Bei der Präzisionsbearbeitung handelt es sich um einen Prozess, bei dem Material von einem Werkstück entfernt wird, während die Oberflächen mit engen Toleranzen gehalten werden.Die Präzisionsmaschine verfügt über viele Arten, darunter Fräsen, Drehen und Funkenerosion.Heutzutage wird eine Präzisionsmaschine im Allgemeinen mithilfe einer Computer-Numerischen Steuerung (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 Aufgabe erfüllen kann, muss es in die vorgegebenen Richtungen bewegt werden, um den richtigen Schnitt auszuführen.Diese Primärbewegung wird „Schnittgeschwindigkeit“ genannt.Das Werkstück kann auch bewegt werden, was als Sekundärbewegung des „Vorschubs“ bezeichnet wird.Zusammen ermöglichen diese Bewegungen und die Schärfe des Schneidwerkzeugs den Betrieb der Präzisionsmaschine.
Hochwertige Präzisionsbearbeitung erfordert die Fähigkeit, äußerst spezifische Pläne zu befolgen, die mit CAD-Programmen (Computer Aided Design) oder CAM-Programmen (Computer Aided Manufacturing) wie AutoCAD und TurboCAD erstellt wurden.Die Software kann dabei helfen, komplexe dreidimensionale Diagramme oder Umrisse zu erstellen, die für die Herstellung eines Werkzeugs, einer Maschine oder eines Objekts erforderlich sind.Diese Baupläne müssen bis ins kleinste Detail 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 der Anfangsphase eines Entwurfs immer noch häufig mit handgezeichneten Skizzen.
Die Präzisionsbearbeitung wird bei einer Reihe von Materialien eingesetzt, darunter Stahl, Bronze, Graphit, Glas und Kunststoffe, um nur einige zu nennen.Abhängig von der Projektgröße und den zu verwendenden Materialien kommen unterschiedliche Präzisionsbearbeitungswerkzeuge zum Einsatz.Es kann jede Kombination aus Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen und sogar Hochgeschwindigkeitsrobotern verwendet werden.In der Luft- und Raumfahrtindustrie kommen möglicherweise Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen zum Einsatz, während in der Werkzeugindustrie für die Holzverarbeitung möglicherweise fotochemische Ätz- und Fräsverfahren zum Einsatz kommen.Die Produktion einer Auflage oder einer bestimmten Menge eines bestimmten Artikels kann in die Tausende gehen oder auch nur wenige betragen.Präzisionsbearbeitung erfordert oft die Programmierung von CNC-Geräten, was bedeutet, dass sie computernumerisch gesteuert werden.Die CNC-Vorrichtung ermöglicht die Einhaltung exakter Abmessungen während des gesamten Produktlaufs.
Beim Fräsen handelt es sich um den 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 vorgeschoben) wird.Der Fräser kann auch in einem Winkel zur Werkzeugachse gehalten werden.Das Fräsen umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Vorgänge und Maschinen, von kleinen Einzelteilen bis hin zu großen, schweren Gruppenfräsvorgängen.Es ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Bearbeitung kundenspezifischer Teile 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 numerischen Computersteuerung (CNC) entwickelten sich Fräsmaschinen zu Bearbeitungszentren: Fräsmaschinen, die durch automatische Werkzeugwechsler, Werkzeugmagazine oder -karusselle, CNC-Fähigkeit, Kühlmittelsysteme und Gehäuse erweitert wurden.Fräszentren werden im Allgemeinen in vertikale Bearbeitungszentren (VMCs) oder horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) eingeteilt.
Die Integration des Fräsens in Drehumgebungen und umgekehrt begann mit angetriebenen Werkzeugen für Drehmaschinen und dem gelegentlichen Einsatz von Fräsmaschinen für Drehoperationen.Dies führte zu einer neuen Klasse von Werkzeugmaschinen, den Multitasking-Maschinen (MTMs), die speziell dafür entwickelt wurden, Fräsen und Drehen innerhalb desselben Arbeitsraums zu ermöglichen.
