Drehmaschine
Die Drehmaschine (auch Drehbank genannt) ist eine Werkzeugmaschine zur Herstellung von meist runden Werkstücken. Allen Drehmaschinen gemeinsam ist die Drehbewegung des Werkstückes und ein nicht drehendes Werkzeug.
Die Drehmaschine ist eine Sonderform der Drechselbank, die eine der ältesten Maschinen ist. Ohne die Drehmaschine hätte die industrielle Revolution so nicht stattgefunden, denn die Kolben der Dampfmaschine und andere Präzisionsteile an Motoren und Produktionsmaschinen konnten wirtschaftlich nur durch drehen hergestellt werden.
An ihr können zylindrische oder rechtwinklig zur Drehachse plane Flächen (rotationssymmetrische Formen) durch Trennen des Werkstoffs mit einer Schneide erzeugt werden. Die Schnittbewegung führt das Werkstück durch Rotation aus, während das Schneidwerkzeug (Drehmeißel) fest auf den Werkzeugschlitten gespannt ist und kontinuierlich einen Span abnimmt, indem der Schlitten längs sowie quer zur Rotationsachse des Werkstücks entlang der zu bearbeitenden Fläche bewegt wird.
Da moderne Drehmaschinen mit den ursprünglichen Drehbänken (siehe Bild unten) nur noch die Kinematik gemeinsam haben, sich in der Konstruktion aber erheblich unterscheiden, spricht man heute üblicherweise von Drehmaschinen.
Drehmaschinen, bei denen die Werkzeugbewegungen durch ein Computerprogramm in einer Steuerung gesteuert wird, werden CNC-Drehmaschinen genannt.
Geschichte
Die Entstehung der Drehmaschine lässt sich heute nicht mehr genau datieren, doch stellt sie eine Umkehrung der Kinematik des Bohrens dar. Die frühesten Funde, die aufgrund ihrer Form auf Drechselarbeiten schließen lassen, können auf des Ende des 2. Jahrtausends v. Chr. datiert werden und stammen aus dem mykenischen Raum. Jedoch sind die gefundenen Hölzer derart verwittert, dass die für das Drechseln typischen Rillen nicht mehr zu erkennen sind und damit der letzte Beweis ausbleibt. Die ersten sicher als Drechselarbeiten identifizierten Werkstücke endeckte man in einem Grab bei Corneto, der sogenannten Tomba del Guerriero (Grab des Kriegers), dass auf das frühe 7. Jahrhundert v. Chr. datierbar ist. Die erste Darstellung, die das Prinzip der Drehbank beschreibt, fand man in einem ägyptischen Grab, dem Grab des Petosiris aus dem Jahre 300v. Chr[1]. Mit einer Schnur trieb ein Mann das Werkstück an, während der andere das Werkzeug gegen das Werkstück hielt. Nach Überlieferungen der griechischen Mythologie erfand Daidalos die Drehbank mit Schnürzug.
Aus dem 8. Jahrhundert n. Chr. stammt eine Zeichnung, bei der das Drehteil mit einer in einen Bogen gespannten Schnur (Fiedelbogenantrieb) durch hin- und hergehende Bewegung gedreht wurde. Im 13. Jahrhundert kam die Wipp- oder Wippendrehbank auf, bei der die Schnur mit einem Ende an einem Trittbrett und am anderen Ende an einer Feder, meist ein an der Decke befestigter Stock, befestigt war. Mit dieser Konstruktion konnte der Dreher mit dem Fuß die Apparatur antreiben und hatte beide Hände zum Führen des Werkzeugs frei.
Anfang des 15. Jahrhunderts nutzte man die Handkurbel als Antrieb. Auch Leonardo da Vinci erfand eine Drehbank, bei der eine Schwungscheibe über ein Trittbrett angetrieben wurde und so eine kontinuierlich Drehbewegung ermöglichte. Dieses Konzept konnte sich jedoch nicht durchsetzen. Aus dem Jahre 1480 stammt die erste Darstellung einer Drehbank mit Oberschlitten. Die Zeichnung beschreibt eine Drehbank mit hölzernem Werkzeugschlitten zur Zustellung des Drehmeißels und einem in Längsrichtung verfahrbaren Drehteil.
