Drehen in der Zerspanung: Definition, Arten & wesentliche Operationen

Was ist Drehen?

Drehen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem ein Schneidwerkzeug – typischerweise ein nicht rotierendes Wendeschneidplättchen – eine helicale Werkzeugbahn beschreibt, indem es sich mehr oder weniger linear bewegt, während sich das Werkstück dreht.

Normalerweise ist der Begriff „Drehen“ für die Erzeugung äußerer Oberflächen durch diese Schneidwirkung reserviert, wohingegen dieselbe wesentliche Schneidwirkung, wenn sie auf innere Oberflächen angewendet wird, als „Ausdrehen (Boring)“ bezeichnet wird.

Daher kategorisiert der Begriff „Drehen und Ausdrehen“ die größere Familie von Prozessen, die als Drehen (Lathing) bekannt sind. Das Bearbeiten von Stirnflächen am Werkstück, sei es mit einem Dreh- oder Ausdrehwerkzeug, wird als „Planen (Facing)“ bezeichnet und kann als Teilmenge in jede Kategorie eingeordnet werden.

Drehen kann manuell an einer konventionellen Drehbank erfolgen, die oft eine kontinuierliche Überwachung durch den Bediener erfordert, oder an einer automatisierten Drehbank, die dies nicht tut. Heute ist die häufigste Art dieser Automatisierung die computergesteuerte numerische Steuerung, besser bekannt als CNC.

Beim Drehen wird das Werkstück (z. B. Holz, Metall, Kunststoff oder Stein) gedreht und ein Schneidwerkzeug in 1, 2 oder 3 Bewegungsachsen bewegt, um präzise Durchmesser und Tiefen zu erzeugen. Drehen kann entweder an der Außenseite des Zylinders oder an der Innenseite (auch als Bohren bekannt) durchgeführt werden, um röhrenförmige Komponenten mit verschiedenen Geometrien herzustellen.

Obwohl heute selten, konnten frühe Drehbänke sogar komplexe geometrische Figuren herstellen, sogar platonische Körper; seit dem Aufkommen der CNC-Steuerung ist es jedoch unüblich geworden, nicht-computergesteuerte Werkzeugbahnsteuerung für diesen Zweck zu verwenden.

Die Drehprozesse werden typischerweise an einer Drehbank durchgeführt, die als das älteste der Werkzeugmaschinen gilt und in verschiedenen Typen vorliegen kann, wie Längsdrehen, Konusdrehen, Profilieren oder äußeres Nuten.

Mit diesem Drehprozess können verschiedene Materialformen wie gerade, kegelige, gekrümmte oder genutete Werkstücke hergestellt werden. Beim Drehen wird in der Regel einfaches Einzelschneiden verwendet. Jede Gruppe von Werkstückmaterialien hat einen optimalen Satz von Werkzeugwinkeln, der sich über die Jahre entwickelt hat.

Die bei Drehoperationen anfallenden Metallabfälle werden als Späne (Nordamerika) oder Späne/Drehspäne (Großbritannien) bezeichnet. In manchen Regionen werden sie auch als Drehspäne bezeichnet.

Drehprozess

Drehen ist eine Form der Zerspanung, ein Materialabtragsverfahren, das verwendet wird, um rotationssymmetrische Teile durch Abtragen unerwünschten Materials herzustellen. Der Drehprozess erfordert eine Drehmaschine oder Drehbank, ein Werkstück, eine Spannvorrichtung und ein Schneidwerkzeug.

Das Werkstück ist ein vorgeformtes Materialstück, das an der Spannvorrichtung befestigt ist, die selbst an der Drehmaschine angebracht ist und sich mit hoher Drehzahl drehen darf. Der Schneidwerkzeug ist typischerweise ein einschneidiges Werkzeug, das ebenfalls in der Maschine eingespannt ist, obwohl einige Operationen Mehrschneidenwerkzeuge verwenden.

Das Schneidwerkzeug wird in das rotierende Werkstück geführt und schneidet Material in Form kleiner Späne ab, um die gewünschte Form zu erzeugen.

Drehen wird verwendet, um rotationssymmetrische, typischerweise achsensymmetrische Teile herzustellen, die viele Merkmale aufweisen, wie Bohrungen, Nuten, Gewinde, Konizitäten, verschiedene Durchmesserstufen und sogar konturierte Oberflächen. Teile, die vollständig durch Drehen gefertigt werden, umfassen oft Komponenten, die in begrenzten Stückzahlen verwendet werden, vielleicht für Prototypen, wie kundenspezifisch designte Wellen und Befestigungselemente.

Drehen wird auch häufig als sekundärer Prozess eingesetzt, um Merkmale an Teilen hinzuzufügen oder zu verfeinern, die mit einem anderen Verfahren hergestellt wurden. Aufgrund der hohen Toleranzen und Oberflächengüten, die das Drehen bieten kann, eignet es sich ideal, um präzise rotationssymmetrische Merkmale an einem Teil hinzuzufügen, dessen Grundform bereits geformt wurde.

