CNC-Bearbeitung im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung: Die wichtigsten Unterschiede

Vergleich zwischen CNC und herkömmlichen Werkzeugmaschinen

Im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugmaschinen unterscheiden sich die CNC-Werkzeugmaschinen nicht nur hinsichtlich ihrer Gesamtleistung, sondern auch hinsichtlich ihrer baulichen und funktionalen Komplexität erheblich.

Wesentliche Konstruktionsmerkmale der CNC-Werkzeugmaschinen

Geschlossener Bearbeitungsraum und Hauptantriebssystem

CNC-Werkzeugmaschinen können mit höheren Schnittgeschwindigkeiten, Vorschubgeschwindigkeiten und Kühlschmierstoffdrücken betrieben werden. Aus Gründen der Arbeitssicherheit und des Umweltschutzes sind sie in der Regel mit einem geschlossenen Bearbeitungsraum ausgestattet. Die bei der Bearbeitung anfallenden Späne verbleiben innerhalb dieses Raums und werden anschließend über den an der Maschine montierten Späneförderer nach außen befördert. Das bei der Bearbeitung verwendete Kühlschmiermittel wird innerhalb der Maschine gesammelt und aufbereitet, bevor es wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird.

Aus ergonomischer Sicht ermöglicht eine große Maschinenschutztür mit breiter Öffnung dem Bediener einen einfachen Zugang zum Arbeitsbereich und eine klare Sicht auf den Bearbeitungsraum. Die Bearbeitung mit der CNC erfordert in der Regel eine konstante Schnittgeschwindigkeit. Diese Drehzahländerungen werden im Allgemeinen mit stufenlos regelbaren Motoren erreicht. In modernen Werkzeugmaschinen sind solche Motoren direkt in die Antriebsspindel integriert. Bei CNC-Fräsmaschinen gewährleistet diese Konfiguration hervorragende Antriebseigenschaften, selbst wenn der gesamte Drehzahlbereich in mehrere Gangstufen unterteilt ist.

Servoantriebe, Linearantriebe und mehrachsige Erweiterungen

Zur Bearbeitung komplexer Werkstückgeometrien wird jede CNC-Achse in der Regel von einem separaten digitalen Servomotor angetrieben. Daher kommen zunehmend Linearantriebe zum Einsatz. Diese bieten hohe Beschleunigung, kurze Reaktionszeiten und verschleißfreien Betrieb und können jede Achse über große Verfahrwege präzise positionieren.

Durch das Hinzufügen weiterer steuerbarer Achsen lässt sich das Spektrum der bearbeitbaren Werkstückformen weiter ausbauen. Bei einer CNC-Fräsmaschine können beispielsweise ein zweiachsiger NC-Tisch und eine Arbeitsspindel präzise definierte Drehbewegungen als Vorschub- oder Quervorschubbewegung ausführen. Programmierbare Reitstöcke, angetriebene Werkzeugrevolver sowie Haupt- und Nebenspindeln erweitern zudem die Möglichkeiten der CNC-Drehmaschinen zur Durchführung kompletter Bearbeitungsvorgänge.

Die Bedeutung von Kugelumlaufspindeln und die Auslegung im Hinblick auf thermische Stabilität

Um die Rechengenauigkeit des Steuerungssystems und die Positioniergenauigkeit der Servomotoren präzise auf die Bewegung zwischen Werkstück und Schneidwerkzeug zu übertragen, werden in Werkzeugmaschinen üblicherweise Kugelumlaufspindeln als Übertragungselemente eingesetzt. Kugelumlaufspindeln arbeiten nahezu spielfrei und können sehr langsame Bewegungen stufenlos und ohne Stick-Slip-Effekt übertragen. Die dazugehörigen Führungsbahnen vereinen die Vorteile von Gleit- und Rollreibung.

CNC-Werkzeugmaschinen erreichen in der Regel eine sehr hohe Zerspanungsleistung pro Zeiteinheit (Q). Ihre Bauteile sind daher hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Moderne Werkzeugmaschinenhersteller begegnen diesem Problem durch spezielle Konstruktionskonzepte und neue Werkstoffe. Bei der Konstruktion von Fräsmaschinen wird besonderes Augenmerk auf die Reduzierung der Masse der beweglichen Bauteile gelegt. Um Späne, Kühlschmiermittel und die dabei entstehende Wärme effektiver abzuführen, verwenden CNC-Drehmaschinen in der Regel geneigte Bettführungen. Die Zugänglichkeit und die Bewegung des Maschinentisches sind ebenfalls wichtige Merkmale der Konstruktion der CNC-Universalfräsmaschine.

Werkzeugverwaltungs- und Prüfsysteme

Der Werkzeugwechsel an CNC-Werkzeugmaschinen lässt sich in den meisten Fällen automatisieren. Um sicherzustellen, dass jedes benötigte Werkzeug während der Programmausführung abgerufen werden kann, sind Drehmaschinen mit mindestens einem Werkzeugrevolver ausgestattet, während Fräsmaschinen ein Werkzeugmagazin und einen automatischen Werkzeugwechsler verwenden. Werkzeugrevolver und Werkzeugmagazine an neueren Maschinen sind in der Regel servogesteuert und mit Prüfsystemen ausgestattet, was der Maschine eine höhere Positioniergenauigkeit und schnellere Werkzeugwechselgeschwindigkeiten verleiht.

Erweiterte Funktionen durch Automatisierungsschnittstellen

Moderne CNC-Werkzeugmaschinen sind in der Regel mit standardisierten Schnittstellen zum Anschluss von Automatisierungsperipheriegeräten ausgestattet. Durch den Einbau von Werkstückpalettenwechslern, Werkstückspeichern und Werkstückhandhabungssystemen lässt sich der Automatisierungsgrad bei Zerspanungsvorgängen weiter steigern.

Jede gesteuerte Achse einer CNC-Werkzeugmaschine ist mit einem elektronischen Messsystem ausgestattet. Anhand der Ergebnisse der Verfahr- und Positionierbewegungen kann die Steuerung die Echtzeitposition des Maschinenschlittens, des Drehtisches oder der Spindel ermitteln. In den letzten Jahren wurden auch Spindeln herkömmlicher Werkzeugmaschinen zunehmend mit solchen Messsystemen ausgestattet. Dies ermöglicht Funktionen wie die lineare Steuerung und verbessert die Bedienfreundlichkeit erheblich. Darüber hinaus werden Technologien, die speziell für CNC-Werkzeugmaschinen entwickelt wurden – darunter stufenlos regelbare Spindeln, Servomotoren sowie spezielle Führungs- und Getriebeeinheiten – nach und nach auch bei herkömmlichen Maschinen eingesetzt. Traditionelle Werkzeugmaschinen wie Dreh- und Fräsmaschinen sind heute vor allem in den Ausbildungsabteilungen von Industrieunternehmen zu finden.