Der CNC-Bearbeitungsprozess auf einen Blick
Bei der CNC-Bearbeitung wird ein digitales Bauteilentwurf durch eine gesteuerte Abfolge von Konstruktion, Programmierung, Maschineneinrichtung, Zerspanung und Prüfung. Bei Dakings Rapid betrachten wir jede Phase als Teil eines zusammenhängenden Fertigungsprozesses und nicht als einzelne Arbeitsschritte.
Der Prozess beginnt mit einem CAD-Modell und den technischen Anforderungen. Der Entwurf wird anschließend geprüft und für die Fertigung vorbereitet, mithilfe von CAM-Software in CNC-Fräsbahnen umgewandelt und als programmierte Anweisungen an die Maschine übertragen. Bevor mit dem Fräsen begonnen wird, werden das Werkstück, die Werkzeuge, die Werkstückspannung und die Maschinenkoordinaten sorgfältig vorbereitet. Die Maschine folgt anschließend der programmierten Bahn, um Material abzutragen und die gewünschte Geometrie zu erzeugen; danach erfolgt eine Prüfung, um das fertige Teil zu kontrollieren.
Dieser Arbeitsablauf lässt sich allgemein auf das CNC-Fräsen und -Drehen anwenden, wobei die konkrete Einrichtung und die Bearbeitungsstrategie je nach Maschine, Werkstoff, Geometrie und Produktionsanforderungen variieren.
Schritt 1 – Konstruktion von CNC-Teilen
Die CNC-Bearbeitung beginnt bereits vor dem Einschalten der Maschine. Die Konstruktion des Werkstücks muss genügend Informationen enthalten, damit das Fertigungsteam sie nachvollziehen kann. Was muss hergestellt werden, welches Material soll verwendet werden, welche Maße sind entscheidend und welche Genauigkeit ist erforderlich?.
Bei Dakings Rapid erkennen wir bereits in der Konstruktionsphase potenzielle Fertigungsprobleme, bevor sie zu Produktionsproblemen werden. Ein technisch einwandfreies CAD-Modell kann dennoch Merkmale enthalten, deren Bearbeitung schwierig, ineffizient oder unnötig kostspielig ist.
CAD-Modelle
Ein CAD (Computerunterstütztes Design) Das Modell liefert die dreidimensionale Geometrie, die die physische Form des CNC-Teils definiert. Es enthält die Flächen, Bohrungen, Taschen, Konturen, Gewinde und andere Merkmale, die im Bearbeitungsprozess nachgebildet werden müssen.
In der CNC-Fertigung gehören STEP, IGES, Parasolid und andere CAD-Formate, die in Fertigungssoftware importiert werden können, zu den gängigen Dateiformaten. Ein fehlerfreies und vollständiges 3D-Modell bietet dem Fertigungsteam eine zuverlässige geometrische Grundlage für die Entwicklung des Bearbeitungsprozesses.
Zum jetzigen Zeitpunkt ist das Modell noch kein CNC-Programm. Darin wird beschrieben, wie das Bauteil aussehen soll, während die nachfolgenden Fertigungsschritte festlegen, wie die Maschine es herstellen wird.
Technische Zeichnungen
Ein 3D-Modell definiert die Geometrie, doch eine technische Zeichnung liefert Fertigungsinformationen, die durch das Modell allein möglicherweise nicht vollständig vermittelt werden.
In Zeichnungen können kritische Maße, Toleranzen, Gewinde, Oberflächenbeschaffenheiten, Materialanforderungen, geometrische Toleranzen und andere technische Anforderungen festgelegt werden. Sie sind besonders wichtig, wenn bestimmte Merkmale strenger kontrolliert werden müssen als andere.
Für die Fertigungsbearbeitung sollten das CAD-Modell und die Zeichnung übereinstimmende Informationen enthalten. Wenn das Modell und die Zeichnung widersprüchliche Vorgaben enthalten, benötigt das Fertigungsteam möglicherweise Klarstellungen, bevor mit der Programmierung begonnen wird.
Abmessungen und Toleranzen
Bemaßungen legen die erforderliche Größe und Lage von Bauteilsmerkmalen fest, während Toleranzen den zulässigen Schwankungsbereich um diese Maße herum festlegen.
Nicht jedes Bauteil erfordert denselben Präzisionsgrad. Die Anwendung unnötig enger Toleranzen kann die Bearbeitungszeit, den Prüfaufwand und die Produktionskosten erhöhen, ohne die eigentliche Funktion des Bauteils zu verbessern.
Bei der Konstruktionsprüfung muss das Fertigungsteam daher zwischen kritischen Maßen und Standardmerkmalen unterscheiden. Bei Dakings Rapid hilft uns dies dabei, zu bestimmen, welche Bearbeitungsvorgänge und Prüfverfahren für das Bauteil geeignet sind, anstatt jedes Maß als gleich anspruchsvoll zu behandeln.
Ausführliche Erläuterungen zu CNC-Toleranzen und -Genauigkeit werden separat im Toleranzen und Präzision bei der CNC-Bearbeitung Artikel.
