Mecanizado CNC de 3, 4 y 5 ejes:explicación de las diferencias clave

“La complejidad de las piezas, la velocidad de mecanizado, la precisión y la flexibilidad general de la producción dependen en gran medida de cuántos ejes puede mover la herramienta de corte ?”        

En la fabricación, las máquinas CNC vienen con diversas capacidades de ejes:2 ejes, 3 ejes, 5 ejes, 9 ejes o incluso 12 ejes. Sin embargo, las máquinas de hasta 5 ejes son las más comunes. Esto podría confundirlo acerca de cuál debería utilizar para obtener mejores resultados y mantener el costo dentro de su presupuesto. Por lo tanto, necesita un conocimiento profundo de las diferencias entre el fresado de 3, 4 y 5 ejes .

Repasemos los pros, los contras y las aplicaciones industriales del mecanizado de 3, 4 y 5 ejes.

¿Qué significa mecanizado de 3, 4 y 5 ejes? 

Las máquinas CNC vienen con diferentes capacidades de ejes de mecanizado, 3, 4 y 5 ejes son las más comunes. Cada eje define la capacidad de mover herramientas de corte en una dirección particular. 

El mecanizado de 3 ejes significa que la herramienta se mueve en 3 direcciones lineales, X, Y y Z.  

• Eje X: Dirección horizontal de izquierda a derecha  
• Eje Y: Dirección de adelante hacia atrás
• Eje Z: Dirección arriba y abajo (vertical) 

Básicamente, una fresadora de 3 ejes cubre direcciones tridimensionales relativas al trabajo estacionario. Crea formas menos complicadas y, si desea mecanizar diferentes lados de la pieza, es necesario reposicionarlo.

En las fresadoras de 4 ejes implica una capacidad de movimiento adicional a esta:Eje A , donde el trabajo puede girar alrededor del eje x. En consecuencia, las máquinas de 5 ejes pueden girar el trabajo en dos direcciones (A y B o C ):alrededor de los ejes X e Y (o Z), lo que permite una mayor complejidad sin configuración ni reposicionamiento adicionales.   

Una fresadora CNC de 4 o 5 ejes puede mecanizar planos, profundidades y contornos en una sola configuración, lo que la hace ideal para diseños complejos con detalles extremos. Puede realizar mecanizado de múltiples lados, crear características en ángulo y perfiles complejos. 

Diferencias clave entre el mecanizado de 3, 4 y 5 ejes

En primer lugar, existen diferentes tipos de máquinas CNC y el fresado es uno de ellos. En esta categoría, el fresado se clasifica además según la capacidad de los ejes, como el fresado de 3, 4 y 5 ejes.  Cada uno tiene capacidades diferentes. 

Su complejidad de configuración, capacidad de mecanizado, programación CNC, operación, costo, eficiencia de tiempo, precisión y requisitos de mantenimiento también son diferentes. Comprender estas diferencias es crucial antes de decidir cuál se adapta mejor a la fabricación de sus piezas y productos. 

Configuración y programación de la máquina 

Dado que los ejes de mecanizado son más altos en las fresadoras de 4 y 5 ejes, su configuración es más compleja. Requieren una sujeción precisa y una alineación del centro de la pieza con el eje de rotación. Por otro lado, una fresadora CNC de 3 ejes tiene una configuración mucho más sencilla. Sin embargo, es necesario volver a sujetarlo para el fresado multicara. 

En 3 ejes, son suficientes los códigos G y M básicos para movimientos lineales. Pero necesita códigos complejos y largos para ejes superiores, como agregar un nuevo ángulo de rotación fijo después del corte lineal mediante indexación o movimiento continuo para cortar y rotar simultáneamente. 

Complejidad operativa

Dado que el centro de mecanizado CNC de 5 ejes y las fresadoras implican programas complejos, su funcionamiento es más difícil que el de las máquinas de 3 ejes. Pequeños errores en la configuración o el código pueden resultar en precisión y fallas. Además, existe un mayor riesgo de colisión de herramientas debido a la compleja ruta de mecanizado. 

Por lo tanto, operar una fresadora CNC de 5 o 4 ejes requiere de técnicos expertos e ingenieros con amplia experiencia. 

