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Drehen - Drehen Bearbeitung

Präzisionsdrehmaschinen

Von Präzisions- bis Ultrapräzisionsdrehmaschinen

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 275 - 280

Fein- und Präzisionsdrehmaschinen erfüllen alle Forderungen, wenn Bauteile mit hoher Oberflächengüte, Maßgenauigkeit sowie Form- und Lagetoleranz gefertigt werden. Man nutzt sie für anspruchsvolle Nachbearbeitung von Werkstücken in den Branchen Fahrzeugbau, Feinmechanik, Optik, Medizintechnik, Kunststoff- und Leichtmetallbearbeitung, Elektrotechnik, Uhren- und Schmuckindustrie.

Klassifiziert nach ISO-Toleranzfeldern

Beim Fertigungsverfahren Drehen kann man anhand der erreichbaren IT-Klassen, nämlich der sogenannten ISO-Toleranzen, zwischen Präzisions-, Hochpräzisions- und Ultrapräzisionsdrehen unterteilen. Aus Tabelle 5.6 ist zu entnehmen, dass die Präzisionsdrehbearbeitung mit einem typischen Vorschub von 100 μm eine Endbearbeitungsqualität bis IT7 liefern kann. Für das Präzisionsdrehen sind Werkstücke aus Stahl und NE-Metall besonders geeignet. Das Hochpräzisionsdrehen kann eine bessere Bearbeitungsqualität von IT2 bis IT6 anbieten. Dies bewirkt einen ca. 10-fach kleineren Vorschub im Vergleich zu Präzisionsdrehen. Wenn man noch präzisere Bearbeitungsqualität anfordern möchte, kommt das Ultrapräzisionsdrehen zum Einsatz. Dieses Verfahren ist besonders geeignet für die direkte Fertigung optischer Oberflächen wie z. B. Linsen oder Spiegel (Weck, Brecher 2005) und kann dabei Werkstücktoleranzen von IT01 bis IT1 erreichen. Generell kann die Optikfertigung als Treiber der Präzisionstechnik bezeichnet werden (Brecher, Klocke 2008). Beim Ultrapräzisionsdrehen werden häufig Diamantwerkzeuge zur Bearbeitung der nicht-eisenmetallischen, plastischen und monokristallinen Materialien eingesetzt (Bulla et al. 2012).

Tab. 5.6: Drehbearbeitung mit den Unterteilungen von Präzisions-, Hochpräzisions- und Ultrapräzisionsdrehen

Bett, Antriebe und Führungen auf hohe Genauigkeit und beste Dämpfung optimiert

Laut Definition sind die wesentlichen Merkmale für Präzisionsdrehmaschinen eine hochgenaue Arbeitsspindel und ein Schlitten mit hoher Wiederholgenauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich. Auf Grund dieser extremen Anforderungen an die Genauigkeit der Präzisions-Drehbearbeitung werden dabei spezifische Maßnahmen eingesetzt, z. B. ist ein zusätzliches Dämpfungssystem im Maschinenbett integriert, um die Maschine vom Boden gegenüber Boden-/Fundamentschwingungen zu entkoppeln. Zugleich werden die einzelnen Maschinenkomponenten separat auf der Maschinenstruktur angeordnet, damit sich die Komponenten nicht gegenseitig in Form von zusätzlicher Wärme und Schwingungen beeinflussen können. Als eine mögliche Gegenmaßnahme zur Vermeidung von thermisch bedingen Verformungen und Abweichung werden solche Präzisionsmaschinen oftmals in klimatisierten Räumen aufgestellt. Aerostatische und hydrostatische Führungssysteme weisen eine deutlich bessere Dämpfung gegenüber konventionellen Systemen auf. Daher werden Schlittenführungen und Spindellagerungen mit solchen Systemen ausgerüstet. Als typisches Beispiel für eine Ultrapräzisionsdrehmaschine moderner Bauart kann die Drehmaschine Slantbed-Mikroturn 50 CNC der Firma Hembrug mit ölhydrostatischen Lagerungen angesehen werden. Diese zugrunde liegende Konstruktion mit zusätzlichen hydrostatischen Gewindespindeln liefert eine hohe Rundlaufgenauigkeit von 0,1 μm und eine gute Elimination zusätzlicher Vibrationen, wobei aber derartige Maßnahmen zur Erhöhung der Bearbeitungspräzision gleichzeitig mit höheren Investitionskosten verbunden sind.

