Das Drehen zählt zu den zerspanenden Bearbeitungsverfahren. Kennzeichnend für das Drehen ist die vom Werkstück ausgeführte Schnittbewegung. Die Hilfsbewegung – also Vorschub und Zustellung – wird durch das Werkzeug unter Zuhilfenahme eines Längs- und Querschlittens erzeugt. Werden sehr schlanke Werkstücke bearbeitet, können diese mit einer Lünette gestützt werden. Der Aufbau einer CNC-Drehmaschine hat in den vergangenen Jahrzehnten eine Entwicklung vollzogen: von der einfachen Drehbank, die zumeist manuell eingestellt und bedient wird, hin zur modernen CNC-Maschine.
Diese umfassen neben der Hauptspindel und dem Revolver (Werkzeugträger) die folgenden Optionen:
- eine Gegenspindel für die 6-Seiten Komplettbearbeitung
- angetriebene Werkzeugpositionen auf dem Revolver
- eine Y-Achse für die außermittige Bearbeitung
Hightech im Innenraum: Das macht CNC-Maschinen aus
Die Buchstaben NC stehen gleichbedeutend für das englische Wort „Numerical Control“, im Deutschen „Numerische Steuerung“ genannt. Sie beschreiben das Steuern einer Maschine durch die Eingabe von Zahlen. Erfolgt diese Steuerung unter Zuhilfenahme eines Computers, spricht man von „Computerized Numerical Control“, also CNC-Maschinen. Diese CNC-Steuerungen dienen zur Steuerung und Regelung von Werkzeugmaschinen, zu denen auch die Drehmaschinen gehören. Neben der CNC bestehen Drehmaschinen immer aus einem Gestell, einem Drehmaschinenbett, einem so genannten Spindelstock, dem Werkzeugschlitten, einer Gegenspindel für eine 6-seitige und einer Y-Achse für die außermittige Bearbeitung und einem optionalen Reitstock sowie einer Lünette.
Aufbau von CNC-Drehmaschinen: von einfach bis komplex
Drehmaschinen kommen weltweit und in einer Vielzahl von Branchen zum Einsatz. Erfahrungsgemäß hat jede Branche eigene Standards, Verfahren, Normen und Regelwerke für ihre Fertigung. Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an Bedienung und Steuerung einer CNC-Drehmaschine. Folgendes Beispiel verdeutlicht das: Kommt eine Drehmaschine beispielsweise in der Großserienfertigung für den Automotiv-Sektor zum Einsatz und werden Bauteile mit wenig Varianz gefertigt, wird die Maschine verhältnismäßig wenig bedient und programmiert. Hier stehen eine hohe Effizienz, kurze Nebenzeiten, maximale Prozessstabilität und damit Bauteilqualität im Fokus. Auf der anderen Seite wird z. B. im Formenbau oder in der Lohnfertigung häufig mit höherem Variantenreichtum und in Kleinserie gefertigt. Das erfordert eine häufigere Bedienung der Maschine. Um der Industrie die größtmögliche Anzahl an Bearbeitungsoptionen zu eröffnen, entwickeln Werkzeugmaschinenbauer wie DMG MORI CNC-Drehmaschinen kontinuierlich weiter. So gibt es beispielsweise inzwischen Drehmaschinen mit mehr als einem Revolver (2 ¾) zur Aufnahme mehrerer Werkzeuge und die B-Achs-Funktion – eine interpolierende Bewegung des Werkzeugs. Die hier möglichen horizontalen und vertikalen Bewegungen des Werkzeugs erlauben das Bearbeiten komplexer Bauteile.
Arten von Komponenten
Unabhängig vom Einsatzort bzw. den produktionstechnischen Anforderungen setzt sich der Aufbau von CNC-Drehmaschinen aus folgenden Komponenten zusammen:
- Gestell: tragendes Element (zumeist aus Grauguss), welches alle beweglichen und festen Elemente einer Maschine trägt. Es garantiert Stabilität und Festigkeit, verhindert Vibrationen und sichert Genauigkeit.
