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CNC-Drehen – Eine Übersicht

In diesem Artikel geben wir Ihnen einen umfassenden Überblick über das CNC-Drehen als technisches Verfahren, und seine Anwendung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie sowie seiner Bedeutung in der Feinwerktechnik.

In diesem detaillierten Leitfaden zum CNC-Drehen werden wir das Drehen als Herstellungsverfahren eingehend besprechen. Wir betrachten dabei sowohl die Grundlagen des CNC-Drehens als auch einige typische Verfahren. Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie über ein grundlegendes Verständnis darüber verfügen, wie das CNC-Drehen funktioniert und welche Vorteile es bietet.

Was ist CNC-Drehen?

Das CNC-Drehen ist ein abtragender Bearbeitungsprozess in dem ein Schnittwerkzeug Material von einem sich drehenden Werkstück entfernt. Das Schnittwerkzeug ist dabei in der Regel auf einem computergesteuerten revolverartig drehbaren Sockel montiert, während das Werkstück in einem Spannfutter oder auf einer Frontplatte befestigt wird. Während sich das Werkzeug über die Oberfläche des entsprechenden Werkstücks bewegt, entfernt es Material und erzeugt somit die gewünschte Form.

Das CNC-Drehen kann verschiedene zylindrische, konische oder spiralförmige Formen erzeugen. Dabei ist das Verfahren sehr vielseitig, und kann somit für viele Anwendungen eingesetzt werden.

Teile der CNC-Drehmaschine

Um ein Maß an Vertrautheit mit den Teilen der CNC-Drehmaschine zu erwerben, ist es wichtig, den Ablauf des CNC-Drehprozesses zu verstehen. Die Maschinenteile der Drehmaschine unterscheiden sich dabei je nach Hersteller, Typ und Kapazität. Dabei ist es jedoch wichtig nicht zu vergessen, dass dennoch alle CNC-Drehmaschinen verschiedene Teile gemeinsam haben:

  • Steuereinheit: Die Steuereinheit bzw. der Controller ist das Gehirn der ganzen Sache, und empfängt die Eingaben des Bedienenden und übersetzt sie in konkrete Handlungen.
  • Spindel: Dies ist der Teil der Maschine, der das Werkstück dreht und festhält.
  • Revolver: Der Revolver ist ein Sockel, der die Schneidwerkzeuge hält und ordnet.
  • Werkzeughalterungen: Hierbei handelt es sich um verstellbare vorrichtungen, die die Schneidwerkzeuge am Revolver halten.
  • Schneidwerkzeuge: Die Schneidwerkzeuge werden zum Entfernen von Material vom Werkstück eingesetzt.
Modernes CNC-Drehen
Modernes CNC-Drehen

Wie funktioniert eine CNC-Drehmaschine?

Drehmaschinen wurden manuell bedient, bis die computernumerische Steuerung (CNC) eingeführt wurde. Dies bot natürlich auch Raum für Fehler. Wie ein Künstler, der das Endergebnis bereits vor Beginn der Arbeit im Kopf haben musste, müsste der Dreher ein Bild des Werkstücks im Kopf haben, dass er erschaffen wollte.

Als dann jedoch die computernumerische Steuerung (CNC) eingeführt wurde, wandelte sich das Drehen plötzlich in ein sehr präzise und genau in mehrere Schritte eingeteiltes Verfahren. Dementsprechend gibt es mehrere Schritte beim Erschaffen eines Teils mit einer CNC-Drehmaschine:

