Angetriebenes Werkzeug

Angetriebenes Werkzeug – Fräsen und Bohren auf der CNC-Drehmaschine

Ein angetriebenes Werkzeug ist ein Werkzeug auf einer CNC-Drehmaschine, das über einen eigenen beziehungsweise vom Werkzeugrevolver bereitgestellten rotierenden Antrieb verfügt. Im Gegensatz zu einem klassischen Drehwerkzeug steht die Schneide somit nicht fest, sondern das Werkzeug selbst wird in Rotation versetzt.

Dadurch können auf entsprechend ausgestatteten CNC-Drehmaschinen neben klassischen Drehoperationen auch Fräs-, Bohr-, Gewinde- und andere rotierende Bearbeitungen durchgeführt werden.

Angetriebene Werkzeuge erweitern die Möglichkeiten einer Drehmaschine erheblich und ermöglichen es, komplexe Werkstücke häufig komplett in einer einzigen Aufspannung zu fertigen.

Wie funktioniert ein angetriebenes Werkzeug?

Bei klassischen Drehoperationen rotiert das Werkstück in der Hauptspindel, während das Drehwerkzeug fest im Werkzeughalter sitzt.

Bei einem angetriebenen Werkzeug wird dagegen beispielsweise ein:

• Fräser
• Bohrer
• Gewindebohrer
• Reibwerkzeug
• Senker

in Rotation versetzt.

Die notwendige Antriebsleistung wird bei vielen CNC-Drehmaschinen über den Werkzeugrevolver bereitgestellt. Das angetriebene Werkzeug wird in eine dafür vorgesehene Revolverstation eingesetzt und über eine mechanische Schnittstelle mit dem Werkzeugantrieb verbunden.

Die CNC-Steuerung steuert anschließend Drehzahl, Drehrichtung und – abhängig von Maschine und Werkzeug – weitere Bearbeitungsparameter.

Voraussetzung: CNC-Drehmaschine mit Werkzeugantrieb

Nicht jede CNC-Drehmaschine kann angetriebene Werkzeuge verwenden.

Die Maschine benötigt einen entsprechend ausgelegten Werkzeugrevolver mit Werkzeugantrieb. Zusätzlich ist für viele Bearbeitungen eine steuerbare Hauptspindel beziehungsweise C-Achse erforderlich.

Damit kann die Hauptspindel nicht nur mit einer bestimmten Drehzahl rotieren, sondern das Werkstück auch auf definierte Winkelpositionen drehen und positionieren.

Beispielsweise kann ein Werkstück nacheinander auf:

C0° – C90° – C180° – C270°

positioniert werden.

An diesen Positionen können anschließend mit einem angetriebenen Werkzeug Bohrungen oder Fräsungen hergestellt werden.

Angetriebenes Werkzeug und C-Achse

Die Kombination aus angetriebenem Werkzeug und C-Achse ist für viele Bearbeitungsaufgaben besonders wichtig.

Die C-Achse ermöglicht die kontrollierte Winkelpositionierung der Hauptspindel.

Soll beispielsweise ein Flansch sechs gleichmäßig verteilte Bohrungen erhalten, beträgt der Winkelabstand:

360° / 6 = 60°

Die C-Achse kann das Werkstück entsprechend positionieren, während das angetriebene Werkzeug die einzelnen Bohrungen herstellt.

Je nach Maschinenkinematik und Steuerung sind auch interpolierte Bewegungen möglich.

Axial angetriebene Werkzeuge

Angetriebene Werkzeughalter werden unter anderem nach ihrer Bearbeitungsrichtung unterschieden.

Bei einem axial angetriebenen Werkzeug liegt die Werkzeugachse im Wesentlichen parallel zur Hauptspindelachse.

Diese Ausführung eignet sich beispielsweise für Bearbeitungen an der Stirnseite eines Werkstücks.

Typische Anwendungen sind:

• stirnseitiges Bohren
• Fräsen von Nuten
• Senken
• Gewindebohren
• Fräsen von Konturen
• Herstellung von Lochkreisen

Dadurch können viele Bearbeitungen direkt auf der Drehmaschine erfolgen, für die das Werkstück ansonsten auf eine Fräsmaschine umgespannt werden müsste.

Radial angetriebene Werkzeuge

Bei einem radial angetriebenen Werkzeug steht die Werkzeugachse quer beziehungsweise radial zur Hauptspindelachse.

Damit lassen sich beispielsweise Bearbeitungen an der Mantelfläche eines Werkstücks durchführen.

Typische Anwendungen sind:

• Querbohrungen
• Nuten auf Wellen
• Schlüsselflächen
• Gravuren
• Abflachungen
• radiale Gewindebohrungen
• Fräsbearbeitungen am Außendurchmesser

Gerade bei Wellen und komplexen Drehteilen bietet diese Bearbeitungsmöglichkeit erhebliche Vorteile.

