CNC-Fräsen vs. CNC-Drehen – Der Unterschied
Kunden, die sich an uns wenden, fragen häufig nach unseren CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, wenn sie ein Metallteil mit komplexer Geometrie fertigen lassen…
Das CNC-Drehen ist eines der zentralen Fertigungsverfahren. Damit lassen sich zylindrische Bauteile mit unterschiedlichen Konturen herstellen.
Im Maschinenbau kommt man an Wellen, die die Kraft vom Motor auf die beweglichen Teile übertragen, nicht vorbei. Wellen erfordern natürlich das Drehen. Doch CNC-Dreh- und Bohrverfahren finden in verschiedensten Branchen Anwendung, meist zur Herstellung achsensymmetrischer Bauteile.
Drehen ist ein spanabhebendes Fertigungsverfahren, bei dem mit einem Schneidwerkzeug Material entfernt wird, um zylindrische Teile zu erzeugen. Das Werkzeug bewegt sich entlang der Achse des Werkstücks, während dieses rotiert, wodurch eine spiralförmige Werkzeugbahn entsteht.
Der Begriff Drehen bezieht sich auf das Bearbeiten der Außenseite eines Bauteils durch Schneidvorgänge. Das Gegenteil von Drehen ist das Bohren, bei dem Drehmaschinen zur Herstellung von Hohlteilen eingesetzt werden.
Die Drehmaschine gehört historisch zu den ältesten Maschinen zur teilautomatisierten Teilefertigung. Heute bieten die meisten Unternehmen CNC-Drehdienstleistungen an. Das bedeutet, dass der Prozess weitgehend automatisiert abläuft.
CNC steht für Computerized Numerical Control, also die rechnergestützte Steuerung der Maschine. Die Eingabe erfolgt über digitalen Code, der alle Werkzeugbewegungen, Drehzahlen und unterstützende Vorgänge wie den Einsatz von Kühlschmierstoffen steuert.
Woraus besteht der Drehprozess eigentlich? Während der eigentliche Schnittvorgang recht einfach ist, betrachten wir hier die gesamte Abfolge – beginnend mit der Erstellung einer CAD-Datei.
Die Prozessschritte sind:
Die ersten beiden Schritte können getrennt oder in Kombination erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Dateien einfach in einem CAD-Programm zu erstellen und in die Produktion zu geben. Der Fertigungsingenieur erzeugt dann den G-Code und M-Code für den Bearbeitungsvorgang.
Alternativ kann CAD-CAM-Software genutzt werden, mit der der Konstrukteur die Herstellbarkeit des Bauteils prüfen kann. Leistungsstarke Simulationswerkzeuge visualisieren den gesamten Prozess vom Rohmaterial bis zum Endprodukt, einschließlich der Anforderungen an die Oberflächenbearbeitung.
Es gibt auch den manuellen Weg, den Code zu erstellen. Beispielsweise kann aus einer 2D-Zeichnung nicht automatisch Code generiert werden, sodass entweder der Code manuell geschrieben oder zuerst ein 3D-Modell erstellt werden muss.
Selbst leistungsfähige CAM-Programme liefern nicht immer perfekte Resultate. Daher empfiehlt sich die Überprüfung der generierten Anweisungen.
Anschließend folgt die Maschineneinrichtung. Hier kommt die Rolle des Maschinenbedieners ins Spiel. Moderne CNC-Drehmaschinen erledigen zwar die meisten Aufgaben automatisch, doch der Bediener bleibt unverzichtbar.
Schritte zur Einrichtung eines CNC-Drehzentrums:
Am anschaulichsten lässt sich der Fertigungsprozess in einem Video erfassen, das sowohl Drehen als auch Bohren zeigt. Das Rohmaterial ist hier – anders als gewöhnlich – kein Rundstab, sondern ein Sechskantprofil, was im konkreten Fall das spätere CNC-Fräsen überflüssig macht.
Je nach Komplexität des Bauteils können mehrere Bearbeitungszyklen notwendig sein. Die Berechnung der Zykluszeit ist entscheidend für die Kalkulation der Gesamtkosten. Ein Drehzyklus umfasst:
Die Parameter des CNC-Drehens hängen von verschiedenen Faktoren ab. Dazu zählen Werkstück- und Werkzeugmaterial, Werkzeuggröße, Anforderungen an die Oberflächengüte usw.
