CNC-Fräsen ist eines der beliebtesten Zerspanungsverfahren, das die Fertigungsprozesse in vielen Branchen revolutioniert hat. Durch die Kombination des traditionellen Fräsens mit der Technologie der computergesteuerten numerischen Steuerung (CNC) ermöglicht das CNC-Fräsen die Herstellung von Teilen mit komplexen Formen und hohen Maßtoleranzen, die die strengsten Anforderungen erfüllen. In diesem Artikel werden wir die Technologie des CNC-Fräsens, ihre Vorteile und Anwendungen genauer betrachten.
Was ist CNC-Fräsen?
CNC-Fräsen (computergesteuerte numerische Steuerung) ist eine Art der Zerspanung, die es ermöglicht, flache und geformte Oberflächen schnell mit Hilfe eines rotierenden Fräsers im Spindelstock einer Werkzeugmaschine zu formen. Die Bewegungen des Spindelstocks werden von einem Computer gesteuert, der numerischen Code interpretiert und in präzise Werkzeugbewegungen umsetzt. Dadurch ist es möglich, komplexe Formen und Details zu erzielen, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden nur schwer oder gar nicht herzustellen wären.
Wie sieht CNC-Fräsen aus?
Der Fräser, der in der Spindel (die Teil des Fräszentrums ist) montiert ist, trägt nach und nach die oberste Schicht des Werkstücks (überschüssiges Material) ab, um die gewünschte Größe und Form zu erhalten. Die Bewegungen des Fräskopfes werden von einer CNC-Steuerung gesteuert, die eine vorgegebene Bewegungsfolge in mindestens einer Ebene ausführt. Diese Parameter, wie z. B. Schnitttiefe, Drehzahl oder Vorschub, werden im Programm festgelegt und an die Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials und die gewünschte Oberflächenqualität angepasst.
Durch den Einsatz von Computersteuerung (wobei die Bewegungen des Fräsers in vielen Ebenen von Aktoren und Relais gesteuert werden) und die Möglichkeit, den Prozess des Ein- und Ausbringens von bearbeiteten Elementen in den Arbeitsbereich der CNC-Fräsmaschine zu automatisieren, ist Folgendes möglich:
- sehr schnelle und wiederholgenaue Produktion großer Stückzahlen - insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden,
- niedrigere Stückkosten bei der Teilefertigung - besonders deutlich bei größeren Projekten,
- Einhaltung von engen Maßtoleranzen zwischen Teilen, die in einer Charge und sogar in verschiedenen Chargen hergestellt wurden,
- Verbesserung der Arbeitssicherheit,
- Verringerung des Risikos menschlicher Fehler und der Anzahl der Teile, die bei der Qualitätskontrolle aussortiert werden,
- Optimierung des Personaleinsatzes - ein Mitarbeiter kann die Arbeit mehrerer CNC-Maschinen überwachen (bei herkömmlichen Fräsmaschinen kann eine Person nur eine Maschine in einem bestimmten Zeitrahmen bedienen).
Diese Eigenschaften machen die CNC-Fräsdienstleistung unverzichtbar für Anwendungen, die eine sehr hohe Produktionsqualität und die Einhaltung wiederholbarer Abmessungen der gefertigten Elemente erfordern.
Der CNC-Fräsprozess
Der CNC-Fräsprozess kann in mehrere wichtige Schritte unterteilt werden:
- Konstruktion: Der erste Schritt ist die Erstellung eines Teiledesigns in einem CAD-Programm (Computer-Aided Design). Dieser Entwurf enthält alle Informationen über Form, Abmessungen und Toleranzen des Teils.
- Programmierung: Anschließend wird der CAD-Entwurf in ein CAM-Programm (Computer-Aided Manufacturing) importiert, wo ein Steuerungsprogramm für die CNC-Maschine erstellt wird. Dieses Programm legt den Werkzeugweg, die Schnittgeschwindigkeit, die Schnitttiefe und andere Bearbeitungsparameter fest.
