CNC-Drehen ist ein sehr beliebtes Fertigungsverfahren in der modernen Präzisionsfertigung. Zur Verdeutlichung: CNC ist ein Akronym für Computer Numerical Control, also den Einsatz computergesteuerter Maschinen. In der Praxis bedeutet CNC-Drehen die Verwendung eines Schneidwerkzeugs zum Abtragen von Material von einem rotierenden Werkstück, um runde oder zylindrische Teile mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit herzustellen.
The automotive, aerospace, electronics, medical equipment, oil and gas, and industrial machinery sectors are among the most popular applications for the CNC turning process. Manufacturers prefer CNC turning for its high dimensional accuracy, speed of manufacturing, and consistency of quality in high volume production. Whether it’s a basic shaft and bushing or a more intricate threaded part, utilizing professional custom CNC turning services ensures these parts are manufactured efficiently and with high precision.
Was sind die Grundlagen des CNC-Drehens?
Das zugrundeliegende Prinzip des CNC-Drehens ist die Materialabtragung durch Rotationsbewegung. Drehbearbeitungen unterscheiden sich vom Fräsen, da sich das Werkstück und nicht das Schneidwerkzeug dreht. Das Schneidwerkzeug wird stationär gehalten, während es entlang kontrollierter Achsen geführt wird, um das Werkstück zu schneiden.
Die X-Achse und die Z-Achse sind die beiden wichtigsten Achsen einer CNC-Drehmaschine. Die X-Achse dient der Steuerung der Schnitttiefe und die Z-Achse der Längsbewegung entlang des zu bearbeitenden Werkstücks. Einige moderne Drehmaschinen haben zusätzliche Achsen für kompliziertere Geometrien und zusätzliche Multitasking-Funktionen.
Die Programmierung spielt beim CNC-Drehen eine wichtige Rolle. CAD- und CAM-Software unterstützt die Bediener bei der Entwicklung digitaler Modelle und der Erstellung der Anweisungen für die Maschinen (G-Code). Mit diesen Anweisungen werden Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe und die Bewegung der Werkzeuge in der Maschine eingestellt.
Was sind die Stufen des CNC-Drehens?
Auswahl des Materials
The first step of a CNC turning process is to choose the right material to use for the application. Common materials are: aluminum, stainless steel, carbon steel, brass, titanium, copper and engineering plastics. The selection of materials will depend on their strength, resistance to corrosion, machinability, and thermal properties.
Aluminium ist aufgrund seines geringen Gewichts und der niedrigen Bearbeitungskosten ein beliebtes Material. Edelstahl hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ist sehr langlebig, und Titan hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, wodurch es sich für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt und in der medizinischen Industrie eignet.
Vorbereitung des Werkstücks
Nach der Auswahl der Werkstoffe wird das Rohmaterial auf die richtige Länge für die Bearbeitung zugeschnitten. Das Werkstück wird fest in das Spannfutter oder die Spannzange der CNC-Drehmaschine eingespannt. Der Schlüssel zur Vermeidung von Vibrationen und Maßfehlern während der Bearbeitung ist die richtige Einspannung.
Weitere wichtige Aspekte sind Auswuchten und Ausrichten. Fehlausrichtungen führen zu schlechter Oberflächengüte, übermäßigem Werkzeugverschleiß oder Maßfehlern.
Werkzeug einrichten
Before starting the machine, cutting tools are set into the machine turret. Many different tools can be used on various operations like facing, rough turning, finishing, threading, drilling, and grooving.
Auch die Wahl des Werkzeugmaterials ist von großer Bedeutung. Hartmetallwerkzeuge werden gerne verwendet, da sie extrem hart und verschleißfest sind. Die beschichteten Werkzeuge verbessern außerdem die Schnittleistung, da sie die Reibung und Wärmeentwicklung minimieren.
CNC-Programmierung
Das CNC-Programm gibt den Bearbeitungsprozess und die Betriebsparameter vor. Werkzeugweg, Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Kühlmittel werden vom Programmierer in Abhängigkeit von der Materialart und der Teilegeometrie festgelegt.
