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Drehverfahren und Drehmaschinen


Drehverfahren und Drehmaschinen

1  Allgemeines

Die technologische Bedeutung des Drehens kann am Anteil der produzierten Drehmaschinen am Gesamtwert der insgesamt produzierten spanabhebenden Werkzeugmaschinen gemessen werden: Die Drehmaschinen machen ca. 1/3 des Wertes aller spanenden Werkzeugmaschinen aus.

Das Drehen ist schon seit dem Altertum bekannt. Die Realisierung der Drehbewegung erfolgte zunächst durch den Schnurzugtrieb. Das Werkzeug wurde von Hand, mit Hilfe einer Unterstützung oder Auflage, geführt. Die Ent-wicklung der Drehmaschine als Werkzeugmaschine zur Metallbearbeitung erhielt nach der Erfindung der Dampf-maschine starken Auftrieb.

Bild 1 zeigt den Stand des Drehmaschinenbaues um 1840.

a bis c.. Leitspindel, Wechselräder, Support

d. lose Stufenscheibe und Vorgelege

e bis g . Zahnstange, Zugspindel und getrennte Führungen

h Planvorschub

Bild 1: Drehmaschine um 1840

Die Weiterentwicklung der Drehmaschine führte, neben dem Bau zahlreicher Varianten, auch zur Konstruktion der kurvengesteuerten Drehautomaten.

Bild 2: Vierspindel-Stangenautomaten (USA, 1894)


2  Übersicht der Drehverfahren

Die systematische Einteilung des Drehens erfolgt nach DIN E 85859, Teil 2.

Die Einteilung orientiert sich am Kriterium der Oberflächenfom und Kinematik des Zerspanungsvorganges.

Bild 3: Einteilung der Drehverfahren nach DIN E 8589 Teil 2

 

Längsdrehen:              Drehen mit Vorschub parallel zur Werkstückachse.

Quer- oder Plandrehen:          Drehen mit Vorschub senkrecht zur Werkstückachse.

Bild 4: Drehen zur Erzeugung ebener Flächen

                A) Quer-Plandrehen, B) Längs-Plandrehen, C) Quer-Abstechdrehen

                a  Werkstück, b  Werkzeug

Bild 5: Drehen zur Erzeugung kreiszylindrischer Flächen

                A) Längs-Runddrehen, B) Schäldrehen, C) Quer-Runddrehen

                a  Werkstück, b  Werkzeug


Bild 11: Nachformdrehen                                         Bild 12: Drehen zur Erzeugung beliebiger, durch Steuerung der Schnittbewegung

           a  Werkstück, b  Werkzeug                             bestimmter, nicht rotaionssymmetrischer Flächen

                                                                                  A) Längs-Unrunddrehen, B) Einstech-Unrunddrehen

                                                                                  a  Werkstück, b  Werkzeug, c  Steuereinrichtung


3  Werkzeuge beim Drehen

Ein Drehmeißel besteht grundsätzlich aus Schaft und Schneidkörper.

Der Schaft hat meist rechteckigen (1:1 oder 1:1,6) oder kreisförmigen Querschnitt.

Bild 13: Arten von Drehmeißeln

Bild 14: Arten von Drehmeißeln


 

Arten von Drehmeißeln

 

 

Schruppdrehmeißel

            Kräftige Ausführung; für hohe Zerspanleistungen

Schlichtdrehmeißel

            Abgerundete Schneidenspitze für höchste Oberflächengüten

 

Bild 15: Schrupp- und Schlichtdrehmeißel                                            Bild 16: Außen- und Innendrehmeißel

 

Außen- und Innendrehmeißel

 

Rechts- und Linksdrehmeißel

            Bei Rechtsausführungen arbeitet man von rechts nach links.

