Herstellen von rotationssymmetrischen Serienteilen durch CNC Drehen
Das Drehen in der Metallverarbeitung ist eine zerspanende Bearbeitungsform von festen Materialien. Sie ist aus dem traditionellen "Drechseln" von Holzprodukten abgeleitet. Wie beim Drechseln ist das Drehen die Herstellung von rotationssymmetrischen Serienteilen. Das CNC-Drehen erweitert die traditionelle Produktionsform durch Programmierung und dadurch wiederholgenaue Präzision. Das macht die Herstellung von gedrehten Präzisionsteile besonders effizient.
Aufbau einer Drehmaschine
Eine Drehmaschine besteht grundsätzlich aus folgenden Komponenten:
Maschinenbett
Antriebe
Hauptspindel
Gegenspindel
Werkzeugrevolver
Spannzange
Reitstock
Das gusseiserne Maschinenbett sorgt für die erforderliche Steifigkeit und Stabilität der Maschine. Es verhindert, dass sich die konventionelle, CNC- oder Zyklendrehmaschine während der Bearbeitung verwindet.
Als Antrieb werden für das Drehen von Metall oder anderen Werkstoffen schnell drehende Servomotoren eingesetzt. Die Servos gewährleisten vor allem bei angetriebenen Spindeln, dass die Bearbeitungswerkzeuge das Werkstück stets an der korrekten Position anfahren.
Die Werkzeugführung erfolgt bei der konventionellen oder CNC Drehmaschine über Schlitten mit Spindelantrieb. Die Spindeln werden manuell per Handrad oder mit Servomotoren angetrieben.
Die Spannzange sitzt im Spannzangenfutter in der Hauptspindel bzw. Gegenspindel. Hier unterscheidet man zwischen Zugspannzangen oder Druckspannzangen. Bei der Zugspannzange wird die Spannzange in einen Konus gezogen und spannt somit das Werkstück. Bei der Druckspannzange wird die Spannzange gegen vorne gegen eine Mutter gedrückt und spannt das Werkstück. Alternativ zum Spannzangenfutter bietet sich die Spannung mittels Dreibackenfutter bzw. Vierbackenfutter an. Die Futterspannung bietet sich vor allem bei grösseren Werkstücken an, welche nicht durch das Zugrohr in die Maschine geführt werden können.
Um Vibrationen und Schwingungen bei längeren Werkstücken zu reduzieren, kann das Werkstück durch den Reitstock abgestützt werden. Der Reitstock verfügt über eine Pinole, welche in der Regel hydraulisch oder pneumatisch angesteuert wird. Bei konventionellen Drehmaschinen oder Zyklendrehmaschinen sind manuell bedienbare Reitstöcke weit verbreitet. Selbstverständlich können längere Drehteile auch durch die Gegenspindel, falls vorhanden, abgestützt werden. Hierbei muss die Gegenspindel zur Hauptspindel synchron laufen. Diesen Vorgang nennt man Synchronisation.
CNC Drehmaschinen können, wie CNC Fräsmaschinen ebenfalls, grundsätzlich auf drei Arten programmiert werden. Durch DIN-ISO-Programmierung direkt an der Maschine, durch einen Postprozessor an einem Programmiersystem oder durch Dialogprogrammierung meistens direkt an der Maschine. Ist die CNC Drehmaschine einmal programmiert und eingerichtet, lassen sich Einzelteile und Serienteile effizient herstellen. In Kombination mit einem Stangenlademagazin ist die mannlose Fertigung über mehrere Stunden gewährleistet.
Das Stangenlademagazin lässt je nach Auslegung mit 1 – 3 Meter Stangen bestücken, es gilt einzig den richtigen Durchmesser der Rohmaterialstange einzustellen. Wie beim CNC Fräsen ist auch beim CNC Drehen eine regelmässige Kontrolle der Teile unverzichtbar. Die Erwärmung von Kühlmittel, Spindeln oder Führungen können zu mehr oder weniger grossen Massabweichungen führen. Ebenfalls gilt es die Werkzeuge regelmässig zu überwachen. Auch hier können mittels Standzeitüberwachung Schwesterwerkzeuge eingewechselt werden. Ebenfalls hilft die Schnittkraftüberwachung, um nicht mehr schnittige Werkzeuge zu ermitteln und danach zu ersetzen.
