Drehen

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Das Drehen gehört zu den spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide nach DIN 8580. Die in der DIN festgelegte Ordnungsnummer für das Verfahren Drehen ist die 3.2.1. Kennzeichnend für dieses Fertigungsverfahren ist die um die eigene Achse rotierende Bewegung des Werkstückes. Während es in der Vergangenheit fast ausschließlich für die Fertigung von runden Teilen, beispielsweise Schrauben oder Spindeln, eingesetzt wurde, wird es heutzutage für die Fertigung von Flanschen, Achsen, Wellen und sonstigen rotationssymmetrischen Werkstücken aus Metall verwendet. Mit dem Einsatz computergesteuerter Drehmaschinen ab den 1970er Jahren wurde auch die Herstellung komplexerer Formen wie Kegel oder Kugeln möglich.

Das Drehverfahren unterscheidet sich von anderen Fertigungsverfahren mit geometrisch vorbestimmter Schneide vor allem durch das stehende Werkzeug. Beim Fräsen und Bohren – dies sind bei beiden anderen wichtigsten Fertigungsverfahren in der Metallverarbeitung – steht das Werkstück still und die Werkzeuge rotieren, um einen Spanabtrag zu ermöglichen.

Verfahren

Einteilung nach DIN 8589

Die Drehverfahren werden in der ersten Gliederungsebene nach DIN 8589 nach der zu erzeugenden Form eingeteilt. Gemäß dieser Norm gibt es beim Drehverfahren sechs Ausprägungen:

  • Plandrehen (3.2.1.1): Bei diesem Verfahren werden ebene (plane) Flächen erzeugt, beispielsweise die Stirnflächen von Werkstücken. Diese Flächen liegen senkrecht zur Drehachse. Das Plandrehen lässt sich noch unterteilen in das Quer-Plandrehen, Längs-Plandrehen und Quer-Abstechdrehen:
    • Quer-Plandrehen (3.2.1.1.1): Das Werkzeug bewegt sich bei diesem Arbeitsschritt 90° zur Rotationsachse des Werkstückes. Es dient dem Planen der Stirnflächen und wird allgemein auch einfach nur als Plandrehen bezeichnet. Das Quer-Plandrehen ist oft der erst Bearbeitungsschritt, um eine Bezugskante zu erhalten. Beim Schruppen wird dabei von außen nach innen, beim Schlichten von innen nach außen gearbeitet.
    • Quer-Abstechdrehen (3.2.1.1.2): Das Quer-Abstechdrehen dient zur Abrennen von Wellen auf der Drehbank oder zum Einstechen von Nuten für zum Beispiel Sicherungen. Dabei wird eine dünne Schneide mit langen Schaft von außen bis hin zur Mitte in das Werkstück geführt, um über die Breite des Meißels das Werkstück zu Durchtrennen. Dies ist allerdings nur für kurze Wellenabschnitte sinnvoll, da das Werkstück bei diesem Arbeitsschritt stark vibriert und das abgestochene Stück umherfliegen kann.
    • Längs-Plandrehen (3.2.1.1.3): Das Längs-Plandrehen unterscheidet sich vom Quer-Plandrehen lediglich in der Bewegungsachse des Werkzeuges. Das Werkzeug bewegt sich dabei parallel zur Rotationsachse.
  • Runddrehen (3.2.1.2): Hier werden kreisrunde Formen erzeugt, die an der Außenfläche (Mantelfläche)der Werkstücke liegen. Dabei kann man noch weiter unterteilen in:
    • Längs-Runddrehen (3.2.1.2.1): Da in der Praxis beim Runddrehen fast immer das Längs-Runddrehen gemeint ist wird es auch oft als dieses bezeichnet. Das Werkzeug wird dabei parallel zur Rotationsachse geführt. Der Unterschied zum Längs-Plandrehen liegt in der Werkzeugwahl und der Toleranz.
    • Breitschlicht-Runddrehen (3.2.1.2.2): Bei dieser Variante kommen Werkzeuge mit großem Eckradius und sehr kleinem Einstellwinkel der Nebenschneide zum Einsatz zum Realisieren von großem Vorschub.
    • Schäl-Runddrehen (3.2.1.2.3): Das Schälen ist eine Sondervariante des Längs-Runddrehen bei dem mehrere Werkzeuge zum Einsatz kommen. Diese sind in der Regel dabei radial um das Werkstück angeordnet und erlauben hohe Vorschübe. Es wird häufig eingesetzt um Blankstähle herzustellen und ist durch sein hohes Zeitspanvolumen sehr wirtschaftlich, trotz einer erreichbaren Genauigkeit von 2-10 µm.
    • Längs-Abstechdrehen (3.2.1.2.4): Mit diesem Verfahren lassen sich Scheiben realisieren. Dabei sticht der Meißel an der Stirn in eine Scheibe.
    • Quer-Runddrehen (3.2.1.2.5): Das Quer-Runddrehen ist nur sehr selten bis kaum anzutreffen. Der Vorschub wird dabei senkrecht zur Rotationsachse angesetzt und das Werkzeug ist so breit wie die zu drehende Fläche.
  • Schraubdrehen (3.2.1.3): Das Schraubdrehen ermöglicht die Herstellung von Gewinden und etwaigen Steigungen. Hierzu gibt es folgende Möglichkeiten:
    • Gewindedrehen (3.2.1.3.1): Für das Gewindedrehen kommt ein Gewindemeißel zum Einsatz, welcher den exakten Winkel des Gewindes besitzt. Dieser kann 0 bis 80 ° betragen. Aufgrund der begrenzten Spanabnahme muss das Werkzeug mehrmals auf dem exakt gleichen Weg entlang geführt werden. Dabei ist das abstimmen von Drehzahl und Vorschub entscheidend für die passende Gewindesteigung. Auch muss das die Drehmaschine am Ende des Gewindes abbremsen und im Rücklauf laufen mit umgekehrten Vorschub. Das ist nur mit maschinellem Vorschub, besser noch mit CNC-Steuerung zu realisieren.
    • Gewindestrehlen (3.2.1.3.2): Für das Herstellen eines Gewindes kann ebenfalls ein mehrprofiliger Gewindestrehler verwendet werden. Dazu ist allerdings für jedes Gewinde ein spezieller Strehler notwendig mit dem passenden Zahnabstand. Dieses Verfahren ist eher für die Serien- und Massenproduktion geeignet, da es sich aufgrund höherer Anschaffungskosten erst ab gewissen Stückzahlen finanziell attraktiver gestaltet als das Gewindedrehen.
    • Gewindeschneiden (3.2.1.3.3): Für das Gewindeschneiden kommt entweder bei konventionellen Maschinen ein Schneideisen oder bei CNC-Maschinen ein Gewindeschneidkopf zum Einsatz. Dabei ist ein Freilauf notwendig, da der Vorschub durch das Werkzeug selbst erzeugt wird. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass Schneideisen auch manuell zur Herstellung von Gewinden genutzt werden können.
    • Weiterhin gibt es noch das Kegelgewindedrehen (3.2.1.3.4) und das Spiraldrehen (3.2.1.3.5) welche allerdings in der heutigen Fertigung keine große Relevanz besitzen.
  • Wälzdrehen (3.2.1.4): Dieses Verfahren wird benötigt, um Wälzflächen, beispielsweise Verzahnungen, herzustellen.
  • Profildrehen (3.2.1.5): An Maschinen ohne CNC-Steuerung können Profilwerkzeuge eingesetzt werden, die über eine Form (als negativ) jede beliebige Form des Werkstücks herstellen können. Das Profildrehen weist sich aus durch niedrige Bearbeitungszeiten und hohe Produktivität, welcher allerdings hohe Anschaffungskosten gegenüber stehen. Generell kann man nochmals unterteilen nach Ein- und Abstechen, sowie Längs- und Quer-Drehen:
    • Längs-Profildrehen (3.2.1.5.1): Beim Längs-Profildrehen kommen Werkzeuge zum Einsatz, welche eine Breite aufweisen, die mit der herzustellenden Form übereinstimmt. Die Vorschubbewegung findet parallel zur Rotationsachse statt.
    • Längs-Profileinstechdrehen (3.2.1.5.2): Dieses Verfahren ist ein Sonderfall des Längs-Profildrehen bei dem meist eine Nut eingestochen wird.
    • Längs-Profilabstechdrehen (3.2.1.5.3): Dieses Verfahren ist ebenfalls ein Sonderfall des Längs-Profildrehen bei dem das Werkstück gleichzeitig abgestochen wird.
    • Quer-Profildrehen (3.2.1.5.4): Beim Quer-Profildrehen wird ein Profilwerkzeug 90° zur Rotationsachse an das Werkstück herangeführt. Bei diesem Verfahren treten hohe Drehmomente auf, die auf Werkzeug und Maschine wirken.
    • Quer-Profileinstechdrehen (3.2.1.5.5): Dieses Verfahren ist ein Sonderfall des Quer-Profildrehen bei dem mehrere Werkzeuge eingesetzt werden.
    • Quer-Profilabstechdrehen (3.2.1.5.6): Dieses Verfahren ist ein Sonderfall des Quer-Profildrehen bei dem das Werkstück gleichzeitig abgestochen wird.
  • Formdrehen: Bei Maschinen mit Steuerung können beim Formdrehen beliebige Werkstückformen hergestellt werden. Unterschieden werden die einzelnen Verfahren hier vor allem Anhand des Freiheitsgrades:
    • Freiformdrehen (3.2.1.6.1): Hier wird über Handräder oder bei weichen Materialien über frei von Hand geführte Werkzeuge eine Form erzeugt. Diese Formen besitzen eine extrem schlechte Wiederholgenauigkeit und Formgenauigkeit.
    • Nachformdrehen (3.2.1.6.2): Beim Nachformdrehen wird die Form mittels eines Tasters an einer Schablone abgefahren uns 1:1 auf das Werkstück übertragen. Damit können Formen relativ wiederholgenau hergestellt werden.
    • kinematisches Formdrehen (3.2.1.6.3): Beim kinematischen Formdrehen werden die Vorschübe der einzelnen Achsen über mechanische Getriebe realisiert. Diese Möglichkeit kam vor allem bei Kugelköpfen zum Einsatz.
    • NC-Formdrehen (3.2.1.6.4): Das numerisch gesteuerte Drehen ist das heute gängige Verfahren zum Realisieren von komplexen Formen. Die vorher genannten Verfahren sind nur noch im Kunsthandwerk anzutreffen und haben sich vollständig aus der Industrie verdrängen lassen. Die Vorschübe werden hierbei von Computern gesteuert.

