Kennen Sie die 5-Achsen-Bearbeitung wirklich gut? Alles Wissenswerte zur 5-Achsen-Bearbeitung!

 

 

In den letzten Jahren hat sich das fünfachsige, koordinatengesteuerte Bearbeitungszentrum in zahlreichen Anwendungsbereichen immer stärker verbreitet. In der praktischen Anwendung stellt die fünfachsige Koordinatenbearbeitung bei der effizienten und qualitativ hochwertigen Bearbeitung komplexer, geometrisch unregelmäßiger Bauteile zweifellos ein entscheidendes Mittel zur Lösung dieser Herausforderungen dar. Immer mehr Unternehmen setzen daher auf fünfachsige Maschinenausrüstung, um eine hocheffiziente und qualitativ anspruchsvolle Bearbeitung zu gewährleisten. Doch kennen Sie die fünfachsige Bearbeitung wirklich ausreichend?

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile von echten und unechten Fünfachsen:

 

01 Mechanische Aufbauformen von 5-Achsen-Werkzeugmaschinen

Um die Fünf-Achsen-Bearbeitung wirklich zu verstehen, müssen wir zunächst klären, was eine Fünf-Achsen-Maschine ist. Eine Fünf-Achsen-Maschine – wie der Name schon sagt – verfügt über die drei üblichen Linearachsen X, Y und Z sowie zwei Rotationsachsen. Von den drei Rotationsachsen A, B und C weisen zwei unterschiedliche Bewegungsarten auf, um den technischen Anforderungen verschiedenster Produkte gerecht zu werden.

Im Bereich der mechanischen Konstruktion von 5-Achsen-Bearbeitungszentren setzen die Maschinenhersteller konsequent auf die Entwicklung neuer Bewegungsmodi, um den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht zu werden. Eine Gesamtbetrachtung der derzeit auf dem Markt verfügbaren 5-Achsen-Maschinen zeigt, dass sich deren mechanische Aufbauten zwar in vielfältiger Weise unterscheiden, jedoch im Wesentlichen auf folgende Bauformen beschränken:

 

1. Zwei Rotationskoordinaten steuern direkt die Richtung der Werkzeugachse (Doppel-Schwenkkopf-Ausführung).

 

 

2. Die beiden Koordinatenachsen befinden sich am Werkzeugkopf, jedoch steht die Rotationsachse nicht senkrecht zur Linearachse (Kopf mit Schwenkbewegung in der Vertikalebene).

 

3. Zwei Drehkoordinaten steuern direkt die Rotation im Raum (Doppel-Drehbühnen-Aufbau).

 

 

4. Die beiden Koordinatenachsen befinden sich auf dem Arbeitstisch, jedoch steht die Rotationsachse nicht senkrecht zur Linearachse (Tischbauart mit Schwenkbett).

 

 

5. Zwei Drehkoordinaten – eine wirkt auf das Werkzeug, die andere auf das Werkstück (in Form von Schwenk- und Drehbewegung).

 

*Terminologie: Wird die Rotationsachse nicht senkrecht zur Linearachse angeordnet, so spricht man von einer „schiefen“ Achse.

 

Nachdem wir uns die verschiedenen Aufbauten von 5-Achs-Bearbeitungszentren angesehen haben, sind wir meiner Meinung nach nun gut darüber informiert, welche Bewegungen diese Maschinen ausführen und wie sie sich dabei bewegen. Doch welche besonderen Leistungsmerkmale können solch vielfältige Maschinenkonstruktionen beim Bearbeiten tatsächlich zur Geltung bringen? Und welche Vorteile bieten sie im Vergleich zu herkömmlichen 3-Achs-Maschinen? Im Folgenden wollen wir uns daher genauer ansehen, welche herausragenden Stärken 5-Achs-Bearbeitungszentren aufweisen.