Auswahl des Materials
Das in der Konstruktion angegebene Material hat direkten Einfluss darauf, wie das Bauteil bearbeitet wird. Verschiedene Werkstoffe verhalten sich unter Schnittkräften und unter Wärmeeinwirkung unterschiedlich, was sich auf die Werkzeugauswahl, die Schnittparameter, die Bearbeitungszeit und die Oberflächengüte auswirkt.
So lässt sich beispielsweise Aluminium bei hohen Schnittgeschwindigkeiten in der Regel leichter bearbeiten, während Edelstahl und Titan andere Zerspanungsstrategien erfordern. Bei technischen Kunststoffen kommen weitere Aspekte wie Wärmeentwicklung, Verformung und Werkstückspannung hinzu.
Bei der Werkstoffauswahl sollten daher sowohl die Leistungsfähigkeit des Bauteils als auch die Herstellbarkeit berücksichtigt werden. Das Material muss die erforderlichen mechanischen oder umweltbezogenen Eigenschaften aufweisen und gleichzeitig für den vorgesehenen CNC-Prozess geeignet sein.
Schritt 2 – CNC-Programmierung und CAM
Sobald die Anforderungen an die Konstruktion und Fertigung des Bauteils bekannt sind, muss die digitale Geometrie in Befehle umgewandelt werden, die die CNC-Maschine ausführen kann.
Hier kommt CAM ins Spiel (Computergestützte Fertigung) wird zu einem wesentlichen Bestandteil des CNC-Arbeitsablaufs. Die CAM-Software übersetzt die Geometrie des Werkstücks in Bearbeitungsvorgänge und Werkzeugwege und ermöglicht es dem Programmierer gleichzeitig, festzulegen, wie das Material abgetragen wird.
Was ist CAM?
CAM steht für „Computer-Aided Manufacturing“ (computergestützte Fertigung). Bei der CNC-Bearbeitung wird CAM-Software verwendet, um Bearbeitungsstrategien zu erstellen und auf der Grundlage des CAD-Modells Werkzeugwege zu generieren.
Der Programmierer legt Faktoren wie die Bearbeitungsreihenfolge, die Schneidwerkzeuge, die Schnittrichtungen, die Schnitttiefen und die Anfahrwege zu den einzelnen Merkmalen fest. Die Software berechnet anschließend die Werkzeugbewegungen, die zur Herstellung der Geometrie erforderlich sind.
CAM macht ingenieurtechnische Entscheidungen nicht überflüssig. Ein von der Software generierter Werkzeugweg muss weiterhin überprüft und an die Anforderungen der Maschine, der Werkzeuge, des Werkstoffs, der Werkstückspannung und des Werkstücks angepasst werden.
CNC-Werkzeugwege
Ein Werkzeugweg definiert die Bahn, der ein Schneidwerkzeug folgt, während es Material vom Werkstück abträgt.
Unterschiedliche Merkmale erfordern unterschiedliche Bearbeitungsstrategien. Ein Schrupp-Werkzeugweg kann schnell große Materialmengen abtragen, während Schlicht-Werkzeugwege dazu dienen, die endgültige Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Bohren, Taschenfräsen, Konturfräsen, Planfräsen und andere Bearbeitungsvorgänge erfordern jeweils geeignete Werkzeugbewegungen.
Bei der Werkzeugwegplanung müssen zudem die Zugänglichkeit des Werkzeugs und die Kollisionsvermeidung berücksichtigt werden. Bei komplexen Werkstücken muss der Programmierer unter Umständen die Bearbeitungsrichtungen ändern oder den Prozess in mehrere Arbeitsschritte und Rüstvorgänge unterteilen.
Das Ziel besteht nicht einfach darin, einen Pfad zu finden, mit dem sich die Geometrie erzeugen lässt. Ein guter Werkzeugweg sollte ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Werkstückgenauigkeit, Bearbeitungszeit, Werkzeugstandzeit, Oberflächenqualität und Prozessstabilität gewährleisten.
G-Code und Maschinenbefehle
Nachdem die Bearbeitungsstrategie und die Werkzeugwege festgelegt wurden, wandelt die CAM-Software diese in maschinenspezifische Anweisungen um, die gemeinhin als G-Code und zugehörige CNC-Befehle bezeichnet werden.
Diese Befehle geben der CNC-Steuerung vor, wie sich die Maschine bewegen und welche Arbeitsschritte sie ausführen soll. Je nach Maschine und Steuerung kann das Programm Befehle für Achsbewegungen, Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Werkzeugwechsel, Kühlmittel, Werkstückkoordinaten und andere Maschinenfunktionen enthalten.
Das daraus resultierende Programm muss auf die jeweilige CNC-Maschine und die verwendete Steuerung abgestimmt sein. Ein Programm, das für eine bestimmte Maschinenkonfiguration erstellt wurde, muss möglicherweise nachbearbeitet werden, bevor es auf einer anderen Maschine sicher ausgeführt werden kann.
Vor der Fertigung sollten CNC-Programme daher überprüft und gegebenenfalls simuliert werden, um mögliche Kollisionen, fehlerhafte Bewegungen oder andere Programmierprobleme zu erkennen.
