Präzisionsbearbeitung ist ein Prozess zum Entfernen von Material von einem Werkstück während der Bearbeitung von Oberflächen mit engen Toleranzen. Die Präzisionsmaschine hat viele Arten, einschließlich Fräsen, Drehen und Funkenerosion. Eine Präzisionsmaschine wird heute im Allgemeinen unter Verwendung einer Computer Numerical Controls (CNC) gesteuert.
Fast alle Metallprodukte werden präzise bearbeitet, ebenso wie viele andere Materialien wie Kunststoff und Holz. Diese Maschinen werden von spezialisierten und geschulten Maschinisten bedient. Damit das Schneidwerkzeug seine Arbeit erledigen kann, muss es in die angegebenen Richtungen bewegt werden, um den richtigen Schnitt auszuführen. Diese primäre Bewegung wird als "Schnittgeschwindigkeit" bezeichnet. Das Werkstück kann auch bewegt werden, bekannt als die sekundäre Bewegung des "Vorschubs". Zusammen ermöglichen diese Bewegungen und die Schärfe des Schneidwerkzeugs den Betrieb der Präzisionsmaschine.
Eine qualitativ hochwertige Präzisionsbearbeitung erfordert die Fähigkeit, extrem spezifische Blaupausen zu befolgen, die von CAD- (Computer Aided Design) oder CAM-Programmen (Computer Aided Manufacturing) wie AutoCAD und TurboCAD erstellt wurden. Die Software kann helfen, die komplexen, dreidimensionalen Diagramme oder Umrisse zu erstellen, die für die Herstellung eines Werkzeugs, einer Maschine oder eines Objekts erforderlich sind. Diese Blaupausen müssen sehr genau eingehalten werden, um sicherzustellen, dass ein Produkt seine Integrität behält. Während die meisten Präzisionsbearbeitungsunternehmen mit irgendeiner Form von CAD/CAM-Programmen arbeiten, arbeiten sie in den Anfangsphasen eines Designs immer noch oft mit handgezeichneten Skizzen.
Die Präzisionsbearbeitung wird bei einer Reihe von Materialien verwendet, darunter Stahl, Bronze, Graphit, Glas und Kunststoff, um nur einige zu nennen. Je nach Projektgröße und zu verwendenden Materialien kommen verschiedene Präzisionsbearbeitungswerkzeuge zum Einsatz. Jede Kombination von Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen bis hin zu Hochgeschwindigkeitsrobotern kann verwendet werden. Die Luft- und Raumfahrtindustrie kann Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verwenden, während eine Holzbearbeitungswerkzeugindustrie photochemische Ätz- und Fräsprozesse verwenden könnte. Die Produktion eines Laufs oder einer bestimmten Menge eines bestimmten Artikels kann in die Tausende gehen oder nur wenige sein. Die Präzisionsbearbeitung erfordert oft die Programmierung von CNC-Geräten, was bedeutet, dass sie computernumerisch gesteuert werden. Die CNC-Vorrichtung ermöglicht die genaue Einhaltung der Abmessungen während des gesamten Produktlaufs.
Fräsen ist der Bearbeitungsprozess, bei dem rotierende Fräser verwendet werden, um Material von einem Werkstück zu entfernen, indem der Fräser in einer bestimmten Richtung in das Werkstück vorgeschoben (oder zugeführt) wird. Der Fräser kann auch in einem Winkel relativ zur Achse des Werkzeugs gehalten werden. Das Fräsen umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Operationen und Maschinen, von kleinen Einzelteilen bis hin zu großen, hochbelastbaren Gruppenfräsoperationen. Es ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Bearbeitung von Sonderteilen mit präzisen Toleranzen.
Das Fräsen kann mit einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen durchgeführt werden. Die ursprüngliche Klasse von Werkzeugmaschinen zum Fräsen war die Fräsmaschine (oft auch Mühle genannt). Nach dem Aufkommen der Computer Numerical Control (CNC) entwickelten sich Fräsmaschinen zu Bearbeitungszentren: Fräsmaschinen ergänzt durch automatische Werkzeugwechsler, Werkzeugmagazine oder Karussells, CNC-Fähigkeit, Kühlmittelsysteme und Gehäuse. Fräszentren werden allgemein als vertikale Bearbeitungszentren (VMCs) oder horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) klassifiziert.
