4-Achs-Bearbeitung: Passen Sie Ihre Präzisionsteile individuell an.

Mehrachsige Bearbeitungstechniken sind in modernen CNC-Fertigungsanlagen weit verbreitet. Die 4-Achs-Bearbeitung ist eine dieser Techniken. Doch wann eignet sie sich für Ihr Werkstück? Schließlich beeinflussen die verschiedenen Bearbeitungstechniken die Bearbeitungskosten direkt. Dieser Leitfaden erklärt Ihnen die 4-Achs-Bearbeitung, die entsprechenden Maschinen und wann sie für Ihre Werkstücke geeignet ist.

Was ist 4-Achsen-Bearbeitung?

Die 4-Achs-Bearbeitung ist eine fortschrittliche CNC-Bearbeitungsmethode. Sie verfügt über eine zusätzliche Drehachse, die sich um die X-Achse dreht. Werkzeuge können sich bei einer 4-Achs-Maschine frei im dreidimensionalen Raum bewegen und gleichzeitig um die A-Achse rotieren. Dies ermöglicht die Bearbeitung von mehreren Seiten. Da die 4-Achs-Bearbeitung keine häufige manuelle Nachpositionierung erfordert, werden Ausrichtungsfehler minimiert. So lassen sich gekrümmte Oberflächen, Winkel, Nuten und Schlitze problemlos in einer einzigen Aufspannung herstellen. Die 4-Achs-Bearbeitung eignet sich zudem ideal für rotationssymmetrische Geometrien.

Wie viele Achsen hat eine CNC-Maschine?

Die gebräuchlichste Art von CNC-Maschinen hat nur 3 Achsen. Moderne CNC-Maschinen verfügen jedoch über mehr Achsen. Beispielsweise haben 4-Achs-Maschinen 4 Achsen. In den Prognoseleitfäden haben wir die Unterschiede zwischen 3-Achs- und 5-Achs-BearbeitungHier vergleichen wir sie mit der 4-Achs-Bearbeitung.

Welche Arten von 4-Achs-CNC-Maschinen gibt es bauartbedingt?

4-Achs-CNC-Maschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die Kategorisierung erfolgt anhand ihrer Bauweise und Ausrichtung. Jede Ausführung hat ihre spezifischen Einsatzmöglichkeiten. CNC-Hersteller wählen die Maschinentypen abhängig von Budget, Platzbedarf und Komplexität der Konstruktion.

Vertikale 4-Achs-CNC-Fräsmaschinen

Vertikale 4-Achs-CNC-Maschinen sind die am weitesten verbreiteten Maschinentypen. Sie sind kompakt und kostengünstig. Ihr charakteristisches Merkmal ist die vertikale Spindel und der Drehtisch. Sie werden häufig zur Bearbeitung prismatischer Teile mit folgenden Eigenschaften eingesetzt:

• Flache Oberflächen
• Äußere Profile
• Nutzen
• Seitenlöcher

Dies liegt daran, dass die vierte Drehachse das Werkstück drehen kann, um verschiedene Seiten zu bearbeiten.

Horizontale 4-Achs-CNC-Fräsmaschine

Analog zu vertikalen 4-Achs-CNC-Maschinen verfügt die horizontale Ausführung über eine horizontale Spindel und einen Drehtisch. Aufgrund ihrer Ausrichtung können horizontale 4-Achs-CNC-Maschinen größere Werkstücke bearbeiten. Sie eignen sich für die Bearbeitung von Teilen mit folgenden Eigenschaften:

• Mehrere bearbeitete Flächen
• Tiefe Hohlräume
• Es muss eine große Menge Material entfernt werden.

Im Vergleich zu vertikalen 4-Achs-CNC-Fräsmaschinen eignet sich diese CNC-Fräsmaschine besser für die Spanabfuhr aus tiefen Kavitäten.

