Die Präzisionsbearbeitung ist ein Verfahren zur Materialabtragung an einem Werkstück unter Einhaltung enger Toleranzen. Es gibt viele Arten von Präzisionsmaschinen, darunter Fräs-, Dreh- und Funkenerosionsmaschinen. Moderne Präzisionsmaschinen werden in der Regel computergesteuert (CNC).
Nahezu alle Metallprodukte werden präzisionsbearbeitet, ebenso wie viele andere Werkstoffe wie Kunststoff und Holz. Diese Maschinen werden von spezialisierten und geschulten Zerspanungsmechanikern bedient. Damit das Schneidwerkzeug seine Aufgabe erfüllen kann, muss es in vorgegebenen Richtungen bewegt werden, um den korrekten Schnitt auszuführen. Diese primäre Bewegung wird als „Schnittgeschwindigkeit“ bezeichnet. Zusätzlich kann das Werkstück bewegt werden; diese Bewegung wird als „Vorschub“ bezeichnet. Zusammen mit der Schärfe des Schneidwerkzeugs ermöglicht das Zusammenspiel dieser Bewegungen den Betrieb der Präzisionsmaschine.
Für eine präzise Bearbeitung von Präzisionsprodukten ist die Fähigkeit unerlässlich, äußerst detaillierte Konstruktionszeichnungen zu befolgen, die mit CAD- (Computer Aided Design) oder CAM-Programmen (Computer Aided Manufacturing) wie AutoCAD und TurboCAD erstellt werden. Die Software ermöglicht die Erstellung komplexer, dreidimensionaler Diagramme oder Konturen, die für die Fertigung von Werkzeugen, Maschinen oder Objekten benötigt werden. Diese Konstruktionszeichnungen müssen mit größter Sorgfalt umgesetzt werden, um die Produktqualität zu gewährleisten. Obwohl die meisten Unternehmen der Präzisionsbearbeitung mit CAD/CAM-Programmen arbeiten, werden in den frühen Phasen der Konstruktion häufig noch handgezeichnete Skizzen verwendet.
Präzisionsbearbeitung wird für eine Vielzahl von Materialien eingesetzt, darunter Stahl, Bronze, Graphit, Glas und Kunststoffe, um nur einige zu nennen. Je nach Projektgröße und Materialwahl kommen verschiedene Präzisionsbearbeitungswerkzeuge zum Einsatz. Dabei können verschiedene Kombinationen aus Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen sowie Hochgeschwindigkeitsroboter verwendet werden. Die Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt beispielsweise Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, während die Holzbearbeitungswerkzeugindustrie fotochemische Ätz- und Fräsverfahren einsetzt. Die Stückzahl einer Serie, also einer bestimmten Menge eines bestimmten Artikels, kann Tausende oder nur wenige Einheiten umfassen. Präzisionsbearbeitung erfordert häufig die Programmierung von CNC-Maschinen (computergesteuerte numerische Steuerung). Die CNC-Maschine ermöglicht die Einhaltung exakter Maße während des gesamten Produktionsprozesses.
Fräsen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem rotierende Fräser Material von einem Werkstück abtragen, indem sie in einer bestimmten Richtung in das Werkstück vorgeschoben werden. Der Fräser kann dabei auch in einem Winkel zur Werkzeugachse positioniert werden. Das Fräsen umfasst ein breites Spektrum an Bearbeitungsvorgängen und Maschinen, von kleinen Einzelteilen bis hin zu großen, komplexen Mehrzweck-Fräsmaschinen. Es ist eines der gängigsten Verfahren zur Fertigung von kundenspezifischen Teilen mit präzisen Toleranzen.
Fräsen kann mit einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen durchgeführt werden. Die ursprüngliche Werkzeugmaschinenklasse für das Fräsen war die Fräsmaschine (oft auch als Fräsmaschine bezeichnet). Mit dem Aufkommen der computergesteuerten numerischen Steuerung (CNC) entwickelten sich Fräsmaschinen zu Bearbeitungszentren: Fräsmaschinen, die durch automatische Werkzeugwechsler, Werkzeugmagazine oder -karussells, CNC-Funktionalität, Kühlsysteme und Gehäuse erweitert wurden. Fräszentren werden im Allgemeinen in vertikale Bearbeitungszentren (VMCs) und horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) unterteilt.
