Präzisionsbearbeitung ist ein Verfahren zum Abtragen von Material von einem Werkstück unter Einhaltung enger Toleranzen. Präzisionsmaschinen gibt es in vielen Ausführungen, darunter Fräsen, Drehen und Funkenerosion. Präzisionsmaschinen werden heutzutage in der Regel mit einer computergestützten 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 Maschinenbedienern bedient. Damit das Schneidwerkzeug seine Aufgabe erfüllen kann, muss es in die vorgegebene Richtung bewegt werden, um den korrekten Schnitt zu erzielen. Diese primäre Bewegung wird als „Schnittgeschwindigkeit“ bezeichnet. Auch das Werkstück kann bewegt werden, was als sekundäre Bewegung des „Vorschubs“ bezeichnet wird. Zusammen ermöglichen diese Bewegungen und die Schärfe des Schneidwerkzeugs den Betrieb der Präzisionsmaschine.
Hochwertige Präzisionsbearbeitung erfordert die Fähigkeit, präzise Pläne von CAD- (Computer Aided Design) oder CAM-Programmen (Computer Aided Manufacturing) wie AutoCAD und TurboCAD zu befolgen. Die Software unterstützt die Erstellung komplexer dreidimensionaler Diagramme oder Umrisse, die für die Herstellung von Werkzeugen, Maschinen oder Objekten erforderlich sind. Diese Pläne müssen präzise eingehalten werden, um die Integrität des Produkts zu gewährleisten. Obwohl die meisten Unternehmen der Präzisionsbearbeitung mit CAD/CAM-Programmen arbeiten, arbeiten sie in der Anfangsphase eines Entwurfs häufig noch mit Handskizzen.
Präzisionsbearbeitung wird für eine Vielzahl von Materialien eingesetzt, darunter Stahl, Bronze, Graphit, Glas und Kunststoff, um nur einige zu nennen. Je nach Projektgröße und den zu verarbeitenden Materialien kommen unterschiedliche Präzisionsbearbeitungswerkzeuge zum Einsatz. Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen sowie Hochgeschwindigkeitsroboter können beliebig kombiniert werden. In der Luft- und Raumfahrtindustrie kommt Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zum Einsatz, während in der Holzwerkzeugindustrie fotochemische Ätz- und Fräsverfahren zum Einsatz kommen. Die Produktion einer Serie oder einer bestimmten Menge eines bestimmten Artikels kann in die Tausende gehen oder nur wenige betragen. Präzisionsbearbeitung erfordert oft die Programmierung von CNC-Geräten, d. h. sie werden computergesteuert (CNC). Die CNC-Steuerung ermöglicht die Einhaltung exakter Abmessungen während der gesamten Produktion eines Produkts.
Fräsen ist ein spanabhebender Bearbeitungsprozess, bei dem rotierende Fräser Material von einem Werkstück entfernen, indem sie den Fräser in einer bestimmten Richtung in das Werkstück einführen. Der Fräser kann auch in einem Winkel zur Werkzeugachse gehalten werden. Fräsen umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Vorgänge und Maschinen, von kleinen Einzelteilen bis hin zu großen, hochleistungsfähigen Mehrfachfräsvorgängen. Es ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Bearbeitung von Sonderteilen mit präzisen Toleranzen.
Fräsen ist mit einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen möglich. Die ursprüngliche Werkzeugmaschinenklasse zum Fräsen war die Fräsmaschine (oft auch Fräse genannt). Mit dem Aufkommen der computergestützten numerischen Steuerung (CNC) entwickelten sich Fräsmaschinen zu Bearbeitungszentren: Fräsmaschinen mit automatischen Werkzeugwechslern, Werkzeugmagazinen oder Karussells, CNC-Funktionalität, Kühlmittelsystemen und Einhausungen. Fräszentren werden im Allgemeinen als vertikale Bearbeitungszentren (VMCs) oder horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) klassifiziert.