Velocidad de producción 

Como las máquinas de 4 y 5 ejes son capaces de rotar la pieza de trabajo y eliminar material desde múltiples ángulos, son más rápidas y precisas. Una sola máquina puede trabajar con muchas herramientas diferentes y cortar el trabajo desde varios lados simultáneamente. Este proceso continuo elimina las múltiples configuraciones y alineaciones, las diferentes herramientas se mueven a través de caminos predeterminados y eliminan el material del trabajo; Mientras tanto, el trabajo en sí gira en múltiples lados, hasta lograr la forma final. Sin embargo, si necesita mecanizar solo un lado del trabajo, las fresadoras de 3 ejes aún ofrecen una buena velocidad de producción.

Eficiencia de costes

El mecanizado de 4 y 5 ejes es más caro que el mecanizado CNC de 3 ejes, pero vale la pena elegirlo para aplicaciones que requieren altos niveles de exactitud y precisión para su funcionalidad. Por ejemplo, lóbulos de leva complejos, perfiles fresados ​​helicoidales, etc. Mientras tanto, las formas y perfiles simples son rentables y mejores de fabricar con máquinas de 3 ejes. 

Precisión y exactitud

Las operaciones de mecanizado de 4 y 5 ejes ofrecen resultados más precisos y exactos tanto para la creación de prototipos como para la fabricación a gran escala. La diferencia de tolerancia entre el fresado CNC de 3, 4 y 5 ejes es de aproximadamente ±0,001″, ±0,001″/±0,01° y ±0,0005″/±0,008° simultáneamente. Especialmente, existe una mayor probabilidad de error si utiliza máquinas de 3 ejes para tareas de múltiples lados, ya que necesitan sujetarse repetidamente.

Piezas/Productos con diseños complejos 

Como se mencionó anteriormente, las fresadoras de 4 y 5 ejes son muy preferidas para mecanizar diseños altamente complejos con detalles. Las fresas de 3 ejes solo funcionan en un lado del trabajo a la vez (2,5 D) o requieren una reinstalación para dar forma a otro lado. Mientras tanto, los ejes 3+1 o 3+2 permiten la rotación del trabajo y el fresado continuo. 

• 3 ejes: Diseños simples con características como perfiles planos, cavidades y ranuras, orificios verticales, salientes, chaflanes, superficies escalonadas, etc. 
• 4- Eje: Diseños con patrones radiales, ranuras en espiral o helicoidales, orificios laterales, cortes en ángulo, etc. 
• 5- Eje: Diseños complejos con características complejas como superficies de forma libre, socavados, agujeros en ángulo en múltiples ejes, etc. 

Calidad del acabado superficial

Las operaciones CNC de 5 o 4 ejes pueden lograr un acabado fino y similar a un espejo, con un valor Ra de hasta 0,4 µm. Esto se debe a los ángulos óptimos de las herramientas, las herramientas más cortas y el corte continuo. Por otro lado, el fresado de 3 ejes puede producir superficies con un valor de rugosidad mínimo de 1,6 µm. 

Aplicaciones del fresado de 3, 4 y 5 ejes 

El proceso de mecanizado CNC en sí tiene aplicaciones en varias industrias, independientemente de la capacidad del eje. La única diferencia es que las máquinas con ejes superiores se utilizan para producir piezas mecanizadas CNC complejas y críticas, mientras que las de ejes inferiores (como 3) se utilizan principalmente para hacer que los elementos sean menos críticos para la precisión y tengan características geométricas simples.  Por ejemplo, es rentable fabricar placas y carcasas simples para componentes electrónicos con CNC de 3 ejes, mientras que artículos como implantes médicos personalizados o componentes de motores de aviones se fabrican con CNC de 5 o incluso más ejes debido a la necesidad de una alta precisión.

La siguiente tabla ilustra la diferencia de aplicación entre el fresado CNC de 3, 4 y 5 ejes en industrias comunes con ejemplos;

Industria Aplicaciones de fresado de 3 ejes Aplicaciones de fresado de 4 ejes Aplicaciones de fresado de 5 ejes AutomotrizSoportes de pinza de freno, placas de montaje de motor, piezas de cubo de rueda.Árboles de levas, culatas, carcasa de engranajesPuertos de culata, prototipos de llantas de aleación, colectores de admisión de motor,AeroespacialSoportes, accesorios, etc.raíces de palas de turbina, accesorios de extremo de larguero de viento y soportes personalizados.Boquillas de combustible, piezas de tren de aterrizaje y secciones de fuselajeMédicoMobiliario médico, bandejas y herramientas simples.raíces de palas de turbina, accesorios de extremo de larguero de viento y personalizados soportes.Culatas, moldes, prototipos de prueba, componentes de transmisión.ElectrónicaPCBs, disipadores de calor, carcasas, conectores,carcasasImplantes personalizados (cadera/rodilla/dental), robots quirúrgicos, prótesis, piezas de dispositivos de diagnósticoDisipadores de calor personalizados con aletas densas, microconectoresHerramientas para moldes y troquelesMoldes con características anguladas, canales de enfriamiento, aberturas para pasadores eyectoresMoldes de inyección complejos, cavidades profundas, cortes socavados, moldes con acabado de espejo perfiles,Herramientas de fondo de pozo, álabes de turbina, piezas de compresores, válvulas complejasEnergíaPiezas estándar, soportes, válvulas simples,bloques de cilindrosCuerpos de válvulas, rotores, impulsores.Álabes de turbina, piezas de compresores, válvulas complejas

