Werkzeugmaschinen

Was sind Werkzeugmaschinen und welche gibt es?

Werkzeugmaschinen sind Arbeitsmaschinen zur Herstellung von Werkstücken. Je nach Art des Verfahrens werden die Werkzeugmaschinen in Gruppen unterteilt:

  • Maschinen zum Urformen (Druckgießmaschinen)
  • Maschinen zum Umformen (Biegemaschinen, Schmiedepressen)
  • Maschinen zum Spanen

Was sind spanende Werkzeugmaschinen?

An spanenden Werkzeugmaschinen werden Rohteile bearbeitet. Dies erfolgt durch das Abtragen von Spänen bis die erwünschte Form entstanden ist.

Werkzeugmaschinen sind in folgende Gruppen unterteilt:

  • Drehmaschinen
  • Fräsmaschinen
  • Bohrmaschinen
  • Sägemaschinen
  • Schleifmaschinen
  • Bearbeitungszentren

Spanabhebende Werkzeugmaschinen werden mit Motoren betrieben, die in der Maschine eingebaut sind.

Was bedeutet Urformen?

Das Urformen von Werkstücken beschreibt die erste Hauptgruppe von Bearbeitungen. Beim Umformungsverfahren nach DIN 8580 ff wird aus formlosen Stoffen ein Werkzeug hergestellt.

Das Ziel dieses Verfahrens ist es einen Stoffzusammenhalt zu erschaffen. Die Auswahl des Herstellungsverfahrens ist abhängig vom Zustand des Stoffes.

Beim Urformen wird von verschiedenen Aggregatzuständen der Stoffe ausgegangen. Sie können einen flüssigen, plastischen, körnigen, gasförmigen sowie pulverförmigen Ausgangszustand besitzen.

Durch das Gießen von flüssigen Stoffen und dem anschließenden Erstarren des Werkstoffes entsteht die gewünschte feste Form.

Plastische Stoffe werden meistens im Spritzgussverfahren beziehungsweise Spritzgießen bearbeitet.

Körnige, aber auch pulverförmige Stoffe werden beim Sintern eingesetzt. Gasförmige Stoffe beim Metalldampfen.

Beim Urformen findet der Zusammenhalt der Werkstoffe immer nach Ablauf des Verfahrens statt.

Was bedeutet Umformen und welche Techniken existieren?

Unter dem Umformen von Werkstücken verstehen wir die gezielte Formveränderung eines Materials ohne Materialschwund. Unterteilt wir diese Technik zwischen Umformung von Blechen, Drahtumformung und der Massivumformung.

Die Umformtechniken werden unter Einfluss von Wärme oder in kaltem Zustand durchgeführt. Alle Umformtechniken sowie jegliche Verfahren sind in der DIN-Norm 8580 festgehalten.

Welche Rolle spielt der Stoffzusammenhalt bei der Umformtechnik?

Der Stoffzusammenhalt gewährleistet, dass ein Material während des Umformvorgangs, seine Form beibehält. Dadurch bleibt das Ausgangsvolumen eines Rohteils erhalten. Der Zusammenhalt von zu bearbeitenden Stoffen ist wichtig. Ihre Konstanz im Volumen spielt bei der Berechnung der unterschiedlichen Umformtechniken eine große Rolle.

Welches sind die wichtigsten Verfahren in der Umformtechnik, die von Werkzeugmaschinen durchgeführt werden?

Um aus unterschiedlichsten Werkstoffen neue Werkstücke zu erstellen sind verschiedene Umformverfahren nötig.