  • Zuerst wird das CAD (Computer Aided Design) – Modell des Produkts entworfen. Dafür können unterschiedliche CAD-Softwarelösungen eingesetzt werden. Jeder Bestandteil des Endprodukts muss dabei in diesem Entwurf spezifiziert werden.
  • Das Format der CAD-Dateien wird jedoch nicht von CNC-Drehmaschinen erkannt. Stattdessen folgen diese einem Satz von digitalen Anweisungen, dem sogenannten G-Code. Dieser sagt ihnen, wohin sie im dreidimensionalen Raum gehen sollen, und was sie dort tun müssen. Darum ist es essenziell wichtig, CAD-Dateien in passenden G-Code umzuwandeln.Computerunterstützte Fertigungs- (CAM) Software ist in diesem Zusammenhang nützlich. Sobald eine CAD-Datei vollständig ist, sendet der Produktentwickler es in ein CAM-Programm, das dann die Daten interpretiert und einen geeigneten G-Code für die Herstellung ausgibt.
  • Im nächsten Schritt wird die Drehmaschine eingerichtet. Der Anlagenbediener muss dazu die CNC-Drehmaschine vorbereiten, indem das Werkstück eingesetzt wird, dann die passenden Schneidwerkzeuge im Revolver befestigt werden und abschließend die Schneidflüssigkeit in den richtigen Behälter eingefüllt werden, bevor das CNC-Programm durchgeführt werden kann.
  • Sobald die Anlage hergerichtet ist, startet der Bediener den Drehprozess über das Bedienfeld der Steuerung. Der eigentliche Drehprozess beginnt, sobald die Anlage das Schneidwerkzeug über die Oberfläche des rotierenden Werkstücks führt.

Einrichtung einer CNC-Drehmaschine

Die Parameter des CNC-Drehprozesses hängen von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören das Material des Teils sowie das Werkzeug, die Vorgaben bezüglich der Veredelung der Oberflächen usw.

Spindeldrehzahl

Die verwendete Einheit ist Umdrehungen pro Minute, und sie zeigt an, wie oft die Spindel, und somit das Werkstück, pro Minute gedreht werden. Die Spindeldrehzahl ist dabei direkt proportional zur Schneidegeschwindigkeit, die auch den Durchmesser berücksichtigt. Sollte sich der Durchmesser drastisch verändern, muss die Drehzahl der Spindel angepasst werden, um die eigentliche Schneidegeschwindigkeit konstant zu halten.

Vorschubgeschwindigkeit

Die Vorschubgeschwindigkeit oder auch der Vorschub beschreiben die Distanz, die das Schneidewerkzeug pro Drehung des Werkstücks zurücklegt. Der Vorschub muss dabei sorgfältig kontrolliert werden, um hochwertige Oberflächen zu erzeugen und gleichzeitig die Beschädigung von Werkstück und Werkzeug zu vermeiden. Eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit kann zum Überspringen oder Rattern führen, während ein zu geringer Vorschub ein schlechtes Oberflächenfinish erzeugt.

Abbildung der Vorschubgeschwindigkeit
Abbildung der Vorschubgeschwindigkeit (Quelle: Toolnotes.com)

Werkstückdurchmesser

Der Werkstückdurchmesser ist ein wichtiger Parameter beim CNC-Drehen, der Werkstückgröße angibt, die maschinell verarbeitet werden kann. Der Werkstückdurchmesser ist auch für die Steifigkeit des Werkzeugs und die entstehenden Schnittkräfte verantwortlich.

Schnitttiefe

Beim CNC-Drehen ist die Schnitttiefe (DOC) einer der wichtigsten Parameter, da er festlegt, welche Menge an Material in einem einzelnen Durchgang entfernt werden kann. Eine zu geringe DOC führt zu langen Fertigungszeiten, während eine zu tiefe DOC zum Bruch der Werkzeuge führen kann. Die ideale Schnitttiefe hängt somit von verschiedenen Faktoren, wie dem bearbeiteten Material, dem Werkzeug und der Spindeldrehzahl ab.

Abbildung der Schnittiefe
Abbildung der Schnitttiefe (Quelle: Toolnotes.com)

Typen der CNC-Drehverfahren

Eine CNC-Drehmaschine kann verschiedene Drehverfahren durchführen, die von der Art der Schneidwerkzeuge und dem Design der Anlage abhängen. Die vier grundlegenden CNC-Drehverfahren sind:

Kegeldrehen

Beim Kegeldrehen handelt es sich um einen Typ des CNC-Drehens, bei dem es darum geht, den Durchmesser des Werkstücks allmählich zu verjüngen. Diese Verjüngung (der Kegel) kann erzeugt werden, indem der Winkel des Schneidwerkzeuges verändert oder das Werkstück entlang der Drehachse bewegt wird. Das Kegeldrehen wird in der Regel zur Herstellung von Wellen, konischen Löchern oder Spindeln verwendet.