Für Konstrukteure, F&E-Teams und Hersteller, die auf die Teilebeschaffung angewiesen sind, ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung die Herstellung komplexer Teile ohne zusätzliche Bearbeitung.Tatsächlich ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung häufig die Herstellung fertiger Teile auf einer einzigen Maschine.
Beim Bearbeitungsprozess wird Material entfernt und eine breite Palette von Schneidwerkzeugen verwendet, um das endgültige und oft hochkomplexe Design eines Teils zu erstellen.Die Präzision wird durch den Einsatz einer computergestützten numerischen Steuerung (CNC) erhöht, mit der die Steuerung der Bearbeitungswerkzeuge automatisiert wird.
Die Rolle von „CNC“ bei der Präzisionsbearbeitung
Mithilfe codierter Programmieranweisungen ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung das Zuschneiden und Formen eines Werkstücks gemäß den Spezifikationen, ohne dass ein Maschinenbediener manuell eingreifen muss.
Anhand eines von einem Kunden bereitgestellten CAD-Modells (Computer Aided Design) erstellt ein erfahrener Maschinenschlosser mithilfe von CAM (Computer Aided Manufacturing Software) Anweisungen für die Bearbeitung des Teils.Basierend auf dem CAD-Modell ermittelt die Software, welche Werkzeugwege benötigt werden, und generiert den Programmiercode, der der Maschine Folgendes mitteilt:
■ Was sind die richtigen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten?
■ Wann und wohin das Werkzeug und/oder Werkstück bewegt werden muss
■ Wie tief geschnitten werden soll
■ Wann Kühlmittel aufgetragen werden muss
■ Alle anderen Faktoren im Zusammenhang mit Geschwindigkeit, Vorschub und Koordination
Eine CNC-Steuerung verwendet dann den Programmiercode, um die Bewegungen der Maschine zu steuern, zu automatisieren und zu überwachen.
Heutzutage ist CNC ein integrierter Bestandteil einer breiten Palette von Geräten, von Drehmaschinen, Fräsmaschinen und Oberfräsen bis hin zu Drahterodiermaschinen (Funkenerosion), Laser- und Plasmaschneidemaschinen.Neben der Automatisierung des Bearbeitungsprozesses und der Verbesserung der Präzision eliminiert CNC manuelle Aufgaben und gibt Maschinisten die Möglichkeit, mehrere gleichzeitig laufende Maschinen zu überwachen.
Darüber hinaus kann die Maschine, sobald ein Werkzeugweg entworfen und programmiert wurde, ein Teil beliebig oft bearbeiten.Dies sorgt für ein hohes Maß an Präzision und Wiederholbarkeit, was wiederum den Prozess äußerst kosteneffektiv und skalierbar macht.
Materialien, die bearbeitet werden
Zu den üblicherweise bearbeiteten Metallen gehören Aluminium, Messing, Bronze, Kupfer, Stahl, Titan und Zink.Darüber hinaus können auch Holz, Schaumstoff, Glasfaser und Kunststoffe wie Polypropylen bearbeitet werden.
Tatsächlich kann bei der präzisen CNC-Bearbeitung nahezu jedes Material verwendet werden – natürlich abhängig von der Anwendung und ihren Anforderungen.
Einige Vorteile der Präzisions-CNC-Bearbeitung
Für viele Kleinteile und Komponenten, die in einer breiten Palette hergestellter Produkte verwendet werden, ist die Präzisions-CNC-Bearbeitung oft die Fertigungsmethode der Wahl.
Wie bei nahezu allen Schneid- und Bearbeitungsverfahren verhalten sich verschiedene Materialien unterschiedlich und auch die Größe und Form eines Bauteils haben großen Einfluss auf den Prozess.Generell bietet der Prozess der Präzisions-CNC-Bearbeitung jedoch Vorteile gegenüber anderen Bearbeitungsmethoden.