Die Integration des Fräsens in Drehumgebungen und umgekehrt begann mit angetriebenen Werkzeugen für Drehmaschinen und dem gelegentlichen Einsatz von Fräsern für Drehoperationen. Dies führte zu einer neuen Klasse von Werkzeugmaschinen, Multitasking-Maschinen (MTMs), die speziell entwickelt wurden, um das Fräsen und Drehen innerhalb desselben Arbeitsraums zu erleichtern.
Für Konstrukteure, F&E-Teams und Hersteller, die von der Teilebeschaffung abhängig sind, ermöglicht die Präzisions-CNC-Bearbeitung die Herstellung komplexer Teile ohne zusätzliche Bearbeitung. Tatsächlich ermöglicht die CNC-Präzisionsbearbeitung oft die Herstellung von Fertigteilen auf einer einzigen Maschine.
Beim Bearbeitungsprozess wird Material abgetragen und eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen verwendet, um das endgültige und oft sehr komplexe Design eines Teils zu erstellen. Die Präzision wird durch den Einsatz von Computer Numerical Control (CNC) erhöht, mit der die Steuerung der Bearbeitungswerkzeuge automatisiert wird.
Die Rolle von "CNC" in der Präzisionsbearbeitung
Mit codierten Programmieranweisungen ermöglicht die CNC-Präzisionsbearbeitung das Schneiden und Formen eines Werkstücks nach Spezifikationen ohne manuelles Eingreifen eines Maschinenbedieners.
Anhand eines von einem Kunden bereitgestellten Computer Aided Design (CAD)-Modells verwendet ein erfahrener Maschinist eine Computer Aided Manufacturing Software (CAM), um die Anweisungen für die Bearbeitung des Teils zu erstellen. Anhand des CAD-Modells ermittelt die Software, welche Werkzeugwege benötigt werden und generiert den Programmiercode, der der Maschine mitteilt:
■ Wie lauten die richtigen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten
■ Wann und wo das Werkzeug und/oder Werkstück bewegt werden soll
■ Wie tief soll geschnitten werden
■ Wann Kühlmittel aufzutragen ist
■ Alle anderen Faktoren in Bezug auf Geschwindigkeit, Vorschub und Koordination
Eine CNC-Steuerung verwendet dann den Programmiercode, um die Bewegungen der Maschine zu steuern, zu automatisieren und zu überwachen.
Heute ist CNC ein integriertes Merkmal einer Vielzahl von Geräten, von Drehmaschinen, Fräsern und Routern bis hin zu Drahterodiermaschinen (Elektroerosionsbearbeitung), Laser- und Plasmaschneidmaschinen. Neben der Automatisierung des Bearbeitungsprozesses und der Verbesserung der Präzision eliminiert die CNC manuelle Aufgaben und gibt den Maschinisten die Möglichkeit, mehrere gleichzeitig laufende Maschinen zu überwachen.
Sobald eine Werkzeugbahn entworfen und eine Maschine programmiert wurde, kann sie ein Teil außerdem beliebig oft bearbeiten. Dies sorgt für ein hohes Maß an Präzision und Wiederholbarkeit, was den Prozess wiederum sehr kosteneffektiv und skalierbar macht.
Materialien, die bearbeitet werden
Einige Metalle, die üblicherweise bearbeitet werden, umfassen Aluminium, Messing, Bronze, Kupfer, Stahl, Titan und Zink. Darüber hinaus können auch Holz, Schaumstoff, Glasfaser und Kunststoffe wie Polypropylen bearbeitet werden.
Bei der CNC-Präzisionsbearbeitung kann fast jedes Material verwendet werden – natürlich je nach Anwendung und Anforderungen.
Einige Vorteile der Präzisions-CNC-Bearbeitung
Für viele der Kleinteile und Komponenten, die in einer Vielzahl von hergestellten Produkten verwendet werden, ist die CNC-Präzisionsbearbeitung oft das Herstellungsverfahren der Wahl.
Wie bei nahezu allen Zerspanungs- und Bearbeitungsverfahren verhalten sich unterschiedliche Materialien unterschiedlich, auch Größe und Form eines Bauteils haben großen Einfluss auf den Prozess. Generell bietet das Verfahren der CNC-Präzisionsbearbeitung jedoch Vorteile gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren.