Kegeldrehen
Kegeldrehen (Quelle: Mechanicalbooster.com )

Runddrehen

Das Runddrehen ist ein Typ des CNC-Drehens und wird dazu verwendet, zylindrische Oberflächen zu erzeugen, deren Achse parallel zur Rotationsachse liegt. Diese Art des Drehens eignet sich gut dazu, Teile mit einfachen Geometrien wie Achsen und Stifte zu produzieren. Der Runddrehprozess beginnt mit einem Block des Materials, dem Werkstück, das auf die Spindel montiert wird. Die Spindel dreht dann das Werkstück, während die Schneidewerkzeuge das Material formen.

Runddrehen
Runddrehen (Quelle: Mechanicalbooster.com)

Außeneinstechdrehen

Das Außeneinstechen hilft dabei, ein glattes und einheitliches Oberflächenfinish zu erzeugen. Diese Art des Drehens kann mit verschiedenen Materialien verwendet werden, zu denen Metalle, Kunststoffe und Verbundmaterialien gehören. Der Schneideprozess beginnt hier mit einem auf die Spindel montierten Rohling. Das Schneidwerkzeug wird dann verwendet, um Material außen am Rohling zu entfernen, und damit eine Nut oder Furche zu erzeugen. Der Bediener kann damit die Tiefe und Breite der Nut im Rohling festlegen, was zu präzisen Ergebnissen führt.

Profilieren

Das Profilieren ist ein Verfahren, bei dem eine dreidimensionale Form in die Oberfläche eines Werkstücks geschnitten wird. Das Werkzeug ist dabei auf einer eigenen Spindel montiert und dreht sich dabei mit einer hohen Geschwindigkeit, während das Werkstück mit einem kontrollierten Vorschub durch die Anlage bewegt wird. Das Profilieren erzeugt dabei eine große Vielfalt an Formen, wie Schlitze oder Konturen.

Geeignete Materialien für das CNC-Drehen

Viele verschiedene Arten von Materialien können im CNC-Drehen eingesetzt werden. Am häufigsten gehören dazu Metalle, Kunststoffe oder Verbundwerkstoffe.

  • Metalls werden im großen Umfang verwendet, weil sie sowohl stark als auch haltbar sind. Sie können maschinell bearbeitet werden, und erreichen dabei sehr enge Toleranzen, wodurch das Material ideal für Präzisionsteile ist.
  • Kunststoffe sind ebenfalls ein beliebtes Material für das CNC-Drehen. Sie sind oft deutlich günstiger als Metalle und können in verschiedenen Farben und Oberflächenqualitäten erzeugt werden.

Hier eine unvollständige Liste der gängigen Materialien für das CNC-Drehen:

MetalleKunststoffe
Aluminium (2007, 2017A, 6060, 6061, 6082)ABS
Stahl (1.0038, 1.0503, 1.0511, 1.0570, 1.2842, 1.7131, 1.7218, 1.7225)PEEK
Edelstahl (303, 304, 304L, 316, 316L, 316Ti)Nylon 6 / PA 6
Kupfer (2.0060, 2.0065)PC (Polycarbonat)
Messing (2.0401)Polypropylen (PP)
Titan (Güte 2 und 5)POM / Delrin Acetal
CNC-bearbeitete Teile in der Luft- und Raumfahrt
CNC-bearbeitete Teile in der Luft- und Raumfahrt

Einsatzgebiete des CNC-Drehens

CNC-Drehwerkstätten sind in der Regel gut gerüstet für die Herstellung von Teilen für viele Branchen. Es gibt aber drei ganz klassische Branchen, in denen dieses Verfahren häufig zur Herstellung von Teilen eingesetzt wird:

Luft- und Raumfahrtindustrie

Viele Bestandteile von Flugzeugen werden durch das CNC-Drehen hergestellt, und es wäre wirklich schwer, sie alle aufzulisten. Dennoch gibt es einige Beispiele, wie Befestigungselemente, Steckverbindungen, Schrauben, Wellen, exzentrische Hohlwellen und Stifte.