Simulationen nutzen Software, um das Programm vor Produktionsbeginn zu überprüfen. Dies kann dazu beitragen, Kollisionen oder Bearbeitungsfehler zu vermeiden und die Materialverschwendung zu minimieren.
Bearbeitungsverfahren
Bei der maschinellen Bearbeitung wird das Werkstück mit der Spindel gedreht, und das Schneidwerkzeug schneidet das Metallmaterial Schicht für Schicht ab. Bei der Schruppbearbeitung werden in kurzer Zeit große Mengen an Material abgetragen, und bei der Schlichtbearbeitung wird das Teil in die richtige Form und Oberflächenbeschaffenheit gebracht.
Kühlmittelsysteme werden häufig eingesetzt, um die Wärme zu reduzieren und die Schneidzone zu schmieren. Eine korrekte Kühlung verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs und verhindert eine thermische Verformung des Werkstücks.
Inspektion und Qualitätskontrolle
All machined parts are then inspected. Measurements like micrometers, calipers, coordinate measuring machine and surface roughness testers ensure that the part conforms to the design requirements.
Beim CNC-Drehen spielt die Qualitätskontrolle eine entscheidende Rolle in der Fertigung, da viele Teile in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, die zu Systemausfällen führen können.
Welche Arten von CNC-Drehbearbeitungen gibt es?
Geradliniges Drehen
Straight turning is one of the simplest and most common CNC turning processes. During this operation, the tool is fed parallel to the axis of the work to remove material from the work uniformly in diameter. The typical applications for the operation are in the manufacture of cylindrical shafts, rods, pins, and spacers.
Das Geraddrehen kann entweder als Schrupp- oder als Schlichtwerkzeugverfahren durchgeführt werden. Beim Schruppdrehen werden große Mengen an Material schnell abgetragen, um die Grundform des Werkstücks herzustellen. Beim Schlichten werden feinere Schnitte und langsamere Vorschübe verwendet, um genaue Abmessungen und glatte Oberflächen zu erhalten. Das Geraddrehen hat eine hohe Präzision und eignet sich für Teile mit hoher Genauigkeit und einem gleichmäßigen Durchmesser.
Facing Operation
Das Plandrehen wird durchgeführt, um ein ebenes, glattes Ende des Werkstücks zu erhalten. Das Schneidwerkzeug wird senkrecht zur Drehachse zugeführt, und das Werkstück wird im Spannfutter gedreht. Die erste Bearbeitung ist in der Regel das Plandrehen und dient dazu, eine saubere und genaue Bezugsfläche für die nachfolgenden Bearbeitungen zu schaffen.
Die Anwendung dieses Verfahrens ist von Bedeutung für die Herstellung von Teilen mit perfekt flachen Enden, die für die Montage oder Abdichtung verwendet werden. Das Präzisions-Plandrehen sorgt für Maßhaltigkeit und gewährleistet die korrekte Ausrichtung mechanischer Systeme.
Kegeldrehen
Beim Kegeldrehen wird eine allmähliche Änderung des Durchmessers in der Länge des Produkts erzeugt, wodurch ein Kegel entsteht. Es ist besonders wichtig für kegelförmige Wellen, Werkzeughalter, Rohrverbindungen und Maschinenspindeln.
Das Kegeldrehen wird auf einer CNC-Drehmaschine durchgeführt, indem das Werkzeug in einem Winkel bewegt wird. Die CNC-Programmierung dient der sorgfältigen Kontrolle des Kegelwinkels und der Länge, um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten.
Beim Kegeldrehen muss eine synchronisierte Bewegung zwischen Werkzeug und Spindel stattfinden. Eine falsche Ausrichtung kann zu einer schlechten Kegelgeometrie oder Oberflächengüte führen. Hochpräzise Kegel können mit einem modernen CNC-System für anspruchsvolle industrielle Anwendungen hergestellt werden.
