3 Konstruktiver Aufbau von CNC-Maschinen

CNC-Technik • Lehrbrief 1 • Konstruktiver Aufbau von CNC-Maschinen
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Konstruktiver Aufbau von CNC-Maschinen
An CNC-Maschinen werden grundsätzlich höhere Anforderungen gestellt als an
herkömmliche Bearbeitungsmaschinen, d. h. CNC-Maschinen müssen höhere
Technologiewerte, wie Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit sowie eine höhere Verfügbarkeit, höchste Wiederholgenauigkeiten und eine höhere
Verfügbarkeit bei höherer Belastung (-Schicht-Betrieb) prozesssicher gewährleisten können. Diese Anforderungen bedingen auch besondere konstruktive Merkmale, die wir in diesem Kapitel näher beleuchten werden.
Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, zeigen die meisten modernen CNCMaschinen einen ähnlichen Aufbau. Moderne CNC-Maschinen verfügen über einen gekapselten Arbeitsraum und über ein stabiles Maschinengestell. Der Hauptantrieb ist stufenlos regelbar und es existiert für jede Achse ein Vorschubantrieb.
Weiterhin erfolgt der Werkzeugwechsel und der Palettenwechsel zum Einwechseln
vormontierter bzw. vor aufgespannten Werkstücken, automatisch. Lassen Sie uns
die einzelnen Komponenten genauer betrachten.
Abb� 3�1
Palettenwechseleinrichtung
3�1
Gekapselter Arbeitsraum
Zur Vermeidung von Unfällen wird der Arbeitsraum vollkommen gekapselt. Automatisierter Bewegungsablauf von Werkstück und Werkzeug, umherliegende Späne
sowie das eingesetzte Kühlschmiermittel machen dies notwendig. Die Steuerung
überwacht diese Absicherung und setzt die Maschine sofort still, wenn während
der Bearbeitung der Arbeitsraum geöffnet wird. Durch bruchsichere Scheiben
kann der Bearbeitungsprozess beobachtet werden.
Abb� 3�2
CNC-Fräsmaschine der Firma
DMG mit gekapseltem Arbeitsraum
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3�2 Maschinenbett
Maschinenbetten müssen höchsten Ansprüchen genügen. Stabile Maschinenbetten zu bauen, ist unter anderem das Ziel der Werkzeugmaschinenhersteller.
Eigensteife, thermisch stabile und schwingungsdämpfende Konstruktionen erlauben den Einsatz modernster Schneidstoffe mit den damit verbundenen extremen
Anforderungen an die Maschine.
Es gibt verschiedene Materialien, aus denen Maschinenbetten hergestellt werden.
Die gebräuchlichsten Materialen sind Grauguss, Stahlkonstruktionen und Kunstharzbeton (Polymerbeton).
Vergleichen wir nun die einzelnen Materialien des Maschinenbetts miteinander:
Maschinenbett aus Grauguss
Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Grauguss auf:
• Kostengünstig
• Gut zerspanbar
• Gute Dämpfungseigenschaften
• Wiederverwendbare Modellformen
• Geringe Dehnungsfähigkeit
• Ungünstiges Verschleißverhalten
• Preise vom Rohstoffmarkt abhängig
Maschinenbett aus Stahl
Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Stahl auf:
• Hohe Festigkeit
• Kleine Querschnitte möglich
• Gut zerspanbar
• Hohe Dehnungsfähigkeit
• Schlechte Dämpfungseigenschaften
• Aufwendige Maßnahmen zur Steiigkeit notwendig (z. B. Rippen)
• Bei Schweißkonstruktionen zusätzliche Arbeitsgänge notwendig (z. B. Spannungsarmglühen zur Verringerung von Eigenspannugen, die durch thermische Einlüsse beim Schweißen entstanden sind)
• Preise vom Rohstoffmarkt abhängig
Maschinenbett aus Kunstharzbeton (Polymerbeton)
Folgende Eigenschaften weist ein Maschinenbett aus Polymerbeton auf:
• Hohe statische und dynamische Steiigkeit
• Gute Dämpfungseigenschaften
• Unempindlich gegen Temperaturschwankungen
• Aushärtezeit nur 24 h
• Kein Schwinden
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• Keine Aufnahme von Kühlschmiermittel
• Hohe Oberlächengüte
• Kostengünstig (weniger Arbeitsgänge bei der Herstellung)
• Polymerbeton ist sehr bruchanfällig
Über 80% der Maschinebetten bei CNC-Maschinen bestehen noch heute aus
Grauguss. Stahl spielt bei der Herstellung in der heutigen Zeit eine eher untergeordnete Rolle. Somit haben die Maschinenbetten aus Polymerbeton einen Marktanteil von ca. 20%.
