Werkzeugmaschine
Der Begriff Werkzeugmaschine leitet sich aus 'Werkzeug' und 'Maschine' her. Er bezeichnet nach diesem Verständnis alle Maschinen, die zur Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen dienen. In der Praxis werden aber nur umformende, trennende (d.h. zerteilende, spanende und abtragende) und fügende Maschinen als Werkzeugmaschinen bezeichnet. Dazu gibt es die Normen DIN 8580 ff (Verfahren) und DIN 65 651 Teil 1 (Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung), die inhaltlich aufeinander Bezug nehmen.
Zur Formgebung des Werkstücks erzeugt die Werkzeugmaschine eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Hierbei unterscheidet man zwischen der Hauptbewegung (bei spanenden Maschinen die „Schnittbewegung“, z.B. die Drehung der Spindel) und der Vorschub- bzw. Zustellbewegung, die der Drehbewegung überlagert ist und eine kontinuierliche Bearbeitung (z.B. Spanabnahme) erlaubt.
Es werden im allgemeinen umformende und trennende (d.h. im wesentlichen: zerteilende, spanende und abtragende) sowie fügende Werkzeugmaschinen u.a. im Maschinenbau und im Werkzeugbau eingesetzt.
Umformende Maschinen dienen in der Regel der Bearbeitung von Metallen, wie z.B. Stahl oder Aluminium und von Kunststoffen, zerteilende und spanende Werkzeugmaschinen dienen darüber hinaus auch der Bearbeitung anderer Werkstoffe, wie z.B. Holz. Zu den abtragenden Werkzeugmaschinen zählen z.B. Erodiermaschinen und Laserbearbeitungsmaschinen.
Die Bearbeitungsgenauigkeit (Präzision) spanender Werkzeugmaschinen liegt, je nach Maschinenart, im Bereich von 1 mm bis 1/1000 mm. Ultrapräzisionsmaschinen erreichen Genauigkeiten von weniger als 1/1.000.000 mm (z.B. für die Bearbeitung von Laseroptiken).
Für die umformende und spanende Bearbeitung werden überwiegend Hochleistungs-Bearbeitungswerkzeuge benötigt. Damit diese den hohen Anforderungen genügen, bestehen sie heute meistens aus beschichtetem oder unbeschichtetem Hartmetall, Cermet, Keramik, Diamant oder Bornitrid (CBN).
Baugruppen von Werkzeugmaschinen
Gestell/Fundament
Das Maschinengestell nimmt die Bearbeitungskräfte auf und trägt die anderen Bauelemente. Typisch sind Ausführungen aus Grauguß (seltener Stahlguß), Beton (Polymer- oder Mineralbeton) oder geschweißte Stahlkonstruktionen. Bei Ultrapräzisionsmaschinen findet man auch Gestellbauteile aus Granit. Bei kleineren Maschinen sind die Gestelle als Tisch- und Konsolbauform ausgeführt. Für schwerere Maschinen werden Bettausführungen in offener(Ständer-) oder geschlossener (Portal-) Bauweise eingesetzt. Bei großen Maschinen sind spezielle Fundamente notwendig, um die hohen Gewichtskräfte oder, z.B. bei umformenden Maschinen, stoßartige Belastungen in den Untergrund abzuleiten.
Führungen
Führungen dienen zur exakten Begrenzung der Bewegungen auf einen Freiheitsgrad. Es gibt hydrostatische, hydrodynamische, aerostatische Führungen und Wälzführungen. Ursprünglich wurden überwiegend hydrodynamische Gleitführungen eingesetzt, wegen ihrer dynamischen Eigenschaften (kein Stick-Slip-Effekt, hohe Bewegungsgeschwindigkeiten usw.) setzen sich in letzter Zeit immer mehr die Wälzführungen durch. Da für die Herstellung von Wälzführungen jedoch besonderes fertigungstechnisches Know-How erforderlich ist, werden diese heute überwiegend als Kaufteil von Zulieferern bezogen.
Antriebe
Zu den Antriebseinheiten zählen der Hauptantrieb und die Vorschubantriebe sowie die Nebenantriebe. Der Hauptantrieb bestand früher üblicherweise aus einem Motor (meist Elektromotor), einem Getriebe, einer Sicherheitskupplung (im einfachsten Fall ein Keilriemen der im Überlastfall durchrutscht) sowie der Hauptspindel als Träger des Werkzeuges bzw. Werkstückes. Heutige Werkzeugmaschinen haben meist einen Direktantrieb bei dem der Rotor des Elektromotors direkt auf der Hauptspindel sitzt (Motorspindel). Aufgrund der großen Leistung der Antriebe, besonders beim Einsatz von Motorspindeln, ist es wichtig die Verlustwärme gezielt abzuführen, um Ungenauigkeiten der Maschine aufgrund der Wärmeausdehnung des Gestells zu vermeiden. Bei umformenden Maschinen kommen neben mechanischen Getrieben (Kniehebelpressen) auch hydraulische Antriebe zum Einsatz.