  

Bild 17: Links- und Rechts-Drehmeießel                         Bild 18: Gerader, gebogener und abgesetzter Drehmeißel

 

Gerader, gebogener und abgesetzter Drehmeißel

            Anwendung je nach Art der Dreharbeit und Zugänglichkeit der Bearbeitungsstelle.


4  Winkel am Drehmeißel

Die entsprechenden Winkel a, b, g, e, k, l am Drehmeißel zeigt

Für Schruppbearbeitung (Schwerstzerspanung) kann g auch negativ werden.

Bild 19: Winkel am Drehmeißel

Bild 20: Hauptsächlich verwendete Werkstoffe für Drehmeißel (Schneidstoffe)

Bild 21: Richtwerte für a, b, g

5  Spannen der Drehmeißel und Werkstücke

Drehmeißel sind, zur Vermeidung von Schwingungen und Rattermarken, kurz einzuspannen, sowie seknrecht zur Werkstückachse (Beachtung des Einstellwinkels k) und mittig zum Werkstück.


              

Bild 22: Außermittige Einspannung des Drehmeißels                          Bild 23: Spannen des Drehmeißels

5.1           Rattern

Rattern = Schwingungen an der Werkzeugmaschine und/oder am Werkzeug und/oder am Werkstück.

Mögliche Abhilfen:

            - Spannverhältnisse am Werkstück, Werkzeug und an der Maschine ändern

               (Werkzeug möglichst kurz einspannen)

            - Spanstauchung verringern (Nachstellen der Spanleitstufe)

            - Schnittiefe verkleinern

            - Vorschub erhöhen

            - kleinerer Eckenradius am Werkzeug

            - Werkzeug nachschleifen

            - Spanwinkel vergrößern

            - Einstellwinkel vergrößern

            - Freiwinkel verkleinern (leichtes 'Übermittestellen')

            - Dämpfung vergrößern (durch Anbrigenvon Dämpfungsmassen)

            - Werkzeugstabilität vergrößern (größerer bzw. stabilerer Schaftquerschnitt)


5.2           Schwingungen bei dünnwandigen Büchsen

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit sehr geringen Wanddicken kann es vermehrt zum auftreten von Schwingungen kommen. Um die Schwingungen zu vermeiden, oder zu verringern kann man

            a) Schnittdaten verändern (Schwingungsvermeidung - Verlassen des kritischen Frequenzbereichs)

            b) Dämpfungselemente anbringen (Schwingungsdämpfung - Anbringen von Massen oder            

                 Versteifungselementen; z.B. Dämpfungsdeckel, Gummirnge, )

Um die Werkzeugdämpfung zu erhöhen ist es möglich Dämpfungsmassen am Drehmeißel anzubringen oder die Form des Drehmeißels entsprechend zu verändern (z.B. 'Schwanenhals').

Bild 24: Dämpfungsdeckel bei dünnwandigen Büchsen                              Bild 25: Schwingungsdämpfung bei dünnwandigen Büchsen

6  Maßhaltigkeit und Oberflächengüte beim Drehen

Einhaltung von genauen Durchmessermaßen

Bei Schnittiefen unter 0,1 mm können Probleme durch Unterschreiten der Mindestspandicke auftreten.

Die Mindestspandicke kann verringert werden, durch:

            - hohe Stabilität von Maschine, Werkzeug und Werkstück

            - scharfes Werkzeug (Eckenradius ~ 0)

            - großer Spanwinkel

Maßhaltigkeit beim gleichzeitigen Außen- und Innendrehen von dünnwandigen Büchsen


Bild 26: Werkzeuganordnung bei gleichzeitiger Außen- und Innenbearbeitung

 

Erreichbare Genauigkeiten beim Drehen

Schlichten, üblicherweise . IT7 bis IT8

Mit Keramik- und Diamantwerkzeugen kann beim Schlichten bis zu IT5 erreicht werden.

Oberflächenrauhigkeit

Die theoretische Oberflächenruhigkeit ist abhängig vom Spitzenradius r und vom Vorschub s.