Denn die CNC-Bearbeitung bietet:
■ Hohe Teilekomplexität
■ Enge Toleranzen, typischerweise im Bereich von ±0,0002" (±0,00508 mm) bis ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Außergewöhnlich glatte Oberflächen, einschließlich Sonderanfertigungen
■ Wiederholbarkeit, auch bei hohen Lautstärken
Während ein erfahrener Maschinist mit einer manuellen Drehmaschine ein Qualitätsteil in Stückzahlen von 10 oder 100 herstellen kann, was passiert, wenn Sie 1.000 Teile benötigen? 10.000 Teile? 100.000 oder eine Million Teile?
Mit der Präzisions-CNC-Bearbeitung erhalten Sie die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit, die für diese Art der Großserienproduktion erforderlich sind. Darüber hinaus erhalten Sie durch die hohe Wiederholgenauigkeit der Präzisions-CNC-Bearbeitung Teile, die von Anfang bis Ende gleich sind, egal wie viele Teile Sie produzieren.
Es gibt einige sehr spezielle Methoden der CNC-Bearbeitung, darunter Drahterodieren (Elektroerosion), additive Bearbeitung und 3D-Laserdruck. Drahterodieren verwendet beispielsweise leitfähige Materialien – typischerweise Metalle – und elektrische Entladungen, um ein Werkstück in komplizierte Formen zu erodieren.
Hier konzentrieren wir uns jedoch auf die Fräs- und Drehprozesse – zwei subtraktive Verfahren, die weit verbreitet sind und häufig für die Präzisions-CNC-Bearbeitung verwendet werden.
Fräsen vs. Drehen
Fräsen ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem ein rotierendes, zylindrisches Schneidwerkzeug verwendet wird, um Material zu entfernen und Formen zu erzeugen. Fräsgeräte, bekannt als Fräser oder Bearbeitungszentrum, erreichen ein Universum komplexer Teilegeometrien an einigen der größten bearbeiteten Metallobjekte.
Ein wichtiges Merkmal des Fräsens ist, dass das Werkstück stationär bleibt, während sich das Schneidwerkzeug dreht. Mit anderen Worten, bei einer Fräse bewegt sich das rotierende Schneidwerkzeug um das Werkstück, das auf einem Bett fixiert bleibt.
Drehen ist der Prozess des Schneidens oder Formens eines Werkstücks auf einer Maschine, die als Drehmaschine bezeichnet wird. Typischerweise dreht die Drehmaschine das Werkstück auf einer vertikalen oder horizontalen Achse, während sich ein feststehendes Schneidwerkzeug (das sich drehen kann oder nicht) entlang der programmierten Achse bewegt.
Das Werkzeug kann das Teil nicht physisch umgehen. Das Material dreht sich, sodass das Werkzeug die programmierten Operationen ausführen kann. (Es gibt jedoch eine Untergruppe von Drehmaschinen, bei denen sich die Werkzeuge um einen spulengespeisten Draht drehen, die hier jedoch nicht behandelt wird.)
Beim Drehen dreht sich das Werkstück im Gegensatz zum Fräsen. Das Werkstück dreht sich auf der Spindel der Drehmaschine und das Schneidwerkzeug wird mit dem Werkstück in Kontakt gebracht.
Manuelle vs. CNC-Bearbeitung
Während sowohl Fräser als auch Drehmaschinen in manuellen Modellen erhältlich sind, eignen sich CNC-Maschinen eher für die Kleinteilefertigung – sie bieten Skalierbarkeit und Wiederholbarkeit für Anwendungen, die eine Massenproduktion von Teilen mit engen Toleranzen erfordern.
Neben einfachen 2-Achs-Maschinen, bei denen sich das Werkzeug in der X- und Z-Achse bewegt, umfasst die Präzisions-CNC-Ausstattung auch Mehrachsmodelle, bei denen sich das Werkstück auch bewegen kann. Dies steht im Gegensatz zu einer Drehmaschine, bei der das Werkstück auf das Drehen beschränkt ist und sich die Werkzeuge bewegen, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen.
Diese mehrachsigen Konfigurationen ermöglichen die Herstellung komplexerer Geometrien in einem Arbeitsgang ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand des Maschinenbedieners. Dies erleichtert nicht nur die Herstellung komplexer Teile, sondern reduziert oder eliminiert auch das Risiko von Bedienfehlern.
Darüber hinaus sorgt der Einsatz von Hochdruck-Kühlschmierstoff bei der Präzisions-CNC-Bearbeitung dafür, dass auch bei Verwendung einer Maschine mit vertikal ausgerichteter Spindel keine Späne ins Werk gelangen.