- Drehmaschinenbett: Grundplatte, auf der eine Maschine montiert ist. Das Drehmaschinenbett sorgt für eine stabile und ebene Basis, damit sich Werkzeugschlitten und weitere bewegliche Teile reibungslos bewegen können.
- Spindelstock: enthält die Hauptspindel, die ein Werkstück dreht. Der Spindelstock verantwortet die präzise Rotation eines Werkstücks. Zudem kann er unterschiedliche Spannvorrichtungen (Spannfutter, Spannzangen) aufnehmen.
- Gegenspindel: ist eine zweite Spindel, die sich gegenläufig zur Hauptspindel dreht. Mit ihr ist eine Werkstückbearbeitung von 6 Seiten möglich, ohne das Werkstück umspannen zu müssen. Maschinen mit Gegenspindel sind heute Standard: Die NLX 2500 SY700 – eine Universaldrehmaschine mit Y-Achse und Gegenspindel – zählt inzwischen zu den meistverkauften Maschinen bei DMG MORI.
- Angetriebene Werkzeugpositionen im Revolver: können durch einen Motor bewegt werden, um die Präzision zu steigern.
- Y-Achse für die außermittige Bearbeitung: ermöglicht die Bearbeitung komplexer Werkstücke außerhalb ihrer Mitte.
- Vorschubantrieb: ist zuständig für die Bewegungen des Werkzeugschlittens und anderer beweglicher Teile entlang der gewünschten Achsen. Er sichert präzise und kontrollierte Bewegungen während des Drehprozesses.
- Werkzeugschlitten: trägt das Schneidwerkzeug und bewegt es präzise entlang der gewünschten Achsen, um das Werkstück zu bearbeiten. Der Schlitten ist in mehrere Richtungen beweglich und ermöglicht damit unterschiedliche Schneidvorgänge.
- Reitstock: Ist das Gegenstück gegenüber des Spindelstocks und unterstützt diesen. Der Reitstock lässt sich entlang des Maschinenbettes verschieben. Er besitzt ein drehbares Zentrum, um das Werkstück stabil zu halten.
- Lünette: zusätzliche Halterung, um lange Werkstücke während der Bearbeitung zu stabilisieren. Sie verhindert somit auch das Durchbiegen bzw. Schwingen eines Werkstücks.
- CNC-Steuerungstechnik: liefert und wandelt digitale Daten in Maschinendaten um, damit ein vollautomatischer Ablauf aller Funktionen innerhalb eines Bearbeitungsgangs erreicht wird.
- Kühl-/Schmiermittel: eigenständiger Kreislauf innerhalb einer Maschine, um bewegliche Komponenten unter Einsatz so genannter Kühlschmierstoffe zu schmieren und zu kühlen. Sie sind für die Maschinensicherheit und die Bauteilqualität relevant.
So gestaltet sich ein Drehprozess
Vor dem Start des Drehprozesses – also der CNC-Bearbeitung – wird ein vorab erstelltes Programm mit Bearbeitungsabfolgen bzw. Bewegungsabläufen durch den Bediener geladen. Zudem wird das Werkstück in die Spindel eingespannt. Die Wahl der Schneidwerkzeuge orientiert sich an der Drehaufgabe und dem Werkstückmaterial. Nachdem alle Werkzeuge definiert wurden, werden diese im Revolver – einer Werkzeugaufnahme für mehrere Werkzeuge – eingespannt. Die CNC-Drehmaschine ist jetzt für das Abarbeiten des CNC-Bearbeitungsvorgangs bereit, bei dem sich das Werkstück dreht und das Schneidwerkzeug entsprechend der vorgegebenen Parameter den Materialabtrag am Werkstück vollzieht. Drehmaschinen können auch für Bohr- und Fräsprozesse eingesetzt werden.