Das liegt daran, dass die CNC-Bearbeitung Folgendes leisten kann:
■ Hohe Teilekomplexität
■ Enge Toleranzen, typischerweise im Bereich von ±0,0002 Zoll (±0,00508 mm) bis ±0,0005 Zoll (±0,0127 mm)
■ Außergewöhnlich glatte Oberflächen, auch nach Maß
■ Wiederholgenauigkeit, auch bei hohen Volumina
Während ein erfahrener Maschinenschlosser 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 präzisen CNC-Bearbeitung erhalten Sie die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit, die für diese Art der Massenproduktion erforderlich sind.Darüber hinaus erhalten Sie durch die hohe Wiederholgenauigkeit der Präzisions-CNC-Bearbeitung Teile, die von Anfang bis Ende gleich sind, unabhängig davon, wie viele Teile Sie produzieren.
Es gibt einige sehr spezielle Methoden der CNC-Bearbeitung, darunter Drahterodieren (Funkenerosion), additive Bearbeitung und 3D-Laserdruck.Beispielsweise werden beim Drahterodieren leitfähige Materialien – typischerweise Metalle – und elektrische Entladungen verwendet, um ein Werkstück in komplizierte Formen zu erodieren.
Hier konzentrieren wir uns jedoch auf die Fräs- und Drehprozesse – zwei subtraktive Methoden, 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 abzutragen und Formen zu erzeugen.Fräsgeräte, auch Fräse oder Bearbeitungszentrum genannt, ermöglichen die Erstellung einer Vielzahl komplexer Teilegeometrien an einigen der größten bearbeiteten Metallobjekte.
Ein wichtiges Merkmal des Fräsens besteht darin, 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 Vorgang des Schneidens oder Formens eines Werkstücks auf einer Maschine, die als Drehmaschine bezeichnet wird.Normalerweise dreht die Drehmaschine das Werkstück um eine vertikale oder horizontale Achse, während sich ein feststehendes Schneidwerkzeug (das sich möglicherweise dreht oder nicht) entlang der programmierten Achse bewegt.
Das Werkzeug kann das Teil nicht physisch umgehen.Das Material dreht sich, sodass das Werkzeug die programmierten Vorgänge ausführen kann.(Es gibt eine Untergruppe von Drehmaschinen, bei denen sich die Werkzeuge um einen von der Spule zugeführten Draht drehen. Diese werden hier jedoch nicht behandelt.)
Beim Drehen dreht sich im Gegensatz zum Fräsen das Werkstück.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 Fräsmaschinen als auch Drehmaschinen in manuellen Modellen erhältlich sind, eignen sich CNC-Maschinen besser für die Fertigung kleiner Teile – sie bieten Skalierbarkeit und Wiederholbarkeit für Anwendungen, die eine Massenproduktion von Teilen mit engen Toleranzen erfordern.
Neben einfachen 2-Achsen-Maschinen, bei denen sich das Werkzeug in der X- und Z-Achse bewegt, umfassen Präzisions-CNC-Geräte auch Mehrachsenmodelle, bei denen sich das Werkstück auch bewegen kann.Dies steht im Gegensatz zu einer Drehmaschine, bei der sich das Werkstück nur dreht und die Werkzeuge sich bewegen, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen.
Diese mehrachsigen Konfigurationen ermöglichen die Herstellung komplexerer Geometrien in einem einzigen Arbeitsgang, ohne dass der Maschinenbediener zusätzliche Arbeit leisten muss.Dies erleichtert nicht nur die Herstellung komplexer Teile, sondern verringert oder eliminiert auch das Risiko von Bedienerfehlern.
Darüber hinaus stellt die Verwendung von Hochdruckkühlmittel bei präziser CNC-Bearbeitung sicher, dass keine Späne in das Werkstück gelangen, selbst wenn eine Maschine mit vertikal ausgerichteter Spindel verwendet wird.