Sonstige Einteilungen

Neben der Einteilung nach DIN 8589 lässt sich der Drehprozess auch noch unterteilen nach:

  • Außendrehen und Innendrehen: Beim Außendrehen werden die Außenseiten des Werkstückes, beim Innendrehen die Innenflächen von Hohlkörpern bearbeitet.
  • Schruppen und Schlichten: Das Schruppen bezeichnet die grobe Vorbearbeitung von Werkstücken, Schlichten meint die Fein- und Fertigbearbeitung.
  • Kegeldrehen: Dieses Verfahren wird zur Fertigung konusförmiger Formen eingesetzt.
  • Hartdrehen: Werkstücke, die gehärtet sind, werden mit diesem Prozess bearbeitet.
  • Hochgeschwindigkeitsdrehen: Hohe Drehzahlen, geringe Zustellung und hohe Vorschübe kennzeichnen den speziellen Fertigungsvorgang.


Werkzeuge

Drehwerkzeuge sind Zerspanwerkzeuge mit durch Keil-, Frei- und Spanwinkel geometrisch bestimmter Schneide. Sie bestehen aus einem Schaft und der Schneide, welche durch einen Grundkörper verbunden werden. Man unterscheidet Drehwerkzeuge in Drehmeißel und Klemmhalter mit Wendeschneidplatte:

Drehmeißel

Der Drehmeißel ist eine veraltete Form des Drehwerkzeuges. Dabei bestehen die 3 Bestandteile aus einem Stück und Material. Die Schneide muss nach gewisser Zeit nachgeschliffen werden und bei einer bestimmten Anzahl von Schliffen wird das Werkzeug vollständig gewechselt. Einige Ausführungen bestehen aus einem zwei verschiedenen Stählen, die miteinander verlötet sind. Dies sollte der Wirtschaftlichkeit dienen.