Variantenreich: unterschiedliche Drehverfahren
Simple Drehteile erhalten ihre Form durch eine Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse bzw. senkrecht dazu. Die verschiedenen Drehverfahren sind entsprechend der richtungsgebenden Vorschubbewegung benannt.
Langdrehen: Der Drehmeißel bewegt sich parallel zur Werkstückachse (i.d.R. von links nach rechts) mit dem Ziel, ein zylindrisches Bauteil auf einen spezifischen Durchmesser zu bringen.
Plandrehen: Das Werkzeug bewegt sich senkrecht zur Werkstückachse mit dem Ziel eine Endfläche oder einen Absatz zu bearbeiten. Die Bewegungsrichtung des Drehwerkzeuges hängt von der Aufgabe und der Schneide ab.
Stechdrehen: Das Werkzeug bewegt sich parallel oder senkrecht zur Werkstückachse.
Einstechen: Drehverfahren zur Herstellung bestimmter Nutenformen.
Abstechen: spezielle Form des Stechdrehens, bei der das Werkstück oder ein Abschnitt davon vollständig vom Rohteil abgetrennt wird. Die Werkzeughauptschneide kann dabei nicht nur geneigt sein, sondern auch gerade.
Ausstechen: Beschreibung des Stechdrehens, bei dem die Vorschubrichtung des Stechdrehmeißels parallel zur Werkstückachse liegt.
Profildrehen: Die Hauptschneide des Drehmeißels hat hierbei die zu erzeugende Profilform.
Kegeldrehen: Langdrehen mit ab-/zunehmendem Durchmesser und damit Kegelform erzeugend.
Gewindedrehen: Langdrehverfahren, bei dem der Vorschub die entscheidende Größe ist, mit der die Gewindesteigung bestimmt wird.
Formdrehen: Individuelle Vorschub- und Schnittbewegungen erzeugen eine spezifische Form.
Kopierdrehen: Hier wird die Werkstückform von einer Schablone abgegriffen und auf Längs- und Querschlitten übertragen.
Horizontal oder vertikal: Bauformen von Drehmaschinen
Die Lage der Spindel definiert den Maschinentyp: Bei Vertikalmaschinen ist die Spindel vertikal, das Werkstück wird liegend oder hängend eingespannt. Bei Horizontalmaschinen ist die Spindel horizontal, das Werkstück wird stehend gehalten. Es kann beispielsweise bei sehr großen Werkstücken mit hohen Durchmessern wie z.B. große Flanschen (> 1 m) sinnvoll sein, die Bearbeitung auf einer Drehmaschine in Vertikal-Bauweise zu realisieren. Neben dem leichteren Verspannen (Ablage mittels Hebetechnik von oben) lassen sich bei dieser Bauform die auftretenden Kräfte deutlich besser managen. Maschinen dieses Typs sind meist in Portal- oder Gantry Bauweise konstruiert. Drehmaschinen in Horizontalbauweise sind zumeist als Konsolenständer- oder in Kreuztischbauweise ausgelegt. Diese CNC-Drehmaschinen werden genutzt, um besonders lange Werkstücke zu bearbeiten. Auch DMG MORI hat Maschinen für horizontales Produktionsdrehen im Portfolio.
Daneben gehören inzwischen auch so genannte Drehfräsmaschinen zum Standard im industriellen Alltag. Unter diesem Begriff werden Technologien zusammengefasst, bei denen durch einen automatischen Werkzeugwechsel sowie oft einer Frässpindel mit eigener Antriebseinheit oder/und Zusatzeinrichtungen das Bearbeitungsspektrum erweitert wird. Die Vielfalt und der Variantenreichtum bei CNC-Drehmaschinen, Universaldrehmaschinen und den bereits erwähnten horizontalen Ausführungen machen DMG MORI zu einem Hersteller von Werkzeugmaschinen, der das gesamte Spektrum an Drehaufgaben verlässlich abdecken kann.