Wat is 3+2-assige bewerking?

Bij het bewerken van meerzijdige werkstukken staan werkplaatsen doorgaans voor twee uitersten: ofwel blijven ze bij een 3-assige machine en nemen ze het voortdurende handmatig omdraaien, opnieuw uitlijnen van werkstukken, verspilde cyclustijd en cumulatieve tolerantiefouten voor lief; ofwel investeren ze in een dure simultane 5-assige freesmachine en gaan ze de uitdaging aan van de complexe programmering en botsingssimulatie die daarmee gepaard gaan.

Hier komt 3+2-assige bewerking om de hoek kijken als de ultieme ‘sweet spot’ met een hoog rendement. De logica is eenvoudig: gebruik de draaiassen om het werkstuk in een bepaalde hoek te kantelen en vast te zetten, en voer vervolgens zeer stabiele verspanbewerkingen uit, net als bij een standaard 3-assige machine.

Simpel gezegd lost het één kernprobleem op: hoe je met de eenvoudigste 3-assige programmering en de meest stabiele mechanische stijfheid tot “bewerking van meerdere zijden in één opspanning” kunt komen.

In dit artikel wordt de 3+2-assige bewerking uitgesplitst in 7 belangrijke aspecten: definitie, werkingsprincipe, machineconfiguraties, procesvoordelen, kostenoverzicht, technische vergelijking (3-assig vs. 3+2 vs. gelijktijdige 5-assige bewerking) en DFM-richtlijnen (Design for Manufacturing).

Wat is 3+2-assige bewerking?

Veel mensen vragen zich af waarom we het “3+2” noemen, terwijl de machine duidelijk vijf fysieke assen gebruikt.

De naam geeft de onderliggende kinematica eigenlijk heel goed weer. Bij 3+2-assige bewerking (in de branche vaak aangeduid als positionele of geïndexeerde 5-assige bewerking) worden ruimtelijke positionering en het daadwerkelijke verspanen in wezen in twee afzonderlijke fasen gescheiden:

Aan het begin van het proces draaien de twee rotatieassen van de machine om het werkstuk of de spilkop in de gewenste ruimtelijke hoek te brengen. Zodra de juiste positie is bereikt, worden de rotatieassen mechanisch of hydraulisch vastgeklemd om een zeer stevige vergrendeling te garanderen. Tijdens het daaropvolgende verspaningsproces nemen deze rotatieassen niet deel aan enige interpolatiebeweging; de bewerking wordt volledig uitgevoerd door de lineaire X-, Y- en Z-assen, waarbij het proces precies verloopt zoals bij standaard 3-assig frezen. Pas nadat het huidige onderdeel is voltooid, worden de rotatieassen ontgrendeld, naar de volgende hoek verplaatst en opnieuw vergrendeld voor de volgende cyclus.

Dit is het fundamentele verschil tussen 3+2-assige en gelijktijdige 5-assige bewerking: bij gelijktijdige bewerking moeten alle 5 assen tijdens het verspanen dynamisch interpoleren en compenseren, terwijl bij 3+2-assige bewerking de rotatieassen tijdens het verspanen volledig statisch en strak vergrendeld moeten blijven.

Bijgevolg wordt op besturingsniveau 3+2-assig bewerken nog steeds geprogrammeerd en uitgevoerd als 3-assig bewerken. Er wordt louter gebruikgemaakt van de ruimtelijke positioneringsmogelijkheden van een 5-assig platform om traditionele 3-assige opstellingen te optimaliseren.

Hoe 3+2-assige bewerking werkt

Om 3+2-assige bewerkingen succesvol uit te voeren, moeten de CNC-besturing, de machinehardware en de CAM-software in onderlinge afstemming de volgende drie stappen doorlopen:

Stap 1: Coördinatensysteemtransformatie (TWP)

Bij standaard 3-assige bewerking beweegt het gereedschap uitsluitend binnen een vast werkstukcoördinatensysteem (WCS). Zodra de draaiassen het werkstuk kantelen, staat het oorspronkelijke coördinatensysteem niet langer loodrecht op de gereedschapsas.