Als Lager der sich bewegenden Teile kommen zu 90% Wälzlager zum Einsatz, aber auch hydrodynamische-, hydrostatische Gleitlager, Luftlager und Magnetlager.
Früher wurde die Vorschubbewegung über ein Getriebe vom Hauptantrieb abgeleitet. Heute haben im allgemeinen alle beweglichen Achsen eigene Vorschubantriebe. Diese bestehen im allgemeinen aus einem Elektromotor, einem Kugelgewindetrieb und einem Meßsystem zur Positionsbestimmung der beweglichen Gestellelemente (Maschinenschlitten, -tisch oder -ständer). Seltener werden zur Übersetzung der rotatorischen Motorbewegung in eine translatorische Schlitten- oder Ständerbewegung so genannte "Zahnstange-Ritzel-Systeme" eingesetzt. Da mit linearen Direktantrieben hohe Positioniergenauigkeiten und gleichzeitig eine hohe Dynamik erzielt werden kann, sind diese Antriebe immer häufiger zu finden. Die Antriebseinheiten (Haupt- und Vorschubantriebe) sind heute im allgemeinen CNC-gesteuert.
Die Antriebe von Versorgungsaggregaten, wie z.B. der Kühlschmierstoffeinrichtung, werden als Nebenantriebe bezeichnet
Steuerung
siehe Computerized Numerical Control siehe Schaltschrank
Werkzeugwechsler
Moderne CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen sind im allgemeinen mit Werkzeugspeichern ausgestattet, aus denen je nach Bedarf, Werkzeuge direkt oder über eine Beladeeinrichtung in die Arbeitsspindel eingewechselt werden können. Als Werkzeugspeicher (auch: Werkzeugmagazine) für Bohr- und Fräsmaschinen gibt es Scheiben-, Ketten- oder Palettenspeicher. Drehmaschinen besitzen meist für bis zu zwölf Werkzeuge einen oder mehrere sog. Revolver als Werkzeugspeicher, die scheiben-, kronen- oder sternförmig sein können.
Um einen schnellen Werkzeugwechsel bei gleichzeitig hoher Genauigkeit zu gewährleisten, sind die Werkzeugaufnahmen (Schnittstelle Werkzeug-Spindel) genormt. Früher wurden rotierende Werkzeuge überwiegend sog. Steilkegel verwendet, heute werden aufgrund ihrer technologischen Vorteile vermehrt HSK-Aufnahmen eingesetzt. Bei HSK-Aufnahmen (Hohlschaftkegel) erfolgt u.a. das Spannen auf der Innenkontur wodurch das System für höhere Drehzahlen geeignet ist.
Werkstückwechsler
Moderne Fräsmaschinen und Bohrmaschinen haben oft zwei oder mehr Paletten zum Spannen der Werkstücke, die abwechselnd in den Arbeitsraum gebracht werden können. Dies erlaubt es, Spann-Operationen außerhalb des Arbeitsraumes vorzunehmen, während an der vorigen Palette die Bearbeitung stattfinden kann. Moderne Drehmaschinen für kleinere Werkstücke besitzen oftmals eine Stangen-Zuführung (Durchmesser meist bis ca. 60 mm). Größere Werkstücke können mit Robotern ein- und ausgewechselt werden.
Messeinrichtungen
Moderne Werkzeugmaschinen besitzen oftmals automatisierte Messeinrichtungen, die Parameter der Werkzeuge oder der Werkstücke in die Steuerung rückführen können, um ggfs. korrigierende, programmierte Bewegungen der Maschine ausführen zu lassen (Meßschnitte, Längen- / Tiefen-Korrekturzyklen).
Ver- und Entsorgungseinrichtungen
Werkzeugmaschinen der spanenden Fertigung sind heutzutage überwiegend mit Kühlschmiereinrichtungen ausgestattet. Diese fördern meist eine Wasser-Öl-Emulsion in den Arbeitsbereich des Werkzeugs, sei es über Spritzdüsen an der Maschine, am Spindelkopf oder durch Düsen in dem jeweiligen Werkzeug. DasKühlschmiermittel wird im Umlauf gefiltert. Im Zuge einer umwelt- und arbeitsplatzfreundlichen Fertigung wird jedoch heutzutage zunehmend auf die sog. Minimalmengenschmierung (MMS oder MMKS) umgestellt. Dabei wird eine sehr geringe Menge Kühlschmierstoff mit Luft vernebelt und auf die Wirkstelle gesprüht.