Drehoperationen

Drehen ist die häufigste Drehmaschinenoperation. Während des Drehprozesses entfernt ein Schneidwerkzeug Material vom Außendurchmesser eines rotierenden Werkstücks. Das Hauptziel des Drehens ist es, den Werkstückdurchmesser auf das gewünschte Maß zu reduzieren. Es gibt zwei Arten von Drehoperationen: Schruppen und Schlichten.

Während des Prozesszyklus können verschiedene Operationen am Werkstück durchgeführt werden, um die gewünschte Form des Teils zu erhalten. Diese Operationen können als äußere oder innere Operationen klassifiziert werden.

Äußere Operationen verändern den Außendurchmesser des Teils, während innere Operationen den Innendurchmesser verändern. Die folgenden Operationen sind jeweils durch die Art des verwendeten Schneidwerkzeugs und den Pfad definiert, den dieses Werkzeug nimmt, um Material vom Werkstück zu entfernen.

Spezifische Drehoperationen (Äußere)

• Längsdrehen (Turning). Ein einschneidiges Drehwerkzeug bewegt sich axial, entlang der Seite des Werkstücks, und entfernt Material, um verschiedene Merkmale zu bilden, einschließlich Stufen, Konizitäten, Fasen und Konturen. Diese Merkmale werden typischerweise bei einer kleinen radialen Schnitttiefe und mehreren Zügen bearbeitet, bis der Enddurchmesser erreicht ist.
• Konusdrehen (Tapered Turning). Konusdrehen erzeugt eine zylindrische Form, die sich von einem Ende zum anderen allmählich im Durchmesser verringert.
• Hartdrehen (Hard Turning). Hartdrehen ist eine Art des Drehens an Materialien mit einer Rockwell-C-Härte größer als 45 HRC. Es wird typischerweise nach der Wärmebehandlung des Werkstücks durchgeführt. Der Prozess soll herkömmliche Schleifoperationen ersetzen oder begrenzen. Beim reinen Materialabtrag konkurriert Hartdrehen günstig mit dem Schruppschleifen. Wenn es jedoch für die Endbearbeitung angewendet wird, bei der Form und Maßhaltigkeit kritisch sind, ist Schleifen überlegen.
• Planen (Facing). Ein einschneidiges Drehwerkzeug bewegt sich radial, entlang des Endes des Werkstücks, und entfernt eine dünne Materialschicht, um eine glatte, ebene Fläche zu erzeugen. Die Tiefe der Planfläche, typischerweise sehr klein, kann in einem einzigen Zug bearbeitet werden oder durch Bearbeitung mit einer kleineren axialen Schnitttiefe und mehreren Zügen erreicht werden.
• Abstechen (Parting). Ähnlich wie beim Nuten, bewegt sich ein einschneidiges Abstechwerkzeug radial in die Seite des Werkstücks und fährt fort, bis die Mitte oder der Innendurchmesser des Werkstücks erreicht ist, wodurch ein Abschnitt des Werkstücks abgetrennt oder abgestochen wird.
• Nuten (Grooving). Ein einschneidiges Drehwerkzeug bewegt sich radial in die Seite des Werkstücks und schneidet eine Nut, die in der Breite dem Schneidwerkzeug entspricht. Mehrere Schnitte können gemacht werden, um Nuten zu bilden, die breiter sind als das Werkzeug, und spezielle Formwerkzeuge können verwendet werden, um Nuten mit unterschiedlichen Geometrien zu erzeugen.

Nicht-spezifische Operationen (Innere)

• Ausdrehen (Boring). Ein Ausdrehwerkzeug dringt axial in das Werkstück ein und schneidet entlang einer inneren Oberfläche, um verschiedene Merkmale wie Stufen, Konizitäten, Fasen und Konturen zu bilden. Das Ausdrehwerkzeug ist ein einschneidiges Schneidwerkzeug, das durch einen verstellbaren Ausdrehkopf auf den gewünschten Durchmesser eingestellt werden kann. Ausdrehen wird häufig nach dem Bohren eines Lochs durchgeführt, um den Durchmesser zu vergrößern oder präzisere Abmessungen zu erhalten.
• Bohren (Drilling). Wird verwendet, um Material von der Innenseite eines Werkstücks zu entfernen. Dieser Prozess nutzt Standardbohrer, die im Reitstock oder Werkzeughalter der Drehbank stationär gehalten werden. Der Prozess kann auch an separaten Bohrmaschinen durchgeführt werden.
• Rändeln (Knurling). Das Schneiden eines geriffelten Musters auf die Oberfläche eines Teils, um es als Handgriff oder zur optischen Aufwertung zu verwenden, mittels eines speziellen Rändelwerkzeugs.
• Reiben (Reaming). Ein Maßbearbeitungsvorgang, der eine kleine Menge Metall aus einem bereits gebohrten Loch entfernt. Er dient der Herstellung von Innenlöchern mit sehr präzisen Durchmessern. Beispiel: Ein 6-mm-Loch wird mit einem 5,98-mm-Bohrer vorgebohrt und dann auf das genaue Maß gereibt.
• Gewindeschneiden (Threading). Ein einschneidiges Gewindeschneidwerkzeug, typischerweise mit einer 60-Grad-Spitze, bewegt sich axial entlang der Seite des Werkstücks und schneidet Gewinde in die äußere Oberfläche. Die Gewinde können auf eine bestimmte Länge und Steigung geschnitten werden und erfordern möglicherweise mehrere Züge zur Formung.
• Polygondrehen (Polygonal Turning). Bei dem nicht-kreisförmige Formen ohne Unterbrechung der Rohmaterialrotation bearbeitet werden.

