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Drehverfahren und drehmaschinen
Allgemeines
Die technologische Bedeutung des Drehens kann am Anteil der produzierten Drehmaschinen am Gesamtwert der insgesamt produzierten spanabhebenden Werkzeugmaschinen gemessen werden: Die Drehmaschinen machen ca. 1/3 des Wertes aller spanenden Werkzeugmaschinen aus.
Das Drehen ist schon seit dem Altertum bekannt. Die Realisierung der Drehbewegung erfolgte zunächst durch den Schnurzugtrieb. Das Werkzeug wurde von Hand, mit Hilfe einer Unterstützung oder Auflage, geführt. Das Drehen wurde damals für die Holzbearbeitung verwendet und war besser bekannt unter dem Namen "Drechseln". Die Entwicklung der Drehmaschine als Werkzeugmaschine zur Metallbearbeitung erhielt nach der Erfindung der Dampf-maschine starken Auftrieb.
Übersicht der Drehverfahren
Die systematische Einteilung des Drehens erfolgt nach DIN E 85859, Teil 2.
Die Einteilung orientiert sich am Kriterium der Oberflächenfom und Kinematik des Zerspanungsvorganges.
Einteilung der Drehverfahren nach DIN E 8589 Teil 2
Längsdrehen: Drehen mit Vorschub parallel zur Werkstückachse.
Quer- oder Plandrehen: Drehen mit Vorschub senkrecht zur Werkstückachse.
Drehen zur Erzeugung ebener Flächen
A) Quer-Plandrehen, B) Längs-Plandrehen, C) Quer-Abstechdrehen
a Werkstück, b Werkzeug
Drehen zur Erzeugung kreiszylindrischer Flächen
A) Längs-Runddrehen, B) Schäldrehen, C) Quer-Runddrehen
a Werkstück, b Werkzeug
ab B) Schäldrehen wird nur bei großer Zerspanleistung als Schruppverfahren verwendet.
Gewindedrehen ist wirtschaftlich gesehen schlecht, weil viele Schnitte notwendig
sind. Zum Fertigen eines Gewindes ist ein Freistich notwendig.
Drehen zur Erzeugung von Schraubflächen (Schraubdrehen)
A) Gewindedrehen, B) Gewindestrehlen, C) Gewindeschneiden
a Werkstück, b Werkzeug
Gewindestähle wie Kammstähle haben mehrere Gewindeprofile und sind daher wirtschaftlich gesehen besser. Ein anderes Verfahren zur Gewindeherstellung ist zum Beispiel das Gewindedrücken oder Gewindewalzen welches nicht spanend ist.
/1.05/ Gewindestrehler /1.06/ Gewindeschneidköpfe
links: Flach-Gewindestrehler a Radialstrehlbacken, b Tangentialstrehlbacken,
rechts: Rund-Gewindestrehler c Rundstrehlbacken
/1.07/ Drehen zur Erzeugung beliebiger, durch ein Profilwerkzeug bestimmter, rotationssymmetrischer Flächen
A) Quer-Profildrehen, B) Quer-Einstechdrehen, C) Profil-Abstechdrehen
a Werkstück, b Werkzeug
/1.08/ Längs-Profildrehen mit rotierendem Profilwerkzeug
a Werkstück, b Werkzeug
/1.09/ Nachformdrehen /1.10/ Drehen zur Erzeugung beliebiger, durch Steuerung der Schnittbewegung
a Werkstück, b Werkzeug bestimmter, nicht rotaionssymmetrischer Flächen
A) Längs-Unrunddrehen, B) Einstech-Unrunddrehen
a Werkstück, b Werkzeug, c Steuereinrichtung
Werkzeuge beim Drehen
Ein Drehmeißel besteht grundsätzlich aus Schaft und Schneidkörper.
Der Schaft hat meist rechteckigen (1:1 oder 1:1,6) oder kreisförmigen Querschnitt und sollte aus einem Hochlegiereten -Werkzeugstahl bestehen.
Der Schneidstoff besteht zumeist aus Hartmetall oder Keramikwendeschneidplättchen bestehen.