Die Integration des Fräsens in Drehbearbeitungen und umgekehrt begann mit angetriebenen Werkzeugen für Drehmaschinen und dem gelegentlichen Einsatz von Fräsmaschinen für Drehvorgänge. Dies führte zu einer neuen Klasse von Werkzeugmaschinen, den Multitasking-Maschinen (MTMs), die speziell für das Fräsen und Drehen im selben Arbeitsbereich entwickelt wurden.
Für Konstrukteure, Forschungs- und Entwicklungsteams sowie Hersteller, die auf die Teilebeschaffung angewiesen sind, ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung die Herstellung komplexer Teile ohne zusätzliche Nachbearbeitung. Tatsächlich ist es durch die präzise CNC-Bearbeitung oft möglich, fertige Teile auf einer einzigen Maschine herzustellen.
Beim spanenden Bearbeitungsprozess wird Material abgetragen und eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen eingesetzt, um das endgültige, oft hochkomplexe Design eines Bauteils zu erzeugen. Die Präzision wird durch den Einsatz computergesteuerter numerischer Steuerung (CNC) weiter verbessert, die die Steuerung der Bearbeitungswerkzeuge automatisiert.
Die Rolle der CNC-Technik in der Präzisionsbearbeitung
Durch die Verwendung codierter Programmanweisungen ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung das Schneiden und Formen eines Werkstücks nach Vorgaben ohne manuelles Eingreifen eines Maschinenbedieners.
Anhand eines vom Kunden bereitgestellten CAD-Modells erstellt ein erfahrener Zerspanungsmechaniker mithilfe von CAM-Software die Bearbeitungsanweisungen für das Bauteil. Basierend auf dem CAD-Modell ermittelt die Software die benötigten Werkzeugwege und generiert den Programmcode, der die Maschine anweist:
■ Welche Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten sind
■ Wann und wo das Werkzeug und/oder Werkstück bewegt werden soll.
■ Wie tief soll geschnitten werden?
■ Wann Kühlmittel auftragen?
■ Alle anderen Faktoren im Zusammenhang mit Geschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Koordination
Eine CNC-Steuerung nutzt dann den Programmcode, um die Bewegungen der Maschine zu steuern, zu automatisieren und zu überwachen.
CNC ist heute Standard in einer Vielzahl von Maschinen, von Dreh-, Fräs- und Oberfräsmaschinen bis hin zu Drahterodier-, Laser- und Plasmaschneidanlagen. Neben der Automatisierung des Bearbeitungsprozesses und der Steigerung der Präzision eliminiert CNC manuelle Tätigkeiten und ermöglicht es den Maschinenbedienern, mehrere gleichzeitig laufende Maschinen zu überwachen.
Sobald ein Werkzeugweg entworfen und eine Maschine programmiert ist, kann sie ein Werkstück beliebig oft bearbeiten. Dies gewährleistet eine hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit, wodurch der Prozess wiederum äußerst kosteneffizient und skalierbar wird.
Werkstoffe, die bearbeitet werden
Zu den Metallen, die häufig maschinell bearbeitet werden, gehören Aluminium, Messing, Bronze, Kupfer, Stahl, Titan und Zink. Darüber hinaus können auch Holz, Schaumstoff, Glasfaser und Kunststoffe wie Polypropylen bearbeitet werden.
Im Prinzip kann so gut wie jedes Material mit präziser CNC-Bearbeitung bearbeitet werden – natürlich abhängig von der Anwendung und ihren Anforderungen.
Einige Vorteile der Präzisions-CNC-Bearbeitung
Für viele der kleinen Teile und Komponenten, die in einer breiten Palette von Fertigungsprodukten verwendet werden, ist die Präzisions-CNC-Bearbeitung oft die bevorzugte Fertigungsmethode.
Wie bei nahezu allen Schneid- und Bearbeitungsverfahren verhalten sich unterschiedliche Werkstoffe unterschiedlich, und auch Größe und Form eines Bauteils haben einen großen Einfluss auf den Prozess. Im Allgemeinen bietet die Präzisions-CNC-Bearbeitung jedoch Vorteile gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren.
Das liegt daran, dass die CNC-Bearbeitung Folgendes ermöglicht:
■ Hoher Grad an 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 Stückzahlen
Ein erfahrener Maschinenschlosser kann zwar mit einer manuellen Drehbank qualitativ hochwertige Teile in Stückzahlen von 10 oder 100 herstellen, aber was passiert, wenn man 1.000 Teile benötigt? 10.000 Teile? 100.000 oder gar eine Million Teile?
