Werkzeugmaschinen

01. Was sind Werkzeugmaschinen?

Die Bezeichnung „Werkzeugmaschinen“ ist abgeleitet aus den Worten „Maschine“ und „Werkzeug“ und umfasst alle Maschinen, die zur Werkstückbearbeitung mithilfe von Werkzeugen dienen.

In Anlehnung an die Fertigungsverfahren nach der DIN 8580 ff. sowie die DIN 65 652 Teil 1, Werkzeugmaschinen für die Metallbearbeitung, lässt sich folgende Einteilung der Werkzeugmaschinen vornehmen:

In der Praxis spielen vor allem die umformenden sowie die trennenden (= zerteilenden, spanenden, abtragenden) Werkzeugmaschinen eine große Rolle.

02. Aus welchen Funktionseinheiten bestehen Werkzeugmaschinen?

Werkzeugmaschinen bestehen häufig aus einem Grundkörper (Gestelle und Gestellbauteile). Tische, Betten, Ständer und Konsolen sind oft bereits in den Grundkörper integriert oder können geschraubt oder geklebt angebracht werden.

Der Grundkörper trägt Supporte, Getriebe, Motoren, Hydraulik-/Pneumatikeinrichtungen und Steuerorgane, um die zwischen Werkzeug und Werkstück erforderlichen Relativbewegungen ausführen zu können.

Die Relativbewegung wird unterschieden in

• die Hauptbewegung, z. B. Schnittbewegung bei spanenden Maschinen

• die Vorschub-/Zustellbewegung, die eine kontinuierliche Bearbeitung, z. B. Spanabhebung, ermöglicht.

Prinzipskizze einer Werkzeugmaschine am Beispiel einer konventionellen Drehmaschine:

Wir betrachten zum Aufbau einer Drehmaschine zusätzlich folgendes Lernvideo.

Werkzeugmaschinen dienen zur Herstellung von Werkstücken mit hohen Qualitätsanforderungen: Die Bearbeitungsgenauigkeit spanender Werkzeugmaschinen liegt z. B. im Bereich von 1 mm bis 1/1.000 mm. Ultrapräzisionsmaschinen arbeiten mit einer Präzision von unter 1/100.000 mm. Es werden überwiegend Hochleistungsbearbeitungswerkzeuge eingesetzt, die aus beschichtetem/unbeschichtetem Hartmetall, aus Keramik, Diamant, Cermet oder Bornitrid hergestellt werden.

Werkzeugmaschinen verfügen meist über eine Maschineneinhausung. Damit soll das Bedienpersonal vor umherfliegenden Spänen, Kühlschmierstoff, Lärm, sich drehenden Teilen und vor Verletzungen beim Bersten von Werkzeugen geschützt werden. Größere Anlagen besitzen zusätzlich Schutzgitter bzw. Lichtschranken. Die Funktionsfähigkeit dieser Sicherheitseinrichtungen ist laufend zu gewährleisten.

03. Welche Eigenschaften von Werkzeugmaschinen sind relevant?

04. Wie lässt sich die Zuverlässigkeit bei Werkzeugmaschinen messen?

Die Zuverlässigkeit bei Werkzeugmaschinen ist ein Maß für die Fähigkeit einer Einheit, ihre definierte Funktion unter vorgegebenen Arbeits- und Umgebungsbedingungen zu erfüllen. Es muss vorher bekannt sein, was als Nichterfüllung der definierten Funktion gerechnet wird.

Mithilfe moderner Messmethoden (z. B. Wirbelstromsensor, Laserinterferometer) oder durch die Verwendung von Prüfwerkstücken, unter Beachtung der gültigen Richtlinien und Normen, lassen sich Maschinenbeurteilungen durchführen. Nur so ist es möglich, Qualitätsprodukte auf diesen Maschinen herzustellen.

Moderne Werkzeugmaschinen verfügen meist über automatisierte Messeinrichtungen, die die Parameter der Werkzeuge und/oder der Werkstücke erfassen und in die Steuerung der Maschine zurückführen; ggf. notwendige Korrekturen werden dann durch programmierte Bewegungen der Maschine ausgeführt.

05. Welche Auswirkungen haben statische und dynamische Belastungen auf die Werkzeugmaschinen?

Werkzeugmaschinen können während ihrer Nutzung statischen und dynamischen Belastungen unterliegen.

• Statische Belastungen:

  Alle im Kraftfluss liegenden Bauteile unterliegen einer statischen Belastung und damit einer Verformung, die in der Folge zu einer Lageveränderung führen kann.

  Mithilfe der Schwachstellenanalyse untersucht man nun zum Beispiel die statische Beanspruchung der im Kraftfluss vorhandenen Bauteile und Fügestellen und kann so Lage- und Verformungsveränderungen erkennen. Sie bilden die Grundlage für weitere konstruktive Verbesserungen.

• Dynamische Belastungen

  entstehen durch Schwingungen, die sowohl von der Maschine selbst als auch von anderen Schwingungserregern (z. B. anderen Maschinen) ausgehen können.

  • Schwingungen haben nicht nur negative Auswirkungen auf Arbeitsgenauigkeit, Maßhaltigkeit, Oberfläche und Werkzeugverschleiß im Produktionsprozess der verursachenden Fertigungseinheit, sondern sie können sich auch negativ auf die Umgebung auswirken (z. B. andere Maschinen der Feinbearbeitung beeinflussen).

  • Schwingungen erhöhen außerdem den Verschleiß der im Eingriff befindlichen Zahnräder in Getrieben und weiteren zusammengefügten Bauteilen (Lagerstellen, Supporten) und führen zur Lockerung ursprünglich unbeweglicher Teile. Eine Überschreitung der zulässigen Werte muss deshalb verhindert werden.

06. Wie kann eine unzulässig hohe Schwingungsübertragung an Werkzeugmaschinen verhindert werden?

• Ermittlung der Schwingungsursachen (konstruktive und prozessabhängige Ursachen).

• Aktive und passive Abschirmung von Schwingungen.

• Je nach Maschinenanforderung (Feinbearbeitungs- oder Umformmaschine):

  Verwendung von

  • Aufstellelementen

  • speziellen Maschinenfundamentierungen

  • Dämpfungserhöhungen durch Zusatzsysteme usw.

Zu Maschinenausfällen können auch thermische Störgrößen führen, wie z. B. die ungenügende Wärmeabfuhr von Antriebssystemen, Motoren, Kupplungen, Hydraulikölen, Schmierölen sowie nicht oder schlecht funktionierende Zusatzaggregate (Pumpen, Kühlaggregate usw.). Der Eintritt eines möglichen Schadens ist in der Technik immer vorhanden. Deshalb ist es notwendig, nach seinem Eintritt eine Schadensanalyse durchzuführen.