 

Die zahlreichen Vorteile der Fünf-Achsen-Bearbeitung

 

Wenn man die Besonderheiten von Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen erörtert, ist es unvermeidlich, sie mit herkömmlichen Drei-Achsen-Anlagen zu vergleichen. In der Produktion sind Drei-Achsen-Bearbeitungszentren weit verbreitet; sie gibt es in verschiedenen Ausführungen, darunter vertikale, horizontale und Portalmaschinen. Zu den gängigen Bearbeitungsverfahren zählen die Stirnflächenbearbeitung mit Schaftfräsern, die Seitenflächenbearbeitung sowie die Profilbearbeitung mit Kugelkopffräsern. Unabhängig von Bauart und Verfahren weisen alle jedoch ein gemeinsames Merkmal auf: Während des Bearbeitungsprozesses bleibt die Achsrichtung des Werkzeugs stets unverändert; die Maschine kann die Bewegung des Werkzeugs im kartesischen Raum lediglich durch Interpolation entlang der drei linearen Achsen X, Y und Z realisieren. Folglich treten bei der Bearbeitung der nachstehenden Bauteile die Nachteile von Drei-Achsen-Maschinen deutlich hervor: geringe Effizienz, schlechte Oberflächengüte – und in manchen Fällen sogar die Unmöglichkeit der Bearbeitung.

 

 

Im Vergleich zu dreiachsigen CNC-Bearbeitungszentren weisen fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen folgende Vorteile auf:

 

1. Den optimalen Schneidzustand der Werkzeuge aufrechterhalten und die Schneidbedingungen verbessern.

 

 

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, führt beim dreiaxigen Zerspanungsverfahren in der linken Darstellung die Bewegung des Schneidwerkzeugs zur Spitze oder zum Werkstückrand zu einer schrittweisen Verschlechterung des Zerspanungszustands. Um auch an diesen Stellen einen optimalen Zerspanungszustand aufrechtzuerhalten, ist eine Drehung des Arbeitstisches erforderlich. Möchte man hingegen eine unregelmäßige Fläche vollständig bearbeiten, muss der Arbeitstisch mehrfach in verschiedene Richtungen gedreht werden. Wie zu erkennen ist, ermöglicht eine fünfachsige Werkzeugmaschine zudem, das Phänomen zu vermeiden, dass die lineare Geschwindigkeit des Mittelpunkts eines Kugelkopffräsers null beträgt, und so eine bessere Oberflächenqualität zu erzielen.

 

2. Effektive Vermeidung von Werkzeugkollisionen

 

 

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, können dreiaxiale Bearbeitungszentren aufgrund von Kollisionsproblemen die Anforderungen an die Fertigungsprozesse für Bauteile wie Laufräder, Schaufeln und integrierte Blatt­scheiben in der Luft- und Raumfahrt nicht erfüllen – hier kommt eine fünfachsige Werkzeugmaschine zum Einsatz. Gleichzeitig ermöglicht die fünfachsige Bearbeitung die Verwendung kürzerer Werkzeuge, was die Systemsteifigkeit erhöht, die Anzahl der eingesetzten Werkzeuge reduziert und die Notwendigkeit spezieller Sonderwerkzeuge vermeidet. Für unsere Unternehmensleiter bedeutet dies: Bei den Werkzeugkosten wird sich die Investition in eine fünfachsige Maschine schnell amortisieren!

 

3. Reduzierung der Spannvorgänge: Fünfseitenbearbeitung in einem einzigen Spannvorgang

 

 

 

Wie in der obigen Abbildung zu erkennen ist, ermöglicht ein 5-Achsen-Bearbeitungszentrum zudem eine Reduzierung der Referenzwechsel und eine Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit. In der praktischen Fertigung genügt eine einzige Spannvorrichtung, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit leichter gewährleistet werden kann. Gleichzeitig führen die Verkürzung der Prozesskette und die Verringerung der Anzahl der Maschinen bei einem 5-Achsen-Bearbeitungszentrum auch zu einem Rückgang des Bedarfs an Werkzeug- und Spannvorrichtungen, der benötigten Hallenfläche sowie der Wartungskosten für die Anlagen. Dies bedeutet, dass Sie mit weniger Spannvorrichtungen, weniger Hallenfläche und geringeren Wartungskosten eine effizientere und qualitativ hochwertigere Bearbeitung erzielen können!

