CNC-Drehen 

Von der konventionellen zur CNC-Fertigung

Sie überlegen aktuell, von der konventionellen auf eine CNC-Fertigung umzustellen, oder möchten wissen, worauf Sie beim CNC-Drehen achten müssen? Hier finden Sie relevante Informationen zum CNC-Drehen. Wir erklären Ihnen das grundsätzliche Prinzip dahinter, wie Sie von dieser Technologie am meisten profitieren und was Sie bei der Anschaffung einer CNC-Drehmaschine bedenken sollten.

Das Grundprinzip des Drehens

Drehen gehört zu den spanabhebenden Bearbeitungsvarianten. Das zu bearbeitende Werkstück rotiert dabei um sich selbst, während das Werkzeug, der Drehmeißel, meist in zwei Achsen (X und Z) verfährt und ansonsten starr ist. Man spricht auch von einer rotationssymmetrischen Zerspanung.

Neben Fräsen, Schleifen, Bohren usw. gehört das Drehen zu den Standardbearbeitungsmethoden in der Zerspanungstechnik. Bei der Auswahl des richtigen Bearbeitungsverfahrens ist die Beantwortung folgender Fragen elementar: Welches Werkstück muss hergestellt werden? Und welche Anforderungen müssen Oberflächenqualität und Form erfüllen? Bearbeitungsverfahren werden häufig kombiniert und laufen in sogenannten Bearbeitungszentren komplett automatisiert ab. Im Unterschied zu anderen Bearbeitungsvarianten rotiert beim Drehen das Werkstück und nicht das Werkzeug. Die Werkzeuge sind in der Regel auf einem Werkzeugrevolver mit mehreren Werkzeugplätzen montiert.

 

Unterschieden wird bei den Werkstücken vor allem zwischen Großteilen, Kleinteilen sowie Präzisions- (Prototypen) und Massenteilen.

Je nach Drehteilart müssen die passende Maschine und Bearbeitungsart beim CNC Drehen gewählt werden. Bei besonders langen Werkstücken (z. B. Antriebswellen) ist es notwendig, das Drehteil entsprechend abzustützen.

Die Geschichte der CNC Drehbearbeitung

Die Geschichte des CNC-Drehens (CNC = Computerized Numerical Control) setzt sich aus vielen Meilensteinen zusammen, die sich weit zurückverfolgen lassen. So wurde beispielsweise im 13. Jahrhundert die erste Wippdrehbank zur Herstellung von Möbelteilen gebaut. Bahnbrechend für die heutige CNC-Bearbeitung waren die ersten NC-Maschinen (NC = Numerical Control), die um 1960 in Europa auf den Markt kamen.

Eine CNC-Drehmaschine besitzt eine computer-numerische Steuerung. Dies bedeutet, dass die Bearbeitungsinformationen in den Speicher der Steuerung eingelesen werden können. Ohne weitere Informationszufuhr werden diese immer wieder für die Bearbeitung der Werkstücke verwendet.

 

Im Gegensatz dazu muss bei einer NC-gesteuerten Maschine mit jeder Bearbeitung die Steuerungsinformation satzweise von einem Lochstreifen oder einer Diskette eingelesen werden.


Numerisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sämtliche Sollvorgaben der Steuerung in Zahlenform codiert werden und im Bearbeitungsprozess mittels einer Regeleinrichtung ständig verglichen werden.

 

1976 wurde durch die Anwendung von Mikroprozessoren die CNC-Technologie möglich. Die NC-Ära wurde von da an stückweise abgelöst, Hardware wurde durch Software ersetzt.

In den folgenden Jahren mussten Programmierer die Befehle von Hand schreiben, was einen hohen zeitlichen Aufwand bedeutete und die Gefahr von Kollisionen barg. In den 90er Jahren wurden schließlich CAD/CAM-Systeme übernommen und die Programme können teils direkt aus 2D- und 3D-Modellen der Werkstücke erzeugt werden.

 

Welche Möglichkeiten sind durch die moderne CNC-Bearbeitung entstanden?