Jacques Besson konstruierte 1571 die erste Drehbank mit selbsttätigem mechanischen Vorschub über die Leitspindel. Den Werkzeugschlitten zogen zwei Gewichte über Umlenkrollen nach oben und pressten damit das Werkzeug an das Werkstück. Henry Maudslay gelang es schließlich 1800, den Werkzeugschlitten mit der Leitspindel zu koppeln und erfand damit den Kreuzsupport. Mit den dafür notwendigen präzise gearbeiteten Führungen war es erstmals möglich, gleiche, untereinander austauschbare Teile herzustellen. Kurz darauf konstruierte man den Planschlitten und koppelte auch ihn mit der Leitspindel. Maudslay wiederum setzte nun auch Wechselräder für den Vorschub ein, um Gewinde unterschiedlicher Steigung zu drehen. Die erste Leitspindeldrehmaschine in Deutschland kam 1810 aus London und wurde von der Maschinenfabrik Koenig & Bauer in Würzburg angeschafft. Die erste Karusselldrehbank, mit senkrecht stehendem Werkstück, fertigte 1839 der deutsche Ingenieur J. G. Bodmer.
Joseph Whitworth erweiterte 1840 die bekannte Drehbank um weitere verfügbare Werkzeuge und Schlitten (Mehrstahl- und Mehrschlittendrehbank). 1852 versuchte man mit der Kurbelzapfendrehbank aus den USA, die Schnittbewegung mit umlaufendem Werkzeug zu erzeugen, jedoch konnte dieses Verfahren nie ausreichend Akzeptanz erringen. 1852-1860 führte der Amerikaner Stephen Fitch den Oberschlitten als Revolver aus und erfand damit die Revolverdrehmaschine. Schon ein Jahr danach, 1861, erweiterte man die Drehbank um weitere Arbeitsspindeln. Die erste automatisierte Drehbank ließ Ch. M. Spencer 1873 patentieren. Die Leit- und Zugspindeldrehbank wurde 1880 entwickelt und konnte damals nahezu alle anfallenden Dreharbeiten erledigen. In den folgenden Jahre kamen immer neue Varianten der Drehmaschine mit verfeinerter Technik, wie die Kopierdrehbank, die von Schablonen oder Mustern über eine Abtasteinrichtung Kopien erstellte, und der Drehautomat, der automatisch bestimmte Vorschubbewegungen ausführte, auf den Markt.
Anfang der 1950 Jahre entwickelte man in den USA die ersten numerisch gesteuerten (NC-)Drehmaschinen, deren Werkzeugbewegungen und Drehzahlen von einer Steuerung überwacht werden, die mittels Lochstreifen ihre Befehle erhält. Der Lochstreifen wurde in den Steuerungen bis zum Ende der 1970er Jahre oft Satz für Satz mitlaufend verarbeitet: ein Steuerinformations-Datensatz wird in der Maschine abgearbeitet, derweilen liest die Steuerung den nächsten Datensatz ein und bereitet ihn rechnerisch für die nächste Bewegung auf. Der Fortschritt auf dem Gebiet der Datenverarbeitung wirkte sich seitdem unmittelbar auf die weitere Entwicklung der Drehmaschine aus.
Mechanisch wurde die Drehmaschine ab 1945 vor allem in der Genauigkeit und Geschwindigkeit verbessert.
Allgemeiner Aufbau
Die Drehmaschine wurde im Laufe ihrer Geschichte an viele spezielle Anwendungen angepasst. So steht heute ein breite Auswahl an verschiedenen Modellen zu Verfügung, die sich aber im grundsätzlichen Aufbau ähneln. Die Arbeitsspindel (Drehachse) ist bei kleinen Durchmessern des Werkstückes meist horizontal angeordnet, bei großen Durchmessern eher vertikal.
Gestell
Das Gestell ist entweder eine geschweißte Stahlkonstruktion oder aus Gusseisen gefertigt, selten auch als Verbundbauweise mit Beton und Kunststoff. Es trägt das Gewicht aller Bauteile, fängt die Kräfte aus dem Bearbeitungsprozess ab und muss dementsprechend stark und verwindungssteif konstruiert sein. Zusätzlich muss es eine gute Dämpfung besitzen um Schwingungen innerhalb der Maschine zuverlässig abbauen zu können. Gestell und das unten aufgeführte Maschinenbett bilden bei regulären Baugrößen eine Einheit; nur sehr kleine Tischdrehbänke und Uhrmacherdrehmaschinen haben eine Trennung der Einheiten „Bett“ (unmittelbar für den Bearbeitungsprozess) und Gestell (zum hochheben der Maschine auf eine dem Menschen bequeme Arbeitshöhe).