Om dit op te lossen, maakt de CNC-besturing gebruik van een coördinatentransformatietechniek die ‘Tilted Working Plane’ (TWP) wordt genoemd — deze wordt doorgaans uitgevoerd via het G68.2-commando in FANUC of de PLANE-functie in Heidenhain.

De logica is eenvoudig: zodra de rotatieassen hun positionering hebben voltooid, gebruikt de besturing wiskundige matrices om een tijdelijk, virtueel 3-assig vlak op het gekantelde oppervlak vast te stellen. Hierdoor kan het programma standaard X-, Y- en Z-instructies uitvoeren zonder dat de besturing in realtime dynamische berekeningen van het gereedschapsmiddelpunt hoeft uit te voeren, zoals bij gelijktijdige 5-assige bewerking.

Stap 2: Mechanische vastklemmen van de draaiassen

Het vermogen van 3+2-assige bewerking om zware verspaningswerkzaamheden aan te kunnen, hangt in grote mate af van het fysieke opspanningsmechanisme.

Zodra de draaiassen het werkstuk in de gewenste hoek hebben gedraaid, is de machine niet langer afhankelijk van het elektromagnetische houdkoppel van de servomotoren om de snijkrachten op te vangen. In plaats daarvan worden onmiddellijk hogedrukhydraulische of pneumatische remmen in de draaitafel of de zwenkkop ingeschakeld. Bij machines met een hoge stijfheid worden vaak Curvic-koppelingen gebruikt voor een positieve mechanische vergrendeling.

Deze starre vergrendeling maakt van de draaiassen een solide, statische constructie, waardoor trillingen en stootkrachten tijdens het snijden rechtstreeks worden overgebracht naar het gietijzeren machinebed, wat de processtabiliteit waarborgt.

Stap 3: CAM-baanplanning en overgangen

In CAM-software is de programmeerlogica van 3+2-assige bewerking gebaseerd op programmering per vlak. De programmeur hoeft alleen maar de verschillende bewerkingsvlakken en de bijbehorende richtingen van de gereedschapsassen te definiëren. De postprocessor voegt vervolgens automatisch een veilige overgangssequentie in tussen deze vlakken. De standaardbewegingssequentie is:

Het gereedschap terugtrekken tot de veiligheidshoogte → De draaiassen ontgrendelen en positioneren → De draaiassen vastklemmen → Insteken en frezen.

Deze werkwijze voorkomt dat het gereedschap, het werkstuk en de opspanningen tijdens draaibewegingen met elkaar in botsing komen.

Machines en apparatuur voor 3+2-assige bewerking

In de daadwerkelijke productie wordt de 3+2-assige bewerking uitgevoerd op CNC-machines van toonaangevende internationale merken. Afhankelijk van het mechanische ontwerp vallen deze machines over het algemeen in twee hoofdcategorieën uiteen:

Categorie 1: 5-assige machines met draaipunt (tafel-tafel)

Bij een draaitafelmachine zijn de twee rotatieassen (meestal de A- en C-as) in de werktafel geïntegreerd. De spil blijft in een vaste verticale positie staan, terwijl het werkstuk kantelt en draait als een wieg. Dit is de meest gangbare machineconfiguratie voor 3+2-assige bewerking, omdat deze een superieure snijstijfheid biedt.

Haas Automation — UMC-serie

Representatieve modellen: Haas UMC-750 of UMC-500.

Belangrijkste kenmerken: Dit zijn zeer populaire 5-assige machines die wereldwijd in werkplaatsen te vinden zijn. Vanwege hun betaalbaarheid en gebruiksvriendelijke besturingssystemen worden ze door veel werkplaatsen specifiek ingezet als uiterst efficiënte 3+2-assige machines voor de bewerking van spruitstukken, klephuizen en meerzijdige onderdelen.

DMG MORI — DMU-serie

Representatieve modellen: DMG MORI DMU 50.

Belangrijkste kenmerken: DMG MORI geldt in de branche als de maatstaf voor precisie. Hun machines zijn voorzien van uiterst robuuste spindels en een stijf bedontwerp, wat zorgt voor een uitzonderlijke snijstijfheid bij het uitvoeren van zware 3+2-positie-voorbewerkingscycli.

