Was ist der Unterschied zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-CNC-Fräsen?

Moderne CNC-Fräsmaschinen sind erstaunliche Werkzeuge, die in der Lage sind, Prototypen und Produktionsteile schnell und zuverlässig herzustellen. Dazu müssen sie in der Lage sein, sich in mehreren Achsen zu bewegen und dabei die Maßgenauigkeit beizubehalten.

CNC-Fräsen werden daher nach der Anzahl der Achsen kategorisiert, mit denen sie arbeiten, wobei 3-, 4- und 5-Achsen-Fräsen die gängigsten sind. Diese Bewegungen bestimmen die Teilemerkmale, die hergestellt werden können, und wirken sich auch auf die Produktionseffizienz und die Genauigkeit aus. Im Allgemeinen gilt: Je mehr Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, desto komplexere Geometrien können hergestellt werden. Um herauszufinden, ob die CNC-Bearbeitung das Richtige für Ihr nächstes Projekt ist, sollten wir die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten dieser verschiedenen Typen untersuchen.

Wie bewegt sich eine CNC-Maschine?

Wir sprechen natürlich nicht davon, dass die Maschine selbst aufsteht und weggeht. Vielmehr beschreiben wir die Bewegung des Schneidewerkzeugs relativ zum Werkstück, und darauf kommt es hier an.

Zunächst einmal: Wie bestimmen wir, welche Achse welche ist? Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einer typischen 3-Achsen-CNC-Fräse. Von Ihrem Bezugspunkt aus verläuft die X-Achse parallel zur Vorderseite Ihres Körpers und bewegt sich von links nach rechts. Die Y-Achse ist dann die Richtung, die senkrecht zu Ihnen nach vorne und hinten verläuft, während die Z-Achse vertikal ist.

Bei einer typischen Fräsmaschine bewegt sich der Arbeitstisch in der X/Y-Ebene. Die Spindel, die das Schneidwerkzeug hält, bewegt sich auf der Z-Achse. Beachten Sie auch, dass sich das Schneidwerkzeug in der Spindel dreht, aber diese Drehbewegung wird nicht als Bewegungsachse betrachtet.

Zusammengenommen definiert der Bereich dieser Bewegungen einen dreidimensionalen Raum, ein kubisches Volumen, in dem die Maschine Schneidevorgänge durchführt.

Wofür wird eine 3-Achsen-Fräse verwendet?

Wir verwenden 3-Achsen-Maschinen jeden Tag für eine Vielzahl von Fräsarbeiten. Sie eignen sich hervorragend für den schnellen und effizienten Materialabtrag und die Herstellung flacher oder ebener Oberflächen. Diese geometrischen Formen werden prismatisch genannt, also im Grunde geradlinig, im Gegensatz zu organischen Formen. Ja, eine 3-Achsen-Fräse kann abgerundete Profile herstellen, aber sie ist für diese Aufgabe nicht ideal geeignet.

3-Achsen-Fräsen werden üblicherweise zum Bohren und Gewindeschneiden verwendet, aber nur entlang der Z-Achse. Das liegt daran, dass sich die Spindel auf und ab bewegt und nicht von der Seite in das Werkstück eindringen kann. Dies ist eine Einschränkung für viele Teile, die Löcher oder Taschen auf mehreren Flächen benötigen, die die 3-Achsen-Maschine normalerweise nicht erreichen kann.

Natürlich kann diese Einschränkung überwunden werden, wenn das Teil vom Arbeitstisch demontiert und dann neu positioniert wird. Das ist akzeptabel, wenn es keine andere Möglichkeit gibt, aber dann muss das Werkstück neu indexiert werden. Das bedeutet, dass Sie mit Hilfe von Messtastern einen neuen Bezugspunkt festlegen müssen, bevor die Bearbeitung wieder aufgenommen werden kann.

Dies ist ein langsamer Prozess und birgt die reale Möglichkeit von Maßfehlern. Aus diesem Grund sollten Sie es nach Möglichkeit vermeiden, ein Teil aus seiner Halterung zu nehmen und es mitten in einem Auftrag neu zu positionieren.