 

Wie in der Abbildung dargestellt, kann bei einer Fünf-Achsen-Werkzeugmaschine die seitliche Schneidkante des Werkzeugs eingesetzt werden, was zu einer höheren Bearbeitungseffizienz führt.

 

 

5. Verkürzung der Produktionsprozesskette und Vereinfachung des Produktionsmanagements

 

Die vollständige Bearbeitung mit einer fünfachsigen CNC-Maschine verkürzt den Produktionsprozess erheblich und ermöglicht eine Vereinfachung des Produktionsmanagements sowie der Planungs- und Dispositionsabläufe. Je komplexer das Werkstück ist, desto deutlicher zeigen sich die Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren mit dezentralisierten Arbeitsgängen.

 

6. Verkürzung des Entwicklungszyklus neuer Produkte

 

Für Unternehmen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und anderen Branchen weisen manche Bauteile neuer Produkte sowie die zugehörigen Formwerkzeuge sehr komplexe Geometrien auf und erfordern zudem äußerst hohe Genauigkeitsanforderungen. Daher können fünfachsige CNC-Bearbeitungszentren mit hoher Flexibilität, hoher Präzision, hoher Integrationsfähigkeit und umfassender Bearbeitungskapazität die Probleme der Genauigkeit und der Bearbeitungszeit bei der Fertigung komplexer Bauteile im Rahmen der Entwicklung neuer Produkte effektiv lösen, wodurch sich die Entwicklungszyklen erheblich verkürzen und die Erfolgsquote neuer Produkte deutlich steigen kann.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass fünfachsige Werkzeugmaschinen über eine Fülle von Vorteilen verfügen – doch gleichzeitig sind die Steuerung der Werkzeugausrichtung, das CNC-Steuerungssystem sowie die CAM-Programmierung und die Nachbearbeitung bei fünfachsigen Maschinen weitaus komplexer als bei dreiachsigen. Zugleich führt der Begriff der fünfachsenigen Bearbeitung unweigerlich zur Frage nach echten und scheinbaren Fünf-Achsen-Maschinen: Der entscheidende Unterschied zwischen beiden liegt in der RTCP-Funktion. Doch was genau ist RTCP, wie entsteht sie und wie wird sie eingesetzt? Im Folgenden werden wir RTCP anhand der Maschinenkonstruktion sowie der Programmierung und Nachbearbeitung eingehend analysieren, um ihr wahres Wesen zu verstehen.

 

03 Über RTCP

 

RTCP – in hochwertigen Fünf-Achsen-CNC-Systemen wird unter RTCP der „Rotated Tool Center Point“ verstanden, also die sogenannte „Tippfolgefunktion“. Bei der fünfachsigen Bearbeitung wird bei der Nachführung der Tippbahn sowie der Lagebeziehung zwischen Werkzeug und Werkstück aufgrund der Schwenkbewegungen eine zusätzliche Bewegung des Werkzeugspitzenpunkts erzeugt. Da der Steuerpunkt des CNC-Systems häufig nicht mit dem Werkzeugspitzenpunkt übereinstimmt, muss das CNC-System diesen Steuerpunkt automatisch korrigieren, um sicherzustellen, dass sich der Werkzeugspitzenpunkt gemäß der vorgegebenen Bahn bewegt. In der Branche werden diese Technologien auch als TCPM, TCPC oder RPCP bezeichnet. Tatsächlich entsprechen die Funktionsdefinitionen dieser Bezeichnungen im Wesentlichen denen von RTCP; streng genommen kommt die RTCP-Funktion jedoch nur bei Maschinen mit doppelter Schwenkkopfkonfiguration zum Einsatz, wo die Kompensation über den Drehzentrumspunkt des Schwenkkopfes erfolgt. Eine vergleichbare Funktion wie RPCP hingegen findet vor allem bei Maschinen mit doppeltem Rotations-Tisch Anwendung und kompensiert die durch die Werkstückdrehung bedingten Änderungen der Koordinaten der Linearachsen. Letztlich dienen all diese Funktionen demselben Ziel: den Werkzeugmittelpunkt sowie den tatsächlichen Berührungspunkt zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche konstant zu halten. Aus Gründen der einheitlichen Darstellung werden daher in diesem Beitrag alle diese Technologien unter dem Begriff „RTCP-Technologie“ zusammengefasst.