Bohren mit angetriebenen Werkzeugen

Eine häufige Anwendung ist das Herstellen von Bohrungen außerhalb der Werkstückmitte.

Eine klassische Bohrung exakt in der Drehachse kann auf einer Drehmaschine häufig mit einem feststehenden Bohrer hergestellt werden, während das Werkstück rotiert.

Bei außermittigen oder radialen Bohrungen wird dagegen das Werkstück positioniert und der Bohrer über das angetriebene Werkzeug in Rotation versetzt.

Dadurch lassen sich beispielsweise Lochkreise oder Querbohrungen direkt auf der Drehmaschine fertigen.

Fräsen auf der CNC-Drehmaschine

Angetriebene Werkzeuge verwandeln eine entsprechend ausgestattete CNC-Drehmaschine funktional in eine Kombination aus Dreh- und Fräsmaschine.

Mit geeigneten Werkzeugen können beispielsweise hergestellt werden:

• Nuten
• Taschen
• Abflachungen
• Sechskantflächen
• Konturen
• Passfedernuten
• Langlöcher
• Gravuren

Welche Geometrien tatsächlich gefertigt werden können, hängt von der Maschinenkinematik und den verfügbaren Achsen ab.

Eine Maschine mit C- und Y-Achse bietet beispielsweise erheblich umfangreichere Fräsmöglichkeiten als eine Maschine, die lediglich über eine C-Achse verfügt.

Bedeutung der Y-Achse

Eine zusätzliche Y-Achse erweitert die Möglichkeiten angetriebener Werkzeuge nochmals deutlich.

Ohne Y-Achse sind die Werkzeugbewegungen durch die vorhandene Maschinenkinematik stärker eingeschränkt.

Mit einer Y-Achse kann das Werkzeug zusätzlich außerhalb der Drehmaschinen-Mittellinie positioniert werden.

Dadurch lassen sich unter anderem komplexere:

• Taschen
• Lochbilder
• Fräskonturen
• außermittige Bohrungen
• Flächen

herstellen.

Moderne Dreh-Fräszentren kombinieren deshalb häufig X-, Z-, C- und Y-Achsen.

Werkzeugaufnahmen für angetriebene Werkzeuge

Angetriebene Werkzeughalter können unterschiedliche Werkzeugaufnahmen besitzen.

Häufig eingesetzt werden beispielsweise:

• ER-Spannzangen
• Weldon-Aufnahmen
• Spannfutter
• Bohrfutter
• Gewindeschneidfutter
• spezielle Fräseraufnahmen

Besonders ER-Spannzangen ermöglichen den flexiblen Einsatz unterschiedlicher Werkzeugschaftdurchmesser.

Entscheidend ist ein möglichst guter Rundlauf, da Rundlauffehler insbesondere bei kleinen Fräsern und Bohrern die Werkzeugstandzeit und Bearbeitungsqualität erheblich beeinflussen können.

Übersetzungsverhältnis

Nicht jeder angetriebene Werkzeughalter besitzt zwingend eine Übersetzung von 1:1.

Je nach Ausführung können Getriebe verwendet werden, um Drehzahl oder Drehmoment an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen.

Eine Übersetzung kann beispielsweise eine höhere Werkzeugdrehzahl ermöglichen. Eine Untersetzung kann dagegen das verfügbare Drehmoment erhöhen.

Bei der Programmierung müssen deshalb die technischen Daten des jeweiligen Werkzeughalters berücksichtigt werden.

Drehzahl und Drehmoment

Angetriebene Werkzeuge erreichen normalerweise nicht automatisch dieselben Leistungswerte wie die Hauptspindel eines Bearbeitungszentrums.

Zu berücksichtigen sind insbesondere:

• maximal zulässige Drehzahl
• verfügbares Drehmoment
• maximale Antriebsleistung
• Übersetzungsverhältnis
• zulässige Werkzeuggröße
• maximale Belastung des Werkzeughalters

Ein großer Schaftfräser kann beispielsweise ein erheblich höheres Drehmoment benötigen als ein kleiner Bohrer.

Werkzeug und Schnittparameter müssen deshalb an die Leistungsfähigkeit des Werkzeugantriebs angepasst werden.

Kühlmittelzufuhr

Bei vielen angetriebenen Werkzeugen kann Kühlschmierstoff direkt zum Werkzeug geführt werden.

Je nach Ausführung erfolgt die Kühlung:

• extern über Kühlmitteldüsen
• durch den Werkzeughalter
• durch das Werkzeug

Eine gezielte Kühlmittelversorgung verbessert die Spanabfuhr und kann insbesondere bei tiefen Bohrungen oder anspruchsvollen Fräsoperationen die Prozesssicherheit erhöhen.

