CNC-Maschinengenauigkeit maximieren: Praktischer Leitfaden für Präzision und Zuverlässigkeit

Eine der wichtigsten Aufgaben in der Zerspanung ist sicherzustellen, dass Ihre neue CNC-Werkzeugmaschine präzise und genau arbeitet. Doch wie wählen Sie das richtige Werkzeug für Ihren Betrieb, angesichts der überwältigenden Anzahl an Optionen, Konfigurationen und Preisen?

In diesem Artikel führen wir Sie Schritt für Schritt durch den Prozess, um die Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Toleranzen Ihrer CNC-Maschine beim Neukauf zu optimieren.

Zeit, in eine neue CNC-Werkzeugmaschine zu investieren

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen neuen Fertigungsauftrag. Sie prüfen die Konstruktionszeichnung, um zu verstehen, was zu tun ist, und planen die Bearbeitungsfolge für ein bestimmtes Teil.

Sie checken Ihre vorhandenen Maschinen und die Qualifikation Ihrer Bediener, ob sie dieses Teil fertigen können.

Leider erfüllen Ihre aktuellen CNC-Maschinen die geforderten Toleranzen nicht. Sie sind möglicherweise niedrigerer Spezifikation oder zu alt für diesen neuen Bedarf.

In diesem Fall möchten Sie vielleicht in neuere, modernere Technologie investieren.

Eine Geschichte von CNC-Werkzeugmaschinen-Lieferanten

An diesem Punkt müssen Sie die Fertigungskosten pro Teil gegen die Anschaffungskosten neuer CNC-Maschinen abwägen.

Sie erinnern sich an die Ausgaben für Ihre aktuellen Maschinen und setzen ein Budget so niedrig wie möglich, um den Gewinn zu maximieren.

Vor 10 Jahren haben Sie 80.000–100.000 USD für Ihr Vertikales Bearbeitungszentrum ausgegeben. OK, Sie setzen Ihr Budget für eine neue CNC-Maschine auf 75.000 USD. Schauen wir, was der Markt bietet.

Wochen vergehen, Sie kontaktieren verschiedene Maschinenhändler. Sie bedienen Sie eifrig und bieten eine Reihe von CNC-Maschinen passend zu Ihrem Budget.

Manche sind günstiger, andere etwas teurer, wieder andere kosten mehr.

Alle Versprechen dieser Verkäufer basieren darauf, dass ihre Maschinen neuer und besser sind als Ihre aktuellen. Doch keiner berücksichtigt die Details und engen Toleranzen des zu fertigenden Teils.

Eines Tages besucht Sie ein besonderer Verkäufer. Nachdem Sie ihm Ihre spezifische Anforderung mitteilten – und ihm die Zeichnung des neuen Auftrags zeigten – betrachtet er diese genau und studiert sie eine Weile.

Er kommentiert, dass ein solches Teil „schwer zu halten“ sei, und schlägt vor, Sie bräuchten Maschinen mit guten Werkzeughaltern und Schneidwerkzeugen.

Er hebt hervor, dass Temperaturkontrolle der Schlüssel ist – insbesondere die Temperatur Ihrer Werkstatt und der Maschinen. Er fügt hinzu, Ihre neue CNC-Maschine werde Linearglasskalen, Lasermesswerkzeuge und einen Tastkopf benötigen, um das gefertigte Teil zu vermessen und automatische Offsetkorrekturen durchzuführen.

Der Verkäufer erklärt, seine CNC-Maschine sei besser als Ihre aktuellen und die der Konkurrenz. Auf Ihre Preisnachfrage nennt er – 150.000–200.000 USD – je nach endgültiger Spezifikation.

Das ist schockierend höher als Ihr Budget! Sie denken vielleicht, der Verkäufer wolle Sie ausnehmen.

Doch Sie beginnen, über seine Erklärungen nachzudenken, und erkennen, dass sie Sinn ergeben. Schließlich sprachen die anderen Lieferanten nie über diese Faktoren. Sie kümmerten sich nur um Achsen XYZ, Preis und verfügbare Lagerbestände, boten bei Bedarf zusätzliche Rabatte an.

Sie kontaktieren einen weiteren Lieferanten einer renommierten, am Markt bekannten Marke.

Bei seinem Besuch nennt und wiederholt er die meisten Punkte des zweiten Vertreters. Er erklärt weiter, seine Maschine nutze das Linearantriebssystem, das als das beste am Markt gilt.
Sein CNC-Maschinenpreis? Schockierende 280.000–310.000 USD – noch höher als der zweite Anbieter, obwohl Maschinengröße, Spindeldrehzahl und CNC-Steuerungen ähnlich sind.