CNC-Bearbeitungssoftware
Die CNC-Bearbeitung stützt sich nicht auf ein einziges Programm, sondern auf verschiedene Arten von Software. CAD-Software definiert die Geometrie des Werkstücks, CAM-Software erstellt Bearbeitungsstrategien und Werkzeugwege, und ein Postprozessor wandelt diese Werkzeugwege in Befehle um, die mit der jeweiligen CNC-Steuerung kompatibel sind.
In einem Fertigungsunternehmen wie Dakings Rapid ist Software Teil eines umfassenderen technischen Arbeitsablaufs. Der Programmierprozess muss die Konstruktionsanforderungen des Kunden mit der jeweiligen Maschine, den Schneidwerkzeugen, der Werkstückspannung und der Produktionsstrategie in Einklang bringen.
Bei einfachen Teilen kann der Programmiervorgang relativ unkompliziert sein. Komplexe mehrachsige Bauteile erfordern unter Umständen eine wesentlich detailliertere Programmierung, Simulation und Überprüfung, bevor das Programm an die Maschine übermittelt wird.
Schritt 3 – Einrichtung der CNC-Maschine
Ein fertiges CNC-Programm bedeutet nicht, dass die Maschine bereit zum Schneiden ist. Die physische Einrichtung muss mit den bei der Programmierung getroffenen Annahmen übereinstimmen.
Das Werkstück muss sicher positioniert, die richtigen Werkzeuge eingesetzt, die Maschinenkoordinaten festgelegt sowie das Material und die Maschine für die Produktion vorbereitet werden. Eine gut geplante Einrichtung stellt sicher, dass die programmierten Bewegungen der CNC-Maschine korrekt mit dem tatsächlichen Werkstück übereinstimmen.
Werkstückspannung und Vorrichtungsbau
Durch die Werkstückspannung wird das Werkstück sicher fixiert, während Schneidkräfte auf es einwirken. Je nach Bauteil kann hierfür ein Schraubstock, ein Spannfutter, Spannbacken, weiche Spannbacken oder eine maßgefertigte Vorrichtung zum Einsatz kommen.
Das Werkstückspannsystem muss eine ausreichende Steifigkeit gewährleisten, ohne das Schneidwerkzeug zu behindern. Bei Werkstücken mit komplexer Geometrie oder dünnen Wänden kommt der Konstruktion der Spannvorrichtung besondere Bedeutung zu, da eine zu hohe Spannkraft zu einer Verformung des Werkstücks führen kann.
Bei Serienteilen kann eine spezielle Vorrichtung ebenfalls die Wiederholgenauigkeit verbessern, da dadurch jedes Werkstück einheitlich positioniert werden kann.
Werkzeugauswahl
Die geeigneten Schneidwerkzeuge werden entsprechend der Werkstoff, Geometrie des Werkstücks, Bearbeitungsvorgang, erforderliche Oberflächengüte und Maschinenkapazität.
Je nach Bearbeitungsvorgang sind unterschiedliche Werkzeuge erforderlich, beispielsweise Schaftfräser, Bohrer, Reibahlen, Gewindebohrer, Ausbohrwerkzeuge oder Spezialfräser. Der Durchmesser und die Geometrie der Werkzeuge beeinflussen zudem, welche Stellen erreicht werden können und wie effizient Material abgetragen werden kann.
Die Werkzeugauswahl steht in engem Zusammenhang mit der Programmierung. Das im physischen Aufbau verwendete Werkzeug muss mit dem im CNC-Programm angenommenen Werkzeug übereinstimmen, einschließlich seiner Abmessungen und seiner Position innerhalb des Werkzeugsystems der Maschine.
Einrichtung der Arbeitskoordinaten
Die CNC-Maschine benötigt einen definierten Bezugspunkt, der das programmierte Koordinatensystem mit dem physischen Werkstück verknüpft. Dieser wird über das Werkstückkoordinatensystem festgelegt.
Der Maschinenbediener oder Einrichter bestimmt die Position des Werkstücks und erfasst die entsprechenden Koordinatenversätze. Dadurch können die programmierten Werkzeugwege an der richtigen Stelle relativ zum tatsächlichen Werkstück ausgeführt werden.
Bei mehrseitigen Bauteilen kommt der Koordinateneinstellung eine besondere Bedeutung zu, da bei jeder Ausrichtung das erforderliche Verhältnis zwischen Maschine und Werkstück gewahrt bleiben muss.
Vorbereitung von Material und Maschinen
Vor Beginn der Bearbeitung muss das richtige Rohmaterial anhand der Produktionsanforderungen überprüft werden. Die Materialabmessungen müssen ausreichend Material für die Bearbeitungsvorgänge bieten, während der Zustand des Materials für den vorgesehenen Prozess geeignet sein sollte.
Auch die Maschine selbst wird vorbereitet, indem die Schneidwerkzeuge, die Werkstückspannung, das Kühlmittel- oder Schmiersystem, die Spindel und andere relevante Komponenten überprüft werden. Das CNC-Programm wird geladen und anhand der vorgesehenen Maschinenkonfiguration überprüft.