Drehmaschinenbett
Das waagerechte Drehmaschinenbett liegt an beiden Enden auf dem Gestell auf und trägt Werkzeugschlitten, Reitstock und Lünette. Da sich bei Drehmaschinen die Schneide ständig im Eingriff befindet, werden Maschinenteile zum Schwingen angeregt; eine Spanungsdickenmodulation entsteht. Diese vermindert die Oberflachengüte und die Maßhaltigkeit und erhöht den Werkzeugverschleiß, weswegen das Bett aus schwingungsdämpfendem Gusseisen mit Lamellengraphit oder Reaktionsharzbeton gegossen und die Hohlräume mit Sand oder kunstharzgebundenem Granit (Polymerbeton) ausgefüllt werden. Auf kleinen Maschinen bestehen Bett und Gestell aus einem Stück, und alle oben genannten Teile teilen sich zwei Führungen. Bei größere Maschinen verfährt der Werkzeugschlitten auf zwei gesonderten Führungen. Zur Verbesserung der Arbeitsleistung wird das gesamte Bett zur besseren Spanabfuhr oft auch geneigt (Schrägbett) oder über der Hauptspindel liegen kann. Da die Drehachse bei Karusselldrehmaschinen senkrecht steht, spricht man bei den Schlittenführungen nicht von einem Bett, sondern vom Maschinenständer. An Frontdrehmaschinen für flache Rotationsteile wiederum liegt das Bett quer zur Drehachse der Arbeitsspindel.
Spindelstock
Der Spindelstock liegt beinahe bei jeder Maschine auf der linken Seite. In kräftigen, vorgespannten und einstellbaren Präzisionswälzlagern wird dort die Arbeitsspindel geführt, welche oftmals als Hohlwelle ausgeführt ist, da dies die Formstabilität erhöht und eine Versorgung des Futters mit Stangenmaterial ermöglicht. Über Riementrieb (Flach-, Keil, oder Zahnriemen) und Getriebe ist die Arbeitsspindel mit dem Motor gekoppelt. CNC-Drehmaschinen und auch handbediente Maschinen mit stufenlos regelbarem Motor besitzen oft nur ein zwei- bis vierstufiges Getriebe. Dadurch kann auch innerhalb des Drehzahlregelbereiches eine konstante Schnittgeschwindigkeit bei variablen Drehdurchmessern, wie zum Beispiel beim Plandrehen, gewährleistet werden. Bei älteren Modellen handbedienter Maschinen hat das Getriebe 24 bis 52 Stufen, die mit zwei oder drei Hebeln umgeschaltet werden. Zusätzlich beinhaltet es bei manchen Maschinen ein Wendegetriebe, um die Drehrichtung der Spindel umzukehren. Jedoch ist es üblich, die Drehrichtung direkt am Motor zu ändern.
Vorschub
Handbediente Universaldrehmaschinen verfügen noch über ein Vorschubgetriebe, das Kraft von der Arbeitsspindel ableitet und über Wechselräder und Vorschubgetriebe an Leit- und Zugspindel überträgt. Numerisch gesteuerte Maschinen verfügen dagegen für jede Bearbeitungsachse über einen eigenen Antrieb. Spielfreie Kugelgewindetriebe übertragen die Bewegung auf die Schlitten, wobei Vorschubgeschwindigkeiten bis 60 m/min und Beschleunigungen bis 8 m/s² möglich sind, gewöhnlich und besonders während der Bearbeitung aber deutlich niedriger liegen. Dem Werkzeugschlitten sind die Achsen in Längs- und Querrichtung (Z- und X-Achse) zugeordnet. Der Verfahrweg wird entweder an Skalenringen der Handräder abgelesen oder elektronisch mit Wegmesssystemen erfasst und angezeigt.
Werkzeugschlitten
Auf dem Bett verfährt in Längsrichtung der meist als Kreuzsupport ausgeführte Werkzeugschlitten, auf dem der Planschlitten quer zur Drehachse verfährt. Als Werkzeugträger befindet sich bei der handbedienten Leit- und Zugspindeldrehmaschine obenauf der Oberschlitten, der einen Werkzeughalter (oft als Schnellwechselhalter für wirtschaftlichen Werkzeugwechsel ausgeführt) trägt, bei CNC-Drehmaschinen auch oft einen Werkzeugrevolver zur Aufnahme mehrerer Werkzeuge. Zur Führung stehen verschiedene Systeme zur Auswahl, wobei gilt, dass besser dämpfende Führungssysteme die Oberflächengüte und Maßhaltigkeit erhöhen und dem Stick-Slip-Effekt entgegenwirken.