  • Druckumformung: Die Druckumformung beinhaltet verschiedene Umformungsverfahren.
  • Walzen: Beim Walzen wird auf den Werkstoff Druck ausgeübt. Dadurch wird eine Ausdehnung des Materials reduziert. In der Praxis wird diese Art der Verformung eingesetzt, um Bleche, Stahlrohre oder Folien herzustellen.
  • Gesenkschmieden: Beim Gesenkschmieden wird ein Werkstoff unter Einwirkung von extremem Druck in die geplante Form gebracht. Dieses Verfahren wird zur Fertigung von Motoren und Antrieben genutzt.
  • Freiformschmieden: Das Freiformschmieden ist eine flexible Technik. Das umformende Werkzeug benötigt hierbei keinerlei Vorgaben für die gewünschte Werkstoffform. Bei dieser Art der Umformung sind handwerkliches Können der bedienenden Person gefragt. Das Freiformschmieden wird oft für Produktionen mit geringer Produktionszahl verwendet.
  • Strangpressen & Fließpressen: Bei dieser Art von Verformung werden Bauteile durch eine Form gepresst. Dieses geschieht unter einer großen Druckeinwirkung. Genutzt wird diese Technik zur Fertigung von Serienteilen.
  • Zugdruckumformung: Um die gewünschte Form eines Werkstücks zu erhalten werden bei einer Zugdruckumformung Zug- und Druckbelastungen genutzt. Die wichtigsten Verfahren dieser Technik sind:
  • Durchziehen: Das Durchziehen von Werkstoffen bringt die Stoffe in eine schmalere Form. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren zur Herstellung von Rohren, Drähten sowie Profilen.
  • Tiefziehen: Das Tiefziehen von Stoffen ist das wichtigste Verfahren zur Umformung von Blechen. Flache Bleche werden durch Hilfe verschiedener Verfahren in Hohlformen gezogen. Ihren Einsatz bekommt sie beispielsweise bei der Herstellung von Getränkedosen. Auch Karosserien werden mit dieser Technik hergestellt.
  • Drücken: Das Drücken wird ebenfalls zur Umformung von Blechen genutzt. In ihm werden flache Bleche in symmetrische Hohlkörper umgewandelt. Meistens dient das Drücken zur Herstellung von Kochtöpfen. Im direkten Vergleich zum Tiefziehverfahren überzeugt es in der Praxis aber eher wenig.
  • Zugumformen: Um Werkstoffe in ihrer Form zu verändern, werden bei diesem Verfahren anliegende Zugspannungen genutzt.
  • Längen: Durch das Längen werden Bleche, Stäbe sowie Rohre in ihrer Form verlängert.
  • Weiten: Hohlkörper wie zum Beispiel Rohre werden von innen heraus geweitet.
  • Tiefen: Beim Tiefen werden Materialien in ihrer Höhe verändert.
  • Biegeumformen: Der Vorgang des Biegens zählt zur Hauptgruppe des Umformens. In der DIN 8580 wird diese Technik Biegeumformen genannt. Im Umformungsprozess wirken Biegespannungen. In der Praxis wird dieser Prozess zur Umformung von Blechen genutzt. Auch zur Bearbeitung von Massivwerkteilen, wie beispielsweise zum Biegen von Stangen und Rohren, findet diese Technik Einsatz.
  • Umformung durch Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung
  • Umformung durch Biegen mit drehender Werkzeugbewegung

Was ist eine Drehmaschine?

Drehmaschinen sind spezielle Arbeitsmaschinen, die eine spanende Bearbeitung der Umdrehungsflächen von Werkstücken durchführen. In den meisten Fällen wird hierfür ein sogenannter Drehmeißel genutzt. Abhängig von der erzeugten Fläche führen Drehmaschinen folgende Verfahren im Bereich der Zerspanung durch:

  • Runddrehen
  • Gewindedrehen
  • Plandrehen
  • Stechdrehen
  • Profildrehen
  • Formdrehen

Die Drehmaschine ist die einzige Werkzeugmaschine, die sich auf sich selber neu aufbauen kann.

Welche verschiedenen Drehmaschinen sind auf dem Markt erhältlich?

Drehmaschinen unterteilen sich nach Art des Maschinenbettes sowie nach Lage und Anzahl der vorhandenen Spindeln:

  • Flachbettmaschinen
  • Schrägbettmaschinen
  • Karusselldrehmaschinen
  • Mehrspindel Drehmaschinen

Um eine optimale Qualität der Oberfläche der gedrehten Werkstücke zu garantieren, ist ein verbindungssteifes und schwingungsdämpfendes Maschinenbett wichtig.

Wie ist eine Drehmaschine aufgebaut?

Drehmaschinen setzen sich aus mehreren Teilen zusammen. Folgende Komponenten garantieren einen sichere Funktionsweise.

Maschinenbett:

Das Maschinenbett ist das tragende Teil für Werkzeugschlitten, den Reitstock und die Lünetten. Um eine optimale Spanabfuhr zu garantieren ist das Maschinenbett meistens geneigt.

