C-Achse bei einer 5-Achs-CNC-Maschine
Die C-Achse einer CNC-Maschine ist eine rotatorische Achse, die eine kontrollierte Drehbewegung um die lineare Z-Achse ausführt. Sie wird bei 5-Achs-Fräsmaschinen häufig mit einer A- oder B-Achse kombiniert und ermöglicht die Bearbeitung eines Werkstückes aus nahezu jeder zugänglichen Richtung.
Je nach Maschinenbauart kann sich der Maschinentisch, das Werkstück, der Fräskopf oder eine Arbeitsspindel um die C-Achse drehen. Die Bewegung wird von der CNC-Steuerung präzise positioniert und kann bei geeigneten Maschinen auch während der Bearbeitung kontinuierlich ausgeführt werden.
Welche Bewegung führt die C-Achse aus?
Nach der üblichen Achsdefinition beschreibt die C-Achse eine Drehbewegung um die Z-Achse:
| Achse | Bewegungsart |
|---|---|
| X-Achse | Lineare Bewegung |
| Y-Achse | Lineare Bewegung |
| Z-Achse | Lineare Bewegung |
| A-Achse | Rotation um die X-Achse |
| B-Achse | Rotation um die Y-Achse |
| C-Achse | Rotation um die Z-Achse |
Bei einem vertikalen Bearbeitungszentrum ist die Z-Achse normalerweise parallel zur Spindelachse ausgerichtet. Eine als Rundtisch ausgeführte C-Achse dreht das Werkstück deshalb meist horizontal um eine senkrechte Drehachse.
Die genaue räumliche Orientierung hängt jedoch von der Maschinenkonstruktion und dem verwendeten Koordinatensystem ab.
Der Drehmittelpunkt der C-Achse
Der Drehmittelpunkt der C-Achse liegt auf ihrer Rotationsachse. Bei einem Rundtisch verläuft diese Achse durch die geometrische Mitte des Tisches.
Während einer C-Achsen-Bewegung drehen sich alle Punkte des Werkstückes auf Kreisbahnen um diese zentrale Achse. Ein Punkt, der weiter vom Drehmittelpunkt entfernt liegt, legt bei derselben Winkelbewegung einen längeren Weg zurück als ein Punkt in der Nähe des Zentrums.
Für eine genaue Bearbeitung muss die CNC-Steuerung die exakte Lage des C-Achsen-Drehpunktes kennen. Abweichungen zwischen dem tatsächlichen und dem hinterlegten Drehmittelpunkt können zu Kontur-, Positions- und Winkelfehlern führen.
Aufbau einer C-Achse
Eine C-Achse besteht typischerweise aus:
- einem präzise gelagerten Rundtisch oder einer drehbaren Spindel,
- einem Servo- oder Torquemotor,
- einem hochauflösenden Weg- beziehungsweise Winkelmesssystem,
- einer mechanischen oder hydraulischen Klemmung,
- einer CNC-geregelten Antriebseinheit,
- einem definierten Referenz- und Nullpunkt.
Bei hochwertigen Bearbeitungszentren kommen häufig direkt angetriebene Rundtische mit Torquemotoren zum Einsatz. Dadurch lassen sich mechanisches Spiel reduzieren und hohe Positioniergeschwindigkeiten erreichen.
C-Achse als Rundtisch
Bei vielen 5-Achs-Fräsmaschinen ist die C-Achse als drehbarer Maschinentisch ausgeführt. Das Werkstück wird auf diesem Tisch gespannt und kann kontrolliert um die Z-Achse gedreht werden.
Diese Ausführung ermöglicht:
- die Bearbeitung mehrerer Werkstückseiten,
- das Fräsen kreisförmiger Konturen,
- gleichmäßig verteilte Bohrungen,
- die Bearbeitung komplexer Freiformflächen,
- eine genaue Winkelpositionierung,
- die Reduzierung notwendiger Umspannungen.
Häufig wird der C-Achsen-Rundtisch zusätzlich mit einer A- oder B-Achse kombiniert. Das Werkstück kann dann sowohl gedreht als auch geschwenkt werden.
C-Achse im Fräskopf
Bei bestimmten Maschinenkonzepten befindet sich die C-Achse im Fräskopf. Dabei dreht sich der komplette Kopf oder ein Teil der Werkzeugaufnahme um die Z-Achse.
Solche Konstruktionen werden beispielsweise bei Portalmaschinen oder speziellen 5-Achs-Köpfen eingesetzt. Sie eignen sich besonders für große Werkstücke, die während der Bearbeitung nicht bewegt werden sollen.
Die genaue Bezeichnung der Rotationsachsen richtet sich dabei nach der Maschinenkinematik und dem festgelegten Koordinatensystem.
C-Achse bei Dreh-Fräszentren
Bei einem Dreh-Fräszentrum kann die Hauptspindel zusätzlich als positionierbare C-Achse verwendet werden. Die Spindel dreht das Werkstück dann nicht nur mit einer vorgegebenen Drehzahl, sondern kann auch auf einen exakten Winkel positioniert werden.
Dadurch sind unter anderem folgende Bearbeitungen möglich:
- außermittige Bohrungen,
- Fräsflächen am Umfang,
- Nuten und Passfedernuten,
- Gewindebohrungen außerhalb der Werkstückmitte,
- gleichmäßig verteilte Bohrbilder,
- Gravuren auf zylindrischen Werkstücken,
- simultane Fräsbearbeitungen auf Mantelflächen.
Eine echte C-Achse unterscheidet sich von einer normalen Drehspindel durch die geregelte Winkelpositionierung und die Möglichkeit, die Drehbewegung mit weiteren Maschinenachsen zu interpolieren.