CNC Drehmaschinen
Während der Drehbearbeitung ist die Kühlung der Werkzeuge sehr wichtig. Sie verhindert die überhitzung der Werkzeuge, verlängert die Standzeit und spült die Späne vom Werkstück weg in den Maschinenraum oder runter zum Späneförderer. Die Kühlung kann durch verschiedene Medien geschehen: Durch wassermischbaren Kühlschmierstoff, dieser wird durch Wasser verdünnt in den Maschinentank gefüllt / durch öl oder bei Trockenbearbeitung durch Luft.
Wie CNC Fräsmaschinen, verfügen CNC- und Zyklendrehmaschinen über eine Maschinenverschalung, welche den Mitarbeiter und die Umgebung für umherfliegenden Spänen und Kühlschmiermittel schützt. Auch CNC- und Zyklendrehmaschinen müssen sicher sein. Notausschalter und überwachte Türen dürfen niemals überbrückt werden.
Am Anfang von CNC programmierbare Drehmaschinen standen konventionelle Maschinen und Zyklendrehmaschinen. Diese sind mittlerweile teilweise den Drehmaschinen mit CNC-Steuerung gewichen. CNC bedeutet "Computer Numeric Control". Damit meint man, dass die Steuerung von Achsen, Vorschub und Drehgeschwindigkeit über eine Software erfolgt.
Der Aufbau von CNC Drehmaschinen ist grundsätzlich ähnlich wie bei konventionellen Drehmaschinen oder Zyklendrehmaschinen. Die Grundlage bieten 2 Achen, die X-Achse für die Querbewegung und Zustellung im Radius, und die Z-Achse für die Längsbewegung. Moderne CNC Drehmaschinen verfügen mittlerweile über bis zu 12 oder mehr Achsen. Obwohl sich Drechseln und Drehen sehr ähneln, ist die Genauigkeit der Teile beim CNC-Drehen sehr viel höher. Optische und massliche Anforderungen lassen sich hier gleichermassen erfüllen.
Beim Drechseln wird das Werkzeug teilweise noch von Hand geführt. Beim CNC-Drehen werden die Werkzeuge und Achsen mit höchster Genauigkeit mittels CNC-Steuerung angefahren. Toleranzen im Hundertstelmillimeterbereich gehören hier zur Tagesordnung. Um solch engen Toleranzen überprüfen zu können bedarf es hochgenauer Messwerkzeuge, diese müssen regelmässig von einer zertifizierten CNC Firma kontrolliert und protokolliert werden.
Beim konventionellen Drehen werden die Achsen manuell über Handräder verfahren. Eine Skala auf dem Handrad, oder eine Digitalanzeige hilft hier, die exakten Werte anzufahren. Das konventionelle Drehen gehört auch bei der heutigen modernen Ausbildung zur Grundausbildung jedes Produktionsmechanikers oder Polymechanikers. Nur so gewinnt der angehende Fachmann ein Gefühl für die Kräfte, welche an modernen Werkzeugmaschinen herrschen.
Bei CNC-Drehmaschinen sind die Werkzeuge fest in Werkzeughaltern fixiert. Die stabile und starre Spannung ist eine Grundvoraussetzung für massgenaues Drehen. Die Achsen werden durch die entsprechenden Programme angesteuert. Komplexe Konturen mit Radien, Einstichen, Hinterstichen, Bohrungen, Ausdrehungen können so exakt hergestellt werden. Eine grosse Herausforderung beim CNC-Drehen ist der Spänefluss. Lange Späne, auch Fliessspäne genannt, können sich um Werkzeuge und Werkzeughalter wickeln und so ein den Produktionsablauf massgeblich stören.
Durch den Einsatz von Werkzeugen mit der richtigen Geometrie, wird der Span zu kurzen Chips gebrochen. Die Spangrösse kann durch den Einsatz der richtigen Schnittparameter beeinflusst werden. Kurze Späne zum Beispiel können durch das Erhöhen des Vorschubs erreicht werden. Jeder Werkzeughersteller stellt die entsprechenden Schnittparameter für seine Werkzeuge zur Verfügung. Ebenfalls massgeblich für den Spanaufbau sind die Legierungsbestandteile der Materialien, diese gilt es bei der Schnittdatenberechnung ebenfalls miteinzubeziehen.
Das Erlernen der Programmiersprachen für CNC-Drehmaschinen gehört heute zur Grundausbildung jedes Polymechaniker oder Produktionsmechanikers. Namhafte Anbieter von CNC-Steuerungen sind SIEMENS, HEIDENHAIN, FANUC.