Spindelkasten:

Abhängig von der Herstellung ist der Spindelstock bei den meisten Maschinen links auf dem Maschinenbett angebracht. Geführt über Präzisionslager betreibt der Spindelkasten die Arbeitsspindel. Sie ist für das Spanen von Stangenmaterial sehr oft als Hohlwelle ausgeführt.

Die Arbeitsspindel ist über einen Keilriemen sowie einem mehrstufigen Getriebe mit dem Antriebsmotor der Drehmaschine verbunden. Eine Drehübertragung erfolgt dabei von der Arbeitsspindel über die Werkzeugaufnahmesysteme.

Werkzeugschlitten:

Ein Werkzeugschlitten besteht aus dem Bettschlitten mit Schlosskasten, dem Planschlitten sowie einem Oberschlitten. Auf dem Oberschlitten ist ein sogenannter Revolver verankert. Er sorgt für die Aufnahme der Werkstücke.

Reitstock:

Zur Bearbeitung von langen Werkstücken wird ein Reitstock mit integrierter Zentrierspitze genutzt. Der Reitstock erfüllt verschiedene Aufgaben. Er dient als Abstützung, zur Aufnahme von Teilen zwischen den Spitzen und der Aufnahme von Bohrwerkzeugen.

Werkstücke, die eine lange Form besitzen, werden zusätzlich mit Lünetten unterstützt. Somit wird ein Verbiegen und ein ungewolltes Schwingen des Werkstücks verhindert.

Was ist ein automatischer Vorschub?

Der automatische Vorschub ist für das gleichmäßige Abtragen des Materials verantwortlich. Eine Zugspindel ist eine Welle mit einer integrierten Nut oder eine Sechskantstange, die sich am Maschinenbett befindet. Sie drehen sich im einstellbaren Verhältnis zur Hauptspindel.

Das Getriebe, das sich im Schlosskasten befindet, überträgt die Drehbewegung der Leit- und Zugspindel auf eine am Drehmaschinenbett befestigte Zahnstange. Auch eine Übertragung auf die Spindel des Plattenschlittens ist möglich. Die Plattenschlitten lassen sich verbinden und somit wird in Längsrichtung bearbeitet.

Welche Bedeutung hat die Spitzenhöhe an einer Drehmaschine?

Die Spitzenhöhe ist der Radial-Abstand zwischen Reitstockspitze und der unmittelbaren Führungsbahn eines Maschinenbettes. Durch einen doppelten Radial-Abstand errechnet sich der Umlaufdurchmesser.

Welche Fachkenntnisse sind notwendig, um eine Drehmaschine bedienen zu können?

Das Arbeiten an einer Drehmaschine bedarf einer umfassenden Arbeitssicherheit. Es besteht die Gefahr von Verletzungen durch die Maschine selbst, dass zu bearbeitende Werkzeug und sich lösende Späne. Auch können sich Haare, Kleidung oder Schmuck in dem drehenden Werkzeugteil verfangen und Verletzungen verursachen. Eine ausreichende Sicherheitskleidung ist darum Pflicht.

Außerdem ist eine fachgerechte Bedienung von Drehmaschinen ratsam. Eine Ausbildung zum Zerspanungsmechaniker dauert drei Jahre.

Was ist eine Fräsmaschine?

Fräsmaschinen sind Werkzeugmaschinen, die für spanende Arbeiten zum Einsatz kommen. Durch das Bearbeiten mit einer Fräsmaschine bekommen Materialien wie beispielsweise Holz, Metall und Kunststoff eine bestimmte geometrische Form. Dies geschieht durch ein gezieltes Abtragen von Spänen. Hierfür werden rotierende Schneidwerkzeuge der Fräsmaschine mit dem Werkzeug in Verbindung gebracht.

Die Frässcheiben dringen in den Werkstoff ein und tragen das zu entfernende Material in Form von Spänen ab. Je nach Art der Fräsmaschine stehen drei unterschiedliche Vorschubrichtungen für die Bearbeitung zur Verfügung. Somit sind auch komplexe Fertigungsschritte möglich.

Was sind Konsolfräsmaschinen?

