Kann mit CNC-Drehen aufwändige geometrische Formen erzeugt werden?

Wie modernes CNC-Drehen komplexe Geometrien realisiert

Angetriebene Werkzeuge, Y-Achse und Nebenspindel: Möglichmacher für exzentrische und nicht rotationssymmetrische Merkmale

Die CNC-Drehbearbeitung überwindet heute jene alten Einschränkungen der Rotation dank drei entscheidenden Fortschritten. Zunächst die angetriebenen Werkzeuge (Live Tooling), bei denen Fräswerkzeuge direkt in den Revolverkopf der Drehmaschine integriert werden. Dadurch können wir seitlich bohren, Nuten fräsen und sogar Fräsarbeiten an rotierenden Teilen in einem einzigen Arbeitsgang durchführen, sodass keine weiteren Bearbeitungsschritte an anderer Stelle notwendig sind. Dann folgt die Y-Achse, die eine vertikale Bewegung im rechten Winkel zur Hauptspindel ermöglicht. Damit können Dreher komplexe exzentrische Formen und asymmetrische Geometrien wie versetzte Flächen oder mehrseitige Profile herstellen. Und schließlich haben Unterdrehteile (Sub-Spindles) die komplette Bauteilbearbeitung revolutioniert. Diese übernehmen das Werkstück automatisch, um Rückseitenbearbeitungen wie Rändeln, Gewindeschneiden oder Stirnfräsen durchzuführen, ohne dass das Teil manuell umgegriffen werden muss. Was ergibt sich, wenn man all dies kombiniert? Bauteile, die früher unmöglich waren, werden nun realisierbar. Gemeint sind Übergänge von einfachen Zylinderformen zu komplexen Hybridbauteilen mit Konen, seitlich verlaufenden Bohrungen, Rillen und schrägen Flächen. Das Beste daran: All diese Komplexität geht nicht auf Kosten der Präzision. Die Maschinen erreichen weiterhin Toleranzen im Mikrometerbereich, und Betriebe berichten von einer Reduzierung der Rüstzeiten um nahezu 70 % im Vergleich zu älteren Verfahren.

Praxisbeispiel: Fertigung eines Luftfahrt-Flansches mit Abschrägungen, Nuten, Rändelung und radialen Bohrungen in einer einzigen Aufspannung

Ein komplexer Luft- und Raumfahrt-Flansch erforderte etwa 15 verschiedene Merkmale, darunter die anspruchsvollen konischen Flächen, äußerst präzise Rillen, nutzbare Prismenrillen sowie acht radiale Bohrungen. Das gesamte Teil wurde in einer einzigen Aufspannung auf einem hochmodernen mehrachsigen Drehzentrum gefertigt. Für die Konen wurden Y-Achsen-Konturierungen verwendet, um die engen Toleranzen exakt einzuhalten. Schneidende Werkzeuge übernahmen das Bohren und Gewindeschneiden der radialen Löcher, ohne dass eine Neupositionierung erforderlich war. Gleichzeitig bearbeitete die Gegenspindel die Prismenrille an der Rückseite, während die übrigen Arbeiten liefen. Bei den Rillen musste eine Genauigkeit von ±0,005 Zoll eingehalten werden, was durch eine geschickte Koordination zwischen der C- und der Y-Achse erreicht wurde. Durch diese gemeinsame Bearbeitung entfielen zusätzliche Handhabungsschritte vollständig. Was bedeutet das praktisch? Die Bearbeitungszeit sank drastisch von langen drei Stunden auf nur noch genau 22 Minuten. Dies zeigt, was CNC-Drehen leisten kann, wenn das Bauteil rotationssymmetrisch als Grundgestaltung aufweist.

CNC-Drehen vs. 5-Achsen-Fräsen: Wann CNC-Drehen für komplexe Teile die bessere Wahl ist

Der Vorteil der Symmetrie: Warum die Rotation bei hybriden Geometrien das CNC-Drehen effizient macht