 

 

 

Wie ist die RTCP-Funktion also entstanden? Vor vielen Jahren, als fünfachsige Werkzeugmaschinen gerade erst auf dem Markt verbreitet wurden, wurde das RTCP-Konzept von den Maschinenherstellern stark beworben. Damals wirkte die RTCP-Funktion eher wie ein bloßes technisches Gimmick – der Fokus lag vor allem auf der Technologie an sich und auf ihrer öffentlichen Aufmerksamkeit. Tatsächlich ist es genau umgekehrt: RTCP ist nicht nur eine gute Technologie, sondern vor allem eine Technologie, die Kunden echte Vorteile bringt und Mehrwert schafft. Werkzeugmaschinen mit RTCP-Technologie – in China auch als „echte fünfachsige Werkzeugmaschinen“ bezeichnet – erfordern von den Bedienern keine präzise Ausrichtung des Werkstücks auf die Drehachsenachse mehr; das Werkstück kann beliebig gespannt werden, und die Maschine kompensiert die Versätze automatisch. Dadurch wird die Nebenzeit erheblich verkürzt, während gleichzeitig die Bearbeitungsgenauigkeit steigt. Zudem ist die Nachbearbeitung sehr einfach: Es genügt, lediglich die Koordinaten des Schneidpunkts sowie den zugehörigen Vektor auszugeben. Wie bereits erwähnt, weisen fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen in ihrer mechanischen Konstruktion hauptsächlich zwei Bauarten auf: doppelte Schwenkköpfe, doppelte Rundtische sowie Kombinationen aus einem Schwenkkopf und einem Rundtisch.

 

Im Folgenden werden wir am Beispiel eines hochwertigen Fünf-Achsen-CNC-Systems mit zwei Schwenktischen die RTCP-Funktion ausführlich vorstellen.

 

In Fünf-Achsen-Maschinen werden die Konzepte der vierten und fünften Achse wie folgt definiert: Bei einer Doppel-Dreh-Table-Aufbaukonfiguration beeinflusst die Drehung der vierten Achse die Lage der fünften Achse, während die Drehung der fünften Achse die Lage der vierten Achse nicht beeinflusst. Die fünfte Achse ist eine Rotationskoordinate, die auf der vierten Achse basiert.

 

 

Nun, nachdem wir die Definition erläutert haben, kommen wir zur Erklärung: Wie in der obigen Abbildung dargestellt, ist die vierte Achse der Werkzeugmaschine die A-Achse und die fünfte Achse die C-Achse. Das Werkstück ist auf dem C-Achsen-Drehtisch montiert. Wenn die A-Achse rotiert, wird aufgrund der Anordnung der C-Achse auf der A-Achse auch die Lage der C-Achse beeinflusst. Analog gilt: Wenn wir das Werkstück auf dem Drehtisch bearbeiten und die Schnittprogrammierung auf den Werkzeugmittelpunkt ausrichten, führt jede Änderung der Drehkoordinaten zwangsläufig zu einer Veränderung der linearen Achsen X, Y und Z, was eine relative Verschiebung zur Folge hat. Um diese Verschiebung zu eliminieren, muss die Werkzeugmaschine entsprechende Kompensationen vornehmen; genau hierfür wurde die RTCP-Funktion entwickelt – sie dient dazu, diese Kompensationen zu beseitigen.