CNC-Drehmaschinen können heutzutage auf allen Werkzeugplätzen des Revolvers oder auf einem Teil davon (oftmals dann auf jedem zweiten Platz) auch mit Werkzeugen ausgerüstet werden, die mechanisch angetrieben werden, um mit ihnen zu bohren oder zu fräsen. Dies geht sehr oft einher mit einer sogenannten Spindelorientierung, bei der die Drehspindel auf einen beliebigen exakten Winkelwert positioniert und dann stillgesetzt werden kann. Die Drehspindel wird dann als eigene CNC-Achse von der Steuerung angesprochen und benötigt einen eigenen Spindeldrehgeber. Dies ermöglicht es, auch NC-gesteuert zusammen mit einer oder mehreren anderen Achsen komplexe geometrische Bewegungsabläufe abzuarbeiten (Mehrachsen-Interpolation).
Reitstock und Lünette
Der Reitstock dient zum Abstützen langer Drehteile und zur Aufnahme verschiedener Drehwerkzeuge. Bei konventionellen Drehmaschinen nimmt eine Pinole im Reitstock Werkzeuge mit Morsekegel auf, welche mit einem Handrad parallel zum Bett herausgedreht werden kann.
Mit der Lünette können lange, dünne Drehteile an jeder beliebigen Stelle abgestützt werden. Sie verhindert ein Schwingen und Durchbiegen des Werkstücks aufgrund des Eigengewichts und der Bearbeitungskräfte. Das Drehteil wird dabei mittels Gleit- oder Wälzlager an ausreichend breiten Stellen gelagert. Optional oder zusätzlich kann auch ein Schnittkraftkompensator verwendet werden.
Frontdrehmaschinen und Karusselldrehmaschinen haben aufgrund ihrer Auslegung meist weder Reitstock noch Lünette.
Arbeitsraum-Bestimmung
Mit den Maßen der oben angegebenen Komponenten lassen sich zunächst einige charakteristische Angaben machen über mögliche Abmessungen von Werkstücken, die sich auf der Drehmaschine bearbeiten lassen.
Man unterscheidet folgende Begriffe:
- Drehlänge zwischen den Spitzen
- Umlaufdurchmesser über dem Bett, Alternativangabe: Spitzenhöhe
- Umlaufdurchmesser über dem Bettschlitten
Die „Drehlänge zwischen Spitzen“ wird oft angegeben, indem das Futter der Drehmaschine abzubauen ist und eine kurze Stirnmitnehmereinheit in die hohle Arbeitsspindel montiert wird, aus der die scharfgratigen Mitnehmerspitzen nur wenig vorragen. Auf der rechten Seite der Drehmaschine wird oftmals eine ungelagerte, kurze starre Spitze in den Reitstock gesetzt, um diese maximale Drehlänge zu ermöglichen. Oft sind aber diese Ausrüstungen für den Drehzweck dann nicht optimal geeignet, sodass die real nutzbare Drehlänge abnimmt.
Die „Spitzenhöhe“ ist ein Radius-Maß, das in der Regel schräg von der Reitstockspitze gegen die nächste Führungsbahn des Maschinenbettes gemessen wird; Verdoppelung dieses Maßes liefert den Umlaufdurchmesser.
Der Umlaufdurchmesser über dem Bett ist jedoch oftmals keineswegs gleich dem maximalen Werkstückdurchmesser, da ein Werkstück zumeist von Backen am Futter noch außen gespannt werden muss, und auch diese Backen ebenso über dem Bett umlaufen können müssen. Nur bei innenspannbaren Werkstücken kann der Umlaufdurchmesser überm Bett knapp auch der Werkstückdurchmesser sein. In der Praxis geht es hier oft um wenige Millimeter, ob sich ein Werkstück auf einer bestimmten Maschine bearbeiten lässt oder eben nicht. Der Umlaufdurchmesser über Bett schließt zuallermeist den Werkzeugschlitten nicht ein: er muss hierbei rechts vom Werkstück verharren, und die Bearbeitung muss bei einem Werkstück, das so groß ist, dass der Schlitten nicht unterfahren kann, entweder auf der Stirnseite erfordern, oder aber mit lang auskragenden und somit instabilen Werkzeughaltern auf der Umfangsseite geschehen.
