Was ist CNC-Bearbeitung?
Bei der CNC-Bearbeitung handelt es sich um eine Form der subtraktiven Fertigung, was bedeutet, dass während des gesamten Produktionsprozesses Material entfernt und nicht hinzugefügt wird. Dies weist darauf hin, dass die CNC-Bearbeitung mit einem Materialblock (Rohling) beginnt und sich schnell bewegende Fräser verwendet, um Material schnell zu entfernen und das fertige Produkt herzustellen. Dies stellt praktisch das Gegenteil der additiven Fertigung dar, wie z. B. dem 3D-Druck, bei dem dreidimensionale Gegenstände Schicht für Schicht aus Materialien aufgebaut werden, die in 3D-Drucker eingegeben werden.
Bei der CNC-Bearbeitung werden Industrieanlagen und Werkzeuge gemäß vorprogrammierter Computersoftware bewegt. Die Methode kann zum Betrieb einer Vielzahl komplizierter Maschinen verwendet werden, darunter Mühlen, CNC-Fräsmaschinen, Drehmaschinen und Schleifmaschinen. Dreidimensionale Schneidaufgaben können mit der CNC-Bearbeitung mit nur einem Befehlssatz erledigt werden
Die manuelle Steuerungsmethode hat ihre Grenzen, die der CNC-Prozess überwindet. Bei der manuellen Steuerung müssen Live-Bediener die Befehle der Fräsausrüstung mithilfe von Hebeln, Knöpfen und Rädern auslösen und steuern. Für den Betrachter mag ein CNC-System wie eine typische Ansammlung von Computerteilen erscheinen, aber die bei der CNC-Bearbeitung verwendete Software und Konsolen heben es von allen anderen Arten der Berechnung ab.
CNC-Bearbeitungssystemteile
Ein CNC-System besteht im Kern aus sechs funktionell integrierten Teilen, die synchron zusammenarbeiten. Die Hauptkomponenten des CNC-Systems sind wie folgt:
- Eingabegeräte
- Maschinensteuereinheit (MCU)
- Werkzeugmaschine.
- Antriebsmechanismus
- Feedback-Mechanismus
- Anzeigeeinheit.
Eingabe-Gadgets
Da ein CNC-System von einem spezialisierten System verwaltet und gesteuert wird, muss eine zuverlässige Methode zur Koordinierung der vorprogrammierten Daten mit dem angegebenen System vorhanden sein. Es gibt drei häufig verwendete Eingabegeräte: Lochstreifenleser, Magnetbandleser und Computer über RS-232-C-Verbindung.
Maschinensteuereinheit (MCU)
Der Kern der CNC-Maschine wird als Maschinensteuereinheit bezeichnet. Neben der Durchführung aller Steuerungsvorgänge der CNC-Maschine übernimmt die MCU auch eine Reihe weiterer Aufgaben, darunter:
- Es dekodiert die kodierten Anweisungen und liest sie.
- Die kodierte Anweisung wird von der Maschinensteuerung dekodiert.
- Um Bewegungsbefehle zu erstellen, verwendet diese Achse Interpolation (linear, kreisförmig und spiralförmig).
- Die Verstärkerschaltung empfängt den Achsbewegungsbefehl von der Maschinensteuereinheit und treibt den Achsmechanismus an.
- Es verfügt über zusätzliche Steuerfunktionen wie Werkzeugwechsel und Kühlmittel oder Spindel ein/aus.
Werkzeugmaschine
Um Position und Geschwindigkeit steuern zu können, ist eine CNC-Werkzeugmaschine immer mit einem Schiebetisch ausgestattet. Spindel und Tisch der Maschine werden beide von der Z-Achse gesteuert, während die X- und Y-Achse den Tisch bewegen.
Antriebsmechanismus
Eine Verstärkerschaltung, Antriebsmotoren und Kugelumlaufspindeln sind allesamt Teile des Antriebssystems einer CNC-Maschine. Die Verstärkerschaltungen werden von der MCU mit Signalen für die Position und Geschwindigkeit jeder Achse versorgt. Um die Antriebsmotoren zu aktivieren, werden die Steuersignale verstärkt (erhöht). Um den Maschinentisch zu positionieren, wird die Kugelumlaufspindel durch die betätigten Antriebsmotoren gedreht.