Categorie 2: 5-assige machines met draaibare kop (Head-Head)

Bij een machine met draaibare spilkop blijft de werktafel stil staan. De twee draaiassen (meestal de B- en C-assen) zijn in de spilkop geïntegreerd. De spil kantelt het gereedschap naar de gewenste hoeken, terwijl de tafel het gewicht draagt. Dit type machine is ideaal voor het bewerken van zeer grote, zware onderdelen.

Okuma — MU-serie

Representatieve modellen: Okuma MU-5000V.

Belangrijkste kenmerken: Als toonaangevende Japanse machinebouwer staat Okuma bekend om zijn hoge thermische stabiliteit en spilstijfheid. Zodra de zwenkkop is vergrendeld voor 3+2-bewerking, doet de stijfheid ervan niet onder voor die van een standaard 3-assige freesmachine.

Mazak — VARIAXIS-serie

Representatieve modellen: Mazak VARIAXIS i-700.

Belangrijkste kenmerken: Bekend om zijn uitzonderlijke multitasking-mogelijkheden. De geavanceerde Smooth CNC-besturing van Mazak biedt uitstekende algoritmische ondersteuning voor coördinatensysteemtransformaties (TWP), waardoor snelle, vloeiende overgangen tussen gekantelde vlakken worden gegarandeerd.

Alternatieve oplossing: het achteraf uitrusten van een 3-assige machine

Als een bedrijf een beperkt budget heeft en geen gloednieuwe 5-assige machine wil aanschaffen, is het upgraden van een bestaand 3-assig verticaal bewerkingscentrum (VMC) een praktische oplossing.De aanpak: installeer een hoogwaardige 2-assige draaitafel (of draaiplateau) op de werktafel van een bestaande 3-assige machine. Toonaangevende merken: Japanse draaitafels zoals Tsudakoma worden veelvuldig voor dit doel gebruikt en geven een standaard 3-assige freesmachine direct 3+2-assige positioneringsmogelijkheden.

Waarom kiezen voor 3+2-assige bewerking?

Waarom is 3+2-assige bewerking zo populair? Het biedt in drie eenvoudige punten een oplossing voor precies die knelpunten van 3-assige en gelijktijdige 5-assige bewerking:

• Eén instelling, stapelen zonder speling: Voor het bewerken van meerdere zijden op een 3-assige freesmachine moet het werkstuk vijf keer handmatig worden omgedraaid, wat tot instelfouten leidt. Met de 3+2-methode worden vijf zijden in één opstelling bewerkt, wat arbeid bespaart en cumulatieve toleranties voorkomt.
• Kortere gereedschappen, grotere stijfheid: Door het werkstuk te kantelen, komt de spil dichter bij het snijvlak. Hierdoor zijn lange, flexibele gereedschappen overbodig en kunnen korte, stijve gereedschappen worden gebruikt voor zware sneden, zonder trillingen en met een betere oppervlakteafwerking.
• Eenvoudig programmeren, korte leercurve: Voor gelijktijdige 5-assige programmering is een complex systeem voor het voorkomen van botsingen nodig; 3+2 is gewoon standaard 3-assige programmering op gekantelde vlakken. Elke 3-assige programmeur kan dit uitvoeren zonder dat daarvoor extra training nodig is.

Kosten- en economische analyse

In de haalbaarheidsstudie van elk productieproject vormen de kosten een alomvattend financieel model dat wordt bepaald door kapitaaluitgaven (CapEx) en operationele uitgaven (OpEx).

Ten eerste, wat betreft kapitaaluitgaven (CapEx), biedt 3+2-assige bewerking een opmerkelijke kapitaalefficiëntie. Een hoogwaardige, geïmporteerde machine voor gelijktijdige 5-assige bewerking kost doorgaans tussen de $500.000 en $1.000.000. Daarentegen kost een in eigen land geproduceerde 3+2-assige machine slechts ongeveer $100.000 tot $150.000. Bovendien verlaagt het achteraf uitrusten van een bestaande 3-assige freesmachine met een dubbelassige draaitafel de instapdrempel voor de hardware tot slechts $20.000 tot $30.000. Dit verkort de terugverdientijd aanzienlijk en houdt de balans stabiel voor kleine tot middelgrote machinewerkplaatsen.