Konturendrehen
Das Konturdrehen ist ein Verfahren zur Herstellung gekrümmter oder unregelmäßiger Profile auf einem rotierenden Werkstück. Es handelt sich um eine Art des Drehens, bei der das Werkzeug kompliziertere, von der CNC programmierte Bewegungen ausführen muss.
Sie wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Medizintechnik eingesetzt, wo die Teile häufig gebogene Kanten und komplexe Formen aufweisen müssen. Beispiele hierfür sind Turbinenkomponenten, Präzisionsgehäuse und orthopädische Implantate.
Gewindeschneiden
Das Gewindeschneiden ist ein Drehverfahren zur Herstellung schraubenförmiger Nuten auf einer zylindrischen Oberfläche. Gewinde können entweder auf der Außenseite sein, wie bei Schrauben, oder auf der Innenseite, wie die Gewinde in Armaturen und Muttern.
Metric, unified, trapezoidal, pipe threads are just some of the many forms of threads that can be created with a CNC turning machine. The machine can match spindle rotation speeds to tool movement, ensuring accurate thread pitch and depth.
Die Kontrolle der Schnittparameter ist bei der Herstellung von Gewinden sehr wichtig, da diese mit engen Maßtoleranzen versehen werden müssen. Die Qualität des Gewindes ist wichtig für die Montage, Leckagen oder mechanisches Versagen.
Einstechvorgang
Grooving is a process of making narrow channels or recesses in the surface of the workpiece. Grooves can be either outside or inside, depending on the design of the component. It is used extensively for the manufacture of retaining ring seats, O-ring grooves, snap ring grooves, and decorative features..
Beim Nutenfräsen ist es besonders wichtig, auf die Kontrolle der Späne zu achten, da sich in dem begrenzten Schnittbereich Späne ansammeln und überhitzen können. Die stabilen Schnittbedingungen werden durch die richtige Anwendung von Kühlmittel und die Optimierung der Schnittgeschwindigkeit gewährleistet.
Anwendungen, bei denen Dichtungen oder Halteelemente eng in die Nuten passen müssen, erfordern Präzisionsnuten.
Boring Operation
Das Bohren dient dazu, Löcher zu vergrößern und zu verfeinern, und zwar genauer als das Bohren. Es handelt sich um einen Vorgang, bei dem ein Einpunktschneidwerkzeug Material vom Innendurchmesser des Werkstücks abträgt.
Eine Bohrung erhöht die Genauigkeit, die Konzentrizität und die Oberflächengüte von Bohrungen. Sie wird häufig bei der Herstellung von Motorzylindern, Lagergehäusen, Hydraulikteilen und hochpräzisen mechanischen Teilen eingesetzt.
Lange Bohrstangen können sich unter den Schnittkräften durchbiegen, und beim Innenbohren sind stabile Werkzeuge und eine genaue Ausrichtung erforderlich. Eine zu starke Durchbiegung kann zu konischen oder zu großen Löchern führen.
Mit der Präzision des CNC-Bohrens können so enge Toleranzen wie nötig erreicht werden, die für kritische technische Anwendungen geeignet sind.
Bohrvorgang
Die Hauptaufgabe von CNC-Drehzentren ist die zylindrische Formgebung, aber viele von ihnen können auch bohren. Der Bohrer wird in das sich drehende Teil eingeführt, um in der Mitte Löcher zu bohren.
CNC drilling processes are frequently combined with turning processes to minimize setup times and enhance production efficiency. Today, you can center drill, deep-hole drill, and multi-diameter hole machine in one setup on the modern turning center.
Vor allem beim Bohren ist die Kühlmittelzufuhr von entscheidender Bedeutung, da die Späne aus tiefen Bohrungen effizient entfernt werden müssen. Geschieht dies nicht, kann der Bohrer beschädigt werden oder die Qualität des Bohrlochs beeinträchtigt werden.