- Maschineneinrichtung: Nach der Programmerstellung wird die CNC-Maschine für die Bearbeitung konfiguriert. Dazu gehören die Auswahl der geeigneten Werkzeuge, die Befestigung des Materials und die Einstellung der Maschinenparameter.
- Bearbeitung: Nach Abschluss der Konfiguration startet die CNC-Maschine den Bearbeitungsprozess und führt präzise Werkzeugbewegungen gemäß dem CAM-Programm aus.
- Qualitätskontrolle: Nach Abschluss der Bearbeitung wird das Teil einer Qualitätskontrolle unterzogen, um sicherzustellen, dass es alle Anforderungen erfüllt.
CNC-Fräsen ist ein automatisierter Prozess, der keine direkte menschliche Beteiligung an der manuellen Bearbeitung von Objekten und Teilen erfordert. Der CNC-Bediener bedient die Maschine über die Softwareoberfläche - er gibt die notwendigen Daten ein, verfolgt die Arbeit der Fräsmaschine und bearbeitet bei Bedarf die eingegebenen Parameter.
Nachbearbeitung
Es ist erwähnenswert, dass die Teile nach Abschluss des CNC-Fräsens an den Auftraggeber übergeben oder zusätzlichen Prozessen unterzogen werden können, die sich auf Folgendes konzentrieren können:
- Verbesserung der Glätte der erhaltenen Oberfläche (z. B. CNC-Schleifen oder Elektropolieren),
- Verbesserung der mechanischen Parameter der Oberfläche (Galvanotechnik im weitesten Sinne, z. B. Eloxieren von Aluminium oder Verzinken),
- Verbesserung der visuellen Eigenschaften oder der Beständigkeit gegen äußere Einflüsse (z. B. Pulverbeschichtung),
- Vorbereitung für die Weiterverarbeitung - in Fällen, in denen das CNC-Fräsen nur ein Schritt im Produktionsprozess ist (z. B. EDM).
Arten des CNC-Fräsens
Die CNC-Bearbeitung selbst kann in vielen Ebenen durchgeführt werden, die als "Achsen" bezeichnet werden. Die typische Produktion mit CNC-Fräsmaschinen erfolgt in 3 Achsen: horizontal (X), vertikal (Y) und Tiefe (Z). Diese Anordnung ermöglicht die Realisierung der meisten Standardprojekte. Bei komplexeren Prozessen, wie sie z. B. in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie erforderlich sind, werden jedoch mehrachsige CNC-Fräsmaschinen eingesetzt, z. B. 5-achsige. Dank der zusätzlichen Achsen ist es möglich, komplexe Formen und Details in einer Aufspannung zu bearbeiten, was die Präzision und Effizienz der Produktion deutlich erhöht.
CNC-Fräsen kann je nach Werkzeugbewegung, Fräserausrichtung und Maschinenkonstruktion in verschiedene Typen unterteilt werden. Hier sind die wichtigsten Unterteilungen:
Aufgrund der Werkzeugbewegung:
- Gleichlauffräsen - die Schneide des Fräsers bewegt sich in die gleiche Richtung wie der Vorschub des Materials. Dies ergibt eine glattere Oberfläche, erfordert aber eine präzisere Einstellung der Maschine.
- Gegenlauffräsen - die Schneide des Fräsers bewegt sich entgegen der Vorschubrichtung des Materials. Dies ist die gängigere Methode und einfacher zu kontrollieren.
Aufgrund der Fräserausrichtung:
- Walzenfräsen (Umfangsfräsen) - das Werkzeug trägt das Material hauptsächlich mit der Seitenfläche des Fräsers ab.
- Stirnfräsen - das Werkzeug trägt das Material mit dem Fräserende ab, was die Bearbeitung von ebenen Flächen ermöglicht.
- Schrägfräsen - das Werkzeug bewegt sich in einem bestimmten Winkel zur Materialoberfläche.