CNC-Fräsen
Verschiedene Fräsmaschinen unterscheiden sich in ihrer Größe, Achskonfiguration, Vorschubgeschwindigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Fräsvorschubrichtung und anderen Eigenschaften.
Im Allgemeinen verwenden jedoch alle CNC-Fräsen eine rotierende Spindel, um unerwünschtes Material wegzuschneiden.Sie werden zum Schneiden von Hartmetallen wie Stahl und Titan verwendet, können aber auch für Materialien wie Kunststoff und Aluminium verwendet werden.
CNC-Fräsmaschinen sind auf Wiederholgenauigkeit ausgelegt und können für alles vom Prototyping bis zur Großserienproduktion eingesetzt werden.Hochwertige Präzisions-CNC-Fräsen werden häufig für Arbeiten mit engen Toleranzen wie das Fräsen feiner Matrizen und Formen verwendet.
Während CNC-Fräsen eine schnelle Bearbeitungszeit ermöglichen kann, entstehen bei der Nachbearbeitung im gefrästen Zustand Teile mit sichtbaren Werkzeugspuren.Es können auch Teile mit einigen scharfen Kanten und Graten entstehen, sodass zusätzliche Prozesse erforderlich sein können, wenn Kanten und Grate für diese Merkmale nicht akzeptabel sind.
Natürlich entgraten die in der Sequenz programmierten Werkzeuge, auch wenn sie in der Regel höchstens 90 % der Endanforderung erreichen, so dass einige Merkmale für die abschließende Handbearbeitung übrig bleiben.
Für die Oberflächenbeschaffenheit gibt es Werkzeuge, die nicht nur eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit, sondern auch eine spiegelähnliche Oberfläche auf Teilen des Arbeitsprodukts erzeugen.
Arten von CNC-Fräsen
Die beiden Grundtypen von Fräsmaschinen sind als vertikale Bearbeitungszentren und horizontale Bearbeitungszentren bekannt, wobei der Hauptunterschied in der Ausrichtung der Maschinenspindel liegt.
Ein vertikales Bearbeitungszentrum ist eine Fräse, bei der 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 zu ihrer eigenen Achse bewegt, während sich der Tisch senkrecht zur Achse der Spindel bewegt
■Revolverfräsmaschinen, bei denen die Spindel stationär ist und der Tisch so bewegt wird, dass er während des Schneidvorgangs immer senkrecht und parallel zur Achse der Spindel steht
In einem horizontalen Bearbeitungszentrum ist die Spindelachse der Mühle in Y-Achsenrichtung ausgerichtet.Aufgrund der horizontalen Struktur nehmen diese Mühlen tendenziell mehr Platz in der Maschinenhalle ein;Sie sind im Allgemeinen auch schwerer und leistungsstärker als vertikale Maschinen.
Eine Horizontalmühle wird häufig verwendet, wenn eine bessere Oberflächengüte erforderlich ist.Das liegt daran, dass die Schneidspäne aufgrund der Ausrichtung der Spindel auf natürliche Weise abfallen und leicht entfernt werden können.(Als zusätzlichen Vorteil trägt die effiziente Spanabfuhr dazu bei, die Werkzeugstandzeit zu verlängern.)
Im Allgemeinen sind vertikale Bearbeitungszentren weiter verbreitet, da sie genauso leistungsstark wie horizontale Bearbeitungszentren sein können und sehr kleine Teile bearbeiten können.Darüber hinaus haben vertikale Bearbeitungszentren eine geringere Stellfläche als horizontale Bearbeitungszentren.
Mehrachsige CNC-Fräsmaschinen
Präzisions-CNC-Fräszentren sind mit mehreren Achsen erhältlich.Eine 3-Achsen-Fräse nutzt die X-, Y- und Z-Achse für eine Vielzahl von Arbeiten.Bei einer 4-Achsen-Fräse kann sich die Maschine um eine vertikale und horizontale Achse drehen und das Werkstück bewegen, um eine kontinuierlichere Bearbeitung zu ermöglichen.