CNC-Drehmaschinen
People carry out CNC turning with special machinery equipment that has the precision material removal function. CNC-Drehmaschinen are the most frequent machine used, as they are machines that perform rotational cutting automatically.
Drehzentren sind anspruchsvoller als herkömmliche CNC-Drehmaschinen, da sie über eine Reihe von Werkzeugen und zusätzlichen Bearbeitungsfunktionen verfügen. In der Regel sind diese Maschinen auch mit automatischen Werkzeugwechslern, Live-Tooling-Systemen und Gegenspindeln ausgestattet, die die Produktivität erhöhen.
Ein weiterer wichtiger Typ ist die CNC-Drehmaschine vom Schweizer Typ. Diese Maschinen werden für die Herstellung kleiner Teile mit hoher Präzision und Maßgenauigkeit verwendet. Sie sind in der Medizintechnik und in der Elektronikindustrie weit verbreitet.
Vertikaldrehmaschinen eignen sich zum Drehen großer und schwerer Werkstücke. Das Werkstück wird nicht horizontal, sondern vertikal gedreht, was zur Stabilität großer Teile beiträgt.
Schnittparameter beim CNC-Drehen
Die Qualität und Produktivität des Drehprozesses wird in hohem Maße durch die Schnittparameter beeinflusst. Die wichtigsten Parameter sind Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe. Die Spindeldrehzahl gibt an, wie schnell sich das Werkstück dreht (gemessen in RPM oder Surface Feet per Minute). Höhere Schnittgeschwindigkeiten führen im Allgemeinen zu einer besseren Oberflächengüte, aber auch zu einer höheren Wärmeentwicklung und einem höheren Werkzeugverschleiß.
Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der das Schneidwerkzeug auf das Werkstück trifft. Ein zu schneller Vorschub kann raue Oberflächen erzeugen, ein zu langsamer Vorschub kann die Produktivität verringern. Die Schnitttiefe ist die Menge an Material, die pro Schnitt abgetragen wird. Bei Schruppbearbeitungen ist die Schnitttiefe größer, um das Material schneller abzutragen, und bei Schlichtbearbeitungen ist die Schnitttiefe kleiner, um Präzision und Glätte zu gewährleisten.
Diese Parameter sollten ordnungsgemäß kontrolliert werden, um eine effiziente Bearbeitungsleistung zu gewährleisten.
Die Bedeutung von Werkzeugen beim CNC-Drehen
Moderne Schneidwerkzeuge sind so konzipiert, dass sie langlebig, hitzebeständig und hochpräzise sind. Häufig werden Wendeschneidplatten aus Hartmetall verwendet, weil sie hohen Temperaturen standhalten und scharfe Schneidkanten behalten. Werkzeuge aus Keramik und kubischem Bornitrid werden für die Bearbeitung gehärteter Materialien verwendet.
Die Geometrie des Werkzeugs hat ebenfalls einen Einfluss auf die Leistung der Bearbeitung. Das Einrichten mit korrekten Spanwinkeln, Nasenradien und Spanbrechern hilft bei der Spanabfuhr und minimiert die Schnittkräfte.
In einer automatisierten CNC-Dreherei wird ein System zur Überwachung des Werkzeugverschleißes immer mehr zu einer alltäglichen Lösung. Mit diesen Systemen lassen sich verschlissene Werkzeuge erkennen, sobald sie die Qualität des Produkts beeinträchtigen.
Herausforderungen beim CNC-Drehen
Obwohl das CNC-Drehen seine Vorzüge hat, gibt es auch eine Reihe von Herausforderungen zu beachten. Eines der am häufigsten auftretenden Probleme ist der Werkzeugverschleiß, insbesondere beim Schneiden harter Materialien und bei aggressiven Schnittbedingungen.
The immense friction and material deformation during cutting generate severe heat, which directly impacts dimensional accuracy. For instance, when turning hard aerospace materials like Titanium (Ti-6Al-4V), localized temperatures at the cutting edge can rapidly exceed 800°C to 1000°C [1]. Such extreme thermal effects must be strictly controlled through optimized cutting parameters and advanced high-pressure coolant systems to prevent rapid tool wear and workpiece distortion.
