CNC-Drehen: Rotationssymmetrische Teile vom Schlüsselring zur Antriebswelle

Das Drehen zählt zu den Basistechnologien der Fertigungstechnik. Gemeinsam

mit dem Fräsen, Bohren und Schleifen zählt es zu den wichtigsten zerspanenden Fertigungsverfahren. Das Grundprinzip des Drehens: Ein Werkzeugschlitten mit einem einschneidigen Werkzeug umfährt ein rotierendes Werkstück und trennt spanend Werkstoff ab. Die Hauptschnittbewegung entspricht dabei der Drehbewegung des Werkstücks. Zweck des Drehens ist beispielsweise die Herstellung einer glatte, rotationssymmetrische Oberfläche oder eines Gewindes.

Historisch wurde das Drehen insbesondere in der Herstellung runder Teile wie Schrauben und Spindeln für die Textilindustrie eingesetzt. Heute können nicht nur Mantel- und Axial-Planflächen von Zylindern, sondern auch Kegel und Kugeln/Kugellager, Unrunde, Gewinde, Quer- und Längsprofile gedreht werden. Das Spektrum der Drehteile rangiert von einfachsten Kleinteilen wie Metallringe und Münzrohlinge bis hin zu komplexen  komplexe, rotationssymmetrische Bauteile und Baugruppen wie Achsen, Wellen, Flanschen. Mittels CNC-Drehen sind dabei auch schwierige Geometrien mit und ohne Gewinde realisierbar – automatisiert, mit geringen Toleranzen und hoher Oberflächengüte.

Glatte Oberflächen und präzise Gewinde: alles gedreht

Ähnlich wie beim Fräsen gibt es auch beim Drehen unterschiedliche Verfahren und Fertigungsmethoden. Je nach Ort der Bearbeitungsstelle  – im Innern beispielsweise beim Einstechdrehen oder Bearbeitung von Hohlkörpern oder von außen wie beim klassischen Plandrehen – wird zwischen Innendrehen und Außendrehen unterschieden. Je nach Vorschubrichtung des Werkstücks spricht man vom Querdrehen (Bearbeitung quer zur Drehachse des Werkstücks) oder Längsdrehen (Bearbeitung längs zur Drehachse des Werkstücks). Eine weitere Unterscheidung basiert auf dem Detailgrad der Bearbeitung. Mit Schruppen wird dabei die Grobbearbeitung , mit Schlichten die Feinbearbeitung eines Drehteils bezeichnet.

In DIN 8589 werden zudem verschiedene Drehtechniken je nach der herstellbaren, geometrischen Form definiert. Beim klassischen Plandrehen, der häufigsten Bearbeitungsform, werden ebene Flächen am Werkstück erzeugt. Das Runddrehen dient der Herstellung kreiszylindrischer Flächen aller Arten und Größen, von der Uhren- bis zur Schiffswelle.

fertiges Präzisionsdrehteil

Beim Schraubdrehen werden in erste Linie Gewinde gefertigt, beim Profildrehen Nuten und andere maschinenbautechnische Funktionselemente. Bei letzterem ist das zu erzeugende Profil im Werkzeug im Negativ abgebildet. Diese Drehwerkzeuge sind meist Sonderanfertigungen, die im Werkzeugbau speziell entwickelt und gefertigt werden und entsprechend teuer sind. Da beim Profildrehen aber mit einem Werkzeug hohe Stückzahlen in gleichbleibender Qualität bei zugleich niedrigen Bearbeitungszeiten gefertigt werden können, relativieren sich die hohen Anfangsinvestitionen für Entwicklung und Werkzeugbau.

Mittels Fein- bzw. Präzisionsdrehen werden zudem Bauteile für Computerlaufwerke, optische Geräte und Instrumente sowie Linsen und Spiegel, aber auch Einspritzdüsen gefertigt.

Besonders hart, besonders schnell = besondere Technik

Sonderformen  des Drehens sind Hartdrehen und Hochgeschwindigkeitsdrehen. Bei Formen erfordern speziell geschulte Zerspanungstechniker.