4-Achsen-CNC-Drehmaschine

4-Achs-Drehmaschinen vereinen Dreh- und Fräsvorgänge in einer einzigen Maschine. Die zusätzliche vierte Achse ermöglicht die Bearbeitung rotationssymmetrischer Bauteile wie Wellen, Armaturen, Ventile und Verbinder. Durch die Minimierung der Rüstvorgänge lässt sich mit dieser 4-Achs-Bearbeitungstechnik viel Produktionszeit einsparen. Eine einzige Aufspannung deckt mehrere Bearbeitungsschritte ab.

Typen von 4-Achs-Maschinen nach Programmierung

4-Achs-Maschinen können auch nach dem Programmiertyp kategorisiert werden.

Indexierte 4-Achs-Maschinen

Indexierte 4-Achs-Maschinen werden auch 3+1-Maschinen genannt. Die Koordinaten entlang der X-, Y- und Z-Achse positionieren das Werkzeug gemäß dem Werkzeugweg. Die vierte Achse rotiert, um das Werkstück zu positionieren.

Diese Rotation erfolgt jedoch nicht gleichzeitig mit dem Schneidvorgang. Indexierte 4-Achs-Maschinen können nicht so komplexe Teile bearbeiten wie kontinuierliche 4-Achs-Maschinen. Sie werden aber hauptsächlich aufgrund ihrer geringen Kosten und der einfacheren Programmierung bevorzugt. Die vierte Achse bietet dennoch viele Vorteile. Anstatt den Betrieb zum Umspannen und Justieren vollständig zu unterbrechen, erledigt die vierte Achse dies komfortabel.

Kontinuierliche 4-Achsen-Maschinen

Kontinuierliche 4-Achs-Maschinen bieten ein hohes Bearbeitungspotenzial. Der Drehtisch ermöglicht eine kontinuierliche Rotation synchron mit dem Schneidwerkzeug. Dadurch lassen sich komplexe Strukturen wie Spiralnuten, Nocken, Turbinenbauteile und zylindrische Flächen problemlos bearbeiten. Die kontinuierliche 4-Achs-Bearbeitung erfordert jedoch eine hohe Programmierkomplexität und ist zudem teurer als indexierte 4-Achs-Maschinen.

Hybridprogrammierung von 4-Achs-Maschinen

Hybridprogrammierbare 4-Achs-Maschinen vereinen die Vorteile von Indexmaschinen mit denen von kontinuierlichen Maschinen. Für einfache Konstruktionen eignet sich eine Indexmaschine mit unkomplizierter Programmierung. Für komplexe Oberflächen kommt die rechenintensive kontinuierliche Option zum Einsatz. Hybridprogrammierbare 4-Achs-Maschinen bieten ein optimales Verhältnis zwischen Produktivität, Programmieraufwand und Bearbeitungsleistung und optimieren so die Zykluszeit.

Warum 4-Achs-Bearbeitung einsetzen?

Obwohl die 5-Achs-Bearbeitungstechnik fortschrittlicher ist, bedeutet das nicht, dass sie für Ihre Teile immer erforderlich ist. Die 4-Achs-Bearbeitung kann eine kostengünstigere Alternative sein, wenn sie für Ihre Teile ausreicht. Lassen Sie uns die Vorteile genauer betrachten.

Reduzieren Sie die Rüstzeit

Die 4-Achs-Bearbeitung verkürzt die Zykluszeit erheblich. Anstatt das Werkstück manuell neu einzuspannen, um verschiedene Flächen zu bearbeiten, können 4-Achs-Maschinen das Werkstück automatisch drehen. Dadurch lassen sich mehrere Flächen bearbeiten, ohne das Teil entnehmen zu müssen. Dieses Verfahren mit nur einer Aufspannung spart viel Zeit, sodass Kunden die Teile in kurzer Zeit erhalten.

Fähigkeit zur Bearbeitung komplexer Merkmale

Die 4-Achs-Bearbeitung ermöglicht die präzise Bearbeitung von Teilen mit komplexen Designs wie gekrümmten Flächen, Spiralformen, unregelmäßigen Nuten usw. Wenn es sich bei Ihrem Teil um ein zylindrisches Teil mit durchgehenden Konturen handelt, ist die 4-Achs-Bearbeitung eine gute Wahl.