Wem sollen Sie nun glauben?

CNC-Zerspanungsstandards und Genauigkeit verstehen

Das gerade Beschriebene passiert täglich weltweit. Es gibt viele verschiedene Kategorien, Qualitätsstandards und Niveaus von CNC-Werkzeugmaschinen – Sie müssen die Unterschiede kennen, um die richtige Wahl zu treffen.

Während Maschinenlieferanten Toleranzen von ±1,5 µm oder besser versprechen, beachten Sie: Lieferanten aus verschiedenen Ländern können unterschiedliche Standards anwenden.

Beispielsweise gibt es einen großen Unterschied zwischen dem JIS-Standard (hauptsächlich bei japanischen CNC-Maschinen) und dem VDI-Standard (von renommierten europäischen Herstellern sowie von Hwacheon Machine Tool in Südkorea verwendet).

Diese Standards werden seit über 30 Jahren genutzt, um Genauigkeitsniveaus von Werkzeugmaschinen zu messen und zu vergleichen – besonders im asiatisch-pazifischen Raum.

Um die Unterschiede – und deren Bedeutung – zu verstehen, ist es notwendig, den Prozess zu lernen und zu verstehen, den CNC-Werkzeugmaschinenhersteller bei der Vermessung ihrer Maschinen nach Endmontage anwenden.

Die Rolle von „Muttermaschinen“ bei CNC-Werkzeugmaschinen

Alle renommierten Werkzeugmaschinenhersteller, die hochwertige CNC-Maschinen anbieten, nutzen eine „Muttermaschine“ zur Fertigung ihrer eigenen kritischen Teile. Dies sind Maschinen, die höchste Toleranzen erreichen – oft im Bereich weniger Mikrometer. Die Kosten solcher Maschinen sind oft sehr hoch und können in die Millionen Dollar gehen.

Wenn ein Endnutzer ein Angebot für ein Basis-Vertikales Bearbeitungszentrum zu 70.000–100.000 USD (X = 1.000 mm, 10–12.000 min⁻¹ Spindel) erhält und der Verkäufer verspricht, diese Maschine könne die gleiche oder sogar „auf dem Papier“ bessere Genauigkeit erreichen als eine teure „Muttermaschine“, muss er äußerst skeptisch sein!

Solche Behauptungen sind zu schön, um wahr zu sein.

Wie Antriebssysteme, Führungen und Kugelgewindetriebe die Genauigkeit beeinflussen

Was ist mit Linearantriebssystemen? Sind sie wirklich notwendig?

Diese Systeme wurden vor langer Zeit entwickelt, um Werkzeugmaschinen höhere Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Hwacheon Machine Tools hatte eigene Erfahrung, als wir vor über 18 Jahren ein Horizontal-Bearbeitungszentrum konstruierten und bauten.

Heute besteht weiterhin Nachfrage nach Linearantriebssystemen. Standard-CNC-Maschinen verzichten jedoch oft darauf wegen höherer Kosten und größerer Komplexität.

Ein Linearantriebssystem kann helfen, gute Toleranzen und Genauigkeit zu erreichen. Doch moderne Maschinen mit hochwertigen Kugelgewindetrieben und Linearrollenführungen – oder Massivkastenführungen (gehärtet, geschliffen, handgeschabt bis zur Perfektion) – können in langfristiger Genauigkeit und Stabilität bessere Ergebnisse liefern.

Ein CNC-Bearbeitungszentrum mit hochwertigen Kugelgewindetrieben in allen Achsen sowie handgeschabten Massivführungen kann dieselbe oder ähnliche Genauigkeit erreichen wie eine Linearantriebs-Version.

Faktoren, die Ihre CNC-Maschinentoleranzen beeinflussen

Toleranzen im Bereich unter zehn (10) Mikrometer zu erreichen, ist anspruchsvoll. Berücksichtigen Sie folgende Faktoren, die die Toleranzen Ihrer Werkzeugmaschine beeinflussen:

• Raum-/Werkstatttemperatur
• Schwankende und sich ändernde Temperaturen in Raum/Werkstatt
• Luftzug durch Türen, Tore, Klimaanlagen, der die ansonsten stabile Temperatur stören kann
• Maschinentemperatur ändert sich vom frühen Morgen (Bedienerstart) über Mittagspause bis zum Abend
• Spindel läuft längere Zeit mit hoher Drehzahl (Kühlsystem von Spindelgehäuse, -nase und Lagern beachten)
• Material des Maschinenbaus (Gussqualität)
• Maschinendesign (ist die Wärme gleichmäßig im Maschinenkörper und an den Teilen verteilt?)
• Kalibrierung der Maschine vor Arbeitsbeginn
• Regelmäßige Wartung
• Und viele weitere Punkte