Der Umlaufdurchmesser über Bettschlitten wiederum ist oftmals erheblich kleiner als der Durchmesser überm Maschinenbett. Bei den allermeisten Drehmaschinen ist eine stabile Außenbearbeitung nur möglich, wenn der Schlitten unter das Dreh-Werkstück verfährt – und somit der Werkstückdurchmesser auf denjenigen „über Bettschlitten“ eingeschränkt ist. Da wiederum der Schlitten oft nicht „nackt“ bleibt, sondern mit unterschiedlich hohen Spannzeugen, Revolvern oder ähnlichem ebenso in den Maßen variiert, zählt nur eine Betrachtung im Ganzen. Zudem muss achtgegeben werden, dass sich die eventuell einzusetzenden Messmittel auch einsetzen lassen.
Die Frage zum ausreichenden Arbeitsraum einer Maschine lautet:
Lässt sich das vorgegebene Werkstück mit seinen Rohabmessungen (oder Vorabmessungen) mit den verfügbaren Spannmitteln stabil so einspannen, dass mit genügend stabilen Werkzeugen (samt ihren Einspannmitteln) sämtliche in der Zeichnung des Werkstücks angegebenen, zu bearbeitenden Drehflächen erreicht werden können, um (nicht nur eine im Extrem knapp mögliche, sondern auch) eine wirtschaftliche Bearbeitung durchzuführen?
Diese Frage ist mit schlichten Angaben wie „Spitzenhöhe 400 mal Spitzenweite 1200“ in aller Regel nicht beantwortbar.
Arten von Drehmaschinen
Universaldrehmaschinen
Bei handbedienten Maschinen ist die Leit- und Zugspindeldrehmaschine die heute meist eingesetzte Variante und bildet die Grundform der Universaldrehmaschine. Auf ihr lassen sich fast alle Drehverfahren anwenden und es stehen zahlreiche Erweiterungen zur Auswahl. Sie ist immer als Waagerechtdrehmaschine ausgelegt. Ihre Vorschübe können sowohl manuell als auch maschinell über Zug- und Leitspindel betätigt werden. Geringer Planungsaufwand, günstige Preise und der vielseitige Verwendungszweck ermöglichen in weiten Bereichen der Einzel- und Kleinstserienfertigung einfacher Drehteile einen wirtschaftlichen Einsatz.
Sind auf dem Schlitten mehrere Werkzeuge in einer drehbaren Vorrichtung, dem Revolverkopf angebracht, bezeichnet man die Maschine als Revolverdrehmaschine. Der Revolver-Werkzeugschlitten besteht aus Bettschlitten, Planschlitten und Revolverkopf. Bei den Revolverköpfen unterscheidet man, je nach Orientierung der Werkzeugachse, Stern- oder Scheibenrevolver mit senkrechter Achse und Trommelrevolver mit waagerechter Achse.
In der Serienfertigung haben die numerisch gesteuerten Maschinen die manuell bedienten Drehmaschinen abgelöst. In der Großserienfertigung sind darüber hinaus immer noch mechanisch programmgesteuerte Maschinen als Einspindel-Drehautomaten in Betrieb.
Bei der Nachformdrehmaschine (oder Kopierdrehmaschine) wird eine zwei- oder dreidimensionale Kontur mechanisch abgetastet und auf die Vorschubbewegung des Werkzeugs übertragen. Die Übertragung der Kontur erfolgt entweder direkt mechanisch an einem Prototyp, über eine Leitkurve bzw. Leitlineal oder über kraftverstärkende Systeme, wobei die Kontur über einen Kopierfühler abgetastet und hydraulisch oder elektrisch über ein Servosystem an das Werkzeug weitergegeben wird. Da numerisch gesteuerte Maschinen diese Aufgaben gleich oder besser erfüllen, ist auch dieser Maschinentyp weitgehend verschwunden.