Genauigkeit verbessern

Da die 4-Achs-Bearbeitung viele Arbeitsschritte automatisiert, werden Fehler, die durch manuelle Positionierung entstehen, minimiert. Im Gegensatz zur 3-Achs-Bearbeitung, bei der die Spannposition stets manuell angepasst werden muss, kann die 4-Achs-Bearbeitung die Genauigkeit verbessern, da sie Nachspannfehler reduziert. (Die 4-Achs-Bearbeitung ermöglicht die Bearbeitung mehrerer Flächen eines Werkstücks in einem Arbeitsgang.)

Steigerung der Produktivität

Die 4-Achs-Bearbeitung steigert die Produktivität. Sie verkürzt die Zykluszeit, minimiert Fehler und maximiert die Maschinenauslastung. Dadurch erhöht sich der Ausstoß, die Lohnkosten sinken und die Durchlaufzeiten verkürzen sich.

Wie die 4-Achs-Bearbeitung funktioniert

Die grundlegende Funktionsweise einer 4-Achs-CNC-Maschine unterscheidet sich kaum von anderen CNC-Maschinen. Sie fertigt das Produkt gemäß der CAD-Zeichnung. Alles läuft vollautomatisch ab. Die Werkzeugwege werden von der CAM-Software generiert. Der einzige Unterschied liegt im vorhandenen Drehtisch, der eine vierte Achse ermöglicht. Doch gerade dieser kleine Unterschied führt zu einer deutlichen Produktivitätssteigerung.

CNC-Steuerung Drehtisch

Ein CNC-gesteuerter Drehtisch ist das Kernstück einer 4-Achs-Maschine. Dieser Drehtisch bewegt das Werkstück in die vorgegebene Winkelposition. Dadurch können in einer einzigen Aufspannung sowohl mehrere Flächen als auch zylindrische Elemente bearbeitet werden.

Werkzeugbewegungen und Koordinaten

Bei der 4-Achs-Bearbeitung folgt das Werkzeug den von der CAM-Software erstellten Werkzeugwegen. Es handelt sich um eine präzise koordinierte Bewegung. Das Werkzeug kann sich im X-, Y- und Z-Koordinatenraum positionieren. Der Drehtisch bewegt sich synchron mit dem Werkzeug. So lassen sich selbst komplexe Strukturen in kurzer Zeit präzise bearbeiten.

Typischer Bearbeitungsablauf

Im Allgemeinen erfolgt die 4-Achs-Bearbeitung in der unten aufgeführten schrittweisen Reihenfolge:

1. Teiledesign
2. CAM-Programmierung
3. Werkstückeinrichtung
4. Maschinenkalibrierung
5. Automatische Drehpositionierung
6. Kontinuierliche Bearbeitung
7. Konfektionierung
8. Inspektion

Werkzeuganforderungen für die 4-Achs-Bearbeitung

Die 4-Achs-Bearbeitung stellt ebenso spezifische Anforderungen an die Werkzeuge wie der Prozess selbst. Aufgrund der einzigartigen Leistungsfähigkeit benötigt die 4-Achs-Bearbeitung starre, harte und verlängerte Werkzeuge. Für manche Bearbeitungsvorgänge sind sogar spezielle Werkzeuggeometrien erforderlich.

Werkzeuglänge

Die 4-Achs-Bearbeitung umfasst in der Regel die Bearbeitung komplexer Strukturen und Umfangsbearbeitungen. Dies erfordert eine größere Werkzeugreichweite. Tatsächlich sollte das kürzeste Werkzeug, mit dem die Bearbeitung möglich ist, bevorzugt werden. Zu lange Werkzeuge verursachen häufig Probleme wie Durchbiegung, Rattern und Vibrationen. Daher wählen Zerspanungsmechaniker bei Bedarf an längeren Werkzeugen starre und robuste Werkzeuge.