Vor der CNC-Bearbeitung nahmen erforderliche Umrüstungen auf eine andere Drehteilreihe häufig mehrere Tage in Anspruch. Heute dauert die Umrüstung auf eine andere Type im Idealfall nicht länger als wenige Stunden, teilweise nur Minuten. Der Rüstvorgang kann hierbei teilautomatisiert ablaufen.

 

Bei der konventionellen Drehbearbeitung kann in drei Achsen verfahren werden: X, Y und Z.

 

Für die Simultanbearbeitung gibt es nun auch eine Fräsachse. Diese beinhaltet die A- und B-Achse. Die C-Achse beschreibt die Drehung des Werkzeugs.


VD20DF Drehen Fräsen
Die VD20-Drehzelle bietet viele zusätzliche Module für die präzise Bearbeitung komplexer Drehteile. Hier gelangen Sie zum Aufbau unserer CNC Drehmaschinen.

Mit den Möglichkeiten der CNC-Technik sind selbstverständlich auch die Ansprüche an die Produkte enorm gestiegen. In vielen Branchen, wie z. B. der Automobilindustrie, werden höchste Ansprüche an die Präzision gestellt. Insgesamt müssen Wirkungsgrade heute deutlich höher sein. CNC-Drehmaschinen müssen ein breiteres Spektrum an geforderten Konturen abdecken und effizienter fertigen. Dies lässt sich nur erreichen, wenn die Maschine sehr störungsresistent arbeitet.

 

Wie lange kann eine Maschine täglich laufen, wenn 24 Stunden als Maßstab angesetzt sind? Die Antwort sollte stets bei 85 Prozent aufwärts liegen. Gewisse Stillstandszeiten lassen sich nicht vermeiden, da Werkzeugwechsel durchgeführt, Späne entfernt, Schmierstoffe gewechselt oder bestimmte Wartungsarbeiten ausgeführt werden müssen.

 

Maschinen fordern natürlich nach wie vor Personalressourcen. Allerdings lassen sich Vorgänge zunehmend automatisieren, und Maschineneinsteller können evtl. sogar mehrere Maschinen gleichzeitig betreuen.

Die Funktionsweise des CNC Drehens und die wichtigsten Komponenten

CNC-Drehmaschinen verfügen über viele Komponenten wie Werkzeugschlitten, Drehmeißel, Spannfutter usw. Im Folgenden wird das Zusammenspiel dieser Bauteile erklärt.

 

CNC Drehen Drehspindel

 

Das Spannfutter hat die Funktion, das Werkstück zu halten. Es hat eine bestimmte Anzahl an Spannbacken, die sich der runden Form annähern und diese schließlich fixieren. In modernen Maschinen werden die Werkstücke hydraulisch gespannt (ein bis fünf Sekunden Spannzeit).

Bei der Pick-up-Variante fährt die Spindel über das Werkstück, nimmt es auf und bewegt sich zurück zum Bearbeitungsraum.

Genau andersherum verhält es sich bei der Be- und Entladung der Werkstücke mit Hilfe des Werkzeugrevolvers. Hierbei werden die Werkstücke direkt über einen, auf dem Revolver montierten, Bauteilgreifer dem fixierten Spannfutter zugeführt. Die Spindel ist nicht beweglich.

Typ, Art und Aufbau der Drehspindel(n) sind weitere wichtige Faktoren in Bezug auf die Präzision einer CNC-Drehmaschine. Die Oberflächengüte eines Bauteils hängt z. B. entscheidend von der Drehspindel ab.

Bei CNC-Maschinen unterscheidet man hier zwischen zwei Varianten:

  • Konventionelle Spindeln
  • Motorspindeln mit Direktantrieb
Worin der Unterschied liegt und worauf Sie bei der Auswahl der Spindel achten sollten, lesen Sie im Auswahlguide „CNC Drehmaschine kaufen“ .

Wenn das CNC-Drehen als einzige Bearbeitungsform nicht ausreicht, gibt es auch Dreh-Fräs-Zentren oder Bearbeitungszentren mit zusätzlicher Schleifspindel (P30 DS). Hierbei ist ein Mix aus verschiedenen Grundbearbeitungsschritten möglich.