Konsolfräsmaschinen besitzen einen kreuzbeweglichen Tisch sowie eine im Gestell ortsfest montierte Spindel. Zu den Arten der Konsolfräsmaschinen gehören die Horizontal-, Universal Fräsmaschinen und Vertikalmaschinen.

Was ist eine Universal Fräsmaschine?

Eine Universal Fräsmaschine besitzt einen schwenkbaren Fräsmaschinenkopf. Dieser ist auch austauschbar. Eine integrierte Drehachse ermöglicht eine Schrägstellung zwischen den Längs- und Querschlitten. Die Bauweise einer Universal Fräsmaschine erlaubt Plan-, Profil-, Rund-, Walzen- und Stirnfräsen.

Welche Arten und Bauformen von Fräsen gibt es?

Fräsmaschinen sind durch einen häufigen Werkzeugwechsel und den auftretenden Unregelmäßigkeiten während der einzelnen Arbeitsprozesse großen statischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen Fräsmaschinen auf jedes einzelne Fertigungsverfahren optimal vorbereitet werden.

Die Anforderungen der einzelnen Verfahren besitzen Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede. Dementsprechend gilt dies ebenso für die verschiedenen Werkzeugmaschinen. Genau aus diesem Grund können die unterschiedlichen Arten der einzelnen Fräsmaschinen nicht untereinander abgegrenzt werden.

Mittlerweile werden die Fräsen nach Lage der Hauptspindel in vertikale und horizontale Geräte eingeteilt. Außerdem besteht eine Unterteilung nach Bauform in Konsol-, Bett- und Sonderfräsmaschinen. Auch numerische und mechanische Betriebsweisen werden unterschieden.

Was sind CNC-Fräsmaschinen?

Eine CNC-Fräsmaschine arbeitet rechnergesteuert. Auf einer CNC-Fräse werden sämtliche Vorgänge im Vorfeld programmiert und im Anschluss vollautomatisch durchgeführt. Die Programmierung der einzelnen Arbeitsschritte erfolgt per CAD-Software. Anschließend werden die digitalen Fräsdaten mithilfe eines CAM-Systems an die CNC-Fräsmaschine übermittelt.

Erstmals wurde dieses Verfahren in den 70er-Jahren genutzt. Mittlerweile ist die Technik auf einem besseren Stand.

Das CNC-Fräsen bietet eine große Palette an Vorteilen:

  • Die Herstellung von komplexen Werkstücken ist möglich.
  • Der Arbeitsprozess wird unter höchster Präzession durchgeführt.
  • Es bietet eine hohe Geschwindigkeit.
  • Die Rüstzeiten sind kürzer.
  • Es können mehrere Arbeitsschritte mit einer Aufspannung durchgeführt werden.
  • Hohe und gleichbleibende Fertigungsqualität.
  • Ideale Lösung zur Herstellung von Werkstücken mit großer Produktionszahl.

Welche Werkstücke lassen sich mit CNC-Fräsen produzieren?

Bei der Herstellung von Werkstücken sind durch den Einsatz einer CNC-Fräse keine Grenzen gesetzt. Somit sind komplexe Herstellungsprozesse zur Umsetzung von Zahnrädern, Kurbel- und Nockenwellen kein Problem. Auch 3-D Freiformflächen oder rotationssymmetrische und quaderförmige Werkstücke werden in Perfektion gefertigt. Die gewünschte Form jedes Werkstücks wird durch die Vorschubbewegung als auch durch die Form des Fräswerkzeugs bestimmt.

Was sind konventionelle Werkzeugmaschinen?

Konventionelle Werkzeugmaschinen erzeugen Schnitt- und Vorschubbewegungen über einen Motor, ein Getriebe sowie über Handräder. Bei Werkzeugmaschinen entfällt im Gegensatz zu den CNC gesteuerten Werkzeugmaschinen die Computersteuerung. Das Bedienen der Achsen wird von Hand durchgeführt.

Was kostet eine Werkzeugmaschine?

Der Preis für eine Werkzeugmaschine ist abhängig von der Größe. Auch die verbauten Komponenten und die technischen Anforderungen, die an eine Werkzeugmaschine gestellt werden, sind ausschlaggebend. Werkzeugmaschinen, wie zum Beispiel ein kleineres Modell, sind bereits für weniger als 1.000 Euro erhältlich. Große Anlagensysteme kosten hingegen mehrere Millionen Euro.

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