Die wichtigsten Parameter sind:
Schauen wir uns die wichtigsten Komponenten eines Drehzentrums an.
Der Spindelstock bildet die Vorderseite der CNC-Drehmaschine. Hier befinden sich der Antriebsmotor und die Mechanik für die Spindelbewegung.
Das Spannfutter oder die Spannzange ist an der Spindel angebracht und hält während des Drehvorgangs das Werkstück.
Das Spannfutter greift das Werkstück mit seinen Backen und ist direkt an der Spindel befestigt, lässt sich aber austauschen, um unterschiedliche Werkstückgrößen zu bearbeiten.
Die Spannzange ist eine kleinere Version des Spannfutters und eignet sich für Werkstücke bis 60 mm Durchmesser. Sie bietet einen besseren Halt für kleine Teile.
Das andere Ende eines CNC-Drehzentrums. Der Reitstock ist direkt am Maschinenbett befestigt und dient dazu, längere Werkstücke zu stützen. Die Pinole des Reitstocks sorgt mittels Hydraulikkraft für die nötige Unterstützung.
Der Antrieb erfolgt weiterhin über die Spindel; der Reitstock läuft lediglich mit. Beim Planen ist der Einsatz eines Reitstocks nicht möglich, da er im Weg wäre.
Das Bett fungiert als Grundplatte, die auf dem Tisch aufliegt und die anderen Maschinenteile trägt. Der Schlitten läuft über das wärmebehandelte Bett, das so für die Beanspruchungen beim Bearbeiten gewappnet ist.
Der Schlitten läuft auf Führungsbahnen längs zum rotierenden Werkstück. Er trägt die Werkzeuge und ermöglicht den eigentlichen Schnittprozess.
Neuere Maschinen verfügen in der Regel über einen Werkzeugrevolver, der den Schlitten ersetzt. Er kann mehrere Werkzeuge aufnehmen und so einen schnellen Wechsel zwischen verschiedenen Operationen ermöglichen.
CNC-Bearbeitungszentren können auch mit angetriebenen Werkzeugen ausgestattet sein. Während Einpunktwerkzeuge für die meisten Drehoperationen ausreichen, sind angetriebene Werkzeuge – wie Fräser oder Bohrer – selbst motorisiert. Damit lassen sich beispielsweise Querbohrungen oder Nuten ohne Zusatzmaschinen herstellen.
Hier übernimmt die Computersteuerung. Das Herzstück der CNC-Drehmaschine befindet sich hinter dem Bedienfeld. Über das Pult kann der Bediener das Programm anpassen und den Bearbeitungsprozess starten.
Das breite Spektrum der CNC-Drehmaschinen bietet vielfältige Möglichkeiten. Jede hat ihre eigenen Merkmale, und einige sind stärker automatisiert als andere. Somit findet jede Maschine ihren Platz – sei es bei Einzelstücken in einer kleinen Werkstatt oder bei der Serienfertigung großer Stückzahlen.
Wie der Name vermuten lässt, ist sie klein genug, um auf einer Werkbank befestigt zu werden – allerdings größer als Mikro- oder Mini-Drehmaschinen.
Eine Tischdrehmaschine eignet sich für allgemeine Bearbeitungen oder als Spezialgerät für Hobbyanwender. Viele Operationen lassen sich darauf durchführen. Sie erfordert jedoch einen erfahrenen Bediener, da kaum Automatisierung vorhanden ist und somit mehr Verantwortung beim Anwender liegt.
Die gebräuchlichste Drehmaschinenart. Der Name stammt aus dem 19. Jahrhundert, als eine Dampfantriebsmaschine diese Bauform von anderen handbetriebenen Modellen abhob. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die Maschinen auf Elektromotoren umgestellt.
Getriebe im Spindelstock erleichterten die Auswahl der Drehzahl, und Hochgeschwindigkeitswerkzeuge wurden Standard. Durch die gestiegene Leistung wurden neue Wege zur Verlängerung der Standzeiten entwickelt, wie etwa austauschbare Hartmetallwendeschneidplatten.
So können Leit- und Zugspindeldrehmaschinen CNC-Bearbeitung mit hohen Geschwindigkeiten durchführen, was die Produktionszeiten verkürzt und die Kosten senkt. Obwohl sie in Werkstätten weiterhin verbreitet sind, legten diese Maschinen den Grundstein für Leistungssteigerungen und die Automatisierung der Bearbeitung.