Um sicherzustellen, dass die Maschinenleistung nicht beeinträchtigt wird, verwendet Hwacheon Linearrollenführungen eines renommierten deutschen Herstellers an all unseren CNC-Maschinen – einschließlich der Hwacheon VESTA Baureihe. Größe und Anzahl der Blöcke/Schuhe pro Schiene variieren je nach Maschinengröße und -zweck.

Die Preise für Linearrollenführungen variieren stark je nach Marke, Typ, Größe, Qualitätsklasse und Herkunftsland.

Hinweis: Diese Faktoren können oft direkt vom Maschinenanwender gesteuert oder gemanagt werden.

Faktoren, die Ihre CNC-Teiltoleranzen beeinflussen

Über die Maschine hinaus beachten Sie auch diese Faktoren, die die Toleranzen Ihres gefertigten Teils beeinflussen:

• Werkstückmaterial
• Werkstückspannung (Mikrontoleranzarbeit erfordert Mikronspannung)
• Bearbeitung in 2–3 Achsen oder bis zu 5 Achsen (mehr Achsen = mehr Toleranzen addieren sich)
• Teilegeometrie – rund, quadratisch, rechteckig oder andere Formen
• Wärme während der Bearbeitung – ausreichend Kühlschmierstoff beim Schneiden sicherstellen
• Übermäßige Materialabtragung in einem Schritt setzt das Teil unter Spannung. Diese Spannung vor dem Feinschlichten abbauen.
• Auflösung des CNC-Maschinen-Messsystems
  • a) Encoder
  • b) Direktes Messsystem (feiner = besser für höhere Genauigkeit)
• Ihre Werkzeuge (Qualitätswerkzeuge liefern Qualitätsarbeit)
• Werkzeughalter-Qualität und -Standard
• Schnittansatz und -methode sowie CNC-Programm
• Und viele weitere Punkte

Hinweis: Diese Faktoren können oft direkt vom Maschinenanwender gesteuert oder gemanagt werden.

Maschinenbau, Guss und weitere Faktoren, die die CNC-Maschinengenauigkeit beeinflussen

Darüber hinaus müssen Sie weitere Faktoren berücksichtigen, die die CNC-Werkzeugmaschine selbst betreffen. Für ein Unternehmen wie Hwacheon Machine Tools stellen wir sicher, dass folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Beste Gussqualität (im eigenen Gusswerk gegossen)
• Bridge-Type-Konstruktion für höchste Präzision von Grund auf
• Deutsche Qualitäts-Rollenführungen – beste Kugelgewindetriebe in Qualität, Standard und Steigung mit engerer Teilung und größerem Durchmesser (optional auch flüssigkeitsgekühlt)
• Linearglasskalen mit höchster Auflösung in allen Achsen
• Gesamter Maschinenkörper in speziellen Temperaturschaum gehüllt für gleichmäßige Temperaturverteilung
• Temperatursensoren an Maschinenbett, Gestell und Spindelgehäuse für schnelle, präzise Kompensation von Temperaturschwankungen
• Zwei Späneförderer in separaten, isolierten, abnehmbaren Abdeckungen – auf schwingungsdämpfenden Pads montiert, um Wärme- und Vibrationsübertragung auf den Maschinenkörper zu vermeiden
• Kabel und Leitungen mit besonderer Sorgfalt in der mechanischen Struktur verlegt, um Vibrationen zu vermeiden
• Kühlmitteltank hinten positioniert, um Wärme des Kühlmittels vom Maschinenbett fernzuhalten (plus einfache Reinigung und Wartung)
• Direkt eingebaute Motoren-Spindeln von 20–32–45.000 min⁻¹, mit BBT 40 / HSK-A63 bis HSK-E40 und HSK-E32
• Spindelkühlsystem mit hochwertiger Kühlung und Filtration
• Spindelgehäuse und -nase in kleine Segmente unterteilt für effektive, gleichmäßige Kühlung. Verhindert das Ablaufen von Öl von oben nach unten, wie bei den meisten anderen Maschinen.
• Lager werden direkt mit frischem, temperaturgesteuertem Öl injiziert – sichert, dass Lager nicht kontinuierlich in heißem Öl laufen.
• Standard-Automatisierungssoftware auf der Maschine vorinstalliert. Bei Hwacheon umfasst dies:
  • a) HSDC – Hwacheon Spindle Displacement Control System
  • b) HTDC – Hwacheon Thermal Displacement Control System
  • c) HFDC – Hwacheon Frame Displacement Control System
• CNC-Steuerungssystem und Motor/Verstärker-Paket, weltweit in allen Märkten und Branchen bewährt

Hinweis: Diese Faktoren sollten von Ihrem Werkzeugmaschinenhersteller gemanagt werden.