Für Rt gilt (s> 0,1 mm/U):

                                                                       

Rt. Rauhtiefe [mm]

s .. Vorschub [mm]

r .. Eckenradius [mm]

Die tatsächliche Rauhtiefe weicht allerdings vom theoretischen Wert ab, wegen:

            - Laufruhe der Maschine (Schwingungen)

            - Verschleiß der Schneide

            - Schnittgeschwindigkeit

Schlechte Oberfläche beim Schlichten

Mögliche Abhilfen:

            - höhere Schnittgeschwindigkeit (vermeidet Aufbauschneide)

            - kleinerer Vorschub

            - scharfes Werkzeug (neu geschliffen oder verscheißfesteres Werkzeug)

            - Spannverhältnisse bzw. Schwingungen überprüfen

            - günstigere Schneidengeometrie (größerer Eckenradius, größerer Spanwinkel)

            - bessere Spanbafuhr (zur Vermeidung von Beschädigungen der Werkstückoberfläche)

Durch eine Vorschubverkleinerung und eine Vergrößerung des Eckenradius würde man theoretisch immer eine Verringerung der Oberflächenrauhigkeit erzielen. In der Praxis tritt allerdings nur bis zu einem bestimmten Wert eine Verbesserung der Oberflächenqualität ein, und zwar der Mindestspandicke.


Die Mindestspandicke ist jener Wert, bis zu dem das Werkzeug noch sauber und gleichmäßig schneidet.

Bild 27: Werkzeugdämpfung

 

 

Plangedrehte Oberfläche ist ungenügend

In einem bestimmten Durchmesserbereich ist die Oberfläche aufgerissen. Weil sich die Schnittgeschwindigkeit vom größten Durchmesser zum kleinsten (bzw. bei Vollmaterialien ist die Schnittgeschwindigkeit in der Mitte null) ändert, kann in einem bestimmten Bereich Aufbauschneide entstehen.

Abhilfe: Regelung auf konstante Schnittgeschwindigkeit

Bild 28: Aufbauschneidenbildung in Folge Schnittgeschwindigkeits-

                änderung beim Plandrehen


 

Gewindedrehen mit einschneidigen Werkzeug

Der Vorschub erfolgt entsprechend der Gewindesteigung durch die leitspindel. Die Zustellbewegung kann auf vier Arten erfolgen. Die Schnittaufteilung kann, je nach Gewindegröße, Werkzeug und Maschine zwischen einem und zehn Schnitten liegen. Anzustreben ist eine gleichmäßige Belastung der Schneide, ohne zu starke Spanstauchung. Üblicherweise werden Schrupp und Schlichtstahl für die verschiedenen Schnitte verwendet.

Bild 29: Verschiedene Schnittaufteilungen beim Gewindedrehen

7  Berechnungsverfahren

7.1           Zerspanungskraftkomponenten und Zerspanleistung

Schnittgeschwindigkeit:                    v = d.p.n

Vorschubgeschwindigkeit:    u = s.n

Wirkgeschwindigkeit:                        ve = v + u

   

Bild 30: Geschwindigkeiten beim Drehen                                             Bild 31: Spangrößen beim Drehen


Bild 32: Kräfte beim Drehen

Die Flächenlast auf den Schneidkeil wirkenden Schnittlasten werden durch die s.g. Zerspankraft FZ und ihre Komponenten ersetzt.

    FZ    =     FS     +      FV     +      FP

                   100%         30%          10%                für Drehen in % von FS

100%           75%         20%            5%                                     in % von FZ

Hauptschnittkraft                     

Vorschubkraft                          

Passivkraft                                 

Zerspanleistung:         PZ = PS + PV = FS.v + FV.u

Mechanische Antriebsleistung:                                 Elektrische Antriebsleistung:

                                                

PV kann gegenüber PS vernachlässigt werden, sodaß gilt:   PZ ~ PS

Der Gesamtwirkungsgrad der Drehmaschine verschlechtert sich bei Teillast und hohen Drehzahlen erheblich.