Feedback-Mechanismus
Sensorische Wandler sind Teil des Feedbacksystems. Alternativ spricht man auch von einem Messsystem. Es besteht aus Positions- und Geschwindigkeitsaufnehmern, die ständig den Aufenthaltsort und die Geschwindigkeit des jeweils verwendeten Schneidwerkzeugs verfolgen.
Um Steuersignale zu erzeugen, die Positions- und Geschwindigkeitsfehler korrigieren, empfängt die MCU Signale von Wandlern und vergleicht sie mit Referenzsignalen und Rückkopplungssignalen.
Bildschirm
Auf dem Monitor werden die Programmierung, Anweisungen und andere wichtige Daten der CNC-Maschine angezeigt.
Prinzip der CNC-Bedienung.
Es verfügt über zwei unterschiedliche Steuerungen, darunter eine CNC-Steuerung, die Funktionen wie Programmdekodierung, Interpolation, Ansteuerung der Diagnosemaschine usw. ausführt. Eine andere ist die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), die Dinge wie die Funktion von Revolvern, Spindeln und Kühlmitteln steuert.
Die Schlitten werden über Servomotoren mit eigenen Vorschubantrieben (AC oder DC), Kugelumlaufspindeln oder Mutternantrieben bewegt. Die Motoren des Vorschubantriebs werden von der Steuerung gesteuert. Entweder der Tisch oder der Motor, der die Schiebeposition misst, sind mit den entsprechenden Aufnehmern ausgestattet.
Um eine präzise Platzierung zu gewährleisten, wird die Position auch mithilfe von Rückkopplungsgebern verfolgt und überprüft. Für die Spindel sind Schrittmotoren (AC oder DC) vorgesehen. Die Drehzahl des Spindelmotors kann mit einer geeigneten Steuerung geändert werden. Die Welle ist mit einem geeigneten Rückkopplungsmechanismus verbunden, der die Drehzahl im Auge behält. Die CNC-Maschine funktioniert auf diese Weise.
Wie funktionieren CNC-Maschinen?
Die folgenden Schritte bilden den grundlegenden CNC-Bearbeitungsprozess:
- die CAD-Modellerstellung.
- CNC-Programmerstellung aus einer CAD-Datei.
- Einrichten der CNC-Maschine
- Abschluss des Bearbeitungsprozesses.
Erstellung von CAD-Modellen
Der 2D-Vektor- oder 3D-CAD-Entwurf für feste Komponenten wird entweder intern oder über ein CAD/CAM-Designdienstleistungsunternehmen als erster Schritt im CNC-Fertigungsprozess erstellt. Designer und maßgeschneiderte CNC-Bearbeitungsunternehmen können mithilfe von CAD-Software (Computer Aided Design) ein Modell oder eine Darstellung ihrer Teile und Produkte erstellen, zusammen mit den technischen Anforderungen für die Herstellung des Teils oder Produkts, wie z. B. Abmessungen und Geometrie.
Die Fähigkeiten (oder Einschränkungen) der CNC-Maschine und der Werkzeuge schränken die Designs ein, die zur Herstellung eines bestimmten Teilesatzes verwendet werden können. Da beispielsweise gekrümmte Eckabschnitte mit den in den meisten CNC-Maschinen verwendeten Werkzeugen hergestellt werden, sind die Komponentengeometrien, die mit dieser Methode hergestellt werden können, eingeschränkt.
Die Einschränkungen der Designmöglichkeiten werden durch die Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials, das Design der Werkzeuge und die Werkstückhaltefähigkeiten der Maschine, wie z. B. die minimale und maximale Teilegröße sowie die Einbeziehung und Komplexität interner Hohlräume und, noch verstärkt Merkmale.
Sobald der CAD-Entwurf fertig ist, exportiert der Konstrukteur ein CNC-kompatibles Dateiformat wie STEP oder IGES.