  • Einteilung nach DIN-Normen
Nr. Werkzeugform HSS-Norm Hartmetall-Norm
1 Gerader Drehmeißel 4951 4971
2 Gebogener Drehmeißel 4952 4972
3 Eckdrehmeißel 4965 4978
4 Abgesetzter Stirndrehmeißel keine Norm vorhanden 4977
5 Abgesetzter Seitendrehmeißel 4960 4980
6 Breiter Drehmeißel 4956 4976
7 spitzer Drehmeißel 4955 4975
8 Stechdrehmeißel 4961 4981
9 Innendrehmeißel 4953 4973
10 Innen-Eckdrehmeißel 4954 4974
11 Innen-Stechmeißel 4963 keine Norm vorhanden

Klemmhalter mit Wendeschneidplatte

Die moderne und wirtschaftliche Lösung für Drehwerkzeuge stellen Klemmhalter mit Wendeschneidplatten dar. Der Klemmhalter stellt dabei Schaft und Grundkörper dar und bestehen aus vergüteten Stählen. Die eigentliche Schneide ist die Wendeschneidplatte, welche bei Verschleiß je nach Ausführung mindestens zwei mal gewendet werden kann. Sie ist ein Verschleißbauteil und wird nach der Nutzung entsorgt. Sie kann aus Hartmetallen, HSS oder speziellen Keramiken bestehen. Sie sind in der DIN ISO 1832 genormt und beschrieben. Dort werden sie nach 10 Kriterien kategorisiert:

  1. Form der Schneidplatte: Schneidplatten können dreieckig, quadratisch, rhomboid, rund oder vieleckig geformt sein.
  2. Freiwinkel: Der Freiwinkel von Schneidplatten kann 0 bis 30° betragen. Schneidplatten mit 0° werden mit einem N gekennzeichnet.
  3. Toleranz: Schneidplatten besitzen gewisse Toleranzen bezüglich Außenmaß und Dicke. Daher ist ein kalibrieren nach dem Tauschen oder Wenden der Platten enorm wichtig.
  4. Befestigung und Spanbrecher: Einerseits kann man in nicht-gebohrte, geklemmte Schneidplatten und in mittig gebohrte, geschraubte oder geklemmte Schneidplatten unterscheiden. Die Bohrungen können noch konisch angefast sein zum zentrieren der Platte und versenken der Schraube. Auf der Unterseite können sich bei allen Ausführungen Spanbrecher befinden, welche lange Späne und ein daraus resultierendes Aufwickeln verhindern.
  5. Schneidkantenlänge: Die Länge der Schneide kann 3,97 bis 32 mm betragen. Bei runden Platten wird der Durchmesser angegeben, bei Formplatten ebenfalls die Länge der Schneide.
  6. Plattendicke: Schneidplatten können 1,59 mm bis 9,52 mm stark ausgeprägt sein.
  7. Eckenradius: Der Eckesradius von Schneidplatten kann 0 und 3,2 mm betragen. Die wenigsten Ausführungen besitzen keinen Radius beziehungsweise einen Radius von 0 mm.
  8. Schneidkantenform: Je nach Anwendungszweck können die Schneiden scharfkantig, gerundet, gefast, gefast und gerundet, doppel gefast, sowie doppel gefast und gerundet sein.
  9. Schnittrichtung: Je nach Schliff sind Wendeschneidplatten von links nach rechts, von rechts nach links oder beliebig zu führen.
  10. Schneidstoff: Als Schneidstoff kommen der Qualität nach Hartmetalle, HSS, Cermet, Keramiken, kubisches Bornitrit und Diamant zum Einsatz.

Einsatzgebiete

Das Drehverfahren gehört mit zu den ältesten Fertigungsverfahren der Menschheit. Bereits im 1. Jahrtausend vor Chr. hat sich die Technik aus dem Bohren entwickelt. Spätestens seit Beginn der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert ist der Prozess aus der industriellen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Ohne Drehmaschinen wäre die Herstellung der benötigten Teile für Dampf- und Textilmaschinen nicht möglich gewesen. Zu diesen Teilen, die weitestgehend auch heute noch für den Betrieb von Maschinen und Anlangen unabdinglich sind, gehören Schrauben, Wellen, Gewindespindel, Radnaben und sonstige rotationssymmetrische Kleinteile. Aktuell fertigen Drehmaschinen vor allem für die Autoindustrie, den Maschinenbau oder der optischen Industrie.

