A-Achse – zusätzliche Rotationsachse bei CNC-Maschinen

Die A-Achse ist eine zusätzliche Rotationsachse bei CNC-Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren. Während sich die klassischen Linearachsen X, Y und Z geradlinig bewegen, beschreibt die A-Achse eine Drehbewegung um die X-Achse.

Durch den Einsatz einer A-Achse lassen sich Werkstücke während der Bearbeitung gezielt drehen und aus unterschiedlichen Winkeln bearbeiten. Dadurch können komplexe Bauteile häufig in einer einzigen Aufspannung gefertigt werden.

Definition der A-Achse

Bei CNC-Maschinen werden die drei linearen Hauptachsen üblicherweise wie folgt bezeichnet:

• X-Achse: lineare Bewegung in X-Richtung
• Y-Achse: lineare Bewegung in Y-Richtung
• Z-Achse: lineare Bewegung in Z-Richtung

Die zugehörigen Rotationsachsen sind:

• A-Achse: Rotation um die X-Achse
• B-Achse: Rotation um die Y-Achse
• C-Achse: Rotation um die Z-Achse

Die A-Achse erweitert eine klassische 3-Achs-CNC-Fräsmaschine somit um eine zusätzliche rotatorische Bewegungsmöglichkeit.

Wie funktioniert eine A-Achse?

Bei einer typischen A-Achse wird das Werkstück auf einem drehbaren Spannsystem befestigt. Dieses kann beispielsweise aus einem Teilapparat, einem Dreh- oder Rundtisch beziehungsweise einer speziell konstruierten Drehachse bestehen.

Ein Servomotor oder Schrittmotor bewegt das Werkstück über einen geeigneten Antrieb auf die programmierte Winkelposition.

Abhängig von der Konstruktion können beispielsweise Positionen wie

• 0°
• 45°
• 90°
• 180°
• 270°

präzise angefahren werden.

Moderne Systeme ermöglichen jedoch nicht nur einzelne Winkelpositionen, sondern eine praktisch beliebige Positionierung innerhalb des möglichen Verfahrbereichs.

3+1-Achs-Bearbeitung

Eine häufige Anwendung ist die sogenannte 3+1-Achs-Bearbeitung.

Hierbei erfolgt die eigentliche Fräsbearbeitung weiterhin über die drei Linearachsen X, Y und Z. Die A-Achse wird zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten verwendet, um das Werkstück in eine neue Position zu drehen.

Beispielsweise:

1. Bearbeitung der Oberseite
2. Werkzeug fährt vom Werkstück weg
3. A-Achse dreht das Werkstück um 90°
4. Bearbeitung der nächsten Seite
5. erneute Positionierung
6. Bearbeitung einer weiteren Seite

Der große Vorteil besteht darin, dass das Werkstück nicht manuell umgespannt werden muss.

Dadurch werden sowohl die Bearbeitungszeit als auch mögliche Spann- und Positionierungsfehler reduziert.

Simultane 4-Achs-Bearbeitung

Bei einer entsprechend ausgestatteten CNC-Steuerung kann die A-Achse auch gleichzeitig mit den Linearachsen bewegt werden.

Man spricht dann von einer simultanen 4-Achs-Bearbeitung.

Während sich das Werkzeug beispielsweise in X-, Y- oder Z-Richtung bewegt, dreht sich gleichzeitig das Werkstück.

Dadurch können komplexe Konturen hergestellt werden, die mit einer reinen 3-Achs-Bearbeitung nur schwer oder überhaupt nicht realisierbar wären.

Typische Anwendungen der A-Achse

Eine A-Achse kann für zahlreiche Bearbeitungsaufgaben eingesetzt werden, beispielsweise für:

• Bearbeitung mehrerer Werkstückseiten
• Gravuren auf zylindrischen Bauteilen
• Fräsen von Nuten auf Wellen
• Bohrungen in unterschiedlichen Winkelpositionen
• Herstellung rotationssymmetrischer Konturen
• Bearbeitung von Wellen
• Verzahnungen
• Schnecken
• spiralförmige Konturen
• komplexe 3D-Geometrien

Besonders bei Werkstücken, die ansonsten mehrfach umgespannt werden müssten, kann eine zusätzliche Drehachse die Fertigung erheblich vereinfachen.

A-Achse als Teilapparat

Eine vergleichsweise einfache Variante ist die Verwendung der A-Achse als CNC-gesteuerter Teilapparat.

Das Werkstück wird beispielsweise um einen definierten Winkel gedreht und anschließend bearbeitet.

Soll ein Bauteil beispielsweise sechs gleichmäßig verteilte Flächen erhalten, beträgt der erforderliche Winkel:

360° / 6 = 60°

Nach jeder Bearbeitung kann die A-Achse somit um 60° weiterdrehen.

Dieses Prinzip eignet sich beispielsweise für:

• Mehrkantprofile
• Lochbilder
• Verzahnungen
• Nuten
• gleichmäßig verteilte Bohrungen
• Gravuren

Direktantrieb und Getriebeantrieb

A-Achsen können unterschiedlich angetrieben werden.

Direktantrieb

Bei einem Direktantrieb wirkt der Motor unmittelbar auf die Drehachse.