Zu den Ver- und Entsorgungseinrichtungen zählt auch der Späneförderer, der die abgetrennten Späne aus dem Arbeitsraum heraus in einen Container fördert.
Maschineneinhausung und Sicherheitseinrichtungen
Werkzeugmaschinen haben heute meist eine Maschineneinhausung. Diese dient dem Schutz des Bedieners vor umher fliegenden Spänen, vor Kühlschmierstoff und vor der entstehenden Lärmbelastung sowie als Schutz vor Verletzungen an den bewegten Teilen und als Berstschutz (z.B. wenn ein Werkzeug bricht). Größere Maschinen und Anlagen sind durch Lichtschranken und Gitter geschützt.
Eigenschaften von Werkzeugmaschinen
Neben Eigenschaften, die die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen beeinflussen, wie Leistung, Verfahrgeschwindigkeit, Werkzeugwechselzeit usw. gibt es auch Eigenschaften, die die Qualität des zu fertigenden Produktes beeinflussen. Dies sind:
Geometrische Genauigkeit
Der geometrisch produzierten Genauigkeit der Linear- und Rundführungen ist heute oftmals pro Achse ein Korrekturprofil per Software aufgeschaltet, das nach dem Einrichten der Maschine vom Richtmeister des Maschinenherstellers justierend eingegeben wird.jo
Statische Steifigkeit
Die statische Steifigkeit richtet sich nach der in eine Maschine hineinkonstruierten Steifigkeits-Geometrie (Wanddicken, Querschnitte) und den verwendeten Werkstoffen. Auch sind die Lage und die Anzahl von Fugen (Verbindungsstellen von Maschinenkörpern) entscheidend für die Steifigkeit.
Dynamisches Verhalten
Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen ist ein hochkomplexes Thema. Einflußgrößen sind die statischen Steifigkeiten von Maschine, Fundament und Werkstück sowie der Werkzeuge, die Lage und Verteilung von Massen und ihren Schwingungsmöglichkeiten, und die Art, Ausführung und Qualität der Führungen (Rundführungen: Genauigkeit der Wälzkörper, Hydrostatische / hydrodynamische Lagerung; Geradführungen: Rollenführungen, Luft-Führungen , Hydrostatische / hydrodynamische Führungen)
Thermisches Verhalten
Das thermische Verhalten einer Werkzeugmaschine wird wesentlich von der Einwirkung von Wärmequellen und -senken nach Menge der Wärme und ihrer Lage bzw. Anordnung beeinflusst. Diese können der Prozess der Werkzeugmaschine selbst sein (Wärme beim Zerspanen oder Umformen), die Anordnung und Temperierung von Fluiden (z.B. Luft, Kühlschmiermittel) und die Aufstellung mit einseitig wirkenden Wärmequellen (Sonneneinstrahlung über Dach und Fenster, Raumbeheizung, Klimatisierung).
Zur Steigerung der Genauigkeit und trotz der Bemühung Temperaturschwankungen gering zu halten, ist es von Vorteil Maschinen Thermosymmetrisch aufzubauen. Thermosymmetrie bedeutet dass sich Ausdehnungen gegenseitig aufheben. Dabei ist die zu erwartende Temperaturverteilung in den Bauteilen von Einfluss, sowie die Länge und der Ausdehnungskoeffizient.
Kinematik
serielle Kinematik
Klassischer, serieller Aufbau der einzelnen Maschinenvorschubbewegungen aufeinander. Beispiel: der große Maschinenständer bewegt die Pinole, an der Spitze der Pinole hängt dann ein kleiner Schwenkkopf als Träger des Fräswerkzeuges.
Parallelkinematik
ähnlich der Bewegungsmechanik eines in allen Richtungen freibeweglichen Flugsimulators (Hexapod) arbeiten alle Vorschubantriebe in Parallelschaltung gleichzeitig miteinander um die gewünschte Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug zu erzeugen.
Ordnung nach steigendem Automatisierungsgrad
- Eine konventionelle Werkzeugmaschine erzeugt die Schnitt- und die Vorschubbewegung über einen Motor und Getriebe, sowie über Handräder.
- Ein Automat steuert die Vorschubbewegung z.B. über Kurvenscheiben. (unflexibel)
- Eine CNC-Werkzeugmaschine vollführt einen automatischen Arbeitszyklus an einem manuell eingespannten Werkstück. Der Werkzeugwechsel wird meist automatisch durchgeführt.