Eine 5-Achsen-Fräse verfügt über drei herkömmliche Achsen und zwei zusätzliche Drehachsen, sodass das Werkstück gedreht werden kann, während sich der Spindelkopf um es bewegt.Dadurch ist die Bearbeitung von fünf Seiten eines Werkstücks möglich, ohne dass das Werkstück ausgebaut und die Maschine umgestellt werden muss.
CNC-Drehmaschinen
Eine Drehmaschine – auch Drehzentrum genannt – verfügt über eine oder mehrere Spindeln sowie X- und Z-Achsen.Mit der Maschine wird ein Werkstück um seine Achse gedreht, um verschiedene Schneid- und Formvorgänge durchzuführen und dabei eine Vielzahl von Werkzeugen auf das Werkstück anzuwenden.
CNC-Drehmaschinen, auch Live-Action-Tooling-Drehmaschinen genannt, eignen sich ideal für die Herstellung symmetrischer zylindrischer oder kugelförmiger Teile.CNC-Drehmaschinen können wie CNC-Fräsmaschinen kleinere Vorgänge wie Prototypenfertigung bewältigen, können aber auch für eine hohe Wiederholgenauigkeit eingerichtet werden, was die Produktion großer Stückzahlen unterstützt.
CNC-Drehmaschinen können auch für eine relativ freihändige Produktion eingerichtet werden, weshalb sie in der Automobil-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt-, Robotik- und Medizingeräteindustrie weit verbreitet sind.
Wie eine CNC-Drehmaschine funktioniert
Bei einer CNC-Drehmaschine wird ein Rohling aus Rohmaterial in das Spannfutter der Drehmaschinenspindel geladen.Dieses Spannfutter hält das Werkstück an Ort und Stelle, 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 Vorgängen ausführen, z. B. 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 zur weiteren Bearbeitung bei Bedarf aus dem Rohteil geschnitten.Die CNC-Drehmaschine ist dann bereit, den Vorgang zu wiederholen, wobei normalerweise nur wenig oder gar keine zusätzliche Rüstzeit dazwischen erforderlich ist.
CNC-Drehmaschinen können auch mit einer Vielzahl automatischer Stangenlader ausgestattet werden, was den manuellen Umgang mit Rohmaterial reduziert und Vorteile wie die folgenden bietet:
■ Reduzieren Sie den Zeit- und Arbeitsaufwand des Maschinenbedieners
■ Unterstützen Sie das Stangenmaterial, um Vibrationen zu reduzieren, die sich negativ auf die Präzision auswirken können
■ Lassen Sie die Werkzeugmaschine mit optimaler Spindeldrehzahl laufen
■ Umrüstzeiten minimieren
■ Materialverschwendung reduzieren
Arten von CNC-Drehmaschinen
Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Drehmaschinen, am häufigsten sind jedoch 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 Sekundärspindeln), wobei erstere durch einen Drehtransfer erfolgt.Die Hauptbearbeitung übernimmt die Hauptspindel mit Hilfe einer Führungsbuchse.
Darüber hinaus sind einige China-Drehmaschinen mit einem zweiten Werkzeugkopf ausgestattet, der als CNC-Fräse fungiert.
Bei einem CNC-Drehautomaten im China-Stil wird das Rohmaterial über eine Spindel mit verschiebbarem Kopf in eine Führungsbuchse geführt.Dadurch kann das Werkzeug das Material näher an der Materialauflagefläche schneiden, was die China-Maschine besonders für lange, schlanke Drehteile und für die Mikrobearbeitung vorteilhaft macht.
Mehrachsige CNC-Drehzentren und China-Drehmaschinen können mehrere Bearbeitungsvorgänge mit einer einzigen Maschine durchführen.Dies macht sie zu einer kostengünstigen Option für komplexe Geometrien, die andernfalls mehrere Maschinen oder Werkzeugwechsel mit Geräten wie einer herkömmlichen CNC-Fräse erfordern würden.