CNC-Fräsen
Unterschiedliche Fräsmaschinen unterscheiden sich in Größe, Achskonfiguration, Vorschubgeschwindigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Fräsvorschubrichtung und anderen Merkmalen.
Im Allgemeinen verwenden CNC-Fräsmaschinen jedoch alle eine rotierende Spindel, um unerwünschtes Material wegzuschneiden. Sie werden zum Schneiden von Hartmetallen wie Stahl und Titan verwendet, können aber auch bei Materialien wie Kunststoff und Aluminium verwendet werden.
CNC-Fräsmaschinen sind auf Wiederholbarkeit ausgelegt und können für alles vom Prototyping bis zur Großserienproduktion verwendet werden. High-End-Präzisions-CNC-Fräser werden oft für Arbeiten mit engen Toleranzen wie das Fräsen von feinen Matrizen und Formen verwendet.
Während CNC-Fräsen eine schnelle Bearbeitungszeit ermöglicht, erzeugt die Fertigbearbeitung im gefrästen Zustand Teile mit sichtbaren Werkzeugspuren. Es kann auch Teile mit einigen scharfen Kanten und Graten produzieren, so dass zusätzliche Prozesse erforderlich sein können, wenn Kanten und Grat für diese Merkmale nicht akzeptabel sind.
Natürlich entgraten Entgratwerkzeuge, die in der Sequenz programmiert sind, obwohl sie normalerweise höchstens 90 % der Endbearbeitung erreichen, so dass einige Funktionen für die abschließende Handbearbeitung übrig bleiben.
Was die Oberflächenbeschaffenheit betrifft, so gibt es Werkzeuge, die nicht nur eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit, sondern auch eine spiegelähnliche Oberflächenbeschaffenheit an Teilen des Arbeitsprodukts erzeugen.
Arten von CNC-Fräsen
Die beiden Grundtypen von Fräsmaschinen sind als vertikale Bearbeitungszentren und als horizontale Bearbeitungszentren bekannt, wobei der Hauptunterschied in der Ausrichtung der Maschinenspindel besteht.
Ein vertikales Bearbeitungszentrum ist ein Fräser, bei dem die Spindelachse in Richtung der Z-Achse ausgerichtet ist. Diese vertikalen Maschinen können weiter in zwei Typen unterteilt werden:
■Bettmühlen, bei denen sich die Spindel parallel zur eigenen Achse bewegt, während sich der Tisch senkrecht zur Spindelachse bewegt
■Revolverfräsen, bei denen die Spindel stillsteht und der Tisch während des Schneidvorgangs immer senkrecht und parallel zur Spindelachse bewegt wird
In einem horizontalen Bearbeitungszentrum ist die Spindelachse des Fräsers in Richtung der Y-Achse ausgerichtet. Die horizontale Struktur bedeutet, dass diese Mühlen tendenziell mehr Platz in der Maschinenhalle einnehmen; Außerdem sind sie im Allgemeinen schwerer und leistungsstärker als vertikale Maschinen.
Ein Horizontalfräser wird oft verwendet, wenn eine bessere Oberflächengüte erforderlich ist; Denn durch die Ausrichtung der Spindel fallen die Späne auf natürliche Weise ab und lassen sich leicht abführen. (Als zusätzlicher Vorteil trägt die effiziente Spanabfuhr zur Erhöhung der Werkzeugstandzeit bei.)
Im Allgemeinen sind vertikale Bearbeitungszentren weiter verbreitet, da sie genauso leistungsstark wie horizontale Bearbeitungszentren sein und sehr kleine Teile bearbeiten können. Darüber hinaus haben vertikale Zentren eine geringere Grundfläche als horizontale Bearbeitungszentren.
Mehrachsige CNC-Fräser
Präzisions-CNC-Fräszentren sind mit mehreren Achsen erhältlich. Eine 3-Achsen-Fräsmaschine verwendet die X-, Y- und Z-Achsen für eine Vielzahl von Arbeiten. Mit einem 4-Achsen-Fräser kann sich die Maschine um eine vertikale und horizontale Achse drehen und das Werkstück bewegen, um eine kontinuierlichere Bearbeitung zu ermöglichen.
Ein 5-Achs-Fräser verfügt über drei traditionelle Achsen und zwei zusätzliche Drehachsen, sodass das Werkstück während der Bewegung des Spindelkopfs gedreht werden kann. Dadurch können fünf Seiten eines Werkstücks bearbeitet werden, ohne das Werkstück zu entfernen und die Maschine umzustellen.