 

CNC Programmierung


Ein typischer Befehl für ein CNC-Programm setzt sich aus mindestens dreiachsigen Koordinaten zusammen. Dabei muss immer der Zielpunkt angegeben werden.

So könnte die Zeile eines Programmes lauten: Werkzeug steht auf Z0; verfahre mit G01 (normaler Geschwindigkeit) auf X50, Y60 und Z10. Technologische Daten (Drehzahl, Vorschub, Werkzeug) werden meist global definiert und können in einem Befehl verankert werden. Jedes Werkzeug braucht unterschiedliche Standardwerte.

Wichtig ist, vor Inbetriebnahme immer die Nullpunkte der Maschine festzulegen. Die Maschine darf nur bestimmte Räume befahren, sonst droht Kollision.

In Europa sind die Befehle meist über die DIN ISO festgelegt. Hier einige Bespiele:

  • T = Tool
  • D = Drehzahl
  • M = Mit M-Befehlen kann Kühlwasser ein- und ausgeschaltet werden; Kann auch eine Drehfunktion der Spindel sein.
  • G = G03 bspw. beschreibt eine Gerade-Bahn
  • F = Vorschub pro Umdrehung

Mehr Informationen zur CNC-Programmierung

 

Tipps zur CNC Programmierung:

 

  • Arbeiten Sie, wann immer es geht, mit CAD/CAM-Systemen zur Visualisierung.
  • Arbeiten Sie wenn möglich an einem separaten Programmierplatz. So kann die Maschine produzieren, während ein neues Programm geschrieben wird.
  • Nutzen Sie die Möglichkeit der nachgestellten Automatisierung. Hierbei wird ein fertiggestelltes Teil automatisch der Messzelle zugeführt, die die ermittelten Daten mit der Maschine austauscht. Wird beispielsweise eine Abweichung vom Mustermaß von 5 μm erfasst, die jedoch noch innerhalb der Toleranzgrenze liegt, kann das Werkzeug automatisch nachjustiert werden. Standardisierte Prozesse müssen mit aktuellen Daten in Einklang gebracht werden.

Verschiedene Verfahren beim CNC Drehen

Die verschiedenen Verfahren beim CNC-Drehen sind maßgeblich von den Anforderungen an das Werkstück abhängig. Müssen mehrere spanabhebende Verfahren zum Einsatz kommen? Je nach Antwort stehen bestimmte Bearbeitungsverfahren zum CNC-Drehen zur Verfügung, wie Längsdrehen, Plandrehen, Gewindedrehen, Abstechlängsdrehen und Konturdrehen.

Egal welche Bearbeitungsmethode Sie wählen, zwei Faktoren haben immer Priorität (nur in unterschiedlicher Ausprägung): Präzision und Effizienz.

 

Muster- versus Serienfertigung

Bei der Musterfertigung kommt es lediglich darauf an, sich den Anforderungen bestmöglich anzunähern und zeichengerecht zu fertigen. Der zeitlichen Dimension kommt hier noch keine übergeordnete Rolle zu, wobei sie natürlich auch zu berücksichtigen ist.


In der Serienfertigung muss der komplette Prozess nach kalkulierter Taktzeit funktionieren. Ungeplante Maschinenausfälle oder Ausschuss führen hier unmittelbar zu Verlusten.

 

Schruppen versus Präzisionsdrehen

Entscheidend ist hier die Oberflächengüte des Werkstücks. In der Feinmechanik müssen die Oberflächen häufig sehr fein sein. Oft fließen beide Varianten in eine Drehstrategie mit ein. So wird das Material im ersten Schritt grob geschruppt, was wesentlich schneller funktioniert, da große Schnitttiefen erlaubt sind. Danach wird das Drehteil fein abgedreht und eventuell abgeschliffen. Sind präzise Teile gefordert, wird der Prozess auf verschiedene Werkzeuge heruntergebrochen.
Je nach Bearbeitungsart sind bestimmte Qualitätsmerkmale der Maschinen gefragt. Beim Gewindedrehen beispielsweise müssen viele Faktoren wie Zustellwinkel, Geschwindigkeit, Dynamik der Maschine, schnelle Achsbewegungen und Steifigkeit im Gleichgewicht sein.