Abhängig vom Anwendungszweck wird in der Fertigung zwischen konventionellen und CNC-gesteuerten Drehmaschinen unterschieden. Die konventionelle Drehmaschine wird vom Bediener ohne die Unterstützung von Rechnersystemen geführt. Für die Zustellung der einzelnen Achsen werden Handräder eingesetzt. Diese Maschinen arbeiten hauptsächlich in der Einzelteilfertigung oder in Reparaturbetrieben. Für größere Stückzahlen und komplizierte Formen werden heutzutage fast immer CNC-gesteuerte Drehmaschinen eingesetzt. Diese werden mittels spezieller Programme so eingestellt, dass sie das Verfahren der Achsen, die Schnittgeschwindigkeit und die Konturen automatisch durchführen.

Im Jahre 2017 belief sich der Anteil der Drehmaschinen im Bereich spanender Werkzeugmaschinen auf rund ein Drittel. Die Drehmaschine ist die wohl variantenreichste Werkzeugmaschine und wird auch als „Königin der Maschinen“ bezeichnet – denn die Drehmaschine ist die einzige Maschine überhaupt, auf der sich theoretisch die gesamte Maschine fertigen lassen ließe. In der Industrie kommen hauptsächlich „klassische“ Drehmaschinen und Bearbeitungszentren (auf denen neben Drehoperationen auch gefräst und geschliffen werden kann) zum Einsatz. Daneben existieren in spezialisierten Betrieben auch Sonderformen der Drehmaschinen, beispielsweise Walzendrehmaschinen für die Herstellung von Walzen oder Radsatzdrehmaschinen, die für die Be- und Überarbeitung von Rädern und Achsen von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden. Besonders große und schwere Werkstücke werden auf Karusselldrehmaschinen gefertigt. Hier erfolgt der Eingriff des Drehwerkzeugs und das Aufspannen des Werkstücks in der Vertikalen.


Forschung

Wie in der gesamten Industrie ist auch im Bereich der Drehmaschinen das Thema Industrie 4.0 hochakut. Hierbei werden Maschinen und Anlagen in die digitale Struktur des Unternehmens eingebunden und miteinander vernetzt. Bei Drehmaschinen bedeutet das zukünftig einen weitgehend mannlosen Betrieb, das einfache Auslesen von Maschinendaten über Computer, Smartphone und Tablet sowie eine wesentlich vereinfachte, da vorausschauende Instandhaltung. Ein weiterer Trend lässt sich beim Thema Komplettbearbeitung erkennen. Wo früher ein Werkstück auf mehreren Maschinen bearbeitet werden musste, verfügen aktuelle Drehzentren über Zusatzaggregate, beispielsweise Fräs- und Schleifeinrichtungen, die die vollständige Bearbeitung von Werkstücken auf nur einer Maschine ermöglichen. Dies spart zum einen teure Rüst- und Stillstandzeiten, zum anderen kann der bestehende Platz in der Halle wesentlich besser ausgenutzt werden. Die Entwicklung und Forschung in diesen Bereichen erfolgt in weiten Teilen von Seiten der Industrie, aber auch von Einrichtungen wie der Fraunhofer Gruppe.

Forschungseinrichtungen und Lehrstühle vieler Universitäten beschäftigen sich mit der Suche nach Innovationen für das Drehen. Ein Beispiel hierfür ist das Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, welches sich mit laserunterstützten Drehen beschäftigt. Das Augenmerk liegt dabei vor allem auf dem Drehen schwer zerspanbarer Stoffe wie Keramiken. Andere Lehrstühle wie das Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund beschäftigen sich unter anderem mit Drehverfahren für spezielle Werkstoffe.

Literatur

  • Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. 2. Auflage, Hanser, München 2014. ISBN 978-3-446-42826-3.
  • Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-23458-6.
  • Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen – Grundlagen. 3. Auflage, Springer, Berlin 2011. ISBN 978-3-642-19771-0.
  • Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung. 11. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden 2014. ISBN 978-3-658-04922-5.
  • Eberhard Pauksch: Zerspantechnik. 12. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden 2008. ISBN 978-3-8348-0279-8.
  • Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, Berlin 2002. ISBN 978-3-486-25045-9.

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