Ten tweede is er een schril contrast op het gebied van softwarelicenties en personeelskosten. Gelijktijdige 5-assige bewerking vereist geavanceerde CAM-software met modules voor continue bewegingen, naast zeer bekwame programmeurs die in staat zijn om complexe dynamische veiligheidsafstanden te berekenen. Bovendien vormt het ontwikkelen van op maat gemaakte postprocessors voor continue bewegingen een aanzienlijke initiële investering. Aan de andere kant vereist 3+2-bewerking alleen standaard 3-assige CAM-banen die op gekantelde vlakken worden geprojecteerd. Het aantal programmeeruren blijft vrijwel gelijk aan dat van standaard 3-assige opstellingen, waardoor bestaande programmeurs de opdrachten met minimale training kunnen uitvoeren en risico’s op het gebied van gespecialiseerde arbeid worden geëlimineerd.

Ten slotte ligt het verschil op de lange termijn in de operationele kosten (OpEx). Simultane 5-assige machines hebben te kampen met voortdurende, meerassige mechanische slijtage tijdens dynamische interpolaties, wat leidt tot aanzienlijk hogere onderhoudskosten. Omdat bij 3+2-bewerking de rotatieassen tijdens zware sneden mechanisch worden vastgeklemd en vergrendeld, worden agressieve bewerkingskrachten rechtstreeks overgebracht op het stijve gietijzeren machinebed, in plaats van te worden opgevangen door actieve servomotoren en tandwielkasten. Dit verlengt de levensduur van kritieke aandrijfcomponenten aanzienlijk en minimaliseert catastrofale verliezen door stilstand.

Typische toepassingen en beperkingen

Bij de planning van productieprocessen is het van essentieel belang om de grenzen van 3+2-assige bewerking vast te stellen om de capaciteit van de machinewerkplaats te optimaliseren. Hoewel deze methode uitstekend geschikt is voor het bewerken van complexe onderdelen met elementen aan meerdere zijden, kent ze duidelijke fysieke beperkingen bij het bewerken van doorlopende organische oppervlakken.

Typische toepassingen

De ideale toepassing voor 3+2-assige bewerking ligt bij prismatische onderdelen en matrijzen met diepe holtes. In de automobiel-, hydraulica- en lucht- en ruimtevaartindustrie hebben componenten zoals motorblokken, hydraulische verdeelstukken, versnellingsbakbehuizingen en klephuizen talrijke schuine gaten, verzinkingen en montagevlakken in verschillende richtingen. Met 3+2-bewerking kunnen al deze vlakken in één opspanning worden geboord, getapt en uitgefreesd. Bovendien maakt het kantelen van het werkstuk bij het voorbewerken en halfafwerken van kunststof spuitgietmatrijzen en spuitgietmatrijzen het gebruik van kortere, verwisselbare vlakfrezen voor hoogwaardig voorbewerken mogelijk, wat de materiaalafname aanzienlijk verbetert en tegelijkertijd de spil beschermt tegen trillingen.

Technische beperkingen

De fundamentele beperking van 3+2-assige bewerking is dat er geen continue, gelijktijdige 5-assige interpolatie kan worden uitgevoerd. Omdat het een “positioneel” proces is, moeten de rotatieassen tijdens het verspanen vastgeklemd en stil blijven staan. Bijgevolg is voor onderdelen met complexe organische rondingen – zoals blisks, waaiers, turbinebladen of sterk geprofileerde structurele onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart – een gelijktijdige beweging van het gereedschapspad noodzakelijk, waardoor deze onderdelen onmogelijk met 3+2-assige bewerking kunnen worden geproduceerd. Bovendien, als een onderdeel frequente overgangen tussen sterk gefragmenteerde bewerkingsvlakken vereist, zal de herhaalde cyclus van “terugtrekken, ontgrendelen, indexeren, vastklemmen en insteken” aanzienlijke leegloop tijd genereren, waardoor het proces minder efficiënt is dan continue 5-assige bewerking.