Erstellung von CAD-Dateien
CNC-Programmerstellung aus einer CAD-Datei
Ein Programm, häufig CAM-Software (Computer Aided Manufacturing), verarbeitet die strukturierte CAD-Designdatei, um die Bauteilgeometrie zu extrahieren und den digitalen Programmiercode auszugeben, der die CNC-Maschine betreibt und die Werkzeuge manipuliert, um das maßgeschneiderte Teil herzustellen.
G-Code und M-Code waren zwei der Programmiersprachen, die von CNC-Maschinen verwendet wurden. Die bekannteste CNC-Programmiersprache, allgemeiner oder geometrischer Code (auch bekannt als G-Code), steuert, wie sich die Werkzeugmaschinen über das Werkstück bewegen, einschließlich wann ein- oder ausgeschaltet werden muss, wie schnell man dort ankommt und welche Wege dazu gelten nehmen.
Der M-Code oder ein anderer Funktionscode verwaltet die Zusatzvorgänge der Maschine, beispielsweise das automatische Entfernen und Ersetzen der Maschinenabdeckung zu Beginn und Ende der Produktion. Der CNC-Maschinenbediener lädt das resultierende CNC-Programm, sobald es erstellt wurde.
Maschineneinrichtung
Der Bediener muss die CNC-Maschine für den Betrieb einrichten, bevor er die CNC-Software ausführen kann. Um diese Vorbereitungen durchführen zu können, muss das Werkstück in der Maschine, auf deren Spindeln, in einem Maschinenschraubstock oder in einer ähnlichen Werkstückhaltevorrichtung befestigt werden. Darüber hinaus müssen die notwendigen Werkzeuge wie Bohrer und Schaftfräser an den richtigen Maschinenteilen befestigt werden. Sobald die Maschine richtig konfiguriert ist, kann der Bediener das CNC-Programm starten.
Abschluss des Bearbeitungsprozesses
Das CNC-Programm dient als Anweisung für die CNC-Maschine. Es sendet Maschinenbefehle, die die Aktionen und Bewegungen des Werkzeugs festlegen, an den eingebauten Computer der Maschine, der das Werkzeug steuert und manipuliert. Wenn das Programm gestartet wird, wird die CNC-Maschine aufgefordert, den CNC-Bearbeitungsprozess zu starten. Das Programm leitet dann die Maschine an, während sie die erforderlichen Maschinenoperationen ausführt, um ein speziell entworfenes Bauteil oder Produkt zu erstellen.
Wenn ein Hersteller von CNC-bearbeiteten Teilen in den Kauf und die Wartung seiner eigenen CNC-Ausrüstung investiert, können CNC-Bearbeitungsvorgänge im eigenen Haus durchgeführt oder an spezialisierte CNC-Fräsdienstleister vergeben werden.
G-Code vs. M-Code
Es ist ein weit verbreiteter Irrtum, dass alle Bearbeitungsvorgänge G-Code erfordern. Dies ist jedoch falsch, da der Code in zwei Codes unterteilt werden kann.
Eine Sprache, mit der eine Maschine angewiesen wird, sich zu bewegen, wird als G-Code bezeichnet. Es handelt sich im Wesentlichen um den geometrischen Code. Bewegung und Geschwindigkeit des Schneidkopfes werden über G-Code gesteuert.
Die Anweisungen werden einem Industriecomputer, einer sogenannten Maschinensteuerung, zur Verfügung gestellt. Dadurch wird dann festgelegt, wie die Motoren funktionieren sollen. Welcher Weg eingeschlagen wird, entscheiden natürlich die Motoren.
Auf der anderen Seite stellt der M-Code alle Informationen bereit, die der G-Code weglässt. Aus diesem Grund wird er auch als Maschinencode oder sonstiger Code bezeichnet. Aus diesem Grund wird er auch als Maschinencode oder sonstiger Code bezeichnet.
Die Anweisungen im M-Code umfassen Themen wie Werkzeugwechsel, Verwendung von Kühlmittel, Stoppen von Programmen und mehr. Obwohl sie nicht identisch sind, sind beide daher gleichermaßen wichtig.