 

Folgende Parameter sind beim CNC-Drehen unter anderem von Bedeutung:

 

  • Vorschub
  • Schnittgeschwindigkeit
  • Schnitttiefe
  • Hitzeentwicklung
  • Bearbeitungswinkel
  • Schneidstoffe
  • Werkstoffe
  • Kühl- / Schmierstoffe

Diese Fragen sollten Sie sich im Hinblick auf die Parameter immer stellen:

 

  • Was soll zerspant werden? Hochlegierter Stahl oder Aluminium?
  • Welche Bearbeitungsmethode soll gewählt werden? Einstichdrehen, Längsdrehen, Gewindedrehen?
  • Welche Umweltfaktoren müssen berücksichtigt werden?
  • Wie steht es um die Stabilität des Werkstücks?
  • Wie gut ist die Stabilität der Maschine? (Hochdynamische Maschinen können oft nicht die nötige Stabilität haben. Somit lassen sich nur geringe Schnitttiefen festlegen.)
Der Schneidstoff ergibt sich immer aus dem zerspanbaren Werkstoffen.

Hinsichtlich folgender Aspekte sollten Sie bei der Wahl einer CNC-Drehmaschine keine Abstriche machen:

1. Technische Möglichkeiten

Die Maschine sollte alle zylindrischen Merkmale, axialen und radialen Bohrungen, Nuten und Schlitze ermöglichen, die von Ihren Kunden gefordert sind. Beziehen Sie in Ihre Abwägungen nicht nur den Istzustand ein, sondern überlegen Sie auch, ob eine Bearbeitungsform für zukünftige Aufträge relevant sein könnte.

2. Präzision

Fragen Sie sich, wie der Prozess der Fertigungsteile gewährleisten kann. „Prozesskette“ lautet hierbei das Stichwort.


Sie benötigen …

… die richtige Maschinentype, abgeleitet vom Werkstück. Ist eine Finish-Bearbeitung durch eine Schleifscheibe gefordert, dann ist eine zusätzliche Schleifspindel in der Maschine die richtige Wahl.

… ein Spannmittel, das für das CNC Drehen ausreichend präzise ist.

… eine ausgefeilte Strategie, wie Teile produziert und vermessen werden.

In unserem Blogbeitrag "CNC Drehmashine kaufen" haben wir weitere Faktoren aufgelistet, die Sie beim Kauf einer Maschine beachten sollten.


3. Produktivität

Um die Produktivität Ihrer CNC-Drehmaschine richtig einschätzen zu können, sollten Sie folgende Faktoren in Ihre Überlegungen mit aufnehmen.


Sie benötigen …

… eine stabile CNC-Steuerung, die alle geforderten Drehverfahren abdecken kann.

… eine in Bezug auf Drehzahl, Beschleunigung und Drehmoment richtig ausgelegte Motorspindel,

Gegenspindel und/oder Mittendrehspindel. Sie ist die Basis für hohe Stückzahlen.

... einen oder mehrere Werkzeugrevolver. Bewerten sie diesen anhand der Werkzeugplätze, die er bietet.

Auch die Faktoren Ersatzteil- und Serviceverfügbarkeit sowie Know-how des Herstellers haben im Fertigungskonzept großen Einfluss auf die Produktivität Ihres Maschinenparks. Im Blogbeitrag „So wählen Sie den richtigen CNC-Drehmaschinen Hersteller“ geben wir Ihnen wertvolle Tipps.

Download: Auswahlguide CNC-Drehmaschinen

Sie möchten wissen, auf welche Faktoren Sie bei der Auswahl einer CNC-Drehmaschine unbedingt achten sollten? Dann laden Sie sich unseren Auswahlguide herunter. Wir bringen Präzision und Produktivität in Einklang.

Auswahl Guide CNC-Drehmaschine