Mit präziser CNC-Bearbeitung erreichen Sie die für diese Art der Serienfertigung erforderliche Skalierbarkeit und Geschwindigkeit. Darüber hinaus gewährleistet die hohe Wiederholgenauigkeit der CNC-Präzisionsbearbeitung, dass alle Teile vom Anfang bis zum Ende identisch sind – unabhängig von der Stückzahl.
Es gibt einige sehr spezialisierte CNC-Bearbeitungsverfahren, darunter Drahterodieren (Funkenerosion), additive Fertigung und 3D-Laserdruck. Beim Drahterodieren beispielsweise werden leitfähige Materialien – typischerweise Metalle – und elektrische Entladungen eingesetzt, um ein Werkstück in komplexe Formen zu erodieren.
Hier konzentrieren wir uns jedoch auf das Fräsen und Drehen – zwei subtraktive Verfahren, die weit verbreitet und häufig für die Präzisions-CNC-Bearbeitung eingesetzt werden.
Fräsen vs. Drehen
Fräsen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem ein rotierendes, zylindrisches Schneidwerkzeug Material abträgt und Formen erzeugt. Fräsmaschinen, auch Fräszentren genannt, ermöglichen die Fertigung einer Vielzahl komplexer Bauteilgeometrien an einigen der größten jemals bearbeiteten Metallobjekte.
Ein wichtiges Merkmal des Fräsens ist, dass das Werkstück stationär bleibt, während sich das Schneidwerkzeug dreht. Anders ausgedrückt: Bei einer Fräsmaschine bewegt sich das rotierende Schneidwerkzeug um das Werkstück, das fest auf einem Maschinentisch eingespannt bleibt.
Drehen ist das Verfahren zum Schneiden oder Formen eines Werkstücks auf einer Drehmaschine. Typischerweise dreht die Drehmaschine das Werkstück um eine vertikale oder horizontale Achse, während sich ein feststehendes Schneidwerkzeug (das sich drehen kann oder nicht) entlang der programmierten Achse bewegt.
Das Werkzeug kann sich nicht physisch um das Werkstück drehen. Das Material rotiert, wodurch das Werkzeug die programmierten Bearbeitungsschritte ausführen kann. (Es gibt eine Untergruppe von Drehmaschinen, bei denen sich die Werkzeuge um einen spulengeführten Draht drehen; dies wird hier jedoch nicht behandelt.)
Beim Drehen, anders als beim Fräsen, rotiert das Werkstück. Das Rohmaterial dreht sich auf der Spindel der Drehmaschine, und das Schneidwerkzeug kommt mit dem Werkstück in Kontakt.
Manuelle vs. CNC-Bearbeitung
Während Fräsmaschinen und Drehmaschinen auch als manuelle Modelle erhältlich sind, eignen sich CNC-Maschinen besser für die Fertigung kleiner Teile – sie bieten Skalierbarkeit und Wiederholgenauigkeit für Anwendungen, die eine Serienproduktion von Teilen mit engen Toleranzen erfordern.
Neben einfachen 2-Achs-Maschinen, bei denen sich das Werkzeug in der X- und Z-Achse bewegt, bieten präzise CNC-Maschinen auch Mehrachsenmodelle an, bei denen sich auch das Werkstück bewegen kann. Dies unterscheidet sie von einer Drehmaschine, bei der sich das Werkstück dreht und die Werkzeuge die gewünschte Geometrie erzeugen.
Diese Mehrachsenkonfigurationen ermöglichen die Fertigung komplexerer Geometrien in einem einzigen Arbeitsgang, ohne dass der Maschinenbediener zusätzliche Arbeit leisten muss. Dies vereinfacht nicht nur die Herstellung komplexer Teile, sondern reduziert oder eliminiert auch das Risiko von Bedienungsfehlern.
Darüber hinaus wird durch den Einsatz von Hochdruckkühlmittel bei der Präzisions-CNC-Bearbeitung sichergestellt, dass keine Späne in das Werkstück gelangen, selbst bei Verwendung einer Maschine mit vertikal ausgerichteter Spindel.
CNC-Fräsmaschinen
Verschiedene Fräsmaschinen unterscheiden sich in ihrer Größe, Achsenkonfiguration, Vorschubgeschwindigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Fräsvorschubrichtung und anderen Eigenschaften.