Arten von Drehmeißeln
/1.11/ Arten von Drehmeißeln
/1.12/ Arten von Drehmeißeln
Schruppdrehmeißel
Kräftige Ausführung; für hohe Zerspanleistungen
Schlichtdrehmeißel
Abgerundete Schneidenspitze für höchste Oberflächengüten
/1.13/ Schrupp- und Schlichtdrehmeißel /1.14/Außen- und Innendrehmeißel
Außen- und Innendrehmeißel
Rechts- und Linksdrehmeißel
Bei Rechtsausführungen arbeitet man von rechts nach links.
/1.15/ Links- und Rechts-Drehmeießel /1.16/ Gerader, gebogener und abgesetzter Drehmeißel
Gerader, gebogener und abgesetzter Drehmeißel
Anwendung je nach Art der Dreharbeit und Zugänglichkeit der Bearbeitungsstelle.
Winkel am Drehmeißel
Die entsprechenden Winkel a, b, g, e, k, l sind am Drehmeißel wie folgt angeführt.
Für Schruppbearbeitung (Schwerstzerspanung) kann g auch negativ werden aber meisten ist der Winkel zwischen -3 und 10 Grad.
a = Freiwinkel , b = Keilwinkel , g = Spanwinkel , k = Einstellwinkel , e = Eckenwinkel ,
l = Neigungswinkel;
/1.17/ Winkel am Drehmeißel
/1.18/ Hauptsächlich verwendete Werkstoffe für Drehmeißel (Schneidstoffe)
Spannen der Drehmeißel und Werkstücke
Drehmeißel sind, zur Vermeidung von Schwingungen und Rattermarken, kurz einzuspannen, sowie seknrecht zur Werkstückachse (Beachtung des Einstellwinkels k) und mittig zum Werkstück.
/1.19/ Außermittige Einspannung des Drehens.
Schlechte Oberfläche beim Schlichten
Mögliche Abhilfen:
- höhere Schnittgeschwindigkeit (vermeidet Aufbauschneide)
- kleinerer Vorschub
- scharfes Werkzeug (neu geschliffen oder verscheißfesteres Werkzeug)
- Spannverhältnisse bzw. Schwingungen überprüfen
- günstigere Schneidengeometrie (größerer Eckenradius, größerer Spanwinkel)
- bessere Spanbafuhr (zur Vermeidung von Beschädigungen der Werkstückoberfläche)
Durch eine Vorschubverkleinerung und eine Vergrößerung des Eckenradius würde man theoretisch immer eine Verringerung der Oberflächenrauhigkeit erzielen. In der Praxis tritt allerdings nur bis zu einem bestimmten Wert eine Verbesserung der Oberflächenqualität ein, und zwar der Mindestspandicke.
Die Mindestspandicke ist jener Wert, bis zu dem das Werkzeug noch sauber und gleichmäßig schneidet.
Plangedrehte Oberfläche ist ungenügend
Jedoch ist die erreichbare Oberflächengüte beim Drehen bei einem Ra = 0,2 - 25 mm.
In einem bestimmten Durchmesserbereich ist die Oberfläche aufgerissen. Weil sich die Schnittgeschwindigkeit vom größten Durchmesser zum kleinsten (bzw. bei Vollmaterialien ist die Schnittgeschwindigkeit in der Mitte null) ändert, kann in einem bestimmten Bereich Aufbauschneide entstehen.
Abhilfe: Regelung auf konstante Schnittgeschwindigkeit
Berechnungsverfahren
Zerspanungskraftkomponenten und Zerspanleistung:
Schnittgeschwindigkeit: v = d.p.n
Vorschubgeschwindigkeit: u = s.n
Wirkgeschwindigkeit: ve = v + u
/1.20/ Geschwindigkeiten beim Drehen /1.21/ Spangrößen beim Drehen
Die Flächenlast auf den Schneidkeil wirkenden Schnittlasten werden durch die s.g. Zerspankraft FZ und ihre Komponenten ersetzt.