 

Wie kann die Werkzeugmaschine diese Abweichung kompensieren? Im Folgenden werden wir analysieren, wie diese Abweichung entsteht.

 

 

Wie aus dem Vorangegangenen hervorgeht, ist die Verschiebung der Koordinaten der linearen Achsen auf die Änderung der rotierenden Koordinatensysteme zurückzuführen. Daher ist die Analyse des Rotationsmittelpunkts der Drehachse von besonderer Bedeutung. Bei Werkzeugmaschinen mit einer Doppel-Drehbankkonfiguration liegt der Steuerpunkt der C-Achse – also der 5. Achse – in der Regel im Rotationsmittelpunkt der Maschinentischfläche. Für die 4. Achse wird hingegen in der Regel der Mittelpunkt der Achsenlinie der 4. Achse als Steuerpunkt gewählt.

 

 

Um eine Fünf-Achsen-Steuerung zu realisieren, muss das CNC-System die Beziehung zwischen dem Steuerpunkt der fünften Achse und dem Steuerpunkt der vierten Achse kennen. Das heißt: In der Ausgangsposition (Nullstellung der A- und C-Achsen der Werkzeugmaschine) ist der Positionvektor [U, V, W] des Steuerpunkts der fünften Achse in dem Rotationskoordinatensystem der vierten Achse, wobei der Steuerpunkt der vierten Achse als Ursprung gilt. Zusätzlich ist auch der Abstand zwischen den Achsenlinien der A- und C-Achsen zu kennen. Für Werkzeugmaschinen mit zwei Drehbänken gilt folgendes Beispiel, wie in der nachstehenden Abbildung dargestellt.

 

An dieser Stelle wird deutlich, dass bei Werkzeugmaschinen mit RTCP-Funktion das Steuerungssystem dafür sorgt, dass der Werkzeugschaft stets genau an der programmierten Position verbleibt. In diesem Fall handelt es sich um eine unabhängige Programmierung, die nicht von den Bewegungen der Maschine abhängt. Wenn Sie an der Maschine programmieren, müssen Sie sich weder um die Maschinenbewegungen noch um die Werkzeuglänge kümmern – alles, was Sie berücksichtigen müssen, ist die relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Den Rest erledigt das Steuerungssystem für Sie. Ein Beispiel:

 

 

 

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wird bei deaktivierter RTCP-Funktion die Werkzeuglänge im Steuerungssystem nicht berücksichtigt. Das Werkzeug dreht sich um die Achsenmitte. Die Werkzeugschneide verlagert sich von ihrer ursprünglichen Position und ist nicht mehr fixiert.

 

 

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wird bei aktivierter RTCP-Funktion durch das Steuerungssystem lediglich die Werkzeugrichtung geändert; die Position der Werkzeugschneide bleibt hingegen unverändert. Die erforderlichen Kompensationsbewegungen in den Achsen X, Y und Z werden automatisch berechnet und berücksichtigt.