Auch die Spankontrolle ist ein wichtiger Punkt. Lange oder verhedderte Späne können sich in der Maschine verklemmen oder das zu bearbeitende Teil oder das Werkzeug beschädigen. Dieses Problem wird manchmal durch spezielle Spänebrecher und Kühlmittelsysteme gelöst.
Maschinenvibrationen oder -rattern sind unerwünscht, da sie die Oberfläche und die Standzeit der Werkzeuge beeinträchtigen. Reduzieren Sie das Vibrationsproblem, indem Sie die Steifigkeit der Maschine erhöhen und die Schnittbedingungen ändern.
Verstehen von CNC-Drehen und -Bearbeitung
Was ist der Zusammenhang zwischen CNC-Drehen und spanender Bearbeitung?
The concepts of CNC turning and machining are closely related to each other. Machining is a general term for material removal processes that can be used to produce parts of various shapes, and CNC turning is one of the main processes within broader custom CNC machining solutions used to manufacture mostly cylindrical parts.
Fräsen, Bohren, Schleifen, Funkenerosion und Drehen sind einige der Verfahren, die bei der spanenden Bearbeitung eingesetzt werden. Die verschiedenen Verfahren haben unterschiedliche Funktionen, je nach Geometrie und Funktion des Bauteils.
Da viele industrielle Komponenten rotationssymmetrisch sind, spielt die Anwendung des CNC-Drehens eine Schlüsselrolle bei der Bearbeitung. Drehverfahren werden für die Herstellung von Wellen, Stiften, Kupplungen, Ventilen und Buchsen eingesetzt.
CNC hat die Welt der konventionellen Bearbeitung revolutioniert. Heute werden CNC-Systeme eingesetzt, um die Effizienz von Fertigungsprozessen zu steigern, die menschliche Beteiligung zu minimieren und die Bewegung von Werkzeugen zu automatisieren. Dadurch können Hersteller komplexe Teile schneller und gleichmäßiger herstellen.
Integration von Drehen und Fräsen
Heutzutage sind viele CNC-Drehzentren (Computerized Numerical Control) so konzipiert, dass sie sowohl Dreh- als auch Fräsarbeiten auf derselben Maschine durchführen können. Solche Multitasking-Systeme können mehrere Aufgaben ausführen, ohne dass das Teil von einer Maschine auf eine andere übertragen werden muss.
Integriertes Drehen und Fräsen bedeutet, dass das Werkstück während der Dreh- und Fräsbearbeitung in derselben Position fixiert ist, was die Rüstzeit reduzieren und die Maßgenauigkeit verbessern kann. Dies senkt auch die Fertigungs- und Produktionskosten und steigert die Fertigungs- und Produktionseffizienz.
Systeme mit angetriebenen Werkzeugen ermöglichen die Rotation der Schneidwerkzeuge zum Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden auf dem Drehzentrum. Dies ist besonders nützlich für komplexe Komponenten in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Automobilindustrie.
CNC-Bearbeitungsautomatisierung
Einer der wichtigsten Durchbrüche in der CNC-Dreh- und Bearbeitungstechnologie ist die Automatisierung. Robotersysteme und automatische Stangenlader ermöglichen den Betrieb von Maschinen ohne menschliche Überwachung und Kontrolle.
Automation systems drastically enhance productivity by minimizing idle loading and unloading times. According to industry analyses, integrating robotic loading systems and automatic bar feeders can increase a CNC machine’s actual spindle utilization rate from a traditional 40%-50% to over 80% [2]. This shift not only maximizes throughput but also improves workplace safety by reducing direct operator contact with moving machine parts.
Intelligente Fertigungstechnologien optimieren den CNC-Bearbeitungsprozess weiter. Die Sensoren kontrollieren die Leistung der Maschine, den Werkzeugverschleiß und die Schnittparameter in Echtzeit. Anhand dieser Daten können die Hersteller den Wartungsbedarf vorhersagen und unerwünschte Ausfallzeiten vermeiden.