Durch die Bearbeitung von CNC-Programmen wird eine exakte Wiederholgenauigkeit erreicht. Dennoch sollte jedes CNC-Programm regelmässig optimiert werden. Hierbei gilt es den idealen Mix zwischen der Laufzeit und der Standzeit der Werkzeuge zu erreichen. Schnelle Programme bedeuten oft auch hoher Verschleiss der Werkzeuge. Umgekehrt erhöhen ineffiziente Programme die Laufzeit und verteuern so den Preis des Enderzeugnisses. Der ideale Mix ist hier ausschlaggebend.
CNC Drehmaschinen können sehr unterschiedlich ausgelegt werden, es hängt von der Anwendung der Teile ab. Oft reicht eine einfache CNC Drehmaschine mit 2 Achsen (X und Z), und einer Spindel aus, um die idealen Drehteile für die eigenen Bedürfnisse herzustellen. Fast jede CNC Drehmaschine lässt sich aber mit zusätzlichen Werkzeugrevolver, Gegenspindel, Y-Achse, C-Achse, B-Achse, Teilefänger etc. konfigurieren. Die Anwendung, die Stückzahl und die Komplexität der Teile ist hier ausschlaggebend.
Auf modernen CNC Drehmaschinen lassen sich durch die Anwendung von angetriebenen Werkzeugen und zusätzlichen Achsen komplexe Frästeile herstellen. Das Endprodukt hat nicht mehr sehr viel mit einem rotationssymmetrischen Teil gemein. Da die Teile vorwiegend ab Stange gefertigt werden, benötigt man keine teuren Aufspannvorrichtungen.
Grundsätzlich liegt hier eine einfache Automation ohne Roboter vor. CNC-Drehmaschinen können aber auch mit Robotersystemen nachgerüstet werden. Hier legt der Roboter die Rohlinge in die Maschine ein. Diese Systeme finden vor allem dort Anwendung, wo der Durchmesser des Rohmaterials grösser ist als der Durchlass der Spindel. Oder dort, wo Rohlinge nachbearbeitet werden müssen.
Robotersysteme sind heutzutage preislich interessant geworden. Der Mechaniker kann sich auf die Qualitätssicherung konzentrieren und sich währendem der Roboter die Teile für ihn einlegt, auf andere anfallende Arbeiten in der Werkstatt konzentrieren. Auch mit Roboter, benötigt die Maschinenindustrie qualifizierte Fachkräfte. Der Einsatz von Robotern erweitert den Einsatz der Fachkräfte.
Drei grundsätzliche Parameter sind für die Auswahl einer CNC Drehmaschine massgeblich:
Zu bearbeitende Werkstoffe
gewünschte Präzision der Bauteile
Baugrösse/Länge/Durchmesser
Auf CNC gesteuerten Drehmaschinen werden vor allem Aluminium-, Stahllegierungen sowie Kunststoffe und Buntmetalle bearbeitet. Je nach Spezifikation des Materials sind Staubabsaugungen nötig. Werden die Teile mit öl gekühlt, müssen im Maschinenraum Feuerlöschsysteme eingebaut werden. Beim Arbeiten mit öl, entsteht im Maschinenraum ein ölnebel, welcher sich bei einem Funkensprung bei der Bearbeitung explosionsartig entzünden kann.
Diese Feuerlöschsystem reagieren in Bruchteilen von Sekunden und vermeiden so grösseren Schaden. Die Auslegung der Maschine wird im Pflichtenheft definiert, welches vor jedem Kauf einer CNC-Dreh- oder Fräsmaschine angefertigt werden muss. Nur so kann die Anlage genau auf die individuellen Bedürfnisse konfiguriert werden. Nachrüstungen sind immer sehr kosten- und zeitintensiv.
Beim Drehen unterscheidet man grundsätzlich zwei Stufen. Das Schruppen und das Schlichten. Beim Schruppen wird der grosse Teil des Materials abgetragen. Beim Schlichten erreicht man das gewünschte Mass mit der entsprechenden Toleranz. Beim Schlichtdurchgang entfernt man in der Regel noch 0.1 – 0.2 Millimeter. Die Werkzeuge unterscheiden sich in ihrer Geometrie massgeblich. Beim Schruppen und Schlichten kommen unterschiedliche Schnittparameter zum Einsatz. Diese lassen sich aus den Schnitttabellen der entsprechenden Werkzeuglieferanten ableiten. Die Erfahrung ist hier allerdings massgeblich.