Die Integration des Fräsens in Drehprozesse und umgekehrt begann mit angetriebenen Werkzeugen für Drehmaschinen und dem gelegentlichen Einsatz von Fräsen für Drehoperationen. Dies führte zu einer neuen Klasse von Werkzeugmaschinen, den Multitasking-Maschinen (MTMs), die speziell dafür entwickelt wurden, Fräsen und Drehen im selben Arbeitsbereich zu ermöglichen.
Für Konstrukteure, Forschungs- und Entwicklungsteams sowie Hersteller, die auf die Beschaffung von Ersatzteilen angewiesen sind, ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung die Herstellung komplexer Teile ohne zusätzliche Bearbeitung. Tatsächlich ermöglicht die präzise CNC-Bearbeitung oft die Herstellung fertiger Teile auf einer einzigen Maschine.
Bei der spanenden Bearbeitung wird Material entfernt und eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen eingesetzt, um das endgültige, oft hochkomplexe Design eines Teils zu erstellen. Die Präzision wird durch den Einsatz computergestützter numerischer Steuerung (CNC) erhöht, die die Steuerung der Bearbeitungswerkzeuge automatisiert.
Die Rolle von "CNC" in der Präzisionsbearbeitung
Mithilfe codierter Programmieranweisungen kann bei der präzisen CNC-Bearbeitung ein Werkstück ohne manuelles Eingreifen eines Maschinenbedieners nach Maßgabe geschnitten und geformt werden.
Ein erfahrener Maschinenbauer erstellt anhand eines CAD-Modells (Computer-Aided Design) eines Kunden mithilfe von CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing) die Anweisungen für die Bearbeitung des Teils. Basierend auf dem CAD-Modell ermittelt die Software die benötigten Werkzeugwege 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 soll
■ Wie tief muss geschnitten werden
■ Wann ist Kühlmittel anzuwenden?
■ Alle anderen Faktoren im Zusammenhang mit Geschwindigkeit, Vorschub und Koordination
Eine CNC-Steuerung verwendet dann den Programmcode, um die Bewegungen der Maschine zu steuern, zu automatisieren und zu überwachen.
CNC ist heute fester Bestandteil einer Vielzahl von Maschinen, von Drehmaschinen, Fräsen und Oberfräsen bis hin zu Drahterodier-, Laser- und Plasmaschneidmaschinen. CNC automatisiert nicht nur den Bearbeitungsprozess und erhöht die Präzision, sondern eliminiert auch manuelle Aufgaben und ermöglicht es den Maschinenbedienern, mehrere gleichzeitig laufende Maschinen zu überwachen.
Sobald ein Werkzeugweg entworfen und eine Maschine programmiert ist, kann ein Teil beliebig oft bearbeitet werden. Dies gewährleistet ein hohes Maß an Präzision und Wiederholgenauigkeit, was den Prozess wiederum äußerst kosteneffizient und skalierbar macht.
Bearbeitete Materialien
Zu den häufig 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 mit der Präzisions-CNC-Bearbeitung nahezu jedes Material verarbeitet werden – natürlich abhängig von der Anwendung und ihren Anforderungen.
Einige Vorteile der Präzisions-CNC-Bearbeitung
Für viele der Kleinteile und Komponenten, die in einer breiten Palette von Industrieprodukten verwendet werden, ist die Präzisions-CNC-Bearbeitung häufig das Fertigungsverfahren der Wahl.
Wie bei nahezu allen Schneid- und Bearbeitungsverfahren verhalten sich unterschiedliche Materialien unterschiedlich, und auch Größe und Form eines Bauteils haben großen Einfluss auf den Prozess. Generell bietet die Präzisions-CNC-Bearbeitung jedoch Vorteile gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren.
Denn die CNC-Bearbeitung bietet folgende Vorteile:
■ Ein 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 kundenspezifischer Oberflächen
■ Wiederholgenauigkeit, auch bei hohen Lautstärken
Ein erfahrener Maschinist kann mit einer manuellen Drehbank zwar ein Qualitätsteil in Mengen von 10 oder 100 Stück herstellen, aber was passiert, wenn Sie 1.000 Teile benötigen? 10.000 Teile? 100.000 oder eine Million Teile?