Die CNC-Drehmaschine vereinigt die Vorteile aller Universaldrehmaschinen. Sie verfügt oft über eine zusätzliche Hilfsachse, die im allgemeinen als Drehachse der Arbeitsspindel zugeordnet ist. Jede Vorschubachse verfügt über einen eigenen Motor und ein Wegmesssystem. Der Werkzeugschlitten kann einen drehbaren Werkzeugrevolver aufnehmen und ist von Lünette und Reitstock getrennt geführt, um unabhängig von ihnen zu verfahren. Das Maschinenbett ist meist seitlich um ca. 30 ° geneigt, um eine bessere Späneabfuhr zu ermöglichen. Nur der Planungsaufwand sowie die Kosten bei Einzelanfertigungen einfacher Teile liegen teilweise höher als bei den mechanischen gesteuerten Alternativen.
Karusselldrehmaschinen
Eine Drehmaschine mit vertikaler Arbeitsspindel für besonders große Werkstücke nennt man Karusselldrehmaschine. Das Werkstück wird dabei auf eine horizontal drehende Planscheibe gespannt. Kleinere und mittelgroße Maschinen verfügen in der Serienproduktion über die Möglichkeit, ein Werkstück mitsamt der Planscheibe zu wechseln. Während die eine Scheibe mit Werkstück in Betrieb ist, kann auf der anderen das Werkstück gewechselt oder an die nächste Maschine übergeben werden. Um ein Umspannen des Werkstücks mit der damit verbundenen Lageabweichungen und die dafür notwendige Zeit zu vermeiden, wird die Karusselldrehmaschine auch mit Werkzeugaufnahmen zum Bohren und Fräsen ausgestattet. Die Länge der Drehteile ist begrenzt, da eine Möglichkeit zum Abstützen wie ein Reitstock oder eine Lünette fehlen. Durch Möglichkeit der großflächige Lagerung der Planscheibe, die bei großen hydrostatisch ausgeführt werden kann, können auch sehr schwere Werkstücke bearbeitet werden.
Vertikaldrehmaschinen
Vertikaldrehmaschinen für kleine Werkstücke verfügen über eine senkrechte Arbeitsspindel, die in der Regel ein Futter aufnimmt. In den meisten Fällen "hängt" die Spindel an einer waagerechten Führung und führt einzelne oder alle Vorschubbewegungen aus. Die Versorgung mit Werkstücken übernimmt dabei oft die Arbeitsspindel (Pick-up-Spindel). Mit gesteuertem Futter legt sie das fertige Werkstück ab, greift sich ein neues Rohteil und fährt zurück in die Arbeitsposition. Die Drehwerkzeuge werden wie bei jeder modernen Maschine in einem Revolverkopf aufgenommen. Zur Rundumbearbeitung gibt es Zweispindel-Vertikaldrehmaschinen mit versetzt entgegengerichteten Arbeitsspindeln. Hat die "hängende" Spindel ihr Programm abgefahren, gibt sie das Werkstück selbstständig an die zweite "stehende" Spindel weiter, auf der anschließend die Rückseite des Teils bearbeitet wird. Der Werkzeugschlitten der zweiten Spindel verfährt dabei auf den gleichen Führungen wie die "hängende" Spindel und führt alle Vorschubbewegungen aus.
Drehautomaten
Für die Fertigung von größeren Stückzahlen einfacher Teile (z. B. Schrauben, Muttern u. ä.) werden Drehautomaten verwendet, die einen mit mehreren Werkzeugen bestückten und durch einen mechanischen Ablaufantrieb in entsprechenden Takten gesteuerten Schlitten (sowie Spannkopf und ggf. auch Reitstock) haben. Es gibt sie in Ein- und Mehrspindelausführung. Die Maschinen verfügen immer über eine automatische Werkstückversorgung, gelegentlich auch über Werkzeugwechseleinrichtungen. Bei Einspindelmaschinen kann manchmal das stangenförmige Halbzeug durch die Hohlspindel mechanisch durchgeschoben werden. Automatisierte Werkstoffhandhabung ermöglicht die Verkettung mehrerer Maschinen. Die mechanische Steuerung der Maschinen wird in zunehmenden Maße durch numerische Steuerungen abgelöst, wobei eine Steuerung auch mehrere Maschinen steuern kann.
Frontdrehmaschinen
Auf Frontdrehmaschinen werden kurze Werkstücke bearbeitet, die kein Abstützen durch den Reitstock benötigen, wie z. B. Bremstrommeln. Das Drehmaschinenbett liegt oder steht quer zur Drehachse der Hauptspindel, wodurch sich kompakte Maschinengrößen ergeben und ein gute Zugänglichkeit gewährleistet ist. Frontdrehmaschinen zur Futterbearbeitung werden häufig mit zwei oder mehr Spindeln und automatischen Werkstückwechsel ausgestattet.