Sie ähnelt der Leitspindeldrehmaschine, unterscheidet sich aber in einigen Punkten. In der Regel ist sie kleiner, um auch in beengte Räume zu passen, bietet aber zusätzliche Funktionen und ist damit eine hochklassige Maschine, weniger geeignet für Einsteiger.
Die Werkzeugmacherdrehmaschine umfasst Spannfutter und Spannzangen sowie Kegeldrehvorrichtungen – Ausstattungen, die einfachere Tischdrehmaschinen nicht besitzen.
Diese Drehmaschinenarten sind hinsichtlich der bearbeitbaren Operationen weitgehend austauschbar. Wie bereits erläutert, eröffnet der Einsatz eines Revolvers viele Automatisierungsmöglichkeiten. Zudem können auf einer einzigen Maschine zahlreiche Bearbeitungsschritte durchgeführt werden.
Vom Drehen und Bohren über das Gewindeschneiden bis hin zum Herstellen von Nuten – alles ist ohne Werkzeugwechsel möglich. Der Revolver trägt alle benötigten Werkzeuge, sodass der Wechsel zwischen den Prozessen einfach ist.
Die Kombination von CNC-Steuerung mit reduziertem manuellem Aufwand und die Herstellung nahezu identischer Teile in Serie sind große Stärken dieser Maschinenart.
Swiss-Type-Drehmaschinen arbeiten mit äußerst geringen Toleranzen und kürzeren Zykluszeiten als herkömmliche Drehmaschinen, was sie für die Massenproduktion komplexer Teile attraktiv macht.
Charakteristisch ist der bewegliche Spindelstock, der das Werkstück während der Bearbeitung entlang der Z-Achse positioniert. Anders gesagt: Um längs am Werkstück zu schneiden, bewegen sich die Werkzeuge heran, während das Material selbst entlang der Z-Achse hin- und hergeschoben wird. So erfolgt die Bearbeitung stets nahe an der Führungsbuchse, wo das Material besonders steif ist – das verhindert Durchbiegungen und Vibrationen.
Die Mehrspindeldrehmaschine verfügt über mehr als eine Spindel. Diese zusätzliche Kapazität ist insbesondere für die Großserienfertigung geeignet.
Die Einrichtung der Maschine ist zeitintensiv, daher erfordert die hohe Investition eine entsprechende Auslastung. Sind diese Voraussetzungen gegeben, können Teile mit hoher Präzision, kurzen Zykluszeiten und minimalem manuellem Aufwand gefertigt werden.
So lassen sich die Kosten der CNC-Bearbeitung bei Großserien deutlich senken.
Obwohl einige der oben genannten Maschinen ebenfalls mit CNC-Steuerung ausgestattet sein können, verdient die CNC-Drehmaschine eine gesonderte Erwähnung.
CNC steht für Computerized Numerical Control und übernimmt die Maschinenführung in unterschiedlichem Umfang – abhängig von der jeweiligen Technik. Es gibt voll- und halbautomatische Ausführungen.
Halbautomatische CNC-Drehmaschinen erfordern mehr Eingriffe durch den Bediener, während vollautomatische Zentren sämtliche Aufgaben vom Einspannen bis zum Werkzeugwechsel selbstständig übernehmen.
Die hochpräzisen CNC-Maschinen sind das Beste, was die heutige Industrie zu bieten hat. Die Digitalisierung reicht von der CAD-Erstellung bis zum fertigen Bauteil. Zudem reduzieren geschlossene Systeme das Risiko für das Bedienpersonal, da keine beweglichen Teile berührt werden und die Überwachung am Bildschirm erfolgt.
Die gängigste Weise, die Achsen einer klassischen CNC-Drehmaschine zu bestimmen, ist folgende:
Die Z-Achse verläuft parallel zur Werkstückachse. Das Werkzeug kann sich also entlang des Materials bewegen, während das Bauteil um die Z-Achse (C) rotiert. Die Bewegung entlang der Z-Achse bestimmt die Bauteillänge.
Die X-Achse steht senkrecht zur Z-Achse. Das Werkzeug kann sich also auf der X-Achse zum Werkstück hin oder weg bewegen und so den Durchmesser bestimmen.
Das CNC-Drehen eignet sich für eine Vielzahl von Bearbeitungsvorgängen. Einige wurden bereits erwähnt, doch im Folgenden geben wir einen genaueren Überblick über die Möglichkeiten moderner Drehmaschinen.