Kräfte beim Drehen: 1) Hauptschnittkraft Fs= A*Ks Ksspezifische Schnittkraft
A..Spanungsquerschnitt
2) Vorschubkraft (Fv)
3) Passivkraft (Fz) Fp
Fz
Fs
Fv
FZ = FS + FV + FP
100% 30% 10% für Drehen in % von FS
75% 20% 5% in % von FZ
Zerspanleistung: PZ = PS + PV = FS.v + FV.u
1.7) Berechnung der Hauptzeit:
Die Hauptzeit tH besteht aus der Summe aller Zeiten, in denen das Werkzeug am Werkstück die beabsichtigte Veränderung ausführt = Arbeit verrichtet.
Für Z=konst. gilt:
Z Zeitspanvolumen [mm³/s]
VZ zerspantes Volumen [mm³]
Ist das Zeitspanvolumen nicht konstant, so muß die Hauptzeit aus den, mit der Vorschubgeschwindigkeit zurückgelegten, Vorschubwegen ermittelt werden.
1.8) Drehmaschinen:
Allgemein ist zu sagen, daß Drehmaschinen eine hohe Eigenfrequenz haben und daher dies eine gute Dämpfung ergibt. Ein bevorzugtes Material ist hier z.B.: Grauguß.
Man sollte auch auf das Fundament achten, denn dieses sorgt auch für eine gute Dämpfung.
1.8.1) Konstruktive Gestaltung (Bauformen):
Bild 1.22 zeigt prinzipiell die Hauptbaugruppen einer Einständer-Karusselldrehmaschine mit verfahrbarem Ständer bei Gruppen- und Einzelvorschub. Der an älteren Maschinen übliche Gruppenvorschub leitet die Vorschubbewegung über eine Getriebekette vom Hauptantrieb ab. Das am Querbalken angeordnete, von Hand im Stand oder über Elektromagnetkupplungen unter Last schaltbare Stufengetriebe schaltet die jeweilige Vorschubgröße. Die Planbewegung des Schlittens wird über die Gewindespindel, die Senkrechtbewegung des Meißelschiebers über eine Schaltwelle vom Vorschubgetriebe abgeleitet.
/1.22/ Baugruppen einer Karusseldrehmaschine
Neuere Konstruktionen arbeiten mit Einzelvorschubantrieben, bei denen je ein regelbarer Motor, heute vorwiegend ein permanent erregter Gleichstrom-Servomotor, die senkrechte bzw. waagrechte Vorschub-bewegung erzeugt. Diese an bahngesteuerten Maschinen übliche Antriebsart bedingt steife und verspannte mechanische Übertragungselemente und Führungen, so daß auch an handgesteuerten Maschinen mit Einzelvorschubtechnik die bisherigen Unterschiede gegenüber NC-Maschinen verschwanden. Mit dem Servo-Motor, der den gesamten Vorschubregelbereich überdeckt, entfielen insbesondere auch die zahlreichen Zahnräder bzw. Kupplungen der Schaltgetriebe.
Übersicht der Drehmaschinen:
Um die vielfaltigen Ausführungsformen, die auf dem Markt angeboten werden, einordnen zu können, müssen möglichst unveränderliche und allgemein erkennbare Einteilungsgesichtspunkte herangezogen werden. Dies können sein:
1 - Lage der Hauptachse: senkrechte Bauweise, waagrechte Bauweise
2 - Lage des Bettes, Tisches: Horizontal-, Vertikal- und Schrägbett
3 - Automatisierungsgrad: Handbediente Drehmaschinen, programmgesteuerte Drehmaschinen
4 - Steuerungsart: Mechanisch, hydraulisch, elektrisch, elektrohydraulisch
5 - Art der Zuordnung von Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit
6 - Größe des Werkstückspektrums: Universal-, Mehrzweck-, Einzweckdrehmaschinen
7 - Grobform der Werkstücke: Wellenform, Scheibenform, Sonderform
8 - Art der Werkstückaufnahme: Spitzen, Futter, Spannzange, Planscheibe
9 - Anzahl der Werkstückaufnahme: Einspindel-, Mehrspindeldrehmaschine
10 - Werkzeugaufnahme: Einzel-, Mehrfachwerkzeugaufnahme, Werkzeugmagazin
Universaldrehmaschine:
Die Universaldrehmaschine ist in Betrieben mit Einzel- und Kleinserienfertigung die am haufigsten vertretene Fertigungseinrichtung. Für die unterschiedlichen Werkstückfamilien werden von den Herstellerfirmen zahlreiche Varianten angeboten, um einen wirtschaftlichen Einsatz über einen weiten Bereich fertigungstechnischer Anforderungen zu ermoglichen. Zu den Universaldrehmaschinen werden sowohl die handbedienten Leit- und Zugspindel-Drehmaschinen als auch universell einsetzbare programmgesteuerte Drehmaschinen gerechnet.