Positionierende und simultane Bearbeitung
Positionierende C-Achse
Bei der positionierenden Bearbeitung wird die C-Achse zunächst auf einen bestimmten Winkel gedreht. Anschließend wird sie geklemmt und die Bearbeitung erfolgt über die linearen Achsen.
Diese Bearbeitungsart wird häufig als 3+2-Bearbeitung bezeichnet, wenn zusätzlich eine weitere Rotationsachse positioniert wird.
Simultane C-Achse
Bei der simultanen Bearbeitung bewegt sich die C-Achse während des Fräsvorganges gemeinsam mit weiteren Maschinenachsen.
Dadurch können komplexe räumliche Konturen kontinuierlich bearbeitet werden. Die CNC-Steuerung berechnet fortlaufend die erforderlichen Bewegungen aller beteiligten Achsen.
Begrenzte und endlos drehende C-Achsen
Abhängig von der Maschinenkonstruktion kann die C-Achse einen begrenzten oder unbegrenzten Verfahrbereich besitzen.
Eine begrenzte C-Achse kann sich beispielsweise nur innerhalb eines festgelegten Winkelbereiches bewegen. Leitungen, Kabel und Versorgungssysteme begrenzen dabei häufig die mögliche Drehbewegung.
Eine endlos drehende C-Achse kann sich dagegen mehrfach vollständig um 360° drehen. Dies ist besonders bei Rundtischen, Dreh-Fräszentren und bestimmten Simultanbearbeitungen von Vorteil.
Die tatsächlich zulässigen Winkel und Drehzahlen müssen immer den technischen Daten der Maschine entnommen werden.
Zusammenhang zwischen Winkel und Wegstrecke
Bei einer Drehbewegung hängt die zurückgelegte Strecke eines Werkstückpunktes vom Abstand zur Drehachse ab.
Der Bogenweg lässt sich näherungsweise mit folgender Formel berechnen:
Bogenlänge = Radius × Winkel im Bogenmaß
Je größer der Abstand eines Bearbeitungspunktes zum C-Achsen-Zentrum ist, desto höher ist seine Bahngeschwindigkeit bei gleicher Winkelgeschwindigkeit.
Dieser Zusammenhang ist besonders bei simultanen Bearbeitungen wichtig. Die CNC-Steuerung muss die Bewegungen der linearen und rotatorischen Achsen so abstimmen, dass die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit an der Werkzeugschneide eingehalten wird.
Typische Anwendungen der C-Achse
Die C-Achse einer CNC-Maschine wird unter anderem eingesetzt für:
- Mehrseitenbearbeitung,
- kreisförmig verteilte Bohrungen,
- Freiformflächen,
- Impeller und Turbinenbauteile,
- Formen- und Werkzeugbau,
- medizinische Komponenten,
- Luft- und Raumfahrtbauteile,
- zylindrische Gravuren,
- Fräsarbeiten auf Mantelflächen,
- komplexe Einzelteile und Kleinserien.
Vorteile der C-Achse
Eine CNC-gesteuerte C-Achse bietet zahlreiche Vorteile:
- präzise Winkelpositionierung,
- weniger Umspannvorgänge,
- Bearbeitung mehrerer Werkstückseiten,
- höhere Maß- und Wiederholgenauigkeit,
- kürzere Fertigungszeiten,
- komplexe Konturen in einer Aufspannung,
- geringeres Risiko von Aufspannfehlern,
- bessere Automatisierbarkeit der Fertigung.
Durch die Kombination mit einer A- oder B-Achse wird eine vollständige 5-Achs-Bearbeitung möglich.
Genauigkeit und Kalibrierung
Die Genauigkeit der C-Achse hängt von der Lagerung, dem Antrieb, dem Messsystem und der korrekten Maschinenkalibrierung ab.
Regelmäßig kontrolliert werden sollten:
- Rundlauf der Drehachse,
- Lage des Drehmittelpunktes,
- Positioniergenauigkeit,
- Wiederholgenauigkeit,
- Umkehrspiel,
- Klemmfunktion,
- Rechtwinkligkeit zur Z-Achse,
- Werkstücknullpunkt,
- Kinematikdaten der CNC-Steuerung.
Nach einer Maschinenkollision oder bei ungewöhnlichen Maßabweichungen sollte die Lage des C-Achsen-Zentrums erneut vermessen werden.
Kollisionsgefahr bei der C-Achse
Durch die Drehung des Werkstückes verändern sich die Abstände zu Spindel, Werkzeug, Spannmitteln und Maschinenverkleidung.
Besondere Aufmerksamkeit ist erforderlich bei:
- großen Werkstücken,
- weit auskragenden Spannmitteln,
- langen Werkzeugen,
- außermittiger Werkstückspannung,
- gleichzeitigen Schwenkbewegungen,
- begrenztem Arbeitsraum.
Eine Kollisionsprüfung im CAM-System hilft, kritische Bewegungen bereits vor der Bearbeitung zu erkennen.
Zusammenfassung
Die C-Achse einer CNC-Maschine führt eine kontrollierte Drehbewegung um die Z-Achse aus. Sie kann als Rundtisch, drehbarer Fräskopf oder positionierbare Arbeitsspindel ausgeführt sein.
In Kombination mit einer A- oder B-Achse ermöglicht sie die Bearbeitung komplexer Bauteile aus unterschiedlichen Richtungen. Entscheidend für präzise Ergebnisse sind ein korrekt vermessener Drehmittelpunkt, eine genaue Achskalibrierung und die fehlerfreie Abbildung der Maschinenkinematik in der CNC-Steuerung.