Bei der Bearbeitung von Teilen, die hauptsächlich runde Formen aufweisen, bietet das Drehen mit computergesteuerter Numerik (CNC) Herstellern im Vergleich zu anderen Verfahren eine bessere Geschwindigkeit und Kosteneinsparungen. Das Verfahren funktioniert, indem das Werkstück rotiert, während die Schneidwerkzeuge feststehen oder sich synchron mitbewegen, wodurch Material schnell entfernt werden kann, beispielsweise bei Außendurchmessern, Konen, Gewinden und Nuten. Solche Merkmale würden an einer 5-Achs-Fräsmaschine zahlreiche Rüstwechsel erfordern und wesentlich langsamer bearbeitet werden. Die 5-Achsen-Fräsung eignet sich zwar sehr gut für komplexe schräge Flächen und unregelmäßige Formen, doch all diese beweglichen Teile bedeuten längere Programmierzeiten und höhere Maschinenkosten. Bei Bauteilen, bei denen mehr als die Hälfte des Gesamtvolumens aus zylindrischen Elementen besteht, wie beispielsweise Flansche mit Bohrungen am Rand oder Gehäusekomponenten mit Schlitzen am Umfang, kann das CNC-Drehen den Rüstaufwand um etwa 40 Prozent reduzieren und die Produktionszyklen um bis zu 60 Prozent verkürzen. Zudem ermöglicht es enge Toleranzen unter 0,005 Zoll, ohne dabei die Kosten stark zu erhöhen, insbesondere bei Serien ab 1.000 Stück.

Entscheidungsrahmen: Bewertung der Merkmalslage, -anzahl und Achsenanforderungen zur Priorisierung der CNC-Drehbearbeitung

Die Auswahl des optimalen Verfahrens hängt von drei miteinander verknüpften Kriterien ab:

1. Rotatorische Merkmalsdichte : Bevorzugen Sie die CNC-Drehbearbeitung, wenn 70 % der kritischen Merkmale (z. B. Durchmesser, Bohrungen, Gewinde, Konen) rotationssymmetrisch sind.
2. Nicht-rotatorische Komplexität : Entscheiden Sie sich für 5-Achs-Fräsen, wenn das Bauteil mehr als 3 unabhängige außerachslige Flächen aufweist, wie z. B. schräg angeordnete Anbauplatten oder nicht-radiale Taschen, die nicht über angetriebene Werkzeuge oder Y-Achsbewegungen zugänglich sind.
3. Volumen-Kosten-Verhältnis : Die CNC-Drehbearbeitung senkt die Stückkosten bei Großserien um ca. 30 %, da sie kürzere Bearbeitungszeiten und einen geringeren Rüstaufwand erfordert, während das 5-Achs-Fräsen bei Kleinserien, Prototypen oder stark unregelmäßigen Geometrien vorzuziehen bleibt. Als Faustregel gilt: Selbst bei mäßigem seitlichen Fräsaufwand ist die drehzentrierte Fertigung in der Regel der bessere Ansatz, wenn die Kernstruktur zylindrisch ist, da sie eine höhere Produktivität, Genauigkeit und Kostenkontrolle bietet.

Konstruktionsrichtlinien und praktische Einschränkungen der CNC-Drehbearbeitung

Vermeidung der „Intrikat, aber nicht asymmetrisch“-Falle: Wichtige Beschränkungen bei Hinterschneidungen, tiefen Kavitäten und nicht rotationssymmetrischen Flächen

Die Stärke der CNC-Drehbearbeitung liegt in der Rotationssymmetrie, doch die physikalischen Gegebenheiten setzen klare Grenzen für asymmetrische Merkmale. Drei mechanische Einschränkungen definieren die Fertigungsgrenzen:

• Unterfertigungen : Innere Hinterschneidungen jenseits von etwa 135° sind mit Standardwerkzeugen aufgrund von Spindel- und Spannbackeninterferenz nicht erreichbar; spezielle Werkzeughalter oder Sekundäroperationen sind erforderlich.
• Tiefe Kavitäten : Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnisse über 4:1 bergen das Risiko von Werkzeugverformung und schlechter Oberflächenqualität, insbesondere bei weicheren oder zähen Materialien; halten Sie Kavitäten-Tiefen nach Möglichkeit innerhalb von 3× Werkzeugdurchmesser.
• Nicht rotationssymmetrische Flächen : Ebene Flächen, rechtwinklige Absätze oder eckige Merkmale erfordern angetriebene Werkzeuge, C-Achsen-Indexierung oder Y-Achsen-Bewegung, was Komplexität, Bearbeitungszeit und potenzielle Ausrichtungsfehler erhöht.