Die Bandbreite der vom Werkzeughersteller angegeben Parameter ist oft ziemlich gross, hier gilt es die eigene Erfahrung einzubringen. Beim erstmaligen Einfahren eines neuen Werkstücks tastet man sich langsam an die optimalen Parameter heran, bis man den idealen Mix zwischen Standzeit und Laufzeit erreicht. Dieser Optimierungsprozess findet bei jeder Produktion immer wieder statt.
Der Grundsatz des KVP`s (kontinuierlicher Verbesserungsprozess) ist grosser Bestandteil im Berufsleben eines Polymechanikers oder Produktionsmechanikers und gehört zum täglichen Leitsatz der Meienberg Feinmechanik AG. Oft stellen Werkzeughersteller ihre Werkzeuge für Versuche zur Verfügung, um herauszufinden, ob sich Standzeiten verbessern oder Laufzeiten durch den Einsatz der richtigen Werkzeuge verkürzen lassen.
Universal-Drehmaschinen
Langdrehmaschinen
Kurzdrehmaschinen
Horizontal-Drehmaschinen
Karussell-Drehmaschinen
Universal-Drehmaschinen können Bauteile mittlerer Grösse in gleichbleibender Qualität fertigen. Sie sind in der Produktion und in der Ausbildung weit verbreitet.
Langdrehmaschinen werden vor allem zur Bearbeitung langer, dünner Bauteile eingesetzt. Beim Langdrehen geschieht der Vorschub in der Z-Achse durch die Rohmaterialstange. Das Rohmaterial wird durch eine Führusssngsbüchse und durch die Spannzange in den Maschinenraum eingeführt oder bei Bedarf zurückgezogen. Die Werkzeuge stehen statisch vor der Spindel. So entstehen keine Schwingungen oder Vibrationen, es können lange Werkstücke hergestellt werden.
Auf Langdrehmaschinen lassen sich aber auch effizient kurze Teile herstellen. Bei Kurzdrehmaschinen wird das Material in der Spannzange in einer vorher definierten Vorspannung gespannt. Das Werkzeug übernimmt in diesem Fall den Vorschub. Kragen teile länger aus der Spindel müssen diese anhand des Reitstockes oder der Gegenspindel abgestützt werden, um Vibrationen zu vermeiden. Grundsätzlich ist es eine Philosophiefrage welche Technologie man anwendet. Ob Kurz- oder Langdrehen, beide Konzepte haben Ihre Berechtigung.
Die Horizontal-Drehmaschinen sind im Gegensatz zu Langdrehmaschinen oder Kurzdrehmaschinen anders aufgebaut. Die Spindel ist oben, die Werkzeuge unten angeordnet. Die Z-Achse bewegt sich also von Oben nach unten. Der Spänefluss bei der Horizontaldrehmaschine ist etwas einfacher. Die Späne fallen von oben nach unten, können aber dadurch auf dem Werkzeugrevolver liegen bleiben. Praktisch bei den Horizontaldrehmaschinen ist die Möglichkeit der Automation.
Viele Maschine verfügen über ein Förderband, wo die Teile der Maschine zugeführt werden. Die Spindel fährt aus der Maschine, fährt nach unten zum Förderband, spannt das neue Werkstück sobald das fertige Werkstück vorher abgelegt wurde.
Karussell-Drehmaschinen sind hingegen hoch spezialisierte Maschinen. Sie werden verwendet, um Drehteile mit grossem Durchmesser zu bearbeiten. Das Werkstück wird dazu stehend auf einem massiven Drehtisch, dem namensgebenden Karussell, eingespannt. Dies sind mächtige Anlagen, die einen entsprechend hohen Platzbedarf haben.
Beim Langdrehen geschieht der Vorschub in der Z-Achse durch die Rohmaterialstange. Das Rohmaterial wird durch eine Führungsbüchse und durch die Spannzange in den Maschinenraum eingeführt oder bei Bedarf zurückgezogen. Die Werkzeuge stehen statisch vor der Spindel. So entstehen keine Schwingungen oder Vibrationen, es können lange Werkstücke hergestellt werden. Auf Langdrehmaschinen lassen sich aber auch effizient kurze Teile herstellen.
Bei Kurzdrehmaschinen wird das Material in der Spannzange in einer vorher definierten Vorspannung gespannt. Das Werkzeug übernimmt in diesem Fall den Vorschub. Kragen teile länger aus der Spindel müssen diese anhand des Reitstockes oder der Gegenspindel abgestützt werden, um Vibrationen zu vermeiden.