3+2-assige bewerking versus continue 5-assige bewerking

Zowel 3+2-assige bewerking als continue 5-assige bewerking zijn gebaseerd op vijfassige CNC-platforms, maar maken op verschillende manieren gebruik van rotatieassen. Het belangrijkste verschil is dat bij 3+2-assige bewerking de rotatieassen worden gebruikt voor positionering, terwijl bij continue 5-assige bewerking alle vijf assen tegelijkertijd worden ingezet tijdens het verspanen.

Vergelijking	3+2-assige bewerking	Continu 5-assige bewerking
Asbeweging	De draaiassen brengen het werkstuk of het gereedschap in een vaste hoek en worden tijdens het verspanen vergrendeld. Alleen de X-, Y- en Z-assen bewegen.	De X-, Y- en Z-assen en de draaiassen bewegen gelijktijdig, waardoor de oriëntatie van het gereedschap continu kan worden aangepast.
Stijfheid	Hogere stijfheid dankzij de mechanische vergrendeling van de draaiassen, waardoor de machine geschikt is voor zwaar verspanen en materiaalafname.	Minder stijfheid tijdens het snijden doordat de rotatieassen in dynamische beweging blijven.
Oppervlaktekwaliteit	Uitermate geschikt voor schuine elementen en onderdelen met meerdere zijden, maar bij complexe gebogen oppervlakken kunnen meerdere instellingen nodig zijn.	Ideaal voor complexe, vrijgevormde oppervlakken met vloeiendere overgangen en minder gereedschapssporen.
Programmeercomplexiteit	Maakt gebruik van eenvoudigere methoden voor coördinatentransformatie, zoals TWP, waardoor het programmeren en de nabewerking eenvoudiger zijn.	Hiervoor zijn geavanceerde functies nodig, zoals RTCP/TCPM voor realtime compensatie van gereedschap, waardoor het programmeren complexer wordt.
Beste apps	Bij uitstek geschikt voor onderdelen met meerdere schuine vlakken, gaten, uitsparingen en algemene bewerkingen aan meerdere zijden.	Bij uitstek geschikt voor matrijzen, waaiers, turbinebladen en complexe, gebogen onderdelen.

In de praktijk combineren veel fabrikanten beide methoden: 3+2-assige bewerking wordt gebruikt voor voorbewerking en halffinish om de stijfheid en efficiëntie te maximaliseren, terwijl continue 5-assige bewerking wordt gebruikt voor de eindafwerking van complexe oppervlakken.

DFM-richtlijnen voor 3+2-assige bewerking

Pas tijdens het ontwerp deze 4 snelle DFM-regels toe om de efficiëntie te maximaliseren en de kosten te verlagen:

• Indexeringsvlakken minimaliseren: Groepeer schuine elementen (gaten, sleuven) op zo min mogelijk vlakken. Minder rotatie betekent kortere cyclustijden.
• Zorg voor voldoende ruimte rond de armaturen: Laat bij verhoogde bankschroeven aan de onderkant van het werkstuk een gripspeling van 3 mm tot 5 mm over. Dit voorkomt botsingen tussen de spil en de opspanning tijdens het kantelen.
• Hoekradii optimaliseren: Maak de radii van de binnenhoeken 10% tot en met 20% groter dan de radius van het snijgereedschap om trillingen in diepe holtes te voorkomen.
• Schuine gaten uitlijnen: Zorg ervoor dat de assen van schuine gaten waar mogelijk parallel lopen. Zo kan de machine ze in één bewerking boren, waardoor extra indexering wordt vermeden.

Conclusie

3+2-assige bewerking vormt de perfecte combinatie van eenvoud en prestaties. Door gebruik te maken van standaard 3-assige programmering voor “één opspanning, meerzijdige” productie, biedt deze methode maximale stijfheid en een optimaal rendement op de investering voor complexe verdeelstukken, behuizingen en matrijsonderdelen.

Bij Xtmade maken we gebruik van geavanceerde meerassige CNC-technologie om deze complexe ontwerpen tot leven te brengen. Ons ervaren DFM-engineeringteam beoordeelt uw bestanden vooraf om interferentie te voorkomen, bewerkingsvlakken te optimaliseren en het aantal instellingen te verminderen. Of u nu snelle prototypes of componenten van productiekwaliteit nodig hebt, Xtmade maakt hoogprecieze productie eenvoudig, snel en zeer kosteneffectief.