CNC-Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit: Wichtige Konzepte verständlich erklärt

Ich definiere die Genauigkeit einer CNC-Werkzeugmaschine als die Präzision, mit der ihre Achsen unter Last die vorgesehenen Bahnen zu den programmierten Endpunkten folgen können. Wiederholgenauigkeit definiere ich als die Präzision, mit der die Maschine programmierte Bewegungen (wiederum unter Last) über mehrere Zyklen hinweg im Tagesverlauf duplizieren kann.

Dynamisch vs. statisch

Dies sind Definitionen für dynamische Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit. Sie weichen vermutlich von den Herstellerspezifikationen ab. Diese geben üblicherweise statische Werte an – also Messungen, wenn die Maschine nicht im Zyklus ist und keine Bearbeitungsvorgänge ausführt.

Zu Gunsten der Maschinenhersteller: Dynamische Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit variieren mit der Belastung der Maschinenkomponenten. Je höher die Beanspruchung, desto schwieriger ist es, Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit zu halten. Deshalb können Hersteller keine dynamischen Werte angeben, geschweige denn garantieren – es gibt schlicht zu viele Variablen.

Dennoch sollten Hersteller beurteilen können, ob ihre Maschine die Genauigkeits-/Wiederholgenauigkeitsanforderungen Ihrer spezifischen Anwendung erfüllt. Sie sollten bereit sein, dies vor dem Kauf einer neuen Werkzeugmaschine zu garantieren.

Faktoren außerhalb der Nutzerkontrolle

Maschinenkonstruktion

• Sie muss die leistungsstärksten Zerspanungsvorgänge Ihrer Anwendung ohne übermäßige Durchbiegung der Tragkomponenten bewältigen können.

Messsystem

• Längenskalen überwachen die Position der bewegten Komponente einer Achse direkt. Im Gegensatz zu Drehgebern sind sie nicht stark von der Integrität der Achsensystemkomponenten (Führungen, Kugelgewindetriebe, Kupplungen) abhängig.

Faktoren in der Verantwortung des Nutzers

Maschinenkalibrierung

• Hersteller kalibrieren initially Steigungsfehler und Rücklash-Kompensation. Um Genauigkeit zu erhalten, müssen Anwender diese Kalibrierungen in regelmäßigen Abständen über die Lebensdauer der Maschine wiederholen.

Umgebung

• Werkzeugmaschinen müssen in einer stabilen Umgebung aufgestellt werden, die Temperaturschwankungen und Luftfeuchtigkeitsschwankungen minimiert.

Sicherzustellen, dass eine Maschineninstallation die erforderliche dynamische Genauigkeit für Ihre Anwendung liefert – und sie ordnungsgemäß zu warten – ist nur die halbe Miete für die Produktion konsistenter, akzeptabler Bauteile. Sie müssen auch bestätigen, dass die Maschine vom ersten bis zum letzten Werkstück stündlich, tagelang wiederholgenau arbeitet – selbst wenn sich Maschinenkomponenten nach Stillstandszeiten aufwärmen.

Thermische Einflüsse auf die Wiederholgenauigkeit

Ein wichtiges, konstruktionsbedingtes Wiederholgenauigkeitsthema ist die thermische Veränderung bewegter Komponenten. Hauptsorgen bereiten Spindel und Führungen, da sie den größten Einfluss auf bearbeitete Oberflächen haben. Beim Aufwärmen dehnen sie sich aus, beim Abkühlen ziehen sie sich zusammen. Dies erschwert – vielleicht unmöglich – das Halten von Maßen an kritischen, eng tolerierten Oberflächen während der Aufwärmphase.

Maschinenhersteller unternehmen große Anstrengungen, thermische Veränderungen zu minimieren (z. B. Spindel- und/oder Führungskühlung). Zudem nutzen sie Konstruktionsmethoden, die den Einfluss thermischer Variation auf die Wiederholgenauigkeit minimieren. Bei CNC-Drehzentren steht der Reitstock beispielsweise oft senkrecht zum Bett. Erwärmt er sich, ändert sich nur die Höhe der Schneide – was die Variation des bearbeiteten Durchmessers von Teil zu Teil während des Aufwärmens minimiert.

Beim Kauf einer neuen CNC-Maschine sollten Sie verstehen, wie der Hersteller mit thermischer Variation umgeht. Noch wichtiger: Bestätigen Sie, dass durch thermisches Wachstum während des Aufwärmens verursachte Oberflächenvariationen die Toleranzen nicht überschreiten. Andernfalls erleben Sie möglicherweise eine produktivitätsraubende Überraschung, wenn Sie feststellen, dass Ihre neue Maschine erst eine Aufwärmphase durchlaufen muss, bevor sie in der Produktion eingesetzt werden kann.

Anwendungsbedingte Wiederholgenauigkeitsprobleme

Einige der gravierendsten Wiederholgenauigkeitsprobleme haben nichts mit dem Maschinendesign zu tun, sondern werden durch die Anwendung beeinflusst. Variationen jeglicher Art – während eines Fertigungslaufs oder von einem Auftrag zum nächsten – können die Wiederholgenauigkeit beeinträchtigen. Änderungen von Zyklus zu Zyklus erfordern zeitaufwändige Nachjustierungen. Sind sie groß genug, führen sie zu Ausschuss.

Beispiele für Variationen während eines Fertigungslaufs:

• Werkzeugverschleiß. Mit abnehmenden Schneiden variieren bearbeitete Oberflächen: Außenmaße wachsen, Innenmaße schrumpfen.
• Austausch stumpfer Werkzeuge. Beim Wechsel stumpfer Werkzeuge ist äußerste Vorsicht geboten, um sicherzustellen, dass die Schneiden nicht von ihren vorgegebenen Positionen abweichen.

Beispiele für Variationen von einem Auftrag zum nächsten:

• Spannvorrichtungseinstellung. Viele Faktoren beeinflussen die Werkstückstabilität (Platzierung/Ausrichtung der Spannvorrichtung, Spannpunkt und -kraft, Nullpunktzuweisung im Programm).
• Werkzeugmontage, -vermessung und Offset-Eingabe. Komponenten- und Montagevariationen führen zu Steifigkeitsänderungen, die Bearbeitungsprobleme verursachen können.
• Maschinenzustand. Durch Unfälle oder vernachlässigte vorbeugende Wartung verursachte Variationen können Maßprobleme bei Aufträgen hervorrufen, die zuvor erfolgreich liefen.