Vorteile angetriebener Werkzeuge

Der größte Vorteil liegt in der Möglichkeit zur Komplettbearbeitung eines Werkstücks auf einer Maschine.

Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile:

• weniger Umspannvorgänge
• kürzere Fertigungszeiten
• geringere Nebenzeiten
• höhere Wiederholgenauigkeit
• weniger Spannfehler
• Drehen und Fräsen in einer Aufspannung
• Herstellung komplexerer Drehteile
• geringerer Bedarf an zusätzlichen Maschinen

Besonders bei Serienbauteilen kann die Kombination aus Dreh- und Fräsbearbeitung erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten.

Genauigkeit durch Bearbeitung in einer Aufspannung

Jedes erneute Umspannen eines Werkstücks kann zusätzliche Lage- und Spannfehler verursachen.

Wird ein Werkstück zunächst gedreht und anschließend für Querbohrungen auf eine Fräsmaschine gespannt, muss es erneut exakt ausgerichtet werden.

Mit einem angetriebenen Werkzeug kann die zusätzliche Bearbeitung direkt auf der Drehmaschine erfolgen.

Dadurch bleiben wichtige geometrische Beziehungen zwischen:

• Drehdurchmesser
• Bohrungen
• Nuten
• Flächen
• Konturen

innerhalb derselben Aufspannung erhalten.

Das kann insbesondere bei engen Lage- und Positionstoleranzen von Vorteil sein.

Typische Anwendungen

Angetriebene Werkzeuge werden unter anderem eingesetzt für:

• Querbohrungen in Wellen
• Lochkreise
• Passfedernuten
• Schlüsselflächen
• Sechskantkonturen
• stirnseitige Bohrbilder
• Gewindebohrungen
• Gravuren
• kleine Taschen
• Fräskonturen
• komplexe Dreh-Frästeile

Damit sind sie insbesondere bei Bauteilen interessant, die sowohl rotationssymmetrische als auch prismatische Geometrien besitzen.

Worauf ist bei angetriebenen Werkzeugen zu achten?

Ein angetriebener Werkzeughalter muss exakt zur jeweiligen Maschine beziehungsweise zum verwendeten Revolver passen.

Wichtige Auswahlkriterien sind:

• Revolvertyp und Werkzeugschnittstelle
• axiale oder radiale Ausführung
• Werkzeugaufnahme
• maximale Drehzahl
• maximales Drehmoment
• Übersetzungsverhältnis
• Drehrichtung
• Kühlmittelversorgung
• Rundlaufgenauigkeit
• zulässige Werkzeugabmessungen

Angetriebene Werkzeughalter unterschiedlicher Maschinen sind deshalb nicht automatisch untereinander austauschbar.

Wartung angetriebener Werkzeuge

Ein angetriebenes Werkzeug enthält im Gegensatz zu einem klassischen Drehhalter bewegliche Komponenten.

Je nach Konstruktion gehören dazu:

• Lager
• Zahnräder
• Antriebswellen
• Dichtungen
• Kupplungselemente

Daher müssen die Wartungsvorgaben des Herstellers eingehalten werden.

Ungewöhnliche Geräusche, erhöhte Temperatur, Spiel oder zunehmender Rundlauffehler können Hinweise auf Verschleiß sein.

Angetriebenes Werkzeug und Dreh-Fräszentrum

Mit zunehmender Anzahl gesteuerter Achsen verschwimmt die klassische Trennung zwischen Dreh- und Fräsmaschine.

Eine CNC-Drehmaschine mit:

C-Achse + Y-Achse + angetriebenen Werkzeugen

kann bereits umfangreiche Fräsoperationen ausführen.

Komplexe Dreh-Fräszentren verfügen darüber hinaus beispielsweise über Gegenspindeln, zusätzliche Werkzeugträger oder separate Frässpindeln. Dadurch kann ein Werkstück vom Rohmaterial bis zum nahezu vollständig bearbeiteten Fertigteil innerhalb einer Maschine gefertigt werden.

Fazit

Ein angetriebenes Werkzeug erweitert die CNC-Drehmaschine um rotierende Bearbeitungsverfahren wie Fräsen, Bohren, Senken oder Gewindebohren.

Während bei einer klassischen Drehbearbeitung das Werkstück rotiert und das Werkzeug feststeht, wird beim angetriebenen Werkzeug das eingesetzte Schneidwerkzeug aktiv in Rotation versetzt.

In Kombination mit C- und gegebenenfalls Y-Achse lassen sich dadurch komplexe Werkstücke mit Dreh- und Fräsoperationen in einer Aufspannung herstellen. Dies reduziert Umspannvorgänge, verkürzt Fertigungszeiten und kann gleichzeitig die Genauigkeit zwischen den einzelnen Bearbeitungsmerkmalen verbessern.