Beim Hartdrehen können mithilfe extrem harter Schneidstoffe wie Bornitrid auch Hartmetalle bearbeitet werden. Dabei wird aufgrund des Werkstoffs mit deutlich niedrigeren Schnitttiefen und langsameren Umdrehungsgeschwindigkeiten gearbeitet. Dennoch verkürzt sich im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitungsmethode des Weichglühens und Schleifens von Hartmetallen die Bearbeitungszeit gerade bei komplexeren geometrischen Formen deutlich. Das so genannte Zeitspanvolumen – d. h. die Menge der abgetrennten Späne in einer bestimmten Spanne – ist höher, die Steuerung des Werkzeugs flexibler, die Fertigung damit schneller und wirtschaftlicher. Zudem sind Drehmaschinen in Anschaffung und Wartung in der Regel kostengünstiger als Schleifmaschinen. Hartdrehen kommt im Werkzeug- und Formenbau sowie im Maschinen- und Automobilbau zum Einsatz.

Das Hochgeschwindigkeitsdrehen zeichnet sich ähnlich wie das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC/High Speed Cutting) durch besonders hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten aus, die sich doch je nach bearbeitetem Werkstoff deutlich unterscheiden können. So spricht man beim Drehen von Stahl bereits bei 500 m/min von HSC, bei Aluminium muss mindestens eine Schnittgeschwindigkeit von 2000 m/min erreicht werden. Hochgeschwindigkeitsdrehen wirkt sich aufgrund der hohen Fertigungsgeschwindigkeit positiv auf die Produktivität aus. Wie andere HSC-Fertigungsmethoden erfordert es aber besonders ausgestattete Drehmaschinen, um auch bei hohen Drehzahlen und damit hohen Fliehkräften konstant gute Ergebnisse zu liefern. Ebenso sind zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erforderlich, und eine Gefährdung beispielsweise durch umherfliegende, abgetrennte Späne zu verhindern.

CNC-Drehen: Qualität in Serie

Die Fertigung von Drehteilen erfolgt entweder auf manuellen Drehbänken, in konventionellen oder in CNC-gesteuerten Drehmaschinen. Bei letzterem wird ein 3D-CAD-Modell in die Schnittstelle einer CNC-Drehmaschine (CNC = computer-numerisch gesteuert) eingepflegt. Auf manuellen Drehbänken werden dabei in der Regel  ausschließlich einfache Teile in kleiner Stückzahl gefertigt. Die Fertigung größerer Werkstücke bzw. größerer Produktionsmenge ist nur mithilfe einer Drehmaschine – bei komplexeren Drehteilen bzw. Baugruppen mithilfe einer computergesteuerten CNC-Drehmaschine – wirtschaftlich darstellbar.

Die CNC-Drehmaschine überträgt das CAD-Modell in codierter Zahlenform als Sollvorgaben in den Fertigungsprozess und regelt unter anderem die Position des Werkzeugs, die Umdrehungsgeschwindigkeit etc. Moderne CNC-Drehmaschinen verfügen dabei über sechs oder mehr Bearbeitungsachsen. Durch den Einsatz lineare Antriebssysteme oder solcher mit Kugelgewindetrieben laufen sie zudem nahezu spielfrei.

Auch komplexe, mehrdimensionale Drehprozesse können dabei ohne Auswechseln des Werkzeugs oder Umspannen des Werkstücks in einem Fertigungsprozess umgesetzt werden. Werkzeugverschleiß oder möglicher Werkzeugbruch wird automatisch überprüft. Manuelle Eingriffe oder Kontrollen sind in der Regel nicht notwendig. Das Ergebnis: Mit CNC-Drehmaschinen lassen sich auch hohe Stückzahlen oder schwierige Geometrien in hoher Qualität zügig herstellen.

Grundsätzlich gilt: Werden CNC-gesteuerte Drehmaschinen eingesetzt, erweitert sich das Spektrum realisierbarer geometrischer Formen deutlich. Im Formdrehen können hier nahezu beliebige Konturen – Rundungen, Übergänge, Einstiche etc. in der 2D-Bahnsteuerung, Querbohrungen, Lochkreise, Anfräsungen, Wendelruten und Spiralen in der 3D-Bahnsteuerung – gefertigt werden, mit hoher Wiederholgenauigkeit, schnell und präzise.

Drehen im Detail: Von Schnittgeschwindigkeiten, Schneid- und Werkstoffen

Voraussetzung für die Produktion konstant hochwertiger Drehteile ist die Ermittlung und Verwendung der – je nach Material und zu fertigenden Geometrie – optimalen Schneid- und Werkzeugparameter. Fehlerhafte Schnittgeschwindigkeiten oder ungeeignete Schneidwerkzeuge führen hier zu längeren Bearbeitungszeiten bis zu Stand- und Ausfallzeiten durch Werkzeug- oder Materialbruch. Mit optimierter Einstellung lassen sich dagegen höchste Qualitätsansprüche wirtschaftlich erfüllen.

Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe hänge dabei vom verwendeten Material, aber auch von der verwendeten Drehmaschine ab. Grundsätzlich gilt: Zu geringe Schnittgeschwindigkeiten führen zu Rattern und damit einhergehend höherem Verschleiß der Schneidwerkzeuge. Zu hohe Schnittgeschwindigkeiten dagegen liefern ungenaue Ergebnisse und ungleiche Oberflächen.

Der optimale Vorschub – die Strecke, die der Halter des Werkstücks bei einer Umdrehung zurücklegt (= Millimeter pro Umdrehung) – hängt dagegen vom Stadium des Fertigungsprozesses ab. Beim gröberen Vordrehen ist er höher, beim Fertigdrehen mit zunehmend feinerem Bearbeitungsgrad niedriger.

Die optimale Schnitttiefe wird definiert vom Werkstoff des Drehteils und des Drehwerkzeug sowie der Leistung der Drehmaschinen. Auch hier gilt: Beim Vordrehen sollte die Schnitttiefe groß sein und mit Fortschreiten des Fertigungsprozesses abnehmen. Je nach Drehmethode beeinflusst auch die Breite der Schneide und die Position des Werkzeugs die Schnitttiefe.

Als Schneidstoff für Drehwerkzeuge kommen überwiegend Hartmetalle, in der Regel Titan- oder Tantalkarbidlegierungen oder Cermet, zum Einsatz. Sie weisen eine hohe Verschleiß- und Druckfestigkeit aus, sind beständig gegen Hitze bis 1.000 Grad Celsius, teils bei Cerment auch gegen Chemikalien. Daneben wird vielfach auch so genannter Schnellarbeitsstahl (HSS) verwendet, d.h. Werkzeugstähle, die mit Wolfram, Molybdän, Vanadium und Kobald hochlegiert sind. Sie sind temperaturbeständig bis 600 Grad Celsius und besonders biegefest und zäh. Der Härtegrad liegt deutlich unter der von Titanlegierungen.

Hitzebeständiger als Hartmetalle und HSS sind Werkzeuge aus Schneidkeramik. Sie verfügen über Warmhärten bis 1.200 Grad C und weisen zudem eine hohe chemische Beständigkeit auf. Die härtesten Schneidstoffe sind die – deutlich seltener eingesetzten – so genannten PKD-Schneidstoffe aus polykristallinem Diamant sowie PKB-Schneidstoffe aus Kubischem Bornitrid. Sie hoch verschleißfest und im Falle der PKB-Schneidstoffe hoch hitzebeständig.

Die Bandbreite der mittels Drehen bearbeitbaren Werkstoffe ist groß. Zwar ist das Drehen in erster Linie ein Fertigungsverfahren der Metallindustrie. Aber auch Kunststoffe und Holz – in letzterem Fall als Drechseln bezeichnet – lassen sich drehen. Am häufigsten werden jedoch Werkstücke aus Aluminium, Edelstahl, Stahl oder Automatenstahl mittels Drehen bearbeitet. Letzterer ist mit Blei oder Schwefel legierter Stahl, der hohe Schnittgeschwindigkeiten erlaubt. Auch Buntmetalle wie Messing, Kupfer, Zink oder Bronze, und selbst spröde Werkstoffe wie Grau- und Rotguss lassen sich mit den geeigneten Drehwerkzeugen hervorragend bearbeiten.

Auch in Massen maßgenaue Drehteile

Allen Werkstoffen und Fertigungsverfahren beim Drehen gemeinsam sind die hohe Maßgenauigkeit und die gleichbleibende Qualität von Drehteilen, auch bei komplexen Teilen und großen Stückzahlen. Die Produktivität ist hoch, die Fertigungszeiten konstant und damit gut planbar. Weitere Vorteile: Manuelle Eingriffe sind in nur geringem Umfang nötig, die konstanten Fertigungsparameter verringern den Werkzeugverschleiß.

Allerdings sind die Anschaffungs- und Wartungskosten einer CNC-Drehmaschine hoch. Auch erfordert die Entwicklung eines maschinenlesbaren 3D-Modells bzw. die Programmierung der CNC-Maschinen eine hohe Fachkompetenz. Dabei variieren die Steuer- und Wegbefehle verschiedener Hersteller, so dass CNC-Maschinen in der Regel nur nach Einweisung zu bedienen und extern zu warten sind. Die Lohnfertigung von CNC-Drehteilen ist daher weit verbreitet.

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