CNC-Drehmaschinen
Eine Drehmaschine – auch Drehzentrum genannt – hat eine oder mehrere Spindeln und X- und Z-Achsen. Die Maschine wird verwendet, um ein Werkstück um seine Achse zu drehen, um verschiedene Schneid- und Formoperationen durchzuführen, wobei eine Vielzahl von Werkzeugen auf das Werkstück aufgebracht wird.
CNC-Drehmaschinen, auch Live-Action-Tooling-Drehmaschinen genannt, sind ideal für die Herstellung symmetrischer zylindrischer oder kugelförmiger Teile. Wie CNC-Fräsmaschinen können CNC-Drehmaschinen kleinere Operationen wie das Prototyping bewältigen, können aber auch für eine hohe Wiederholgenauigkeit eingerichtet werden, um eine Massenproduktion zu unterstützen.
CNC-Drehmaschinen können auch für eine relativ freihändige Produktion eingerichtet werden, wodurch sie in der Automobil-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt-, Robotik- und Medizingeräteindustrie weit verbreitet sind.
So funktioniert eine CNC-Drehmaschine
Bei einer CNC-Drehmaschine wird eine leere Stange aus Rohmaterial in das Futter der Drehspindel der Drehmaschine geladen. Dieses Spannfutter hält das Werkstück fest, während sich die Spindel dreht. Wenn die Spindel die erforderliche Drehzahl erreicht, wird ein stationäres Schneidwerkzeug mit dem Werkstück in Kontakt gebracht, um Material abzutragen und die richtige Geometrie zu erreichen.
Eine CNC-Drehmaschine kann eine Reihe von Operationen ausführen, wie Bohren, Gewindeschneiden, Aufbohren, Reiben, Plandrehen und Kegeldrehen. Unterschiedliche Vorgänge erfordern Werkzeugwechsel und können die Kosten und die Rüstzeit erhöhen.
Wenn alle erforderlichen Bearbeitungsvorgänge abgeschlossen sind, wird das Teil bei Bedarf zur weiteren Bearbeitung aus dem Lager geschnitten. Die CNC-Drehmaschine ist dann bereit, den Vorgang zu wiederholen, wobei normalerweise nur wenig oder keine zusätzliche Rüstzeit dazwischen erforderlich ist.
CNC-Drehmaschinen können auch eine Vielzahl von automatischen Stangenladern aufnehmen, die den manuellen Umgang mit Rohmaterial reduzieren und Vorteile wie die folgenden bieten:
■ Reduzieren Sie den Zeit- und Arbeitsaufwand des Maschinenbedieners
■ Stützen Sie den Stangenstock ab, um Vibrationen zu reduzieren, die die Präzision beeinträchtigen können
■ Lassen Sie die Werkzeugmaschine mit optimalen Spindeldrehzahlen arbeiten
■ Umrüstzeiten minimieren
■ Materialverschwendung reduzieren
Arten von CNC-Drehmaschinen
Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Drehmaschinen, aber die häufigsten sind 2-Achsen-CNC-Drehmaschinen und Drehautomaten im China-Stil.
Die meisten CNC-Drehmaschinen in China verwenden eine oder zwei Hauptspindeln plus eine oder zwei Gegenspindeln (oder Nebenspindeln), wobei die Drehübertragung für erstere verantwortlich ist. Die Hauptspindel führt mit Hilfe einer Führungsbuchse die Hauptbearbeitung durch.
Darüber hinaus sind einige Drehmaschinen im China-Stil mit einem zweiten Werkzeugkopf ausgestattet, der als CNC-Fräse arbeitet.
Bei einem CNC-Drehautomaten im China-Stil wird das Rohmaterial durch eine Gleitkopfspindel in eine Führungsbuchse geführt. Dadurch kann das Werkzeug das Material näher an der Stelle schneiden, an der das Material unterstützt wird, was die China-Maschine besonders für lange, schlanke Drehteile und für die Mikrobearbeitung vorteilhaft macht.
Mehrachsige CNC-Drehzentren und Drehmaschinen im chinesischen Stil können mehrere Bearbeitungsvorgänge mit einer einzigen Maschine ausführen. Dies macht sie zu einer kostengünstigen Option für komplexe Geometrien, die ansonsten mehrere Maschinen oder Werkzeugwechsel mit Geräten wie einer herkömmlichen CNC-Fräse erfordern würden.