Bei einer neuen Einrichtung wird der ersten Ausführung in der Regel besondere Sorgfalt gewidmet. Das Programm und die Maschinenbewegungen müssen überprüft werden, bevor der reguläre Produktionsbetrieb aufgenommen wird.
Bei Dakings Rapid verbindet diese Vorbereitungsphase die den digitalen Fertigungsplan mit der physischen Produktionsumgebung abzugleichen. Sobald die Werkstückspannung, die Werkzeuge, die Koordinaten, das Material und die Maschine korrekt ausgerichtet sind, kann der Prozess in die eigentliche Zerspanungsphase übergehen.
Schritt 4 – CNC-Bearbeitung
Sobald die Maschine eingerichtet ist, kann das CNC-Programm ausgeführt werden, um das Rohmaterial schrittweise in das fertige Bauteil umzuformen. Anstatt das gesamte Material in einem einzigen Arbeitsgang abzutragen, werden die meisten CNC-Teile in einer Abfolge von Bearbeitungsschritten hergestellt, wobei jeder Schritt einem bestimmten Zweck dient.
Die genaue Abfolge hängt von der Geometrie des Bauteils, dem Werkstoff, den Toleranzen, den Anforderungen an die Oberflächenqualität und der Maschinenkonfiguration ab. Bei Dakings Rapid werden die Bearbeitungsstrategien so ausgewählt, dass ein Gleichgewicht zwischen Materialabtrag, Maßhaltigkeit, Standzeit, Oberflächenqualität und der Gesamtproduktionseffizienz hergestellt wird.
Schruppbearbeitung
Das Schruppen ist der erste wichtige Schritt beim Materialabtrag. Sein Zweck besteht darin, große Mengen an überschüssigem Material schnell zu entfernen und dabei eine kontrollierte Materialreserve für nachfolgende Bearbeitungsschritte zu belassen.
Beim Schruppen kommen in der Regel relativ aggressive Schnittbedingungen und, sofern es die Geometrie zulässt, größere Werkzeuge zum Einsatz. Das Ziel besteht nicht darin, die Endmaße oder die Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen, sondern die Grundform des Bauteils effizient zu gestalten.
Eine gut durchdachte Schruppstrategie kann die Gesamtbearbeitungszeit erheblich verkürzen, da dadurch überflüssiges Material entfernt wird, bevor kleinere Werkzeuge für präzisere Bearbeitungen zum Einsatz kommen.
Halbfertigbearbeitung
Die Vorfertigbearbeitung schließt die Lücke zwischen der Schrupp- und der Fertigbearbeitung. Nachdem der größte Teil des überschüssigen Materials entfernt wurde, bringt die Vorfertigbearbeitung die verbleibenden Oberflächen näher an ihre Endmaße heran und schafft gleichzeitig einheitlichere Ausgangsbedingungen für die Fertigbearbeitung.
Diese Phase erweist sich insbesondere bei komplexen Bauteilen mit gekrümmten Oberflächen, tiefen Hohlräumen oder unterschiedlichen Strukturgrößen als besonders nützlich. Durch die Steuerung der verbleibenden Materialmenge vor der Endbearbeitung kann das Schneidwerkzeug bei den letzten Durchgängen unter besser vorhersehbaren Bedingungen arbeiten.
Nicht jedes Teil erfordert einen separaten Halbfertigbearbeitungsschritt. Bei einfacheren Bauteilen kann auf die Schruppbearbeitung direkt die Schlichtbearbeitung folgen.
Fertigstellung
Die Endbearbeitung sorgt für die endgültige Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit, die gemäß der Konstruktion erforderlich sind. Zur präzisen Bearbeitung kritischer Flächen, Kanten, Profile, Bohrungen und anderer Merkmale können kleinere oder speziellere Schneidwerkzeuge zum Einsatz kommen.
Bei der Schlichtbearbeitung werden im Vergleich zur Schruppbearbeitung in der Regel relativ geringe Materialmengen abgetragen. Der Schwerpunkt verlagert sich von der Abtragsrate hin zu Maßgenauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Konturgenauigkeit.
Bei Teilen mit engen Toleranzen oder hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität kann die Endbearbeitung mehrere sorgfältig kontrollierte Durchgänge anstelle eines einzigen Endschnitts umfassen.
Bohren und Gewindeschneiden
Beim Bohren werden Löcher in das Werkstück gebohrt, während beim Gewindeschneiden Innengewinde hergestellt werden, in die Befestigungselemente oder andere Gewindebauteile eingesetzt werden können.
Eine CNC-Maschine kann Bohr- und Gewindeschneidvorgänge im Rahmen desselben programmierten Fertigungsprozesses ausführen und so dazu beitragen, die Positionsbeziehung zwischen Bohrungen und anderen Bauteilstrukturen beizubehalten.
Je nach Konstruktion können zusätzliche Bearbeitungsschritte wie das Reiben oder Bohren erforderlich sein, wenn eine Bohrung eine strengere Maßgenauigkeit oder eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit im Inneren erfordert. Das geeignete Verfahren hängt vom Bohrungsdurchmesser, der Tiefe, der Toleranz, dem Werkstoff und den funktionalen Anforderungen ab.