Materialien, die CNC-gefräst werden
CNC-Fräsen wird zur Bearbeitung einer Vielzahl von Materialien eingesetzt, darunter:
- Metalle (z. B. Blöcke aus Stahl, Aluminium, Messing, Bronze oder Titan),
- Kunststoffe (z. B. Blöcke aus verschiedenen Polymeren),
- Holz,
- und viele andere Materialien.
In der Praxis kann jedes Material, das mit einer herkömmlichen Fräsmaschine bearbeitet werden kann (also "zerspanbar" ist), auch mit einer CNC-Fräsmaschine bearbeitet werden. Natürlich erfordert jedes dieser Materialien andere Fräsparameter, den Einsatz geeigneter Werkzeuge (z. B. Fräser) oder Bearbeitungstechnologien (z. B. zusätzliche Wärmeabfuhr).
Anwendungen des CNC-Fräsens
CNC-Fräsen unterstützt vor allem Branchen, die eine Massenproduktion von Objekten erfordern, die strenge Gebrauchstauglichkeitsnormen (z. B. Umwelt-, Sicherheits-) oder hohe visuelle Anforderungen erfüllen. Derzeit wird CNC-Fräsen in folgenden Branchen eingesetzt:
- Luftfahrtindustrie - für die die ersten CNC-Werkzeugmaschinen entwickelt wurden und die dieses Produktionsverfahren ständig einsetzt (sowohl in der Militär- als auch in der zivilen Luftfahrt),
- Automobilindustrie - CNC-Zerspanung wird zur Herstellung von Teilen für die meisten Fahrzeugsysteme eingesetzt, vom Antrieb (z. B. Motorblöcke, Kolben) über das Bremssystem (z. B. Scheiben, Bremssättel) bis hin zur Karosserie und den Innenraumteilen,
- Erneuerbare-Energien-Branche - nutzt die numerische Bearbeitung zur Herstellung von Teilen für Photovoltaikmodule oder Windkraftanlagen,
- Energiebranche - die Massenproduktion von Komponenten für die Energieinfrastruktur wäre ohne numerische Zerspanung schwieriger,
- Medizinbranche - von chirurgischen Instrumenten bis hin zu fortschrittlichen Prothesen,
- Militärindustrie - nutzt die numerische Zerspanung in der Regel für die Massenproduktion von Waffenteilen, Fahrzeugen oder militärischer Ausrüstung,
- Haushaltsgeräte- und Unterhaltungselektronikindustrie im weitesten Sinne,
- Elektronikindustrie,
- in der Praxis jede Branche, die eine präzise Herstellung von Elementen in großen Stückzahlen benötigt.
Faktoren, die den Preis des CNC-Fräsens beeinflussen
Die Kosten für das CNC-Fräsen werden von vielen Faktoren bestimmt, daher sollte die Bewertung jedes Auftrags individuell erfolgen. Es gibt keine feste Preisliste für das CNC-Fräsen - daher muss jeder Auftrag individuell betrachtet werden. Der endgültige Preis für das CNC-Fräsen hängt von vielen Faktoren ab:
- Art des zu bearbeitenden Materials,
- Komplexität des Projekts,
- Verfügbarkeit von fertigen CAD/CAM-Dateien,
- Mechanische Parameter der Teile,
- Erwartete Lieferzeit,
- Technologische Parameter der Produktion,
- Größe des Auftrags,
- Zusätzliche Dienstleistungen (z. B. Waschen der Teile oder Durchführung anderer galvanischer Verfahren).
Zusammenfassung
CNC-Fräsen ist eine vielseitige und präzise Technologie, die die Fertigungsprozesse in vielen Branchen revolutioniert hat. Dank seiner Vorteile ist CNC zu einem unverzichtbaren Werkzeug bei der Herstellung von Teilen mit komplexen Formen und hohen Maßtoleranzen geworden. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird CNC eine immer wichtigere Rolle in der modernen Industrie spielen und die Herstellung von immer fortschrittlicheren Produkten ermöglichen.
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