Bild 33: Verhältnis zwischen Motorleistung und Wirkungsgrad

           beim Drehstrom-Asynchronmotor

 

 

Grenzen für die Wahl der Schnittleistung

Es gilt:     PS = FS . v = A . ks . v

Grenzen durch die Werkzeugmaschine:

            - Leistungsaufnahme,  PS < PAntr

            - Stabilität der Maschine (Deformation, Schwingungen)

            - Rattern (abhängig von b, h, v, Steifigkeit, Dämpfung des Systems)

Grenzen durch das Werkzeug:

            - Standzeit

            - Werkstoff

            - Schneidkeilgeometrie

            - Temperaturempfindlichkeit, Wärmeabfuhr

Grenzen durch das Werkstück:

            - Stabilität (z.B. Fliehkräfte, dünnwandige Bauteile)

            - Oberflächengüte

            - Werkstoff

      

Bild 34: Auswirkung der Rattergrenze auf das Zeitspanungsvolumen        Bild 35: Drehzahlstufung bei einer Drehmaschine

           beim Drehen

7.2           Berechnung der Hauptzeit

Die Hauptzeit tH besteht aus der Summe aller Zeiten, in denen das Werkzeug am Werkstück die beabsichtigte Veränderung ausführt = Arbeit verrichtet.


Für Z=konst. gilt:

Z Zeitspanvolumen  [mm³/s]

VZ zerspantes Volumen  [mm³]

Ist das Zeitspanvolumen nicht konstant, so muß die Hauptzeit aus den, mit der Vorschubgeschwindigkeit zurückgelegten, Vorschubwegen ermittelt werden.

                                              

Längsdrehen

                                                      L.Gesamt-Drehlänge  [mm]

                                                                      u = s.n            v = d.p.n

L = lf + lak + z1 + z2                      lf Fertigteillänge

                                               lak Anlaufweg des Werkzeugs

                                               z1, z2 ..Aufmaße

Bild 36: Gesamt-Drehlänge beim Längsdrehen

 

Gewindedrehen

Die Berechnung erfolgt analog dem Längsdrehen, wobei der Vorschub der Gewindesteigung P (unter Berücksichtigung der Gangzahl des Gewindes) entspricht.

i ..Anzahl der Schnitte,      mit hG als Gewindetiefe

g .Gangzahl

P .Gewindesteigung


Plandrehen

Man unterscheidet zwischen Plandrehen mit konstanter Drehzahl und konstanter Schnittgeschwindigkeit (abhängig von der Drehmaschine).

a) Konstante Drehzahl  (n = konst.)

Die Schnittgeschwindigkeit verändert sich linear mit dem Durchmesser nach der Gleichung:  v = d.p.n

Die Berechnung der Hauptzeit tH erfolgt wie beim Längsdrehen:

                               mit  va = Da.p.n

Gesamt-Drehlänge:       

Bild 37: Gesamt-Drehlänge beim Plandrehen

 

 

b) Stufenlose Drehzahlregelung  (v = konst.)

Plandrehen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit zeichnet sich durch größere Wirtschaftlichkeit, bessere Oberflächen-güte und kürzere Hauptzeit aus.

Auf Grund der vom Hauptantrieb vorgegebenen Drehzaglen nmin und nmax kann maximal eine, durch Dmin und Dmax begrenzte, Kreisringfläche mit v=konst. bearbeitet werden ® Aufteilung des Regelbereichs in drei Teilbereiche.

Die Berechnung der Teilbereiche I und III erfolgt analog Pkt. a) mit konstanter Drehzahl.

                                


Berechnung der Hauptzeit tH im Bereich II:

                            mit  v = d.p.n = 2.r.p.n

damit:    

Mit:

Bild 38: Regelung auf konstante Schnittgeschwindigkeit











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