Konturfräsen und Taschenfräsen
Beim Konturfräsen wird dem Außen- oder Innenprofil eines Bauteils gefolgt, um dessen gewünschte Form zu erzielen, während beim Taschenfräsen Material aus geschlossenen Bereichen wie Aussparungen, Hohlräumen und Nuten abgetragen wird.
Diese Bearbeitungsvorgänge sind beim CNC-Fräsen üblich, da viele Bauteile Kombinationen aus Außenprofilen und inneren Merkmalen aufweisen. Der Werkzeugdurchmesser, der Eckenradius, die Hohlraumtiefe und die Zugänglichkeit für das Werkzeug beeinflussen, wie effizient diese Merkmale bearbeitet werden können.
Bei komplexen Werkstücken können Kontur- und Taschenbearbeitungen in mehreren Ausrichtungen oder mit unterschiedlichen Werkzeugen durchgeführt werden, um Flächen zu erreichen, die aus einer einzigen Richtung nicht zugänglich sind.
Schritt 5 – Prüfung und Qualitätskontrolle
Nach der Bearbeitung muss das Bauteil anhand der technischen Anforderungen geprüft werden. Durch die Prüfung wird sichergestellt, dass das fertige Bauteil die geforderten Maße, Toleranzen, Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit aufweist.
Bei Dakings Rapid wird die Prüfung als Teil des Fertigungsprozesses betrachtet und nicht als ein Schritt, der erst nach Abschluss der Bearbeitung hinzukommt. Die Prüfmethode wird entsprechend den kritische Merkmale, erforderliche Toleranzen, Werkstoff, Bauteilgeometrie und Kundenanforderungen.
Maßprüfung
Bei der Maßprüfung werden die tatsächlichen Abmessungen des fertigen Bauteils mit dem CAD-Modell oder der Konstruktionszeichnung abgeglichen.
Je nach Merkmal und erforderlicher Genauigkeit können Messungen mit Messschiebern, Mikrometern, Höhenmessgeräten, Bohrungsmessgeräten, optischen Messgeräten oder Koordinatenmessgeräten (CMMs) durchgeführt werden.
Zu den typischen Prüfpunkten zählen unter anderem Gesamtabmessungen, Lochdurchmesser, Lochpositionen, Wandstärken, Längen, Breiten, Tiefen und andere kritische Merkmale.
Es geht nicht unbedingt darum, jede Abmessung an jedem Bauteil zu messen. Die Prüfung sollte sich auf die Merkmale konzentrieren, die für die Funktion des Bauteils und die festgelegten Qualitätsanforderungen von Bedeutung sind.
Toleranzprüfung
Bei der Toleranzprüfung wird festgestellt, ob die gemessenen Maße innerhalb des vorgegebenen zulässigen Bereichs liegen.
Wird beispielsweise ein Merkmal mit 20,00 ± 0,02 mm angegeben, muss ein zulässiger Messwert innerhalb des definierten Toleranzbereichs liegen. Komplexere Anforderungen können geometrische Toleranzen umfassen, die Merkmale wie Lage, Ebenheit, Rechtwinkligkeit oder Konzentrizität regeln.
Bei Präzisionsbauteilen dient die Toleranzprüfung nicht nur dazu, die Richtigkeit der einzelnen Maße zu bestätigen, sondern auch sicherzustellen, dass die Passflächen die für die Montage und Funktion erforderlichen Beziehungen zueinander einhalten.
Die Prüfgeräte und das Messverfahren müssen zudem für die zu bewertende Toleranz geeignet sein. Ein Messsystem muss eine ausreichende Auflösung und Wiederholgenauigkeit aufweisen, um zuverlässig feststellen zu können, ob ein Merkmal die Spezifikation erfüllt.
Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit
Die Maßgenauigkeit allein reicht nicht aus, um die Qualität eines Bauteils vollständig zu definieren. Bei einigen Bauteilen ist zudem eine bestimmte Oberflächengüte erforderlich, insbesondere an Dichtflächen, Gleitflächen, Lagersitzen, optischen Merkmalen oder sichtbaren Oberflächen.
Die Oberflächenbeschaffenheit kann durch die Werkzeuggeometrie, die Schnittparameter, das Materialverhalten, den Werkzeugzustand, die Bearbeitungsstrategie und den abschließenden Nachbearbeitungsschritt beeinflusst werden. Je nach Anforderung können Hersteller visuelle Vergleichsmethoden oder spezielle Messgeräte zur Ermittlung der Oberflächenrauheit einsetzen.
Falls zusätzliche Verfahren wie Eloxieren, Galvanisieren, Polieren oder Beschichten erforderlich sind, muss möglicherweise auch der endgültige Oberflächenzustand nach der Endbearbeitung bewertet werden.
Was beeinflusst die Zykluszeit bei der CNC-Bearbeitung?
Die Bearbeitungszeit bei der CNC-Bearbeitung ist die Maschinenzeit, die zur Herstellung eines Bauteils oder zur Durchführung einer definierten Bearbeitungssequenz benötigt wird. Sie wirkt sich unmittelbar auf die Produktionskapazität, die Liefertermine und die Fertigungskosten aus.
