Auf einer technischen Zeichnung sieht alles einfach aus. Der Durchmesser hat einen bestimmten Wert, die Bohrung befindet sich exakt an der angegebenen Stelle und die Oberfläche soll die geforderte Qualität aufweisen. Es genügt also, die CNC-Maschine zu programmieren und die Produktion von hundert, tausend oder zehntausend identischen Teilen zu starten.
In der Theorie – ja. In der Praxis besteht eine der größten Herausforderungen der präzisen Zerspanung jedoch nicht darin, ein einziges perfektes Bauteil herzustellen. Wesentlich schwieriger ist es, eine ganze Serie zu fertigen, bei der das erste, das fünfhundertste und das letzte Teil dieselben Anforderungen erfüllen.
Genau darum geht es bei der Wiederholgenauigkeit in der CNC-Fertigung – einer Eigenschaft, die mit bloßem Auge häufig nicht erkennbar ist, für die moderne Industrie jedoch von enormer Bedeutung ist.
Ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter. Für den Menschen ist dies ein Wert, der ohne entsprechende Messgeräte praktisch nicht wahrnehmbar ist. Für einen Hersteller von Präzisionskomponenten kann eine Abweichung im Mikrometerbereich jedoch darüber entscheiden, ob ein Bauteil korrekt mit den übrigen Komponenten eines Geräts zusammenarbeitet.
Dies ist insbesondere bei Komponenten von Bedeutung, die in der Medizintechnik, Elektronik oder in präzisen Industriemechanismen eingesetzt werden.
Deshalb lautet die entscheidende Frage in der CNC-Fertigung nicht nur: „Können wir ein solches Bauteil herstellen?" Ebenso wichtig ist die Frage: „Können wir es wiederholt fertigen und dabei die geforderten Parameter einhalten?"
Moderne CNC-Maschinen werden mit nahezu absoluter Präzision assoziiert. Sie werden computergesteuert und führen ein zuvor erstelltes Programm aus. Das bedeutet jedoch nicht, dass der gesamte Prozess unter vollkommen konstanten Bedingungen abläuft.
Während der Produktion können sich unter anderem die Temperatur der Maschine, der Zustand des Schneidwerkzeugs, die Eigenschaften des bearbeiteten Materials oder die Bedingungen in der Zerspanungszone verändern.
Ein Werkzeug, das das erste Bauteil gefertigt hat, kann nach Hunderten weiterer Bearbeitungsvorgänge bereits teilweise verschlissen sein. Eine Werkzeugmaschine befindet sich nach mehreren Betriebsstunden unter anderen thermischen Bedingungen als unmittelbar nach dem Einschalten. Selbst Material aus unterschiedlichen Chargen kann gewisse Unterschiede aufweisen, die sich auf die Bearbeitung auswirken.
Die Aufgabe der CNC-Technologie besteht daher nicht nur darin, die Bewegung des Werkzeugs präzise zu steuern, sondern auch darin, einen Prozess zu schaffen, der gegenüber solchen Veränderungen möglichst stabil und unempfindlich ist.
Einer der wichtigsten Faktoren, die die Wiederholgenauigkeit beeinflussen, ist der Werkzeugverschleiß.
Beim Drehen oder Fräsen ist die Schneide erheblichen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Mit der Zeit verändert sich ihre Geometrie. Anfangs sind diese Veränderungen äußerst gering, doch bei der Präzisionsfertigung können selbst minimale Abweichungen die Abmessungen oder die Oberflächenqualität des bearbeiteten Bauteils beeinflussen.
Deshalb ist ein angemessenes Management der Werkzeugstandzeiten von großer Bedeutung. Man sollte nicht warten, bis ein Werkzeug vollständig unbrauchbar geworden ist. Sein Zustand muss bereits wesentlich früher berücksichtigt werden – bevor erste Qualitätsprobleme auftreten.
In der CNC-Serienfertigung zählt daher nicht nur die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Ebenso wichtig ist die Stabilität des gesamten Prozesses.
Eine besondere Herausforderung stellt die Bearbeitung von Edelstahl dar, auf die sich TOKAR CNC Technology spezialisiert hat.
Dieses Material wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit, Langlebigkeit und vielseitigen Einsatzmöglichkeiten in anspruchsvollen Branchen geschätzt, ist bei der Zerspanung jedoch nicht immer einfach zu bearbeiten. Einige Edelstahlsorten neigen während der Bearbeitung zur Kaltverfestigung, entwickeln viel Wärme oder erzeugen problematische Späne.
Daher kommt der richtigen Auswahl von Werkzeugen, Schneidengeometrie, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Kühlung eine enorme Bedeutung zu.
Falsch gewählte Parameter können die Werkzeugstandzeit verkürzen und die Einhaltung stabiler Abmessungen erschweren. Ein gut geplanter Prozess ermöglicht es hingegen, die Vorteile von Edelstahl zu nutzen und gleichzeitig eine hohe Wiederholgenauigkeit der Produktion sicherzustellen.