Zurück zu unserem Werkzeugmaschinenkunden…

Kehren wir zu unserem Kunden zurück. Er hat einen frischen Bearbeitungsauftrag, erkennt aber, dass er ihn mit seinen aktuellen Maschinen nicht erfüllen kann.

Soll er so wenig wie möglich ausgeben oder in das Top-CNC-Werkzeugmaschinen-Modell am Markt investieren?

Die Antwort liegt sicher dazwischen.

Die Wahrheit: Höhere Bearbeitungsgenauigkeit und -standards erfordern höhere Investitionen in Ihre CNC-Werkzeugmaschine.

Doch selbst die beste und raffinierteste CNC-Werkzeugmaschine kann die gewünschten Ergebnisse nicht liefern, wenn die Umgebungsbedingungen nicht zu ihrem Einsatz passen – oder wenn eine solche High-End-Maschine wie eine Basis-Standardmaschine bedient wird!

Umgebung und Werkstattumfeld

Die Umgebung Ihrer Werkstatt muss der Maschine gerecht werden.

Sorgen Sie für Sauberkeit, keine Vibrationen im Hallenboden und Temperaturkontrolle.

Ihr CNC-Maschinenbediener muss die grundlegenden Anforderungen und die nötige Sorgfalt verstehen, um enge Toleranzen bei der Teilefertigung zu erreichen. Versäumt er dies, liefert Ihre neue Investition nicht das Gewünschte. Nutzen Sie unsere Checkliste als Leitfaden.

Qualitäts-Werkzeughalter

Verstehen Sie auch, dass die Wiederverwendung alter Werkzeughalter aus anderen Maschinen pfennigweise, aber pfunddumm sein kann. Dies kann Ihre neue Maschine ruinieren und ihre Lebensdauer verkürzen – genauso wenig wie Sie ein neues Auto kaufen und die Reifen vom alten Fahrzeug verwenden würden!

Daher muss Ihre Spannausrüstung entsprechend ausgewählt werden, um beste und präziseste Spannung und Wiederholbarkeit zu bieten.

Fazit

Eine massenproduzierte CNC-Maschine liefert immer durchschnittliche Ergebnisse. Dafür sind sie gemacht.

Eine im eigenen Haus konstruierte und sorgfältig gefertigte Werkzeugmaschine entspricht selbst höchsten Ansprüchen – naturgemäß zu einem gewissen Preis.

In der Ingenieurskunst gibt es keine Abkürzungen. Obwohl jeder gerne günstig investieren möchte, um höchsten Gewinn zu erzielen, ist dies ohne die richtigen Werkzeuge und Ausrüstung nicht nur schwierig, sondern oft unmöglich.

Wenn alle Punkte berücksichtigt sind, kann ein 3-Achs-CNC-Vertikales Bearbeitungszentrum mit X-Verfahrweg 1 m und Y-Verfahrweg 600 mm, das gut ausgestattet und spezifiziert ist, um solche engen Toleranzen und gute Leistung (und Ihre Bedürfnisse) zu erreichen, im Preisbereich von 180.000 bis 200.000 USD liegen.

Ein solches Werkzeug wird die geforderte Qualität und Toleranzen innerhalb von zehn (10) Mikrometer und darunter sicher liefern.

Hwacheon Machine Tools – Ihre Wahl für hohe CNC-Maschinengenauigkeit

Hwacheon in Südkorea ist seit über 74 Jahren als führender Werkzeugmaschinenhersteller bekannt. Unser Unternehmen ist besonders stark in den Qualitätsbereichen Formen- & Werkzeugbau sowie Präzisionsteilefertigung.

Für Ihre Bedürfnisse bei der Fertigung eines neuen Teils – wie in der oben skizzierten Situation – sollten Sie Hwacheons SIRIUS UM+ oder SIRIUS UL+ in Betracht ziehen. Diese neuen und verbesserten CNC-Werkzeugmaschinen bauen auf der hochwertigen SIRIUS-Linie auf und gelten als die besten am Markt zu sehr wettbewerbsfähigen Preisen.