Die Zykluszeit hängt nicht allein von der Schnittgeschwindigkeit ab. Die Geometrie des Werkstücks, das Material, die Werkzeugwege, die Einrichtungsvorgänge, die Werkzeugwechsel, die Leistungsfähigkeit der Maschine und die Anzahl der Bearbeitungsschritte tragen alle zur endgültigen Produktionszeit bei.
Werkstoff und Bauteilgeometrie
Das Material und die Geometrie eines Bauteils haben direkten Einfluss darauf, wie schnell es bearbeitet werden kann.
Werkstoffe mit guter Zerspanbarkeit lassen sich in der Regel effizienter bearbeiten, während härtere oder schwerer zu bearbeitende Werkstoffe möglicherweise konservativere Schnittbedingungen und häufigere Werkzeugwechsel erfordern. Titan, gehärtete Stähle und einige rostfreie Stähle erfordern beispielsweise ganz andere Bearbeitungsstrategien als Aluminium.
Die Geometrie des Werkstücks ist ebenso wichtig. Ein einfaches Bauteil mit gut zugänglichen Oberflächen erfordert möglicherweise nur relativ wenige Bearbeitungsschritte, während ein komplexes Werkstück mit tiefen Hohlräumen, dünnen Wänden, gekrümmten Oberflächen oder schwer zugänglichen Merkmalen mehrere Werkzeuge und verschiedene Bearbeitungsrichtungen erfordern kann.
Zerspanungsparameter und Werkzeugwege
Die Schnittparameter und die Werkzeugwegstrategie haben einen wesentlichen Einfluss auf die Zykluszeit. Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Schrittweite und Werkzeugkontakt bestimmen, wie schnell Material abgetragen werden kann, während gleichzeitig stabile Bearbeitungsbedingungen gewährleistet bleiben.
Eine bloße Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit führt jedoch nicht zwangsläufig zum kürzesten oder wirtschaftlichsten Zyklus. Übermäßige Schnittbedingungen können den Werkzeugverschleiß beschleunigen, die Oberflächenqualität beeinträchtigen, übermäßige Wärmeentwicklung verursachen oder das Risiko einer Instabilität bei der Bearbeitung erhöhen.
Bei der Werkzeugbahnplanung muss daher ein Gleichgewicht zwischen Zerspanungseffizienz, Standzeit und Teilequalität hergestellt werden. Optimierte Werkzeugbahnen können unnötige Werkzeugbewegungen, Leerlauf und überflüssige Durchgänge reduzieren und gleichzeitig die geforderte Geometrie gewährleisten.
Anzahl der Aufbauten
Jede zusätzliche Einrichtung kann die Fertigungszeit verlängern, da das Werkstück neu positioniert, neu eingespannt und neu referenziert werden muss, bevor die Bearbeitung fortgesetzt werden kann.
Ein Teil, das in einer einzigen Aufspannung fertiggestellt werden kann, kann daher einen erheblichen Zeitvorteil gegenüber einem ansonsten ähnlichen Bauteil bieten, das mehrere Ausrichtungen erfordert.
Dies ist ein Grund, warum die mehrachsige Bearbeitung die Produktivität bei bestimmten komplexen Bauteilen steigern kann. Da sie den Zugriff auf mehrere Oberflächen mit weniger Umrüstvorgängen ermöglicht, kann sie die Umpositionierungszeit verkürzen und gleichzeitig die Positionskonsistenz zwischen den Merkmalen verbessern.
Werkzeugwechsel und Maschinenkapazität
Auch die Anzahl der benötigten Werkzeuge wirkt sich auf die Zykluszeit aus. Ein Werkstück, für dessen Bearbeitung zahlreiche Bohrer, Schaftfräser, Bohrwerkzeuge, Gewindeschneider und Schlichtwerkzeuge erforderlich sind, erfordert naturgemäß mehr Werkzeugwechsel als ein einfaches Bauteil.
Durch die Leistungsfähigkeit der Maschinen lässt sich ein Teil dieser Zeit einsparen. Automatische Werkzeugwechsler ermöglichen den Werkzeugwechsel ohne manuelles Eingreifen, während moderne Bearbeitungszentren mehrere Arbeitsschritte in einer Aufspannung kombinieren können.
Bei Dakings Rapid berücksichtigt die Zykluszeitoptimierung daher den gesamten Bearbeitungsprozess, anstatt sich auf einen einzelnen Schnittparameter zu konzentrieren. Ziel ist es, eine effiziente Kombination aus Maschinenkapazität, Werkzeugen, Werkzeugwegen, Rüstvorgängen und Schnittbedingungen zu ermitteln, mit der die geforderte Teilequalität konsistent erzielt werden kann.
Wie wirkt sich der Werkzeugverschleiß auf die CNC-Bearbeitung aus?