Schneidparameter

Beim Drehen werden die Geschwindigkeit und Bewegung des Schneidwerkzeugs durch mehrere Parameter festgelegt. Diese Parameter werden für jeden Vorgang basierend auf Werkstückmaterial, Werkzeugmaterial, Werkzeuggröße und mehr ausgewählt.

• Schnittvorschub (Cutting Feed) – Die Strecke, die das Schneidwerkzeug oder Werkstück während einer Spindelumdrehung zurücklegt, gemessen in Zoll pro Umdrehung (IPR). Bei manchen Operationen fährt das Werkzeug in das Werkstück, in anderen das Werkstück in das Werkzeug. Bei einem Mehrschneidenwerkzeug entspricht der Schnittvorschub auch dem Vorschub pro Zahn, gemessen in Zoll pro Zahn (IPT), multipliziert mit der Anzahl der Zähne am Schneidwerkzeug.
• Schnittgeschwindigkeit (Cutting Speed) – Die Geschwindigkeit der Werkstückoberfläche relativ zur Schneide des Werkzeugs während eines Schnitts, gemessen in Fuß pro Minute (SFM).
• Spindeldrehzahl (Spindle Speed) – Die Drehgeschwindigkeit der Spindel und des Werkstücks in Umdrehungen pro Minute (RPM). Die Spindeldrehzahl entspricht der Schnittgeschwindigkeit geteilt durch den Umfang des Werkstücks an der Schnittstelle. Um eine konstante Schnittgeschwindigkeit beizubehalten, muss die Spindeldrehzahl basierend auf dem Durchmesser des Schnitts variieren. Wird die Spindeldrehzahl konstant gehalten, variiert die Schnittgeschwindigkeit.
• Vorschubgeschwindigkeit (Feed Rate) – Die Geschwindigkeit der Bewegung des Schneidwerkzeugs relativ zum Werkstück während des Schnitts. Die Vorschubgeschwindigkeit wird in Zoll pro Minute (IPM) gemessen und ist das Produkt aus Schnittvorschub (IPR) und Spindeldrehzahl (RPM).
• Axiale Schnitttiefe (Axial Depth of Cut) – Die Tiefe des Werkzeugs entlang der Werkstückachse während eines Schnitts, wie bei einer Planoperation. Eine große axiale Schnitttiefe erfordert eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit, sonst resultiert eine hohe Belastung des Werkzeugs und verkürzt die Standzeit. Daher wird ein Merkmal typischerweise in mehreren Zügen bearbeitet, wobei das Werkzeug bei jedem Zug auf die festgelegte axiale Schnitttiefe vordringt.
• Radiale Schnitttiefe (Radial Depth of Cut) – Die Tiefe des Werkzeugs entlang des Radius des Werkstücks während eines Schnitts, wie bei einer Dreh- oder Ausdrehoperation. Eine große radiale Schnitttiefe erfordert eine niedrige Vorschubgeschwindigkeit, sonst resultiert eine hohe Belastung des Werkzeugs und verkürzt die Standzeit. Daher wird ein Merkmal oft in mehreren Schritten bearbeitet, während das Werkzeug bei der radialen Schnitttiefe seitlich versetzt wird.

Werkzeuge (Tooling)

Die verschiedenen Winkel, Formen und Größen eines einschneidigen Schneidwerkzeugs stehen in direktem Zusammenhang mit der resultierenden Oberfläche eines Werkstücks während der Zerspanungsoperationen. Es gibt verschiedene Arten von Winkeln wie Spanwinkel, Seitenwinkel, Schneidenwinkel, Freiwinkel, Eckenradius, die existieren und in Bezug auf das Werkstück unterschiedlich sein können.

Es gibt auch viele Formen von einschneidigen Schneidwerkzeugen wie V-förmig und quadratisch. Ein spezieller Werkzeughalter wird normalerweise verwendet, um das Schneidwerkzeug während der Operation an Ort und Stelle zu halten.

FAQs

Was ist Drehen?

Drehen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem ein Schneidwerkzeug, typischerweise ein nicht rotierendes Werkzeugplättchen, eine helicale Werkzeugbahn beschreibt, indem es sich mehr oder weniger linear bewegt, während sich das Werkstück dreht.

Was ist der Drehprozess?

Drehen ist eine Form der Zerspanung, ein Materialabtragsverfahren, das verwendet wird, um rotationssymmetrische Teile durch Abtragen unerwünschten Materials herzustellen. Der Drehprozess erfordert eine Drehmaschine oder Drehbank, ein Werkstück, eine Spannvorrichtung und ein Schneidwerkzeug.