Präzisions-CNC-Drehen und -Bearbeitung
One of the hallmarks of CNC machining is precision. The tolerances of advanced turning machines can be as small as microns, which is appropriate for high-performance industries. For critical aerospace and medical applications, high-performance CNC turning can reliably achieve IT5 to IT6 tolerance grades under the ISO 286-1 standard, often holding dimensional accuracy within ±0.005 mm (5 microns) [3].
The dimensional accuracy is influenced by various factors such as machine rigidity, the quality of cutting tools, cutting parameters, and thermal stability. To ensure accuracy, consistency is essential when manufacturing by precision machining.
Eine hochwertige Oberflächenbehandlung ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. Feine Oberflächen verringern die Reibung, sind ästhetisch ansprechender und erhöhen die Leistung der Bauteile. Optimierte Schnittbedingungen und Schlichtbearbeitungen können beim CNC-Drehen zu extrem glatten Oberflächen führen.
Was sind die zukünftigen Trends beim CNC-Drehen?
Die Zukunft des CNC-Drehens ist eng mit Fortschritten in der Automatisierung und der digitalen Fertigung verbunden. KI- und maschinelle Lerntechnologien werden immer mehr in den Bereich der Bearbeitungssysteme übernommen.
Vorausschauende Wartungssysteme erkennen potenzielle Probleme in Maschinen, bevor sie auftreten, indem sie die Maschinendaten auswerten. Dadurch werden Ausfallzeiten verringert und die Produktionssicherheit erhöht.
Es werden auch hybride Fertigungssysteme entwickelt, die additive Fertigung mit CNC-Drehen kombinieren. Mit dieser Art von System werden endkonturnahe Teile durch 3D-Druck und anschließende Präzisionsbearbeitung hergestellt. Nachhaltigkeit wird zu einem neuen Schwerpunkt. Um die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie möglich zu halten, beabsichtigen die Hersteller, umweltfreundliche Kühlmittel, energieeffiziente Maschinen und recycelbare Materialien zu verwenden.
Die Technologie des digitalen Zwillings revolutioniert weiterhin die CNC-Drehbearbeitung. Simulationen virtueller Maschinen helfen Herstellern, Bearbeitungsprozesse vor der Herstellung von Produkten zu optimieren.
Schlussfolgerung
Die Präzision, Effizienz und Vielseitigkeit des CNC-Drehens machen es zu einem wesentlichen Bestandteil moderner Fertigungsprozesse. Dieses Verfahren hilft den Herstellern bei der Herstellung hochwertiger zylindrischer Teile für verschiedene Anwendungen, z. B. in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Elektronik.
Der CNC-Drehprozess wird durch mehrere streng kontrollierte Prozesse vervollständigt, die die Materialauswahl, die Programmerstellung, das Drehen und die Qualitätsprüfung umfassen. Auf modernen Drehzentren sind nun mehrere Arbeitsgänge in einer einzigen Aufspannung möglich, was zu einer höheren Produktivität und Genauigkeit führt.
Automatisierung, intelligente Fertigungstechnologien und fortschrittliche Werkzeugsysteme treiben die Entwicklung des CNC-Drehens und der Bearbeitung weiter voran. Diese Innovationen ermöglichen es den Herstellern, Komponenten schneller, genauer und effizienter zu produzieren.
Referenzen
[1] Ezugwu, E. O., & Wang, Z. M. (1997). Titanium alloys and their machinability—a review. Journal of Materials Processing Technology, 68(3), 262-274. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)00030-1
[2] International Federation of Robotics (IFR). (2023). World Robotics 2023 Report: Industrial Robots adapting to automated manufacturing. https://ifr.org/worldrobotics/
[3] International Organization for Standardization. (2010). ISO 286-1:2010 Geometrical product specifications (GPS) — ISO code system for tolerances on linear sizes — Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits. https://www.iso.org/standard/42079.html
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