Werkzeugverschleiß ist ein normaler Bestandteil der CNC-Bearbeitung, kann jedoch direkte Auswirkungen auf die Zerspanungsleistung, die Maßgenauigkeit, die Oberflächengüte und die Gleichmäßigkeit der Produktion haben. Im Laufe des Einsatzes eines Schneidwerkzeugs verschlechtern sich dessen Schneidkanten allmählich aufgrund von Reibung, Wärme, mechanischer Beanspruchung und der Wechselwirkung mit dem Werkstückmaterial.
Werkzeugverschleiß bedeutet nicht zwangsläufig, dass ein Werkzeug nach einer bestimmten Anzahl von Werkstücken ausgetauscht werden muss. Sein Verlauf hängt von Faktoren wie dem Werkstückmaterial, den Schnittbedingungen, dem Werkzeugmaterial und der Werkzeuggeometrie, der Bearbeitungsstrategie sowie dem Materialabtrag ab.
Wie der Werkzeugverschleiß den Bearbeitungsprozess beeinflusst
Wenn sich ein Werkzeug abnutzt, verliert seine Schneide an Wirksamkeit. Die Maschine benötigt möglicherweise höhere Schnittkräfte, um die gleiche Materialmenge abzutragen, während die Wärmeentwicklung zunehmen und der Schneidvorgang instabiler werden kann.
So kann beispielsweise ein abgenutzter Schaftfräser das Material nicht mehr so effizient abtragen wie ein neues Werkzeug. Bei Schlichtbearbeitungen können sich bereits relativ geringe Veränderungen an der Schneide auf die resultierende Oberflächenqualität oder Maßgenauigkeit auswirken.
Der Werkzeugverschleiß kann bei der Bearbeitung schwieriger Werkstoffe zudem stärker ausfallen. Werkstoffe wie gehärtete Stähle, Titan und bestimmte rostfreie Stähle können höhere Anforderungen an die Schneidwerkzeuge stellen als relativ leicht zu bearbeitende Werkstoffe.
Wie sich Werkzeugverschleiß auf die Genauigkeit der Werkstücke auswirkt
Eine der wichtigsten Folgen des Werkzeugverschleißes sind Maßabweichungen.
Da sich die Schneidkante nach und nach verändert, kann der tatsächliche Schnittdurchmesser oder die Geometrie des Werkzeugs von seinem ursprünglichen Zustand abweichen. Dies kann dazu führen, dass Merkmale wie Taschen, Nuten, Bohrungen oder Profile nach und nach von den vorgesehenen Abmessungen abweichen.
Bei hochpräzisen Bauteilen muss diese Abweichung erkannt werden, bevor sie dazu führt, dass Teile außerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegen. Die Überwachung des Werkzeugzustands, die Maßprüfung und geeignete Strategien zum Werkzeugwechsel können dazu beitragen, die Prozessstabilität aufrechtzuerhalten.
Wie sich der Werkzeugverschleiß auf die Oberflächengüte auswirkt
Eine abgenutzte Schneide kann zudem zu einer schlechteren Oberflächengüte führen. Anstatt das Material sauber abzuscheren, kann die abgenutzte Schneide zu erhöhter Reibung, Vibrationen, Graten oder unregelmäßigen Schnittspuren führen.
Dies ist insbesondere bei der Schlichtbearbeitung von Bedeutung, bei der das Schneidwerkzeug für die Erzielung der endgültigen Oberflächenbeschaffenheit verantwortlich ist. Ein Werkzeug, das sich bei der Schruppbearbeitung noch als akzeptabel erweist, ist möglicherweise für einen anspruchsvollen Schlichtdurchgang nicht mehr geeignet.
Wie Hersteller den Werkzeugverschleiß kontrollieren
Der Werkzeugverschleiß wird durch eine Kombination aus folgenden Maßnahmen gesteuert: geeignete Werkzeugauswahl, optimierte Schnittbedingungen, Überwachung der Standzeit, Überprüfung und planmäßiger Werkzeugwechsel.
Bei Dakings Rapid werden die Werkzeugauswahl und die Bearbeitungsparameter auf die Material- und Teileanforderungen abgestimmt, anstatt für jedes Bauteil identische Bedingungen zu verwenden. Bei der Serienfertigung kann der Werkzeugzustand zudem im Rahmen der Prozesskontrolle überwacht werden, sodass Werkzeuge ausgetauscht oder nachjustiert werden, bevor Verschleiß zu inakzeptablen Maßabweichungen führt.
Das Ziel besteht nicht lediglich darin, die Standzeit des Werkzeugs zu maximieren. Eine übermäßige Verlängerung der Einsatzdauer kann das Risiko einer schlechten Oberflächengüte, Maßabweichungen oder eines unerwarteten Werkzeugausfalls erhöhen. Eine effektive Bearbeitung sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Standzeit, Zykluszeit, Teilequalität und Produktionssicherheit.
Wie Automatisierung die Effizienz der CNC-Bearbeitung verbessert
Durch die Automatisierung lassen sich CNC-Bearbeitungsvorgänge mit weniger manuellem Eingriff durchführen, wobei gleichbleibende Produktionsbedingungen gewährleistet bleiben. Das Spektrum reicht von relativ einfachen Systemen wie dem automatischen Werkzeugwechsel bis hin zu komplexeren Lösungen, die den robotergestützten Materialtransport, die Messtechnik, die automatisierte Prüfung und die vernetzte Produktionsüberwachung umfassen.