Werkzeugtypen und Geometrien

Für die 4-Achs-Bearbeitung stehen verschiedene Werkzeugtypen zur Verfügung. Jedes Werkzeug erfüllt eine spezifische Funktion.

Kugelfräser werden beispielsweise für gekrümmte Oberflächen und glatte Konturen verwendet. Ein weiteres Beispiel sind Fräser mit gebogenem Radius, die für komplexe Profile zum Einsatz kommen. Zu den weiteren gängigen Werkzeugtypen zählen: Schaftfräser, Kugelfräser, Eckradiusfräser, Bohrer und Gewindefräser.

Eines sollte man unbedingt beachten: Nur mit dem richtigen Werkzeug lassen sich die gewünschten Ergebnisse erzielen. Entscheidende Parameter wie Schnittleistung, Oberflächengüte, Spanabfuhr und Werkzeugstandzeit hängen davon ab.

Werkzeugmaterialien

Werkzeugmaterialien spielen eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit der 4-Achs-Bearbeitung. Wie bereits erwähnt, zeichnet sich die 4-Achs-Bearbeitung durch eine größere Werkzeugreichweite, unterbrochene Schnitte und wechselnde Schnittrichtungen aus. Die Werkzeuge müssen daher vor allem steif und scharf sein. Vollhartmetall hat sich als beliebtes Werkzeugmaterial für die 4-Achs-Bearbeitung erwiesen und bietet deutlich bessere Ergebnisse als HSS-Werkzeuge. Weitere Optionen sind PKD, Keramik und Cermet.

Richtlinien für die Teilekonstruktion bei der 4-Achs-Bearbeitung

Die frühzeitige Einhaltung der Konstruktionsrichtlinien hilft, spätere Schwierigkeiten zu vermeiden. Eine durchdachte Konstruktion berücksichtigt nicht nur die Funktionalität, sondern auch die Herstellbarkeit. Die Konstruktionsmerkmale müssen mit den Bearbeitungsmöglichkeiten der 4-Achs-Maschine kompatibel sein.

Geeignete Geometrien

Die 4-Achs-Bearbeitung eignet sich optimal für die Herstellung von Rotationsteilen. Sie ermöglicht den Zugang von mehreren Seiten. Dadurch lassen sich Merkmale, die entlang des Umfangs eines Teils verteilt sind, in diesem Verfahren leichter realisieren. Ist eine Bearbeitung von mehreren Seiten erforderlich, können 4-Achs-Maschinen dies in einer einzigen Aufspannung durchführen.

Ungeeignete Geometrien

Die 4-Achs-Bearbeitung ermöglicht die Herstellung komplexer Formen in einer einzigen Aufspannung. Dennoch gibt es einige Geometrien, die sehr schwierig zu fertigen sind. Einige Beispiele sind nachfolgend aufgeführt:

1. Tiefe Hinterschneidungen, die von Standardrichtungen aus nicht zugänglich sind
2. Komplexe Freiformflächen
3. Funktionen, die hinter der Teilestruktur verborgen sind
4. Mehrwinkellöcher
5. Gleichzeitige Bearbeitung aus mehreren Richtungen

Die oben genannten Szenarien erfordern möglicherweise eine 5-Achs-Maschine. Andernfalls sind bei der 4-Achs-Bearbeitung eine sehr sorgfältige Steuerung und mehrere Aufspannungen erforderlich.

Konstruktionstipps für die Mehrseitenbearbeitung

An effiziente Teilekonstruktion steigert die Produktivität und senkt gleichzeitig die Kosten. In diesem Zusammenhang könnten Ihnen einige der folgenden Tipps helfen:

1. Vermeiden Sie unnötig tiefe Taschen.
2. Vermeiden Sie scharfe Innenradien.
3. Gruppieren Sie Funktionen, die sich auf derselben Seite befinden.
4. Verteile die Merkmale um die Rotationsachse
5. Freiraum für Werkzeugbewegungen lassen
6. Lassen Sie ausreichend Material zum Klemmen übrig.