Arten von CNC-Maschinen
Die folgenden Maschinen werden am häufigsten in CNC-Systemen verwendet:
CNC-Fräsen
Eine der beliebtesten Formen der CNC-Bearbeitung, die für ihre hohe Präzision und Toleranzen bekannt ist, ist das CNC-Fräsen. Nachdem die Materialien in CNC-Maschinen geladen wurden, steuert der Computer die Bohr- und Schneidwerkzeuge bei ihrer Arbeit. CNC-Maschinen sind mit integrierten Werkzeugen zum Bohren und Schneiden ausgestattet. 5-Achsen-CNC-Fräsen wird häufig für kompliziertere Geometrien eingesetzt und erfolgt in einem einzigen Arbeitsgang, während 3-Achsen-CNC-Fräsen oft die bessere Wahl für die Herstellung einfacherer Teile ist.
5-Achsen-CNC-Mühle
CNC-Drehmaschinen
Bei der Verwendung einer Drehmaschine werden Wendewerkzeuge verwendet, um Teile in kreisförmigen Bewegungen zu schneiden. Die Schnitte, die auf Drehmaschinen mithilfe der CNC-Technologie ausgeführt werden, sind präzise und schnell. Im Gegensatz zu manuell betriebenen Versionen der Ausrüstung können mit CNC-Drehmaschinen komplizierte Designs erstellt werden. CNC-gesteuerte Fräs- und Drehmaschinen verfügen über viele der gleichen Steuerungsfunktionen. Derselbe G-Code oder proprietäre Code, der zur Steuerung von CNC-Fräsmaschinen verwendet wird, kann auch zur Steuerung von Drehmaschinen verwendet werden. Die meisten CNC-Drehmaschinen verfügen über zwei Achsen, nämlich die X- und die Z-Achse.
CNC-Drehmaschine
CNC-Plasmaschneidmaschinen
Plasmaschneidende CNC-Maschinen werden zum Schneiden von Materialien eingesetzt und sind in dieser Hinsicht mit CNC-Fräsmaschinen vergleichbar. Sie unterscheiden sich jedoch von ihren Gegenstücken zum Fräsen dadurch, dass sie für diesen Vorgang einen Plasmabrenner verwenden.
CNC-Laserschneidmaschinen
Der Zweck von CNC-Laserschneidmaschinen besteht darin, einen Laser anstelle eines Plasmabrenners zum Schneiden widerstandsfähiger Materialien zu verwenden. Allerdings sind sie nicht so leistungsstark wie Plasmabrenner, weisen aber eine höhere Schnittpräzision auf.
Elektrische Entladung CNC
Ist eine besondere Art von CNC-Maschine, die Materialien mithilfe elektrischer Funken in die gewünschte Form schneidet. Die Materialien werden zwischen Ober- und Unterseite der Elektrode platziert und der Computer ermittelt dann, wie viel elektrische Entladung die Elektroden erzeugen.
Drahterodieren
Wasserstrahlschneider
Wasserstrahlen sind Werkzeuge, die in der CNC-Bearbeitung zum Schneiden harter Materialien wie Metall und Granit mithilfe von Hochdruckwasseranwendungen eingesetzt werden. Gelegentlich kann dem Wasser Sand oder ein anderes stark abrasives Material zugesetzt werden. Dieses Verfahren wird häufig von Betrieben zur Umformung industrieller Maschinenkomponenten eingesetzt.
Wenn ein Material den hitzeintensiven Verfahren anderer CNC-Maschinen nicht standhält, werden Wasserstrahlen als kühlere Alternative eingesetzt.
Vorteile der CNC-Bearbeitung
Im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung bietet die CNC-Methode folgende Vorteile:
- Erhöhte Bearbeitungspräzision.
- Die Konsistenz der produzierten Teile.
- Die Herstellung komplexer Geometrien ist möglich.
- Hohe Produktivität, da Rüst- und Umrüstzeiten verkürzt werden.
- Kostengünstige Produktion für große Stückzahlen.
- Niedrigere Arbeitskosten.
- Eine Automatisierung in der Fertigung ist denkbar.
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