Das Verhalten von Werkstoffen beeinflusst tatsächlich, was praktisch machbar ist. Gehärtete Legierungen mit über 45 HRC neigen dazu, Schneidwerkzeuge bei feinen Profilarbeiten schneller zu verschleißen. Dünne Wände mit einer Dicke von weniger als einem halben Millimeter verformen sich unter Zentrifugalkräften während der Bearbeitung. Wenn Bauteile ungleichmäßige Merkmale aufweisen, die den normalen Spanabfluss stören, entstehen ebenfalls Probleme. Die Späne verhaken sich und werden erneut in die Oberfläche eingearbeitet, wodurch die Oberflächen rauer werden als gewünscht, manchmal schlechter als 32 Ra Mikroinch. Für bessere Ergebnisse bei CNC-Drehoperationen ist es sinnvoll, Bauteile möglichst mit einheitlichen Radien zu konstruieren. Axiale Unterbrechungen sollten auf ein Minimum beschränkt und nichtrotationssymmetrische Merkmale auf maximal etwa 15 % der gesamten Bauteilgeometrie begrenzt werden. Übersteigt der Anteil diesen Schwellenwert, eignet sich bei komplexen Geometrien in der Regel ein hybrider Ansatz aus Fräsen und Drehen besser.

Optimierung der Bauteilgestaltung für den Erfolg beim CNC-Drehen

Die Konstruktion unter Berücksichtigung der CNC-Drehbearbeitung erschließt erhebliche Kostenvorteile und verkürzt die Durchlaufzeiten, insbesondere bei Serienproduktion. Die frühzeitige Anwendung zentraler Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung (DFM) stellt sicher, dass Merkmale auf die Stärken des Verfahrens abgestimmt sind, und vermeidet kostspielige Umwege. Wichtige Strategien umfassen:

• Toleranzoptimierung : Legen Sie enge Toleranzen nur dort fest, wo dies funktional erforderlich ist. Übermäßige Genauigkeitsvorgaben erhöhen die Bearbeitungszeit um 30–50 % und erfordern spezielle Werkzeuge sowie Prüfprotokolle.
• Ausrichtung an Stabmaterial : Stimmen Sie die Hauptdurchmesser mit gängigen Stabmaterialgrößen überein (z. B. 1", 1,5", 2"), um Materialabfall zu reduzieren, das Spannen zu vereinfachen und Sonderrohlinge zu vermeiden.
• Vermeidung von Hinterschneidungen : Ersetzen Sie innere Hinterschneidungen durch äußere Nutformen, Abschrägungen oder Fasen, soweit die Funktion es zulässt, um Nachbearbeitungsschritte zu verringern oder ganz zu vermeiden.
• Schlankheitsgrad-Kontrolle : Bei Längen-zu-Durchmesser-Verhältnissen über 6:1 sollten Unterstützungselemente der Reitstockseite (z. B. Führungsstufen oder Freigabernuten) direkt in die Konstruktion integriert werden, um Vibrationen und Durchbiegungen zu vermeiden.

Diese Anpassungen verbessern die Spanabfuhr, erhöhen die Maßhaltigkeit und reduzieren die Nebenzeiten, was zu bis zu 25 % niedrigeren Kosten pro Bauteil und schnelleren Lieferzeiten beiträgt, wenn sie bereits während der ersten Designprüfung angewendet werden.

FAQ

Welche Hauptvorteile bietet das CNC-Drehen im Vergleich zu anderen Bearbeitungsmethoden?

Das CNC-Drehen ermöglicht vor allem die effiziente Herstellung rotationssymmetrischer Teile und bietet Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Präzision und Kosten bei Serienfertigung. Es erlaubt die integrierte Durchführung komplexer Operationen wie Gewindeschneiden, Rändeln und radiales Bohren, ohne das Werkstück neu positionieren zu müssen.

Wie verbessern Fortschritte wie angetriebene Werkzeuge und Unterdrehspindeln das CNC-Drehen?

Echtzeitwerkzeuge ermöglichen es CNC-Drehzentren, Fräsoperationen direkt in der Drehmaschine durchzuführen, wodurch zusätzliche Aufspannungen entfallen. Gegenspindeln übernehmen automatisch das Werkstück für Bearbeitungen auf der gegenüberliegenden Seite, was die Effizienz erhöht und manuelle Handhabungsfehler reduziert.

Wann sollte ich CNC-Drehen statt 5-Achs-Fräsens wählen?

CNC-Drehen ist ideal, wenn der Großteil der Bauteilmerkmale rotationssymmetrisch ist und eine effiziente, kostengünstige Produktion bei hohen Stückzahlen erforderlich ist. Bei Bauteilen mit komplexen nicht-rotationssymmetrischen Merkmalen, die Mehrachs-Bewegungen erfordern, ist das 5-Achs-Fräsen möglicherweise besser geeignet.