Im Allgemeinen nutzen CNC-Fräsmaschinen jedoch alle eine rotierende Spindel, um unerwünschtes Material abzutragen. Sie werden zum Bearbeiten harter Metalle wie Stahl und Titan eingesetzt, können aber auch für Materialien wie Kunststoff und Aluminium verwendet werden.
CNC-Fräsmaschinen sind auf Wiederholgenauigkeit ausgelegt und eignen sich für alles vom Prototypenbau bis zur Serienfertigung. Hochpräzise CNC-Fräsmaschinen werden häufig für Arbeiten mit engen Toleranzen eingesetzt, beispielsweise zum Fräsen von feinen Werkzeugen und Formen.
CNC-Fräsen ermöglicht zwar eine schnelle Bearbeitung, die Nachbearbeitung der gefrästen Teile führt jedoch zu sichtbaren Werkzeugspuren. Es können auch Teile mit scharfen Kanten und Graten entstehen, sodass gegebenenfalls zusätzliche Bearbeitungsschritte erforderlich sind, wenn diese Kanten und Grate für die jeweiligen Merkmale unerwünscht sind.
Die in die Sequenz einprogrammierten Entgratungswerkzeuge werden natürlich auch entgraten, erreichen dabei aber in der Regel höchstens 90 % des Endergebnisses, sodass einige Details für die abschließende manuelle Nachbearbeitung verbleiben.
Was die Oberflächenbeschaffenheit angeht, gibt es Werkzeuge, die nicht nur eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit, sondern auch eine spiegelglatte Oberfläche an Teilen des Werkstücks erzeugen.
Arten von CNC-Fräsmaschinen
Die beiden grundlegenden Arten von Fräsmaschinen werden als vertikale Bearbeitungszentren und horizontale Bearbeitungszentren bezeichnet, wobei der Hauptunterschied in der Ausrichtung der Maschinenspindel liegt.
Ein vertikales Bearbeitungszentrum ist eine Fräsmaschine, deren Spindelachse in Z-Richtung ausgerichtet ist. Diese vertikalen Maschinen lassen sich weiter in zwei Typen unterteilen:
■Bettfräsmaschinen, 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 Spindelachse steht.
Bei einem horizontalen Bearbeitungszentrum ist die Spindelachse der Fräsmaschine in Y-Richtung ausgerichtet. Aufgrund der horizontalen Bauweise benötigen diese Fräsmaschinen tendenziell mehr Platz in der Werkstatt; außerdem sind sie in der Regel schwerer und leistungsstärker als vertikale Maschinen.
Eine Horizontalfräsmaschine wird häufig eingesetzt, wenn eine bessere Oberflächengüte erforderlich ist; das liegt daran, dass die Ausrichtung der Spindel dafür sorgt, dass die Späne auf natürliche Weise abfallen und leicht abgeführt werden können. (Ein weiterer Vorteil ist, dass die effiziente Spanabfuhr die Werkzeugstandzeit verlängert.)
Im Allgemeinen sind vertikale Bearbeitungszentren weiter verbreitet, da sie genauso leistungsstark wie horizontale Bearbeitungszentren sein können und auch sehr kleine Teile bearbeiten können. Darüber hinaus benötigen vertikale Zentren weniger Platz als horizontale Bearbeitungszentren.
Mehrachsige CNC-Fräsmaschinen
Präzisions-CNC-Fräszentren sind mit mehreren Achsen erhältlich. Eine 3-Achs-Fräsmaschine nutzt die X-, Y- und Z-Achse für ein breites Bearbeitungsspektrum. Mit einer 4-Achs-Fräsmaschine kann sich die Maschine um eine vertikale und horizontale Achse drehen und das Werkstück bewegen, was eine kontinuierlichere Bearbeitung ermöglicht.
Eine 5-Achs-Fräsmaschine verfügt über drei herkömmliche Achsen und zwei zusätzliche Drehachsen. Dadurch kann das Werkstück gedreht werden, während sich der Spindelkopf um es bewegt. So lassen sich fünf Seiten eines Werkstücks bearbeiten, ohne es entnehmen und die Maschine neu einstellen zu müssen.