Vorteile können eine hohe Dynamik und ein geringer mechanischer Verschleiß sein. Für hohe Drehmomente sind allerdings entsprechend leistungsfähige Antriebe erforderlich.

Schneckengetriebe

Bei vielen Teilapparaten wird ein Schneckengetriebe verwendet.

Die Untersetzung erhöht das verfügbare Drehmoment und ermöglicht eine sehr feine Positionierung. Konstruktionsbedingt kann jedoch Umkehrspiel entstehen, sofern dieses nicht mechanisch oder steuerungstechnisch kompensiert wird.

Zahnriemenantrieb

Auch Zahnriemen können zur Kraftübertragung eingesetzt werden. Sie ermöglichen eine vergleichsweise einfache Konstruktion und unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse.

Bedeutung des Umkehrspiels

Eine wichtige Größe bei mechanisch untersetzten A-Achsen ist das Umkehrspiel.

Wechselt die Drehrichtung, kann sich der Antrieb zunächst geringfügig bewegen, bevor sich auch das Werkstück tatsächlich bewegt.

Bei präzisen Bearbeitungen kann dieses Spiel zu Winkel- und Konturfehlern führen.

Hochwertige A-Achsen verwenden deshalb beispielsweise:

• vorgespannte Getriebe
• spielfreie oder spielarme Getriebekonzepte
• direkte Messsysteme
• steuerungsseitige Kompensation

Klemmung der A-Achse

Bei hohen Zerspanungskräften reicht es nicht immer aus, die gewünschte Winkelposition lediglich durch den Antrieb zu halten.

Professionelle Systeme können deshalb über eine zusätzliche mechanische, pneumatische oder hydraulische Klemmung verfügen.

Nach der Positionierung wird die Achse geklemmt. Dadurch können höhere Bearbeitungskräfte aufgenommen werden, ohne dass sich die Winkelposition verändert.

Dies ist insbesondere beim Schruppen oder bei großen Werkzeugdurchmessern von Bedeutung.

Werkstückspannung auf der A-Achse

Je nach Anwendung können unterschiedliche Spannmittel verwendet werden:

• Dreibackenfutter
• Vierbackenfutter
• Spannzangen
• Planscheiben
• spezielle Vorrichtungen
• Spannfutter mit Durchlass

Bei längeren Werkstücken kann zusätzlich ein Reitstock eingesetzt werden.

Dadurch wird das Werkstück auf der gegenüberliegenden Seite abgestützt und die Steifigkeit während der Bearbeitung erhöht.

Genauigkeit einer A-Achse

Für die Qualität der Bearbeitung sind insbesondere folgende Eigenschaften entscheidend:

• Positioniergenauigkeit
• Wiederholgenauigkeit
• Rundlauf
• Steifigkeit
• Umkehrspiel
• Lagerung
• Antriebssteifigkeit
• Qualität der Werkstückspannung

Je weiter die Bearbeitungsstelle von der Drehachse entfernt liegt, desto stärker wirken sich Winkelabweichungen auf die tatsächliche Position der Werkzeugschneide am Werkstück aus.

Vorteile einer A-Achse

Eine zusätzliche A-Achse kann die Möglichkeiten einer CNC-Fräsmaschine erheblich erweitern.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

• Bearbeitung mehrerer Werkstückseiten in einer Aufspannung
• weniger manuelles Umspannen
• höhere Wiederholgenauigkeit
• kürzere Nebenzeiten
• komplexere Werkstückgeometrien
• Bearbeitung zylindrischer Bauteile
• automatisierte Winkelpositionierung
• Möglichkeit zur simultanen 4-Achs-Bearbeitung

Insbesondere die Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung kann die Genauigkeit erhöhen, da Fehler durch erneutes Ausrichten und Spannen des Werkstücks reduziert werden.

A-Achse und CAM-Software

Für einfache Positionierarbeiten kann die Programmierung einer A-Achse vergleichsweise unkompliziert sein.

Bei einer simultanen Bearbeitung steigen die Anforderungen jedoch deutlich. Hierfür wird normalerweise eine geeignete CAM-Software mit Unterstützung für 4-Achs-Bearbeitung benötigt.

Dabei müssen unter anderem berücksichtigt werden:

• Werkzeugposition
• Werkstücknullpunkt
• Drehzentrum der A-Achse
• Werkzeuglänge
• Kollisionsbereiche
• Spannmittel
• Maschinenkinematik

Besonders wichtig ist die korrekte Bestimmung des Drehzentrums der A-Achse. Fehler bei dessen Einrichtung können unmittelbar zu Maß- und Konturabweichungen führen.

Fazit

Die A-Achse erweitert eine CNC-Fräsmaschine um eine rotatorische Bewegung um die X-Achse und eröffnet damit zahlreiche zusätzliche Bearbeitungsmöglichkeiten.

Bereits als einfache Positionierachse ermöglicht sie die Bearbeitung mehrerer Werkstückseiten ohne erneutes manuelles Umspannen. Bei einer simultanen 4-Achs-Steuerung können darüber hinaus komplexe Konturen, spiralförmige Geometrien und zylindrische Werkstücke kontinuierlich bearbeitet werden.

Entscheidend für präzise Ergebnisse sind eine steife Konstruktion, geringes Umkehrspiel, präzise Lagerung, zuverlässige Werkstückspannung sowie eine korrekt eingerichtete Maschinenkinematik.