Eine 3-Achsen-Fräse kann kreisförmige Merkmale herstellen, aber nur auf der X/Y-Ebene. Dennoch ist die relative Einfachheit der Bewegung für viele Projekte geeignet, die keine Komplexität erfordern und stattdessen von einem maximalen Teiledurchsatz und Prozesseffizienz profitieren.

Was sind die Vorteile einer 4-Achsen-CNC-Fräse?

Das Hinzufügen einer 4. Bewegungsachse eröffnet Ihnen viele neue Bearbeitungsmöglichkeiten. Dies wird in der Regel durch eine zusätzliche Drehbewegung entlang der X-Achse erreicht. Eine solche zusätzliche Drehung entlang der X-Achse wird als A-Achse bezeichnet.

Der Drehtisch ermöglicht es dem Bearbeiter, ein Teil an einem Ende zu montieren und es dann zu drehen, um auf die übrigen Seiten des Werkstücks zuzugreifen. Auf diese Weise wird das Problem der erneuten Montage und Indexierung vermieden, wie es bei einer 3-Achsen-Fräse der Fall wäre. Da das Werkstück teilweise aufgehängt ist, d.h. die Oberfläche des Arbeitstisches nicht berührt, ist es jetzt möglich, Löcher oder andere Merkmale zu bohren, die das Werkstück vollständig durchdringen.

Vor allem aber eröffnet die Drehung des Werkstücks während der Bearbeitung die Möglichkeit, komplexere Kurven und Konturen zu erstellen. Ein Teil kann sogar wie auf einer Drehbank gedreht werden, so dass zylindrische und sphärische Profile entstehen. Die 4-Achsen-Fräse ist jedoch nicht für diese Art der Bearbeitung optimiert und ist daher langsamer als eine Drehbank.

Was sind die Vorteile einer 5-Achsen-CNC-Fräse?

Ein weiterer Freiheitsgrad kann hinzugefügt werden, dieses Mal entlang der Y-Achse. Die Drehung um Y wird als B-Achse bezeichnet.

Um fünf Freiheitsachsen zu erreichen, kann eine 3-Achsen-Fräse mit einem Trammelkopf nachgerüstet werden. Dabei handelt es sich um ein Zusatzgerät, das Bewegungen in der A- und B-Achse ermöglicht. Zusammen mit den anderen Fähigkeiten eines 3-Achsen-Fräsers ist es jetzt möglich, anspruchsvollere Formen wie z.B. schraubenförmige Rotoren herzustellen. Diese haben komplexe, zusammengesetzte Kurven in mehreren Richtungen, die nur auf einer 5-Achsen-Maschine hergestellt werden können.

Es gibt jedoch eine Einschränkung bei einer 3-Achsen-Maschine mit einem Trammelkopf. Zum einen ist eine spezielle 5-Achsen-Maschine in der Regel sehr viel steifer. Das liegt daran, dass sie die Genauigkeit beibehalten muss, auch wenn sie sich in viele Richtungen gleichzeitig bewegt. Diese Präzision bedeutet engere Toleranzen selbst für relativ einfache Teile.

Wie viele Achsen gibt es noch?

In dem Bestreben, immer anspruchsvollere Teile schnell und mit minimalen Rüstzeiten herzustellen, erweitern CNC-Bearbeitungszentren ihre Kapazitäten erheblich. 9-Achsen-Maschinen kombinieren Dreh- und Fräsfunktionen mit fortschrittlicher Robotik und bieten so Komplettlösungen. Sie sind jedoch in der Regel groß und teuer im Betrieb. Solche Maschinen werden in der Regel für die Luft- und Raumfahrt, das Militär oder wissenschaftliche Anwendungen eingesetzt.

Für die meisten Produkte reichen 5 Achsen aus, um funktionsreiche Teile mit engen Toleranzen herzustellen. Das können Sie erwarten, wenn Sie bei DEK ein kostenloses Angebot für Ihr nächstes CNC-Rapid-Prototyping- oder Kleinserienfertigungsprojekt anfordern.

Autor

Austin Peng - Experte für Fertigung

Spezialisiert auf CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Urethanguss, Rapid Tooling, Spritzguss, Metallguss, Blech und Strangpressen