- Ein Bearbeitungszentrum integriert im allgemeinen zusätzlich den Werkstückwechsel und das Werkzeugkontrollsystem.
- Die Flexible Fertigungszelle umfaßt mehrere Maschinen mit ihren Werkzeugmagazinen, einen größeren Werkstückspeicher und z.T. integrierte Meßeinrichtungen.
- Flexible Fertigungssysteme besitzen einen maschinenübergreifenden automatischen Werkstückfluß mit Anbindung einer Fertigungssteuerung bzw. eines Produktions-Planungssystems.
- Starre Transferstrasse besitzen einen sehr geringen Flexibilitätsgrad. Nur durch aufwendiges Rüsten können kleine Veränderungen in der Produktpalette gefertigt werden. Die starre Transferstrasse folgt dem Linienprinzip und hat i.d.R. keine Möglichkeiten, Schleifen oder Gabelungen zu folgen.
Arten von Werkzeugmaschinen
Arten von umformenden und trennenden Werkzeugmaschinen
Arten von spanenden Werkzeugmaschinen
- Drehmaschine
- Universaldrehmaschine (Leit- und Zugspindeldrehmaschine, CNC-Universaldrehmaschine)
- Revolverdrehmaschine (Ein- und Mehrfachrevolverdrehmaschinen)
- Drehautomat (Ein- und Mehrspindeldrehautomat, Langdrehautomat)
- Nachformdrehmaschine
- Karusselldrehmaschine
- Frontdrehmaschine
- Plandrehmaschine
- Feindrehmaschine, Ultrapräzisions-Drehmaschine
- Drehzelle
- Sonderdrehmaschinen
- Bohrmaschine
- Tischbohrmaschine
- Ständerbohrmaschine
- Säulenbohrmaschine
- Reihenbohrmaschine
- Radialbohrmaschine
- Koordinatenbohrmaschine (Einständer-,Portal-,CNC-)
- Feinbohrmaschine
- Bohrwerk (Lehrenbohrwerk)
- Tiefbohrmaschine
- Revolverbohrmaschine
- Mehrspindelbohrmaschine
- Sonderbohrmaschine (Plattenbohrwerk, Rohrbodenbohrmaschine, Leiterplattenbohrmaschine)
- Fräsmaschine
- Konsol- und Universalfräsmaschine (horizontal, vertikal)
- Bettfräsmaschine (horizontal, vertikal, Kreuztisch, Fahrständer)
- Langfräsmaschine (Einständer-, Portalbauweise)
- Mehrspindelfräsmaschine
- Fräswerk
- Werkzeugfräsmaschine
- Sonderfräsmaschine (Kurbelwellenfräsmaschine, Nutenfräsmaschine, Walzenbarrenfräsmaschine, Plattenfräsmaschine)
- CNC-Bearbeitungszentrum
- HSC-Fräsmaschine (High-Speed-Cutting)
- Räummaschine
- Innenräummaschine
- Außenräummaschine
- Kettenräummaschine
- Schraub- und Rundräummaschine
- Sonderräummaschine
- Sägemaschine
- Kreissägemaschine
- Bandsägemaschine
- Hubsägemaschine (Bügelsägemaschine, Stichsägemaschine, Gattersäge)
- Formsäge
- Sondersäge
- Schleifmaschine
- Flach- und Profilschleifmaschine
- Rundschleifmaschine (Außenrundschleifmaschine, Innenrundschleifmaschine)
- Wälzschleifmaschine
- Bandschleifmaschine
- Sonderschleifmaschine (Kurbel- und Nockenwellenschleifmaschine, Walzen-schleifmaschine, Werkzeugschleifmaschine, Keilwellenschleifmaschine)
- Koordinatenschleifmaschine
- Kombinierte Schleifmaschine (z.B. zum Drehen und Schleifen)
Arten von abtragenden Werkzeugmaschinen:
- Erodiermaschine
- Senkerodiermaschine
- Drahterodiermaschine
- Laserbearbeitungsmaschine - vgl. Laserschneiden
Die Werkzeugmaschinen können von Hand oder automatisch mit Robotern beschickt werden (beladen mit Werkstücken). Zur genauen Positionierung und Befestigung der Werkstücke auf dem Maschinentisch dient bei automatisierten Maschinen ein Palettiersystem. Ebenso können die Bearbeitungswerkzeuge von Hand oder mit Hilfe eines Werkzeugwechslers automatisch in die Werkzeugaufnahme eingesetzt werden.
Siehe auch: Liste der Werkzeugmaschinen