3�3 Antriebe
Bei Dreh- und Fräsmaschinen wird zwischen Hauptantrieb und Vorschubantrieb
unterschieden.
An den Hauptantrieb bei CNC-Maschinen werden wichtige Anforderungen gestellt.
Die wichtigsten sind kurze Anlauf- und Stillsetzungszeiten, geringer Drehzahl- und
Drehmomentabfall bei zunehmender Belastung. Weiterhin muss der Hauptantrieb
einen großen Drehzahlbereich abdecken können. Somit ist gewährleistet, dass
zum Beispiel CNC-Drehmaschinen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit programmiert werden können. Weiterhin muss an den Hauptantrieben eine Drehrichtungsänderung möglich sein.
Der Hauptantrieb erfolgt bei herkömmlichen CNC-Dreh- und Fräsmaschinen über
einen frequenzgeregelten Drehstrommotor (AC-Motor). Die Drehzahl ist, wie bereits angesprochen, stufenlos regelbar. Somit ist z. B. beim Drehen das Arbeiten
mit konstanter Schnittgeschwindigkeit auf Drehmaschinen möglich. Dies bedeutet,
dass die Steuerung dabei fortwährend, bezogen auf die Durchmesserposition der
Werkzeugschneide, die notwendige Drehzahl der Hauptspindel errechnet und diese entsprechend automatisch einstellt.
Die Arbeitsspindel wird über wenige oder sogar ohne vorgeschaltete Getriebestufen angetrieben. Übliche Antriebsleistungen liegen zwischen 5 kW und 40 kW, können aber auch Größen zwischen 50 und 00 kW annehmen, bei Schwerbearbeitungszentren sogar 50 kW.
Höchstdrehzahlen beim Drehen und Fräsen liegen normalerweise bei 8 000 /min
bis 2 000 /min. Optional sind aber noch wesentlich höhere Drehzahlen möglich.
So kommen z. B. beim sogenannten Hochgeschwindigkeitsfräsen Arbeitsspindeln
mit bis zu 00 000 /min zum Einsatz.
Natürlich werden auch an die Vorschubantriebe bei CNC-Maschinen besondere
Anforderungen gestellt. So ist ein konstanter Geschwindigkeitsverlauf von großer Bedeutung. Um die Vorschübe genau einhalten zu können, muss die Drehzahl
über den gesamten Bereich von der kleinsten Vorschubgeschwindigkeit bis zum
Eilgang regelbar sein, wobei auch bei kleinen Drehzahlen ein ruckfreier, gleichmäßiger Lauf gewährleistet sein muss. Auch spielt die hohe Dynamik eine große Rolle.
Hier ist zu beachten, dass das Trägheitsmoment des Motors klein sein muss, damit
der Motor schnell beschleunigen und in kurzer Zeit verzögern kann. Bei CNC-Maschinen ist zu 80% die Dynamik entscheidend für die Geschwindigkeit. Moderne CNC-Maschinen sind in der Lage mit bis zu g (-fache Erdbeschleunigung)
zu beschleunigen. Der Eilgang spielt bei kleineren Maschinen eine geringe Rolle,
er wird nur bei großen Verfahrwegen wichtig. Weiterhin sollte auf ein konstantes
Drehmoment geachtet werden. Das Drehmoment des Motors überwindet die Beschleunigungskraft, die Reibung in den Führungen sowie die Vorschubkraft für die
Zerspanung und besitzt eine hohe Steiigkeit, um Drehzahleinbrüche zu vermei-
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