Linearführungs-CNC-Drehmaschinen: Präzision, Geschwindigkeit und Leichtbau-Produktion

Eine Linearweg-CNC-Drehmaschine ist eine CNC-Drehmaschine mit Linearführungen, die Werkzeuge auf Linearschienen mit Führungsblöcken während des Betriebs tragen und bewegen. Die Linearweg-CNC-Drehmaschine ist für die Bearbeitung relativ leichter Werkstücke mit hoher Geschwindigkeit und Genauigkeit ausgelegt, was Herstellern von Leichtbau-Produktionen zugutekommt.

Eine CNC-Drehmaschine lässt Werkstücke mit der Drehspindel rotieren, und Schneidwerkzeuge traversieren oder oszillieren auf den Werkstücken, um Material von erforderlichen Bereichen abzutragen – entweder auf Oberflächen oder von Oberflächen bis in innere Bereiche. In Kombination mit CNC-Technologie können diese Prozesse mit computergestützter Einstellung und Steuerung von Geschwindigkeit, Positionen, Richtungen, Vorschüben etc. durchgeführt werden.

Bei Einsatz der CNC-Technologie in einer Drehmaschine gibt es von der Produktdesign bis zur Bearbeitung entsprechende Systeme für jede Aufgabe. Für das Produktdesign ermöglicht das CAD-System (Computer-Aided Design) Programmierern, 2D- oder 3D-Modelle zu entwerfen. Für die Bearbeitung wandelt das CAM-System (Computer-Aided Manufacturing) Programme in Codes als Anweisungen für die Prozesse um.

Zusätzlich zu Design- und Fertigungstechniken hat die Koordination der Komponenten an der CNC-Drehmaschine viel mit Arbeitseffizienz und Produktqualität zu tun. Sehen wir uns zuerst den Aufbau einer CNC-Drehmaschine an.

Aufbau einer CNC-Drehmaschine

An einer CNC-Drehmaschine gibt es mehrere Systeme mit Komponentenbaugruppen, die die für jeden Bearbeitungsvorgang erforderlichen Mechanismen bilden. Diese Systeme umfassen: Energieversorgungssystem, Werkstückspannsystem, Bearbeitungssystem und Bewegungsübertragungssystem.

Energieversorgungssystem

Das Energieversorgungssystem bezeichnet die Lieferung von Energie – hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch – von der Quelle zum Bewegungsübertragungssystem.

Werkstückspannsystem

Das Werkstückspannsystem enthält die Ausrüstung, die Werkstücke und Schneidwerkzeuge jeweils hält. Die Werkstückhalteausrüstung kombiniert die Drehspindel mit Spannvorrichtungen – entweder Spannfutter oder Spannzange –, die das Werkstück sichern, während es mit der Spindel rotiert.

Bearbeitungssystem

Das Bearbeitungssystem sind die Komponenten, die direkt am Arbeitsort teilnehmen: Drehspindel und Schneidwerkzeuge. Die Drehspindel ermöglicht die Werkstückbewegung. Am Hauptspindelstock mit der Spannvorrichtung befestigt, werden Werkstücke durch Spindeldrehung angetrieben. Schneidwerkzeuge sind speziell entwickelte Schneider mit Schneiden an den Spitzen, die Material mit Zähnen oder Nuten an den Klingen von den Werkstücken entfernen.

Bewegungsübertragungssystem

Das Bewegungsübertragungssystem leitet sich vom Energieversorgungssystem ab. Es enthält den Mechanismus, der bewegliche Teile einschließlich Spindel und Führungen bewegt – wandelt mechanische oder elektrische Energie in kinetische Energie in Dreh- oder Linearform um und liefert die für bewegliche Maschinenteile erforderliche Bewegung.

Welche Rolle spielen Führungen an einer CNC-Drehmaschine?

Unabhängig von der CNC-Maschinenart – CNC-Fräsmaschine oder CNC-Drehmaschine – werden Führungen für die Dreh- oder Linearbewegung verbundener Komponenten verwendet. Besonders bei der CNC-Drehmaschine dienen Führungen speziell der Bewegung der Schneidwerkzeuge.

An der CNC-Drehmaschine werden die Schneidwerkzeuge, die mit dem Werkzeughalter gehalten werden, zum Schneiden durch das Werkstück auf Achsen vorgeschoben, während die Führungsblöcke, die den Werkzeughalter tragen, vor- und zurückbewegen. Mit anderen Worten: Die Führungen ermöglichen die Bewegung der Schneidwerkzeuge. Was aber bewegt die Führungsblöcke?

Generell gibt es zwei gängige Führungsarten im Bewegungsübertragungssystem: Kastennuten (Box Ways) und Linearführungen (Linear Ways), benannt nach ihren Formen. Erstere werden auch Schwalbenschwanzführungen genannt, da sie kastenförmig mit Schwalbenschwanzverbindungen sind und eine breite Fläche haben, die schwerere Lasten aufnehmen kann. Letztere werden auch Lineargleitführungen genannt, da es sich um Linearlager mit schmaleren Führungsblockoberflächen handelt – besser für leichtere Lasten geeignet.

Woraus bestehen Linearführungen?

Linearführungen bestehen aus zwei Hauptteilen: Schienen und Führungsblöcken. Zwei Führungsblöcke sind auf zwei Schienenreihen angeordnet – der gängige Führungsbautyp an CNC-Drehmaschinen.

Schiene (Rail)

Die Schiene ist ähnlich wie Kugel- oder Rollenlager gestaltet, aber anders als die obere Fläche. Kugel- und Rollenlager sind zylindrisch ohne Kanten an den Seiten. Die Schiene der Linearführung hat eine flache Oberseite, die stabilen Halt für Führungsblock, Werkzeughalter und Schneidwerkzeuge bietet.

Führungsblock (Traveling Block)

Der Führungsblock sitzt oben auf der Schiene, erkennbar als Basis des Werkzeughalters an der CNC-Drehmaschine. Während des Betriebs wird der Werkzeughalter an der Führungsblockoberfläche befestigt. Wenn die Drehbewegung vom Energieversorgungssystem in Linearbewegung für die Schiene umgewandelt wird, treibt die Schiene den Führungsblock mit Hin- und Herbewegungen an, wodurch sich der Werkzeughalter bewegt.

Linearführungen vs. Kastennuten

Dynamische Steifigkeit

Die dynamische Steifigkeit der Führungen bezieht sich auf die Steifigkeit dieses Mechanismus in Bewegung. Da Kastennuten breitere Flächen für den Werkzeughalter bieten, ist der Mechanismus relativ stabiler im Vergleich zu den schmaleren Flächen der Linearführungen. Bei dynamischer Steifigkeit sind Kastennuten den Linearführungen überlegen.

Kompatible Anwendung

Je stabiler die Führungen, desto höher die Tragfähigkeit. Laut dynamischer Steifigkeit eignen sich Linearführungen für leichtere Lasten, Kastennuten werden bei schwereren Lasten bevorzugt.

Geschwindigkeit

Mit der Lastvariation wäre die Arbeitsgeschwindigkeit der Führungen unterschiedlich. Linearführungen für leichtere Lasten arbeiten schneller als Kastennuten für schwerere Lasten.

Schwingungsdämpfung

Wenn Mechanismuskomponenten sich bewegen, entsteht Vibration. Zur Bestimmung der Schwingungsdämpfungsfähigkeit der Führungen ist Stabilität entscheidend. Daraus folgt: Kastennuten performen besser bei Schwingungsdämpfung als Linearführungen.