Wie wird bei Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen und CNC-Steuerungen, die über kein RTCP verfügen, das Problem der Koordinatenabweichung der Linearachsen gelöst? Wie wir wissen, gehören heute viele inländische Fünf-Achsen-CNC-Werkzeugmaschinen und -Steuerungen zu den sogenannten „falschen Fünfachsen“; gemeint sind damit Maschinen ohne RTCP-Funktion. Ob es sich um echte oder falsche Fünfachsen handelt, lässt sich weder an der äußeren Erscheinung noch daran erkennen, ob alle fünf Achsen simultan gesteuert werden – schließlich können auch falsche Fünfachsen eine fünffache Achsbewegung realisieren. Der entscheidende Unterschied besteht vielmehr darin, dass sie über keinen echten RTCP-Algorithmus für Fünfachsen verfügen; mit anderen Worten: Bei der Programmierung auf falschen Fünfachsen müssen die Schwenkweite des Spindelkopfes sowie die Position des rotierenden Werkstücktisches berücksichtigt werden. Das bedeutet, dass bei der Programmierung mit einer solchen CNC-Steuerung und -Werkzeugmaschine unbedingt auf CAM-Programmierung und Nachbearbeitungstechnik zurückgegriffen werden muss, um die Werkzeugbahnen im Vorfeld sorgfältig zu planen.

 

Bei ein und demselben Bauteil müssen bei einem Wechsel der Werkzeugmaschine oder der Schneidwerkzeuge stets die CAM-Programmierung und die Nachbearbeitung neu durchgeführt werden. Zudem ist es bei einer sogenannten „falschen“ Fünfachsen-Maschine erforderlich, das Werkstück so zu spannen, dass es genau im Rotationszentrum der Maschinentisch-Drehachse liegt; für den Bediener bedeutet dies erheblichen Aufwand für das Spannen und Ausrichten des Werkstücks – und gleichzeitig lässt sich die erforderliche Genauigkeit nicht gewährleisten. Selbst beim Indexierfräsen ist die „falsche“ Fünfachse weitaus umständlicher. Bei einer „echten“ Fünfachse hingegen genügt es, ein einziges Koordinatensystem zu definieren und nur einmal die Werkzeugposition zu messen, um die gesamte Bearbeitung abzuschließen.

 

Die nachstehende Abbildung erläutert anhand der Einstellungen im NX-Nachbearbeitungseditor die Koordinatentransformation für die sogenannte „falsche Fünfachsenbearbeitung“:

 

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, beruht die sogenannte „falsche Fünfachse“ auf Nachbearbeitungstechniken, bei denen die räumliche Beziehung zwischen den Mittelpunkten der vierten und fünften Achse der Werkzeugmaschine festgelegt wird, um die durch die Rotationsachsen verursachten Verschiebungen der Koordinaten der Linearachsen zu kompensieren. Das dabei erzeugte CNC-Programm enthält in den Achsen X, Y und Z nicht nur die programmierten Annäherungspunkte, sondern auch die erforderlichen Kompensationen für diese Achsen. Eine solche Vorgehensweise führt jedoch nicht nur zu unzureichender Bearbeitungsgenauigkeit und geringer Effizienz; das erzeugte Programm ist zudem nicht universell einsetzbar, und der damit verbundene Personalaufwand ist sehr hoch. Zudem müssen für jede Werkzeugmaschine, deren Rotationsparameter unterschiedlich sind, jeweils entsprechende Nachbearbeitungsdateien erstellt werden, was die Produktion erheblich erschwert. Darüber hinaus lässt sich das von der „falschen Fünfachse“ generierte Programm nicht mehr bearbeiten, sodass eine manuelle Programmierung nach dem Fünf-Achsen-Prinzip praktisch unmöglich ist. Ferner kann aufgrund des Fehlens der RTCP-Funktion eine Vielzahl weiterer fortgeschrittener Fünf-Achsen-Funktionen nicht genutzt werden, etwa die Fünf-Achsen-Werkzeugkompensation. Tatsächlich ist die Fünf-Achsen-Werkzeugmaschine für uns lediglich ein Werkzeug zur Erreichung des gewünschten Bearbeitungsergebnisses – es gibt hierbei weder echte noch falsche Varianten. Entscheidend ist vielmehr, welche Fertigungsstrategie wir wählen und welche Bearbeitungsweise sich dafür am besten eignet; im Vergleich dazu weist eine echte Fünf-Achsen-Werkzeugmaschine ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis auf.