CNC-Drehmaschinen
Eine Drehmaschine – auch Drehzentrum genannt – verfügt über eine oder mehrere Spindeln sowie eine X- und eine Z-Achse. Mit dieser Maschine wird ein Werkstück um seine Achse gedreht, um verschiedene Schneid- und Formbearbeitungen durchzuführen. Dabei kommt eine breite Palette von Werkzeugen zum Einsatz.
CNC-Drehmaschinen, auch als Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen bezeichnet, eignen sich ideal zur Herstellung symmetrischer zylindrischer oder sphärischer Teile. Ähnlich wie CNC-Fräsmaschinen können CNC-Drehmaschinen kleinere Bearbeitungen wie die Prototypenfertigung übernehmen, lassen sich aber auch für hohe Wiederholgenauigkeit und damit für die Serienproduktion einrichten.
CNC-Drehmaschinen können auch für eine relativ freihändige Produktion eingerichtet werden, was sie in der Automobil-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt-, Robotik- und Medizintechnikindustrie weit verbreitet macht.
Funktionsweise einer CNC-Drehmaschine
Bei einer CNC-Drehmaschine wird ein Rohling aus Rohmaterial in das Spannfutter der Spindel eingespannt. Dieses Spannfutter fixiert das Werkstück, während sich die Spindel dreht. Sobald die Spindel die erforderliche Drehzahl erreicht hat, wird ein stationäres Schneidwerkzeug in Kontakt mit dem Werkstück gebracht, um Material abzutragen und die gewünschte Geometrie zu erzielen.
Eine CNC-Drehmaschine kann eine Reihe von Bearbeitungsvorgängen durchführen, wie z. B. Bohren, Gewindeschneiden, Ausdrehen, Reiben, Plandrehen und Kegeldrehen. Unterschiedliche Bearbeitungsvorgänge erfordern Werkzeugwechsel und können die Kosten und Rüstzeiten erhöhen.
Sobald alle erforderlichen Bearbeitungsschritte abgeschlossen sind, wird das Werkstück aus dem Rohmaterial abgetrennt und kann bei Bedarf weiterverarbeitet werden. Die CNC-Drehmaschine ist dann bereit, den Vorgang zu wiederholen, wobei in der Regel nur geringe oder gar keine zusätzliche Rüstzeit erforderlich ist.
CNC-Drehmaschinen können auch mit einer Vielzahl automatischer Stangenzuführungen ausgestattet werden, wodurch der manuelle Rohmaterialtransport reduziert wird und Vorteile wie die folgenden geboten werden:
■ Reduzierung des Zeit- und Arbeitsaufwands für den Maschinenbediener
■ Stützen Sie den Stangenkörper ab, um Vibrationen zu reduzieren, die die Präzision beeinträchtigen können.
■ Ermöglichen Sie den Betrieb der Werkzeugmaschine mit optimalen Spindeldrehzahlen.
■ Minimierung der Umrüstzeiten
■ Materialverschwendung reduzieren
Arten von CNC-Drehmaschinen
Es gibt verschiedene Arten von Drehmaschinen, am häufigsten sind jedoch 2-Achs-CNC-Drehmaschinen und automatische Drehmaschinen chinesischer Bauart.
Die meisten CNC-Drehmaschinen aus China verwenden eine oder zwei Hauptspindeln sowie eine oder zwei Gegenspindeln (oder Nebenspindeln), wobei die Hauptspindel über eine Drehübertragung angetrieben wird. Die Hauptspindel führt mithilfe einer Führungsbuchse den primären Bearbeitungsvorgang aus.
Darüber hinaus sind einige Drehmaschinen im chinesischen Stil mit einem zweiten Werkzeugkopf ausgestattet, der als CNC-Fräsmaschine fungiert.
Bei einer CNC-Drehmaschine chinesischer Bauart wird das Rohmaterial über eine Spindel mit verschiebbarem Spindelkopf in eine Führungsbuchse geführt. Dadurch kann das Werkzeug das Material näher an der Auflagefläche bearbeiten, was diese Maschine besonders vorteilhaft für lange, schlanke Drehteile und für die Mikrobearbeitung macht.
Mehrachsige CNC-Drehzentren und Drehmaschinen chinesischer Bauart ermöglichen die Durchführung mehrerer Bearbeitungsvorgänge mit nur einer Maschine. Dadurch stellen sie eine kostengünstige Option für komplexe Geometrien dar, die andernfalls mehrere Maschinen oder Werkzeugwechsel erfordern würden, beispielsweise bei herkömmlichen CNC-Fräsmaschinen.