positionieren können
Insgesamt maximiert die 3+2-Bearbeitung die Leistungsfähigkeit von Standard-5-Achs-Maschinen ohne die Komplexität der kontinuierlichen Bewegungsprogrammierung.
Anwendungsgebiete der 3+2-Achs-Bearbeitung
Luft-und Raumfahrtindustrie
Die Luft- und Raumfahrt ist eines der repräsentativsten Anwendungsgebiete der 3+2-Achs-Bearbeitung. Flugzeugstrukturbauteile wie Rippen, Spanten und Aufhängungen werden üblicherweise aus einem einzigen Stück Aluminium- oder Titanlegierung gefräst. Sie weisen komplexe Strukturen und dünne Wände auf und enthalten zahlreiche Bohrungen, Aussparungen und Vorsprünge, die in verschiedenen Winkeln bearbeitet werden müssen. Die 3+2-Achs-Bearbeitung ermöglicht die Bearbeitung der meisten Merkmale an den fünf Oberflächen eines Bauteils mit nur einer Aufspannung.
Formenbau
Ob Spritzguss-, Druckguss- oder Stanzform – ihre Kerne und Schieber weisen in der Regel komplexe Geometrien auf, darunter tiefe Kavitäten, steile Seitenwände und komplexe Kühlwasserkanäle. Die 3-Achs- und 2-Achs-Bearbeitung ermöglicht es, das Werkzeug mühelos im optimalen Winkel zu positionieren, diese schwer zugänglichen Bereiche präzise zu fräsen und exakt abgewinkelte, geneigte Stiftlöcher und Schiebermechanismen herzustellen.
Medizinprodukteindustrie
Im medizinischen Bereich werden extrem hohe Anforderungen an Präzision, Oberflächengüte und Bearbeitung biokompatibler Materialien für Bauteile gestellt. Die 3+2-Achs-Bearbeitung eignet sich hervorragend für die Herstellung von Teilen wie künstlichen Gelenken, chirurgischen Instrumenten und Knochenplatten. Sie vermeidet Kontaminations- und Fehlerrisiken durch sekundäres Spannen und gewährleistet gleichzeitig die perfekte Passung zwischen Implantat und Knochen – entscheidend für den Erfolg der Operation.
Energie und Schwerindustrie
Im Energiesektor, beispielsweise bei den Schaufeln von Dampfturbinen und Gasturbinen, bestehen diese Teile üblicherweise aus schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wie Hochtemperaturlegierungen und weisen komplexe Geometrien auf.
Die 3+2-Achs-Bearbeitung ermöglicht den Einsatz kurzer und starrer Werkzeuge, um im optimalen Winkel in das Werkstück einzudringen. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Werkzeugstandzeit, die Kontrolle der Schnittwärme und die Sicherstellung der Unversehrtheit der Werkstückoberfläche.
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FAQs von 3+2-Achsen-Bearbeitung
Was ist 3+2-Achs-Bearbeitung und wie funktioniert sie?
Die 3+2-Achs-Bearbeitung, auch Fünf-Achs-Positionsbearbeitung genannt, ist ein CNC-Verfahren, bei dem das Werkstück vor dem Schneiden mithilfe zweier Drehachsen gekippt und in Position gebracht wird. Sobald das Werkstück im gewünschten Winkel fixiert ist, führt die Maschine die 3-Achs-Bearbeitung durch. Dadurch lassen sich komplexe Teile aus verschiedenen Ausrichtungen ohne mehrere Aufspannungen bearbeiten.
Worin besteht der Unterschied zwischen 3+2-Achs-Bearbeitung und vollständiger 5-Achs-Bearbeitung?
Bei der 3+2-Achs-Bearbeitung positionieren die beiden Drehachsen das Werkstück, bleiben aber während des Schnittvorgangs stationär. Bei der 5-Achs-Bearbeitung bewegen sich alle fünf Achsen gleichzeitig. Die 3+2-Achs-Bearbeitung bietet die meisten Vorteile der 5-Achs-Bearbeitung zu geringeren Kosten und mit einfacherer Programmierung und eignet sich daher ideal für viele Präzisionsbauteile.
Was sind die Hauptvorteile der 3+2-Achs-CNC-Bearbeitung?
Die 3+2-Achs-Bearbeitung ermöglicht höchste Präzision, verbesserte Oberflächengüte und schnellere Produktion durch reduzierte Rüstzeiten. Sie erlaubt zudem die Bearbeitung schwer zugänglicher Merkmale wie Schrägbohrungen, Hinterschneidungen und tiefe Taschen bei gleichzeitig hoher Konsistenz und Genauigkeit.
In welchen Branchen wird üblicherweise die 3+2-Achs-Bearbeitung eingesetzt?
Diese Technologie findet breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie, dem Formenbau und der Elektronikindustrie. Sie eignet sich ideal zur Herstellung komplexer Bauteile wie Halterungen, Turbinengehäuse, medizinische Implantate und hochpräzise Formen.
Ist die 3+2-Achs-Bearbeitung kostengünstiger als die 5-Achs-Bearbeitung?
Ja. Die 3+2-Achs-Bearbeitung bietet einen Großteil der Flexibilität der 5-Achs-Bearbeitung, jedoch mit geringeren Kosten für Ausrüstung und Programmierung. Sie ist besonders kosteneffizient für Teile, die Winkelmerkmale erfordern, aber keine kontinuierliche Mehrachsen-Konturbearbeitung.