Bei der Spitzendrehmaschine kann das Werkstück zwischen den Spitzen der Arbeitsspindel und Reitstockes aufgenommen werden. Die Drehachse liegt meist waagrecht.
/1.23/ Leit- und Zugspindel-Drehbank (Bedienungsseite)
Mit Universaldrehmaschinen lassen sich alle üblichen Dreharbeiten ausführen. Für die Auswahl einer Drehmaschine sind einige Kenndaten von besonderer Bedeutung:
- Antriebsleistung in kW
- Spitzenhohe in mm: Maß für größtmöglichen Drehdurchmesser (= 2x Spitzenhöhe)
- Spitzenweite in mm: Maß für größtmögliche Drehlänge
- Drehzahlen in Umdrehung pro min.
- Anzahl der einstellbaren Vorschübe
Die verschiedenen Ausführungen der Universaldrehmaschinen sind im Prinzip ähnlich und baukastenförmig aufgebaut. Am häufigsten werden Drehmaschinen mit Waagrechtbett ausgeführt. Baukasten ermöglichen eine Vielfalt des Angebotes zu gewährleisten. Die Entwicklung geht von universell einsetzbaren Gebilden zu Lösungen, die optimal auf eine abgegrenzte Aufgabenstellung abgestimmt sind.
/1.24/ Aufbau von Universaldrehmaschinen; Baugruppenvarianten
1.8.3) Revolverdrehmaschine:
Diese Drehmaschinengruppe überdeckt in Abhängigkeit von der Steuerungsart den Bereich der handbedienten Drehmaschinen bis zum Drehautomat. Die Revolverdrehmaschine dient der Herstellung von Serien gleicher Werkstücke.
Dir nacheinander in Eingriff kommenden Werkzeuge sind in einem schwenkbaren Werkzeugrevolver untergebracht. Die Schwenkung der Werkzeugaufnahme erfolgt durch Handsteuerung oder automatisch nach jedem Arbeitsgang.
Das wesentliche Merkmal einer Revolverdrehmaschine ist, daß werkstückabhängige voreingestellte Werkzeuge in einem Mehrfachwerkzeugträger mit meist rotatorischer Werkzeugwechselbewegung (Revolverkopf) aufgenommen werden.
Bild 1.25 zeigt eine CNC-Drehmaschine mit vertikalem Bett.
Schutzscheibe Revolverkopf CNC
/1.25/ CNC-Drehmaschine mit vertikalem Bett
Zur Senkung der Bearbeitungszeit sind die Anordnung der Werkzeuge wie die Folge der Arbeitsgänge zu wählen, daß möglichst viele Werkzeuge simultan arbeiten. Die zusätzliche Ausrüstung mit Querschlitten ist möglich.
1.8.4) Revolverköpfe (= Revolverwerkzeughalter):
Zur Aufnahme mehrerer Werkzeuge wurde der Mehrfachstahlhalter weiter entwickelt. Die Werkzeuge werden nun am Umfang und/oder an der Stirnseite einer Scheibe eingesetzt, die entsprechend dem Arbeitsablauf schrittweise weitergeschaltet wird. Nach der Lage der Drehachse unterscheidet man mehrere Systeme.
a) TROMMELREVOLVER
Der Trommelrevolver
ist eine scheibenförmige Werkzeugaufnahme. Die Werkzeuge werden in Bohrungen an
den Stirnseiten eingesetzt (automatischer Werkzeugwechsel möglich).
Entsprechend der Indexierung sind in gleichen Abständen bis 16
Aufnahmebohrungen vorhanden. Weit verbreitet sind Revolverköpfe der
beschriebenen Bauart bei NC-Drehmaschinen, die hier als Trommelwerkzeugspeicher
bezeichnet werden.