Der Zweck der CNC-Automatisierung besteht nicht lediglich darin, Maschinen ohne Bedienpersonal laufen zu lassen. Sein größter Vorteil liegt darin, dass es sich wiederholende Arbeiten reduziert, Unterbrechungen minimiert, die Konsistenz verbessert und eine effizientere Nutzung der Fertigungsressourcen ermöglicht.
Automatischer Werkzeugwechsel
Automatische Werkzeugwechsler gehören zu den gängigsten Formen der CNC-Automatisierung. Anstatt dass ein Bediener das Schneidwerkzeug nach jedem Arbeitsgang manuell austauschen muss, kann die Maschine das erforderliche Werkzeug automatisch aus ihrem Werkzeugmagazin entnehmen.
Auf diese Weise können mit einem einzigen Bearbeitungsprogramm mehrere Arbeitsschritte wie Schruppen, Bohren, Taschenfräsen, Gewindeschneiden und Schlichten ausgeführt werden, ohne dass für manuelle Werkzeugwechsel angehalten werden muss.
Die Reduzierung dieser Unterbrechungen trägt zur Verkürzung der Taktzeiten bei und erleichtert es, bei Serienfertigung eine gleichbleibende Produktionsqualität zu gewährleisten.
Automatisierte Werkstückhandhabung
Bei der Serienfertigung kann das automatisierte Be- und Entladen den Aufwand für sich wiederholende manuelle Handhabungsvorgänge zwischen den Bearbeitungszyklen reduzieren.
Roboterarme oder automatisierte Materialhandhabungssysteme können Rohwerkstücke in die Maschine laden, fertige Teile entnehmen und die Maschine für den nächsten Zyklus vorbereiten. Dadurch können CNC-Anlagen über längere Zeiträume hinweg mit weniger direktem Eingreifen des Bedieners betrieben werden.
Die Automatisierung ist besonders sinnvoll bei Werkstücken mit vorhersehbarer Geometrie und stabilen Bearbeitungsprozessen, bei denen der Be- und Entladeablauf standardisiert werden kann.
Prüfung und Messung während des Fertigungsprozesses
Automatisierte Messsysteme können Werkstücke oder Werkzeugpositionen direkt auf der CNC-Maschine vermessen. Dadurch erhält man bereits während des Fertigungsprozesses Rückmeldung, anstatt sich ausschließlich auf Messungen zu verlassen, die erst nach dem Entnehmen des Werkstücks aus der Maschine durchgeführt werden.
Die Messung mit einem Messtaster kann für Aufgaben wie die Festlegung von Arbeitskoordinaten, die Überprüfung der Werkstückposition, die Messung ausgewählter Merkmale und die Erkennung von Maßabweichungen während der Produktion genutzt werden.
Bei korrekter Integration können dadurch Einrichtungsfehler reduziert und Prozessschwankungen erkannt werden, bevor eine große Anzahl von Teilen hergestellt wird.
Automatisierte Prüfung und Prozessüberwachung
Die Automatisierung kann auch über die Maschine selbst hinausgehen. Messsysteme, Sensoren und Fertigungssoftware können Produktionsdaten erfassen und dabei helfen, den Zustand der Maschinen, den Werkzeugverschleiß, die Zykluszeiten und die Teilequalität zu überwachen.
Diese Daten können dazu beitragen, Probleme wie ungewöhnlichen Werkzeugverschleiß, unerwartete Änderungen der Zykluszeiten oder Prozessabweichungen schneller zu erkennen.
Bei der Serienfertigung sorgt die Kombination aus CNC-Bearbeitung, automatisierter Messtechnik und Produktionsdaten für eine gleichmäßigere Fertigungsumgebung als die ausschließliche Verwendung manueller Kontrollen.
„Lights-Out“- und vernetzte CNC-Fertigung
Fortgeschrittenere CNC-Anwendungen können automatisierte Materialhandhabung, Werkzeugverwaltung, Messung, Überwachung und Produktionsplanung kombinieren, um eine erweiterte Fertigung oder eine vollautomatische Fertigung zu unterstützen.
Die Automatisierung macht ingenieurtechnisches Fachwissen jedoch nicht überflüssig. Der Prozess muss zunächst stabil genug sein, um automatisiert werden zu können. Werkstückspannung, Werkzeugausstattung, Bearbeitungsparameter, Prüfverfahren und Verfahren zur Fehlerbehebung müssen alle ordnungsgemäß festgelegt sein, bevor der Bedienereingriff reduziert werden kann.
Bei Dakings Rapid wird die Automatisierung daher als Teil einer umfassenderen Fertigungsstrategie betrachtet. Das Ziel ist es, Maschinenkapazität, Verfahrenstechnik, digitale Programmierung, Qualitätskontrolle und Automatisierung um die Produktionseffizienz zu steigern, ohne dabei die für das Fertigteil erforderliche Maßgenauigkeit oder Konsistenz zu beeinträchtigen.