Ultrapräzisionsdrehmaschinen
Besonders im optischen Bereich bei der Herstellung von Spiegeln, bei Formeinsätzen aus Nichteisenmetallen und zum Hartdrehen gehärteter Stähle kommen so genannte Ultrapräzisionsmaschinen zum Einsatz. Hochgenaue Linearführungen und Spindeln (Sub-Mikrometer-Toleranzen) sowie die Verwendung von "Einkorndiamanten" als Drehmeißelschneide sind wesentliche Unterscheidungsmerkmale. Da die Abtragsraten sehr gering sind (wenige Mikrometer), werden gut vorgeformte Rohlinge vorausgesetzt. Bei extremen Anforderungen an die Genauigkeit der Dreharbeit werden diese Maschinen vom Boden entkoppelt und in klimatisierten Räumen betrieben. Die Führung der Schlitten und die Lagerung der Spindel erfolgt meist mit aerostatischen oder hydrostatischen Systemen, da diese eine wesentlich bessere Dämpfung aufweisen. Modernste Hydrostatische Gewindespindeln eliminieren zudem zusätzlich Vibrationen, sind jedoch aufgrund der hohen Kosten nur vereinzelt anzutreffen. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Ultrapräzisionsmaschinen zielt derzeit auf einen Einsatz dieser Maschinen zur Bearbeitung gehärteter Stähle in der Massenproduktion als Alternative zum Schleifen ab.
Bohrwerke
Den Drehmaschinen im Aussehen ähnlich können spezielle Bohrwerke sein, die für die Innenbearbeitung hohler Werkstücke bestimmt sind. Sie gehören jedoch nicht zu Drehmaschinen, da bei ihnen die Werkzeuge rotieren und die Werkstücke fest eingespannt sind.
Sonderformen
Nicht nur in der Massenproduktion sind spezielle Drehmaschinen rentabel, auch für Kleinserien können Maschinen den Bedürfnissen entsprechend mit Normteilen nach dem Baukastenprinzip gebaut werden. So gibt es beispielsweise spezielle Drehmaschinen für Nockenwellen, Turbinenräder, Achsen und Kurbelwellen. Insbesondere auch in der Feinmechanik gibt es hoch spezielle Drehmaschinen. In der Uhrmacherei ist dies die Uhrmacherdrehbank oder auch „Decolletagemaschinen“. Im Uhrmachergewerbe nennt man sie meistens immer noch Drehbank und nicht Drehmaschine. Auch die Bearbeitung von Radsätzen spezielle Drehmaschinen, die sogenannten Radsatzdrehmaschinen. Solche Drehmaschinen müssen über Einrichtungen verfügen, die in einer einzigen Aufspannung oder per automatisiertem Umspannen die komplette Rotationsgeometrie zu bearbeiten erlauben.
Es existieren Horizontaldrehmaschinen mit Umlaufdurchmessern von mehr als acht Metern und Drehlängen von ca. 30 Metern, die eine Großmaschinenhalle allein belegen (Siemens KWU in Mülheim an der Ruhr, zur Drehbearbeitung von Dampfturbinenläufern). Bei Vertikaldrehmaschinen (sogenannten „Karusseldrehbänken“) sind Werkstück-Umlaufdurchmesser auf der Planscheibe über 15 Metern realisiert, bei Bearbeitungshöhen bis zu zehn Metern (frühere Großteile-Fertigung bei Five-Caille in Lille, Nordfrankreich). Auf einer solchen Maschine könnte man somit ein mehrstöckiges Haus drehbearbeiten.