Mit Präzisions-CNC-Bearbeitung erreichen Sie die Skalierbarkeit und Geschwindigkeit, die für diese Art der Massenproduktion erforderlich ist. Darüber hinaus sorgt die hohe Wiederholgenauigkeit der Präzisions-CNC-Bearbeitung dafür, dass Sie von Anfang bis Ende identische Teile erhalten, unabhängig von der Anzahl der produzierten Teile.
Es gibt einige sehr spezialisierte Verfahren der CNC-Bearbeitung, darunter Drahterodieren (Elektroerosion), additive Fertigung und 3D-Laserdruck. Beim Drahterodieren werden beispielsweise leitfähige Materialien – typischerweise Metalle – und elektrische Entladungen verwendet, um ein Werkstück in komplexe Formen zu bringen.
Hier konzentrieren wir uns jedoch auf die Fräs- und Drehprozesse – zwei subtraktive Methoden, die weit verbreitet sind und häufig für die CNC-Präzisionsbearbeitung verwendet werden.
Fräsen vs. Drehen
Fräsen ist ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren, bei dem ein rotierendes, zylindrisches Schneidwerkzeug Material abträgt und Formen erzeugt. Fräsmaschinen, auch Fräsen oder Bearbeitungszentren genannt, ermöglichen die Herstellung komplexer Teilegeometrien an einigen der größten Metallobjekte.
Ein wichtiges Merkmal des Fräsens ist, dass das Werkstück stationär bleibt, während sich das Schneidwerkzeug dreht. Anders ausgedrückt: 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 Drehmaschine. Typischerweise dreht die Drehmaschine das Werkstück um eine vertikale oder horizontale Achse, während sich ein festes Schneidwerkzeug (das sich drehen kann, muss aber nicht) entlang der programmierten Achse bewegt.
Das Werkzeug kann das Werkstück nicht physisch umrunden. Das Material rotiert, sodass das Werkzeug die programmierten Operationen ausführen kann. (Es gibt Drehmaschinen, bei denen sich die Werkzeuge um einen spulengeführten Draht drehen; dies wird hier jedoch nicht behandelt.)
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
Obwohl sowohl Fräs- als auch Drehmaschinen in manueller Ausführung erhältlich sind, eignen sich CNC-Maschinen besser für die Herstellung kleiner Teile, da sie Skalierbarkeit und Wiederholgenauigkeit für Anwendungen bieten, die eine Massenproduktion von Teilen mit engen Toleranzen erfordern.
Neben einfachen Zweiachsenmaschinen, bei denen sich das Werkzeug in der X- und Z-Achse bewegt, gibt es bei Präzisions-CNC-Maschinen auch Mehrachsenmodelle, bei denen sich auch das Werkstück bewegen kann. Im Gegensatz dazu dreht sich bei einer Drehmaschine das Werkstück nur, und die Werkzeuge bewegen sich, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen.
Diese Mehrachsenkonfigurationen ermöglichen die Fertigung komplexer Geometrien in einem einzigen Arbeitsgang, ohne dass der Maschinenbediener zusätzliche Arbeit leisten muss. Dies erleichtert nicht nur die Fertigung komplexer Teile, sondern reduziert oder eliminiert auch das Risiko von Bedienfehlern.
Darüber hinaus stellt die Verwendung von Hochdruckkühlmittel bei der präzisen CNC-Bearbeitung sicher, dass selbst bei Verwendung einer Maschine mit vertikal ausgerichteter Spindel keine Späne in das Werkstück gelangen.
CNC-Fräsen
Verschiedene Fräsmaschinen unterscheiden sich in Größe, Achsenkonfiguration, Vorschubgeschwindigkeit, Schnittgeschwindigkeit, Fräsvorschubrichtung und anderen Eigenschaften.