Automobilindustrie

Einige wenige wirklich kritische Komponenten eines Verbrennungsmotors für Autos können mit der CNC-Bearbeitung hergestellt werden. Ein großer Aluminiumblock kann zum Beispiel maschinell zu einem Motorblock verarbeitet werden. Das CNC-Drehen wiederum wird dazu genutzt, ganz unterschiedliche Teile für das Auto zu fertigen. Wie zum Beispiel Teile des Flüssigkeitensystems, Auspuffteile, Buchsen, Teile der Aufhängung, Ventilhalter, Vergasergehäuse und mehr.

Elektronische Bauteile

Die Elektronikindustrie ist einer der wichtigsten Industriezweige der Welt. Sie umfasst viele unterschiedliche Produkte, die von großer Unterhaltungselektronik bis hin zu kleinen elektrischen Komponenten reichen. Das CNC-Drehen kann zur Herstellung einer Vielzahl von elektrischen Komponenten genutzt werden. Einschließlich Kühlkörpern, Steckdosen, Anschlüssen oder sogar Halbleitern.

Vorteile des CNC-Drehens

Das CNC-Drehen ist ein vielseitiges Verfahren, das Teile in einer breiten Palette von Formen und Größen erzeugen kann, und zudem verschiedene Vorteile gegenüber traditionelleren Bearbeitungsmethoden hat. Einige dieser Vorteile sind:

  • Erhöhte Präzision: CNC-Drehmaschinen können Teile mit extrem hoher Präzision herstellen. Dies liegt daran, dass die Schneidwerkzeuge von computergestützten Systemen präzise gesteuert werden, wodurch sichergestellt wird, dass jeder Schnitt identisch ist.
  • Größere Flexibilität: Die Anlage kann dazu programmiert werden, die Teile in verschiedensten Formen und Größen zu erzeugen. Damit ist sie ideal für Fertigungsabläufe, in denen ein Teil in unterschiedlichen Größen produziert werden muss.
  • Verbesserte Produktivität: Die Anlagen können für eine lange Zeit ohne der Notwendigkeit von Stopps für Wartung oder Bedienereingriffe laufen. Dies resultiert in erhöhter Produktivität und verringerten Stand- und Ausfallzeiten.
  • Erhöhte Sicherheit: CNC-Drehmaschinen sind abgeschlossene Systeme, die über ein Computerprogramm bedient werden. Dies eliminiert das Risiko, das für den Bediener der Anlage von den laufenden Schneidwerkzeugen ausgeht, und reduziert somit deutlich das Unfallrisiko.
  • Verringerte Kosten: CNC-Drehbänke produzieren Teile schnell und effizient, wodurch sie Produktionskosten verringern helfen. Darüber hinaus machen es die verwendeten Computerprogramme deutlich einfacher, die Entwürfe anzupassen, und reduzieren somit das Potenzial für Materialverschwendung.
Zylinder mit in hoher Präzision CNC-gedrehten Gewinden
Zylinder mit in hoher Präzision CNC-gedrehten Gewinden

Grenzen des CNC-Drehens

Das CNC-Drehen hat verschiedene Einschränkungen und Grenzen, die man vor dem Einsatz dieses CNC-Bearbeitungsverfahrens abwägen sollten.

  • Nur für symmetrische Teile: Die Haupteinschränkung besteht darin, dass nur in der Rotationsachse symmetrische Teile gedreht werden können. Das bedeutet, dass bedeutet, dass jede andere Art von Verjüngung oder Nicht-Gleichförmigkeit über ein anderes Verfahren erreicht werden muss.
  • Gleichförmiger Querschnitt: Das CNC-Drehen kann nur Teile mit gleichförmigen Querschnitt erzeugen. Komplexere Geometrien erfordern andere Bearbeitungsverfahren, wie das Fräsen.

Fazit

Das Drehen ist einer der Eckpfeiler der Fertigungsindustrie. Dieses Herstellungsverfahren erzeugt die genauesten Resultate für achsensymmetrische Komponenten. Die CNC-Drehanlagen sind dabei in der Lage verschiedene Formen und Größen mit hoher Genauigkeit zu erzeugen. Das Verfahren ist deshalb ideal für kleine Serien als auch die Massenproduktion. Viele CNC-Drehverfahren eignen sich zudem für verschiedene Materialien und Teile. Größere CNC-Drehwerkstätten verfügen heutzutage außerdem sowohl über Kapazitäten zum CNC-Drehen als auch zum CNC-Fräsen, um ihre Produktivität zu verbessern.

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