Ein weiteres Extrem sind ultragroße Karusselldrehmaschinen in Einzelkomponenten. In der Mineralindustrie (z.B. zur Erzgewinnung) werden vor Ort im Bergwerk (abseits von mechanischen Fertigungsstätten) Drehmaschinen-Komponenten eingesetzt, die nicht mehr über ein gemeinsames Maschinenbett verfügen. Ein Bearbeitungsfall ist das Drehen von teils über 25 Metern großen Durchmessern an Laufringen für Drehrohröfen und Rotationskonverter. Die Bearbeitung geschieht so, dass eine Plan-Antriebseinheit in den Boden einbetoniert wird, auf der ein Spannkreuz das Werkstück, den gegossenen Ring, trägt. 15 Meter radial im Abstand z.B. wird die Werkzeugschlitteneinheit einbetoniert. Messsysteme werden platziert, die die Maßzuordnung zwischen Antriebseinheit (Drehachse) und der Bearbeitungseinheit nicht nur statisch, sondern auch dynamisch zu erfassen erlauben. Während der laufenden Arbeit wird per Laserinterferometrie eine im Bearbeitungsprozess entstehende mögliche Distanzveränderung der Werkzeugeinheit zur Antriebseinheit in Echtzeit in mehreren Achsen gemessen und dementsprechend in der CNC korrigiert. Auch eine solche Maschine hat dennoch eine Art „Maschinenbett“: der Boden und damit das Erdreich, in das die Komponenten eingelassen sind. Schwingungen und Probleme aus der „Weichheit“ dieses „Maschinenbettes“ werden in der Steuerung kompensiert.
Da derartige Maschinen extrem teuer sind bei hohen achtstelligen Wiederbeschaffungswerten (weit über 20 Mio. EU), sind Bearbeitungen auf solchen Maschinen nicht nur sehr teuer für jede Bearbeitungs- bzw. Maschinenstunde; da oftmals auch die Hersteller solcher jahrzehntelang eingesetzten Maschinen nicht mehr existieren, wird mit hoher Sorgfalt darauf geachtet, dass diese Maschinen möglichst keinen Defekt erleiden, da Ersatz teils extrem schwierig bis unmöglich herzustellen wäre.
Drehmaschinen in der Serienproduktion
Die Kurzlebigkeit oder geringe Stückzahl vieler Produkte zwingt zum Einsatz flexibler Fertigungseinrichtungen, wie flexibler Fertigungszellen oder flexibler Fertigungssysteme. Vorhandene CNC-Drehmaschinen werden zu diesem Zweck mit verschiedenen Einrichtung versehen, um die Arbeitsabläufe zu automatisieren und dabei aber auch schnell das Fertigungsgut zu ändern. Anders sieht es bei starren Transferstraßen aus, da hier die Maschinen lange Zeit nur ein Werkstück herstellen. So kann auf eine hohe Flexibilität zugunsten der Durchlaufzeit verzichtet werden.
Drehzellen
Drehzellen bieten sich von der Klein- bis Großserienproduktion an und bestehen aus CNC-Drehmaschine zusammen mit einer Beschickungseinrichtung zur Werkstückver- und entsorgung und eventuell einem Transportsystem. Im einfachen Falle ist das ein Stangenvorschub, der nach Ende der Bearbeitung eines Werkstücks eine Dreimeter- oder Sechsmeterstange Material entklemmt und um ein definiertes Maß als Rohling für das nächste Werkstück aus der Spindelbohrung vorschiebt. In der Massenproduktion verfügen die Drehmaschinen oft über mehrere Spindeln und unabhängig agierende Werkzeugrevolver. Werkzeugwechsel sowie Werkstückbeschickung geschehen immer vollautomatisch. Über ein Transportsystem können sie mit anderen Zellen zu Fertigungsstraßen verkettet werden.
Drehsystem
Von einem Drehsystem wird dann gesprochen, wenn neben einer Werkstückwechselautomatik und den Werkzeugrevolvern auch die Werkzeuge selbst und eventuell darüber hinausgehend auch die Spannmittel oder die Messmittel automatisiert gewechselt werden können. Solche hochflexiblen Maschinen können teilweise mannlos ohne Maschinenbediener laufen.
Quellen
Literatur
- Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg Verlag, 6. Auflage November 2002 ISBN 3528349867
- Rainer Asch: Mathematik und Geometrie zur CNC-Technik, Vogel, Juli 2000 ISBN 3802314042
- Sven Jochmann: Untersuchungen zur Prozess- und Werkzeugauslegung beim Hochpräzisionshartdrehen, Shaker Verlag, August 2001 ISBN 3826592441
- Michael Stern und Hans Jendritzki: Der Uhrmacher an der Drehbank. Die Uhrmacherdrehmaschine, ihre Anwendung und Pflege, 3. Auflage 2006 ISBN 3980955702
- Frank Arbeiter: Drehen und Fräsen - Grundlagen, Neckar-Verlag, 2. Auflage Januar 2004 ISBN 3788306769
- Jürgen Eichardt: Drehen für Modellbauer 1. Das ABC des Hobbydrehers, Vth, 2. Auflage September 2004 ISBN 3881807136