Bild 1.26a
b) STERNREVOLVER
Beim Sternrevolver sind die Werkzeuge senkrecht oder schräg zur Revolverkopfachse angeordnet. Die Revolverkopfachse liegt oft senkrecht zur Hauptspindelachse. Da die Werkzeuge weit aus dem Revolverkopf auskragen und weit auseinanderstehen, eignen sich die Sternrevolver für Werkstücke mit großem Durchmesser. Bild 1.26b, c
/1.26/ Trommel- und Sternrevolver
c) FLACHTISCHREVOLVER
Der Flachtischrevolver ist eine Abwandlung des Sternrevolvers. Die Anordnung auf der Maschine entspricht der des Sternrevolvers. Auf dem sechs- oder viereckigen Grundkörper können auf jeder Seite mehrere Werkzeuge angebracht werden. Die Werkzeughalter werden in T-Nuten oder Prismenaufnahmen befestigt, wobei auch Mehrfachwerkzeughalter verwendet werden können. Das genaue Ausrichten ist schwieriger als bei einer Aufnahmebohrung. Bild 4.44
Vorteil: Höhere Flexibilität
/1.27/ Flachtischrevolver
A) Für Werkzeugsystem mit VDI-Zylinderschaft
B) Für Pittler 'Pimat'-System
d) SCHEIBENREVOLVER
Mit Scheibenrevolvern werden Werkzeugträger bezeichnet, bei denen die Werkzeugaufnahmen in der Scheibe versenkt angeordnet sind.
SONDERFORMEN:
Plandrehmaschine:
/1.28/ Plandrehmaschine
Karuselldrehmaschinen:
/1.29/ Karusseldrehmaschinen
Bauformen der Karusselldrehmaschinen
Unterschieden werden Ein- und Zweiständermaschinen mit ortsfesten oder verfahrbaren Gestellbauteilen und mehreren Werkzeugschlitten an Ständer und Querbalken.
/1.30/ Einständer-Karusseldrehmaschinen
/1.31/ Karusseldrehmaschinen für Drehdurchmesser > 3000 mm
Drehautomaten:
1.8.5.1) Allgemeines
Kennzeichnend für Automaten ist der vollständige selbstättige Abluf des Arbeitsvorganges. Während Bearbeitung und Werkzeugaufnahme ähnlich wie bei Revolverdrehmaschinen ausgeführt sind, werden die Befehle oder Signale für die einzelnen Funktionen nun von einem Datenträger abgenommen.
Diese Datenträger, etwa Kurvenscheiben bei den mechanischen Automaten und Lochstreifen bzw. Magnetbänder bei den elektronisch gesteuerten Maschinen tragen alle Befehle, die zur Fertigung eines Stückes notwendig sind. Sie müssen also je Werkstück eine Umdrehung bzw. einen Umlauf ausführen.
Als Drehautomaten im engeren Sinn bezeichnet man die mechanisch gesteuerten Automaten. Sie haben eine Steuerwelle, von der alle Befehle abgeleitet werden und die je Werkstück eine Umdrehung macht. Die Befehle werden durch Nocken, die gegen Rückholfedern arbeiten, oder durch formschüssige Kurven gegeben.
Um die vielfältigen Ausführungsformen, die auf dem Markt angeboten werden einordnen zu können, müssen möglichst allgemein erkennbare Einteilungsgesichtspunkte herangezogen werden. Dies können sein:
Automatisierungsgrad: Vollautomate, Halbautomaten
Steuerungsart: Kurvengesteuerte und programmgesteuerte Automaten
Anzahl der Hauptspindeln: Einspindel- und Mehrspindelautomaten
Werkstückform: Stangen- Futterautomaten
Lage der Hauptspindel: Waagrecht- und Senkrechtautomaten
Halbautomaten- Vollautomaten:
Halbautomaten sind Maschinen, bei denen das Auf- Abspannen der Werkstücke
von Hand erfolgen muß. Vollautomate sind Maschinen , bei dennen sämtliche
Tätigkeiten, einschließlich der Werkstoffzuführung bei Stangenautomaten oder
das Werkstück- Wechseln bei Futterautomaten, selbsttätig erfolgen.
Kurvengesteuerte Drehautomaten:
Die Drehautomaten waren die ersten automatisch arbeitenden spannenden
Werkzeugmaschinen (schon um 1870 in den USA).