Die Standardoperation. Ein Einpunktwerkzeug bewegt sich entlang der Werkstückachse und entfernt Material von der Oberfläche. Es entstehen dabei verschiedene Konturen wie Stufen, Kegel usw. In der Regel sind mehrere Durchgänge erforderlich, um das Endergebnis zu erzielen.
Wegen der hohen Präzision beim Drehen werden Passungen meist nach einem Lochsystem gewählt. Enge Toleranzen beim CNC-Drehen sind leichter zu erreichen als beispielsweise beim Bohren.
Beim Planen wird eine Materialschicht vom Stirnende des Werkstücks abgetragen, meist um eine gewünschte Oberflächengüte zu erzielen. Da die Schnitttiefe gering ist, genügt meist ein Durchgang. Das Werkzeug bewegt sich dabei senkrecht zur Drehachse.
Ähnlich wie beim Planen bewegt sich das Werkzeug senkrecht zur Drehachse. Allerdings erfolgt der Schnitt nicht am Ende, sondern entlang der Werkstückseite. Ist die Schnittbreite identisch mit der Werkzeugbreite, reicht ein Durchgang, andernfalls sind mehrere Schnitte erforderlich.
Auch als Trennen bezeichnet, beschreibt dieser Begriff die Operation sehr anschaulich: Der Vorgang ähnelt dem Stechen, doch das Werkzeug dringt bis zur Achse des Werkstücks vor und trennt einen Abschnitt ab.
Auch hierbei handelt es sich um eine Außenbearbeitung. Das Gewindeschneiden erzeugt ein Gewinde auf der Oberfläche des Werkstücks. Die Gewindeparameter sind einstellbar, und in der Regel sind mehrere Durchgänge notwendig.
Die erste Innenbearbeitung auf dieser Liste. Beim konventionellen Drehen kann am Werkstückende, direkt auf der Achse, gebohrt werden. Da das Teil ohnehin rotiert, kann das Werkzeug stationär bleiben. Moderne CNC-Drehzentren verfügen über angetriebene Werkzeuge, um Querbohrungen und weitere Bohrungen an beliebigen Stellen zu erzeugen.
Das Gegenteil des Drehens: Alle Merkmale lassen sich auch auf der Innenseite erzeugen. Zum Ausbohren ist zunächst ein Vorbohren erforderlich, um das Werkzeug in das Werkstück einführen zu können. Danach kann die Bohrung mit Einpunktwerkzeugen vergrößert und mit Stufen, Fasen usw. versehen werden.
Beim Reiben führt ein mehrschneidiges Werkzeug eine vorhandene Bohrung auf das Endmaß auf. Das Ergebnis ist eine sehr glatte Oberfläche mit engen Fertigungstoleranzen. Der Vorgang ähnelt vom Ablauf her dem Bohren.
Wie das Reiben benötigt auch das Gewindebohren eine vorgebohrte Bohrung. Ein Gewindebohrer schneidet ein Innengewinde in die vorhandene Bohrung. Die Maße der Bohrung müssen zum Gewindetyp passen – sie sollte knapp unter dem Nenndurchmesser der Gewindespitze liegen.
Neben den bereits beschriebenen Drehmaschinentypen gibt es weitere Einteilungen je nach geeignetem Werkstoff. Holz, Metall und Glas erfordern jeweils spezielle Maschinen, da die Anforderungen und Schnittgeschwindigkeiten unterschiedlich sind.
Was das Materialprofil betrifft, sind quadratische, runde, sechseckige usw. Formen geeignet. Wie eines der oben genannten Videos zeigt, kann ein anderes Profil als Rundstab sinnvoll sein, wenn das Endteil nicht in allen Abschnitten rund ist.
Geeignete Materialien zum Drehen sind:
Das Drehen ist eine der tragenden Säulen der Fertigungsindustrie. Für die präzise Bearbeitung achsensymmetrischer Teile ist dieses Verfahren bestens geeignet. Die Flexibilität und Produktionskapazität ermöglichen Serienfertigung mit nahezu identischen Ergebnissen.
Heutzutage verfügen große CNC-Bearbeitungszentren oft über integrierte Fräs- und Drehfunktionen. Fräsmaschinen erweitern das Spektrum und ermöglichen so die effiziente Fertigung selbst komplexester Bauteile.