Grenzen der 4-Achs-Bearbeitung

Insgesamt ist die 4-Achs-Bearbeitung ein hervorragendes Verfahren, das sich für eine Vielzahl von Konstruktionstypen eignet. Allerdings schränken bestimmte Einschränkungen den Einsatz von 4-Achs-Maschinen ein. Das Verständnis dieser Einschränkungen hilft, fundierte Entscheidungen zu treffen.

Geometriebeschränkungen

Bestimmte Geometrien stellen bei der 4-Achs-Bearbeitung erhebliche Probleme dar. Beispiele hierfür sind tiefe Hinterschnitte, verdeckte Hohlräume, umgekehrte Winkel und Freiformflächen. Für diese Merkmale ist unter Umständen eine 5-Achs-Maschine erforderlich.

Werkzeugwegbeschränkungen

Manche Bearbeitungsfunktionen erfordern Werkzeuge mit großer Reichweite. Theoretisch ist das kein Problem. In der Praxis neigen lange Werkzeuge jedoch zu Durchbiegung und Vibrationen. Schwer zugängliche Bereiche sind oft schwierig zu bearbeiten. Die Werkzeugwegprogrammierung ist etwas komplexer als bei der 3-Achs-Bearbeitung.

Beschränkungen der Werkstückgröße

Die Werkstückgröße kann aufgrund der Kapazität des Drehtisches mitunter begrenzt sein. Dies gilt insbesondere für Vertikalachsenmaschinen. Horizontalachsenmaschinen bieten hier eine gewisse Entlastung. Ihre hohen Anschaffungskosten können ihren Einsatz jedoch in manchen Fällen einschränken.

Gut ausgebildete Bediener erforderlich

Zusätzliche Funktionen an 4-Achs-Maschinen erfordern zusätzliche Fachkenntnisse. Nur gut ausgebildete Bediener können einen reibungslosen Ablauf gewährleisten. Hinzu kommt die Herausforderung der Programmierung. Im Vergleich zu 3-Achs-Maschinen erfordert die fortgeschrittene Programmierung in der 4-Achs-Bearbeitung mehr Know-how. Die Verfügbarkeit von gut ausgebildeten Bedienern kann sich als Engpass erweisen.

Fazit

Die 4-Achs-Bearbeitung ist effizienter als wiederholte 3-Achs-Aufspannungen und kostengünstiger als die unnötige 5-Achs-Bearbeitung für Teile mit mehreren Flächen oder Drehfunktionen. Sie verfügt über eine synchronisierte Drehbewegung parallel zur Translationsbewegung. Dadurch können Teile in einer einzigen Aufspannung gefertigt werden, für die sonst mehrere Aufspannungen erforderlich wären. Dies verkürzt die Zykluszeit, reduziert Fehler und steigert die Produktivität.

Wir bei Tuofa sind der Überzeugung, dass die beste Lösung nicht immer die fortschrittlichste ist. Durch die Kombination von 3-Achsen-, 4-Achsen- und 5-Achs-CNC-BearbeitungsmöglichkeitenWir helfen unseren Kunden, das richtige Gleichgewicht zwischen Präzision, Effizienz und Kosten zu erreichen.

FAQ

Gibt es 6-Achs-CNC-Maschinen?

Sie existieren, sind aber sehr selten. Sie werden für hochkomplexe Aufgaben eingesetzt.

Was ist eine 4-Achs-CNC-Maschine?

Es handelt sich um eine computergesteuerte Maschine, die es dem Werkzeug ermöglicht, sich entlang dreier Achsen zu bewegen. Ein Drehtisch rotiert das Werkstück um die vier Achsen.^thAchse.

Ist die 5-Achs-CNC-Bearbeitung schneller?

Ja, sie ist schneller als eine 4-Achs-Maschine. Die Werkzeugweggenerierung für das erste Werkstück kann jedoch etwas mehr Zeit in Anspruch nehmen.