Häufig wird Qualitätskontrolle vereinfacht als letzter Produktionsschritt betrachtet: Das Bauteil kommt aus der Maschine, gelangt in die Messabteilung und erst dort stellt sich heraus, ob es korrekt gefertigt wurde.
In einer modernen Produktion wäre ein solcher Ansatz jedoch nicht ausreichend.
Die Kontrolle sollte den gesamten Prozess umfassen – von der Überprüfung des Materials über die laufende Kontrolle der gefertigten Elemente bis hin zur Vermessung der fertigen Teile vor dem Versand. Dadurch lassen sich unerwünschte Veränderungen frühzeitig erkennen und entsprechende Maßnahmen ergreifen, bevor eine größere Anzahl von Bauteilen betroffen ist.
Bei TOKAR CNC Technology kommt unter anderem das optische Messsystem KEYENCE IM zum Einsatz, mit dem Hunderte Messungen an Bauteilen mit einer Genauigkeit von ±2 μm durchgeführt werden können. Solche Lösungen beschleunigen die Qualitätskontrolle erheblich und tragen dazu bei, den Einfluss menschlicher Fehler zu reduzieren.
Stellen wir uns eine Serie von 5.000 kleinen Buchsen vor. Die Kontrolle des ersten Bauteils hat ergeben, dass alle Abmessungen korrekt sind. Bedeutet das, dass auch die übrigen 4.999 Teile den Vorgaben der technischen Dokumentation entsprechen werden?
Nicht unbedingt.
Während der Produktion kann es zu einem allmählichen Werkzeugverschleiß oder zu geringfügigen Veränderungen der Bearbeitungsbedingungen kommen. Ein einzelnes Bauteil kann sich weiterhin innerhalb der Toleranz befinden, während sich die folgenden Messergebnisse zunehmend der Toleranzgrenze annähern.
Eine effektive Qualitätskontrolle beschränkt sich deshalb nicht lediglich auf die Einteilung in „gute" und „schlechte" Bauteile. Durch die Beobachtung von Veränderungen innerhalb des Prozesses lassen sich Trends frühzeitig erkennen und entsprechende Maßnahmen einleiten, bevor Teile entstehen, die nicht mehr den Anforderungen entsprechen.
Präzision wird häufig in erster Linie mit Qualität verbunden. Sie hat jedoch auch eine sehr konkrete wirtschaftliche Bedeutung.
Ein stabiler Produktionsprozess bedeutet weniger Ausschuss, weniger Nacharbeit, einen geringeren Materialverbrauch und ein reduziertes Risiko, dass nachfolgende Produktionsschritte beim Kunden zum Stillstand kommen.
Ist eine Komponente Bestandteil eines größeren Geräts, kann eine falsche Abmessung bereits beim Zusammenbau Probleme verursachen. Im Extremfall kann ein einziges kleines Bauteil einen wesentlich kostspieligeren Produktionsprozess zum Stillstand bringen.
Investitionen in Wiederholgenauigkeit dienen daher nicht ausschließlich dem Streben nach technischer Perfektion. Sie sind zugleich eine Möglichkeit, die Planbarkeit der Produktion zu erhöhen und ihre Gesamtkosten zu reduzieren.
Automatisierung beseitigt nicht die Bedeutung der Erfahrung der Mitarbeiter – sie verändert vielmehr die Art ihrer Arbeit.
Eine moderne Werkzeugmaschine kann programmierte Bewegungen mit enormer Genauigkeit wiederholen. Zuvor muss jedoch jemand die Bearbeitungstechnologie entwickeln, geeignete Werkzeuge und Schnittparameter auswählen, die Maschine einrichten, den Prozess überwachen und die Messergebnisse richtig interpretieren.
Je anspruchsvoller ein Bauteil ist, desto wichtiger wird das Zusammenspiel zwischen den Möglichkeiten der Maschine und dem Fachwissen von Technologen, Maschinenbedienern und Mitarbeitern der Qualitätskontrolle.
Genau deshalb stehen Technologie und Erfahrung in der präzisen CNC-Bearbeitung nicht in Konkurrenz zueinander. Die besten Ergebnisse entstehen dann, wenn sie sich gegenseitig ergänzen.
Ein beeindruckendes, komplexes Bauteil, das mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich gefertigt wurde, kann durchaus faszinieren. Aus industrieller Sicht ist es jedoch eine noch größere Leistung, Tausende solcher Teile mit konstanten Parametern herstellen zu können.
Moderne Drehzentren, Langdrehautomaten, optimal ausgewählte Werkzeuge und fortschrittliche Messsysteme bilden gemeinsam einen Produktionsorganismus. Jedes seiner Elemente spielt eine wichtige Rolle.
Präzision in der CNC-Fertigung bedeutet deshalb nicht nur, die Frage zu beantworten, wie genau ein einzelnes Bauteil gefertigt werden kann. Der wahre Prüfstein der Technologie ist, wie genau dasselbe Bauteil zum tausendsten Mal gefertigt werden kann.
TOKAR CNC Technology Mateusz Maćków