CNC-Fräsen verwenden jedoch im Allgemeinen eine rotierende Spindel, um unerwünschtes Material zu entfernen. Sie werden zum Schneiden von Hartmetallen wie Stahl und Titan verwendet, können aber auch für Materialien wie Kunststoff und Aluminium eingesetzt werden.
CNC-Fräsen sind auf Wiederholgenauigkeit ausgelegt und eignen sich für alle Bereiche, vom Prototyping bis zur Großserienproduktion. Hochwertige Präzisions-CNC-Fräsen werden häufig für Arbeiten mit engen Toleranzen eingesetzt, beispielsweise für das Fräsen feiner Matrizen und Formen.
CNC-Fräsen ermöglicht zwar eine schnelle Bearbeitung, doch die Fräsbearbeitung erzeugt Teile mit sichtbaren Werkzeugspuren. Es können auch Teile mit scharfen Kanten und Graten entstehen, sodass zusätzliche Prozesse erforderlich sein können, wenn Kanten und Grate für diese Merkmale nicht akzeptabel sind.
Natürlich werden die in die Sequenz programmierten Entgratungswerkzeuge auch entgraten, obwohl sie normalerweise höchstens 90 % der Endbearbeitungsanforderungen erreichen und einige Bereiche für die abschließende manuelle Endbearbeitung übrig bleiben.
Was die Oberflächenbeschaffenheit betrifft, gibt es Werkzeuge, die nicht nur eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit erzeugen, sondern auch eine spiegelähnliche Oberfläche auf Teilen des Arbeitsprodukts.
Arten von CNC-Fräsen
Die beiden Grundtypen von Fräsmaschinen sind als vertikale und horizontale Bearbeitungszentren bekannt, 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 Fräse in Y-Richtung ausgerichtet. Aufgrund der horizontalen Bauweise benötigen diese Fräsen tendenziell mehr Platz in der Werkstatt; sie sind zudem in der Regel schwerer und leistungsstärker als vertikale Maschinen.
Eine Horizontalfräse wird häufig eingesetzt, wenn eine bessere Oberflächengüte erforderlich ist. Die Ausrichtung der Spindel sorgt dafür, dass die Späne auf natürliche Weise abfallen und leicht entfernt werden können. (Ein weiterer Vorteil: Die effiziente Spanabfuhr trägt zu einer längeren Werkzeugstandzeit bei.)
Vertikale Bearbeitungszentren sind im Allgemeinen häufiger anzutreffen, da sie genauso leistungsstark wie horizontale Bearbeitungszentren sind und sehr kleine Teile bearbeiten können. Darüber hinaus benötigen vertikale Bearbeitungszentren weniger Stellfläche als horizontale Bearbeitungszentren.
Mehrachsige CNC-Fräsen
Präzisions-CNC-Fräszentren sind mit mehreren Achsen erhältlich. Eine 3-Achsen-Fräse nutzt die X-, Y- und Z-Achse für vielfältige Bearbeitungen. Bei einer 4-Achsen-Fräse kann die Maschine um eine vertikale und horizontale Achse rotieren und das Werkstück bewegen, um eine kontinuierlichere Bearbeitung zu ermöglichen.
Eine 5-Achsen-Fräsmaschine verfügt über drei herkömmliche Achsen und zwei zusätzliche Drehachsen. Dadurch kann das Werkstück gedreht werden, während sich der Spindelkopf um das Werkstück bewegt. Dadurch können fünf Seiten eines Werkstücks bearbeitet werden, ohne dass das Werkstück entfernt und die Maschine neu eingestellt werden muss.
CNC-Drehmaschinen
Eine Drehmaschine – auch Drehzentrum genannt – verfügt über eine oder mehrere Spindeln sowie X- und Z-Achsen. Die Maschine wird verwendet, um ein Werkstück um seine Achse zu drehen und verschiedene Schneid- und Formvorgänge durchzuführen. Dabei kommen verschiedenste Werkzeuge zum Einsatz.