Ventajas y desventajas del fresado de 3 ejes 

Ventajas 

• El CNC de 3 ejes es simple y rentable; No necesita operadores altamente capacitados ni programación compleja. 
• Hace un excelente trabajo con mecanizado de superficies planas, como taladrado, aplanado, ranurado, etc.
• La configuración de la herramienta es mucho más sencilla y rápida que la de las máquinas con ejes superiores. 
• Se puede utilizar para mecanizado de múltiples lados volviendo a sujetar el trabajo y ajustando la herramienta.

Desventajas 

• Es un desafío formar características geométricas complejas con fresado de 3 ejes, como cavidades profundas, contornos irregulares, características en ángulo y socavados. 
• Tiene un tiempo de ciclo más largo y una precisión dimensional comparativamente baja 

Ventajas y desventajas del fresado de 4 y 5 ejes

Ventajas 

• Cuatro ejes permiten la rotación del trabajo alrededor del eje x, y cinco ejes permiten la rotación alrededor de los ejes X e Y. Por tanto, mayor flexibilidad en el proceso de fresado.
• Mayor precisión y coherencia, incluso para diseños complejos. 
• Puede mecanizar todos los lados de la pieza de trabajo sin cambiar sus orientaciones, lo que reduce el tiempo del ciclo y aumenta la precisión.
•  Es fácil realizar operaciones de mecanizado en ángulo y contornos complejos. 
• Reduce los costos de instalación y accesorios, ya que puede rotar el trabajo y fresar continuamente. 
• Especialmente, las fresas mantienen un ángulo de contacto óptimo que ayuda a lograr una calidad de acabado superficial superior.

Desventajas 

• Se requieren operadores altamente expertos y modelado CAM complejo para ejecutar fresadoras de 4 y 5 ejes. 
• Pueden ser costosos para prototipos y productos más simples debido a los altos costos de maquinaria y configuración inicial. 
• El costo de producción solo se justifica para piezas de grado industrial y aplicaciones de mecanizado CNC que requieren un alto nivel de precisión para su funcionalidad. 

¿Cómo elegir entre fresado de 3, 4 y 5 ejes?

No se puede responder directamente cuál es mejor entre el fresado de 3, 4 y 5 ejes. La opción correcta depende de los requisitos y la complejidad del trabajo que desea mecanizar. 

Algunas consideraciones críticas son las siguientes; 

Complejidad del diseño

Primero, considere qué tipo de características geométricas tiene su diseño:características simples 2.5D y planas o características complejas como socavaduras y contornos irregulares. Si es complejo, necesitará mecanizar su pieza con fresado de ejes superiores (4 o 5). Por ejemplo, álabes de turbinas y herramientas de moldeo de plástico.

Tolerancia y repetibilidad 

 ¿Necesita tolerancias muy estrictas como 0,0005 ″ para rendimiento y funcionalidad, o basta con tolerancias generales? En caso afirmativo, las máquinas de 4 y 5 ejes solo pueden ofrecer esto con una consistencia excelente. De lo contrario, elija fresado de 3 ejes. 

Industria de aplicaciones 

También es fundamental tener en cuenta la industria para la que se fabrica. Si las piezas/prototipos para industrias sensibles a la precisión, como la aeroespacial, la médica o la defensa, es posible que deba elegir ejes más altos. En caso contrario, puedes optar por máquinas de 3 ejes. 

Volumen y coste de producción 

El volumen de producción y el costo están relacionados entre sí. Especialmente en el mecanizado de ejes superiores, los grandes volúmenes reducen significativamente el coste de producción por pieza. Porque los costos de programación, pasos y herramientas se distribuyen en varios lotes. Para lotes pequeños, aún puede utilizar fresadoras de 3 ejes ajustando la configuración, incluso para diseños con un nivel moderado de complejidad. 

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