Typische Maschinen aus dem Hochpräzisions-Segment mit breitem Anwendungsbereich sind Modelle der Baureihen SB und PD der Fa. Spinner GmbH. Gegenüber der konventionellen Definition von Präzisionsdrehmaschinen wurde in den vergangenen Jahren von der Firma Spinner GmbH eine neue Definition vorgeschlagen: „Wenn eine Hochpräzisionsmaschine bei einer kontinuierlichen Materialbeschickung über alle Pausen und Schichtwechsel hinweg stetig ein Zerspanergebnis im 0,1-μm-Bereich liefern kann, so sollte diese Maschine als Ultrapräzisionsmaschine bezeichnet werden“. Die von der Fa. Spinner gefertigten Hochpräzisionsdrehmaschinen weisen eine Kreisformgenauigkeit am gedrehten Werkstück von um 0,1 μm und eine Positionswiederholgenauigkeit von 0,4 μm auf (Abb. 5.220). Auf einer Spinner Hochpräzisionsdrehmaschine werden in der Regel Werkstücke mit einem Durchmesser von 0,5 bis 100 mm und einer Länge von 1 bis 120 mm bearbeitet. Häufig werden die Maschinen in der Fertigung von Präzisionsteilen mit Automatisierung eingesetzt und erreichen dann in einem kontinuierlichen Serienprozess Werkstückgenauigkeiten im Ultrapräzisionsbereich.

Abb. 5.220: Ultrapräzisionsmaschine SB-Baureihe der Fa. Spinner Werkzeugmaschinenfabrik GmbH, Sauerlach bei München

Abb. 5.220: Ultrapräzisionsmaschine SB-Baureihe der Fa. Spinner Werkzeugmaschinenfabrik GmbH, Sauerlach bei München

Einasatzbereiche und Anwendungsbgebiete

Bedingt durch die rasante Entwicklung der modernen Fertigungstechnik, strebt man immer mehr nach präzise hergestellten Bauteilen und Produkten. Fein- und Präzisionsdrehmaschinen werden für einen weiten Bereich hochgenauer Präzisionsdrehteile eingesetzt; immer dann, wenn besondere Ansprüche an Oberflächen, Maßgenauigkeit sowie Form- und Lagetoleranzen gestellt werden. Der Einsatzbereich liegt in der anspruchsvollen Nachbearbeitung von Werkstücken aus den Bereichen Feinmechanik, Automobilindustrie, Optik, Medizintechnik, Kunststoffund Leichtmetallbearbeitung, Elektrotechnik, Uhren- und Schmuckindustrie sowie vielen anderen anspruchsvollen Anwendungen wie bspw. der Hartdrehbearbeitung als Ersatz von Schleifoperationen. In den letzten Jahren konzentrieren sich die optischen Komponenten immer mehr in Richtung komplexer Oberflächengeometrien. Dies bedeutet, dass nicht nur der Bedarf an asphärischen Bauteilen besteht, sondern in Einzelfällen auch Bauteile mit nicht-rotationssymmetrischen Geometrie gefertigt werden müssen. Zur Herstellung von optischen Freiformflächen im Bereich der medizinischen und technischen Optiken spielen Präzisionsdrehmaschinen eine große Rolle. Für nicht-rotationssymmetrische Bauteile sind jedoch hoch dynamische Achsantriebe – in der Regel mit Antrieb über Linear-Motoren – erforderlich, als Sonderbauform der Präzisionsdrehmaschine, um unrunde Konturen zu erzeugen.