Die Gründe für die Entwicklung der Automaten waren nicht nur die angestrebten
Leistungssteigerung und die Erleichterung der Maschinenbedienung, sondern die
von der menschlichen Geschicklichkeit unabhängige, gleichbleibende
Fertigungsgenauigkeit.
An einer Werkzeugmaschine kommen mehrere Steueraufgaben vor. Komplizierte Steuerungen bestehen eigentlich nur aus einer Summe einfacher Blockschaltungen, die sich zum Teil gegenseitig beeinflußen. Deshalb müssen wir nach ihrer Funktionsweise unterscheiden:
a.) Zentralsteuerung
Bei diesem Steuerungssystem werden mehrere unabhängige oder verkettete Vorgänge von einer Steuereinrichtung zentral gesteuert. Bild 1.32
/1.32/ Zentralsteuerung /1.33/ Folgesteuerung
b.) Folgesteuerung
Über Zwischenglieder der Steuereinrichtung löst ein Vorgang den nächsten aus. Als Beispiel zeigt Bild 1.33 einen hydraulischen Schlittenantrieb, dessen Bewegungsumsteuerung als Folge der vorgehenden Bewegung erziehlt wird.
c.) Programmsteuerung
Alle Bewegungs- und Schaltvorgänge laufen nach einem Fertigungsprogramm selbsttätig ab. Bild 1.34 zeigt den Steuermechanismus eines kurvengesteuerten Drehautomaten. Es sitzten praktisch mehrere Befehlsgeber auf einer gemeinsamen Welle, die für automatische Betätigung geeignet ist.
/1.34/ Steuerungsmechanismus: A) Nockensteuerung, B) Kurvensteuerung
Der Mehrkurvenautomat sei an einem vereinfachten Schema gezeigt (Bild 1.35). Die Steuerwelle wird direkt über Wechselräder angetrieben und leitet über Steuerkurven alle Funktionen ein.
/1.35/ Schema eines Mehrkurvenautomaten
a Schalten der Spindeldrehzahl
b Materialvorschub
c Werkstückspannung (Spannzange)
d Bewegung des Einstechschlittens
e Bewegung des Revolverkopfes
1.8.5.3) Einspindeldrehautomaten:
Der Arbeitsraum der mechanisch gesteuerten Einspindel- Drehautomaten ist
durch den Einsatz mehrerer simultan arbeitender Schlitten gekennzeichnet. Durch
Möglichkeit zur Senkung der Hauptzeit, die jedoch durch die Gefahr von
geometrischen und technologischen Kollisionenn eingeschränkt ist.
Unter diesen Automaten findet man Langdreh-, Kurzdreh-, Spitzdreh-, und
Revolverdrehautomaten. Als Beispiel sei das Prinzip der Revolverdrehautomaten
und Langdrehautomaten erwähnt.
a.) Revolverdrehautomat
Unter den Revolverdrehautomaten entspricht der Arbeitsraum etwa dem Bild 1.36.
Im Beispiel sind vier Radialschlitten angeordnet, von denen die beiden
Querschlitten auch mit einer Querfräs- oder Querlochbohreinrichtung ausgerüstet
werden können.
/1.36/ Revolverdrehautomat
b.) Langdrehautomaten
Langdrehautomaten werden vorwiegend für die Feinmechanik gebraucht.
Dies sind kurvengesteuerteMaschinen, die entgegen Revolverdrehautomaten keinen
Revolverkopf, aber ähnliche Werkzeuganordnung besitzen. Besonderes
Kennzeichen ist die axial verschiebbare Hauptspindel, mit deren Pinole der
Längsvorschub über Kurven gesteuert wird.
Kurvengesteuerte Einspindeldrehautomaten verarbeiten meist stangenförmigen
Werkstoff. Weniger häufig werden Rohteile aus Stangenabschnitten oder
vorbearbeitet angeliefert. Zur Bearbeitung von Werkstoffstangen zwischen 2 und
80 mm Durchmesser werden verschiedene Größen von Drehautomaten
hergestellt.
Typische Werkstücke für die Bearbeitung auf kurvengesteuerten Einspindeldrehautomaten:
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