CNC-Drehmaschinen, auch Live-Action-Werkzeugdrehmaschinen genannt, eignen sich ideal für die Herstellung symmetrischer zylindrischer oder sphärischer Teile. Wie CNC-Fräsen können CNC-Drehmaschinen kleinere Bearbeitungen wie Prototyping übernehmen, lassen sich aber auch auf hohe Wiederholgenauigkeit einstellen und unterstützen so die Großserienproduktion.
CNC-Drehmaschinen können außerdem für eine relativ freihändige Produktion eingerichtet werden, weshalb sie in der Automobil-, Elektronik-, Luft- und Raumfahrt-, Roboter- und Medizingeräteindustrie weit verbreitet sind.
So funktioniert eine CNC-Drehmaschine
Bei einer CNC-Drehmaschine wird ein Rohling in das Spannfutter der Drehspindel eingelegt. Dieses Spannfutter hält das Werkstück fest, während sich die Spindel dreht. Sobald die Spindel die erforderliche Drehzahl erreicht hat, wird ein stationäres Schneidwerkzeug mit dem Werkstück in Kontakt gebracht, um Material zu entfernen und die richtige Geometrie zu erzielen.
Eine CNC-Drehmaschine kann verschiedene Bearbeitungsvorgänge ausführen, z. B. Bohren, Gewindeschneiden, Ausbohren, Reiben, Plandrehen und Kegeldrehen. Verschiedene Bearbeitungsvorgänge erfordern Werkzeugwechsel und können Kosten und Rüstzeit erhöhen.
Sobald alle erforderlichen Bearbeitungsvorgänge abgeschlossen sind, wird das Teil bei Bedarf zur weiteren Bearbeitung aus dem Rohling geschnitten. Die CNC-Drehmaschine ist dann bereit, den Vorgang zu wiederholen, wobei in der Regel nur wenig oder keine zusätzliche Rüstzeit erforderlich ist.
CNC-Drehmaschinen können außerdem mit einer Vielzahl automatischer Stangenzuführungen ausgestattet werden, die den manuellen Umgang mit Rohmaterial reduzieren und unter anderem folgende Vorteile bieten:
■ Reduzieren Sie den Zeit- und Arbeitsaufwand des Maschinenbedieners
■ Stützen Sie das Stangenmaterial, um Vibrationen zu reduzieren, die die Präzision beeinträchtigen können
■ Ermöglichen Sie der Werkzeugmaschine, mit optimaler Spindeldrehzahl zu arbeiten
■ Minimieren Sie die Umrüstzeiten
■ Reduzieren Sie Materialabfall
Arten von CNC-Drehmaschinen
Es gibt viele verschiedene Arten von Drehmaschinen, am häufigsten sind jedoch 2-Achsen-CNC-Drehmaschinen und Drehautomaten im chinesischen Stil.
Die meisten CNC-Drehmaschinen in China verfügen über eine oder zwei Hauptspindeln und eine oder zwei Gegenspindeln (auch Sekundärspindeln genannt), wobei die Drehübertragung für die Hauptspindel zuständig ist. Die Hauptspindel führt mithilfe einer Führungsbuchse die Hauptbearbeitung durch.
Darüber hinaus sind einige Drehmaschinen im China-Stil mit einem zweiten Werkzeugkopf ausgestattet, der als CNC-Fräse fungiert.
Bei einem CNC-Drehautomaten im China-Stil wird das Rohmaterial über eine Gleitspindel in eine Führungsbuchse geführt. Dadurch kann das Werkzeug das Material näher an der Auflagefläche schneiden. Dies macht die China-Maschine besonders vorteilhaft für lange, schlanke Drehteile und die Mikrobearbeitung.
Mehrachsige CNC-Drehzentren und Drehmaschinen im chinesischen Stil ermöglichen mehrere Bearbeitungsvorgänge mit einer einzigen Maschine. Dies macht sie zu einer kostengünstigen Option für komplexe Geometrien, die sonst mehrere Maschinen oder Werkzeugwechsel erfordern würden, beispielsweise mit einer herkömmlichen CNC-Fräse.