Hartdrehen in der Serienfertigung 80% schneller als Schleifen

Eine sehr breite Anwendung hat die Hochpräzisionsmaschine beim Hartdrehen in der Großserie anspruchsvoller Kleinteile, als Ersatz bisheriger Schleifoperationen. Hartdrehen beinhaltet das Verfahren der Ein-Punkt-Zerspanung, in der eine Ein-Punkt-Schneide eingesetzt wird und dadurch die Durchführung mehrerer Operationen in nur einer Aufspannung ermöglicht wird, von gehärteten Werkstücken mit Härten zwischen ca. 58 und 62 HRC innerhalb eines 2-μm-Bereichs. Hartdrehen hat sich dabei als vollwertige Alternative zum teureren und kostenanfälligen Schleifen bewährt. Die wichtigsten Vorteile des Hartdrehens im Vergleich zum Schleifen können wie im Folgenden beschrieben werden: Mit einem Standard-Einpunktschneidwerkzeug werden komplexe Konturen gefertigt, wodurch die Notwendigkeit teuerer Formschleifscheiben beim Schleifen entfällt. Mehrere Bearbeitungen lassen sich in ein und derselben Einspannung durchführen, d. h. weniger Werkstückmanipulation und drastisch verkürzte Zykluszeiten sind dank einfachem Konfigurationswechsel die Folge. Hartddrehbearbeitungen sind in vielen Fällen bis zu 80 % schneller als vergleichbare Schleifbearbeitungen bei meist deutlich niedrigerem Investitionsvolumen auf der Maschinenseite. Desweiteren ist Hartdrehen in vielen Fällen ein trockenes und umweltfreundliches Verfahren, bei dem die Entsorgung von Schleifschlamm entfällt.

Typische Werkstücke und Anwendungen

Für die spanende Bearbeitung zahlreicher Bauteile aus den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten besitzen Fein- und Präzisionsdrehmaschinen eine sehr gute Anpassungsfähigkeit und können dabei sehr hohe Arbeitsgenauigkeiten liefern. Insbesondere als alternative Operation zum Schleifen zeigt das Hartdrehen auf Präzisionsdrehmaschinen hervorragende Ergebnisse. Zu den typischen Hartdrehteilen aus Stahl mit der Härte > 58HRC gehören beispielweise Pumpenkolben, Synchronräder, Einspitzdüsen, Lagerbüchsen, Normalien, Hydraulikkolben, Getriebewellen, Kugellagerkomponenten usw. Die Bearbeitungszeiten zur Feinbearbeitung der Kontur derartiger Bauteile in der Großserie kann durch das Hartdrehen dramatisch reduziert werden im Vergleich zu den bisherigen Schleifoperationen und dabei eine Rauheit Ra der Werkstückoberfläche von < 0,1 μm erreichen. Als typische feinmechanische und optische Werkstücke mit hohen Oberflächengenauigkeiten, die auf Fein- und Präzisionsdrehmaschinen bearbeitet werden, können optische Fassungen, Linsengehäuse, Objektiv-/OkularBauteile, Mikroskop-Komponenten, Kopierwalzen, Fotobauteile, Videoköpfe und Festplatten-Laufwerksteile genannt werden oder auch Teile mit lediglich dekorativen Hochglanzflächen, z. B. aus der Armaturenindustrie (Abb. 5.221).

Abb. 5.221: Feinmechanische und optische Teile

Weitere auf Präzisionsdrehmaschinen zu fertigende Werkstücke, die aus Leichtmetallen wie z. B. Aluminium, Magnesium, Titan und daraus abgeleiteten Legierungen bestehen, sind beispielhaft in Abbildung 5.222 dargestellt. Gehäuse für Benzinpumpen, Flansche für Elektromotoren, Lagerdeckel für Schrittmotoren, Wasserpumpengehäuse, Lüfterdeckel, Zündverteilergehäuse, Radnabe und Computerteile gehören ebenfalls zu den typischen leichtmetallischen Werkstücken.

Abb. 5.222: Beispielhafte Drehteile aus Leichtmetall

In Abbildung 5.223 links sind mögliche Drehteile aus Kunststoff dargestellt. Dazu gehören Gehäuse für Schreibgeräte, Dichtungen, Lagerbüchsen, Lagerkäfige, Wasserzählergehäuse, medizintechnische Teile, technische Teile aus Teflon, Glasfaser, PVC usw. Ebenso werden elektrotechnische Teile, wie z. B. Elektromotorwellen, Kommutatoren, Elektromotorenläufer, Schrittmotoren, Mikromotoren, Elektrostecker, HF-Stecker, Glasfaserstecker usw., auf Präzisionsdrehmaschine (Abb. 5.223 rechts) hergestellt.

Abb. 5.223: Kunststoff-Drehteile (links) und elektrotechnische Drehteile (rechts)

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 275 - 280
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