Drehen (Verfahren)

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Dreher (DDR, 1982)
Universaldrehmaschine beim Bearbeiten von Aluminium

Drehen ist ein zerspanendes Fertigungsverfahren für Metalle und Kunststoffe. Gedreht wird manuell auf einer Drehbank oder automatisiert auf einer Drehmaschine. Im Gegensatz zum Spindeln und Fräsen dreht sich hier das Werkstück beziehungsweise Halbzeug; es führt die Hauptschnittbewegung mit seiner Rotation aus. Das fest eingespannte Werkzeug (Drehmeißel) wird am drehenden Werkstück mit Hilfe des Werkzeugschlittens entlang bewegt, um einen Span abzuheben; es führt die Zustell- und Vorschubbewegung aus. Nur in besonderen Fällen (beispielsweise bei Gewindewirbeln) trägt auch das Werkzeug zur Schnittbewegung bei.

In der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 zählt das Drehen als Trennverfahren.

Beim klassischen Drehen werden hauptsächlich rotationssymmetrische (runde) Teile bearbeitet. Die moderne Technologie einer CNC-Drehmaschine macht es möglich, auch Werkstücke zu fertigen, die früher nur auf einer Fräsmaschine zu produzieren waren.

Sind die Drehteile im mikroskopischen Bereich (sogenannte Kleinstdrehteile), beispielsweise in der Uhren- oder Medizin- sowie der Mikrotechnik, spricht man von Décolletage.

In der Holzbearbeitung heißt ein ähnliches Verfahren Drechseln oder auch Drehen. Während der Drechsler bei den Handdrehverfahren das Werkzeug manuell führt, gibt es auch dort ähnliche Technologien wie in der Metallverarbeitung. So kommen im Drechslerhandwerk Kreuzsupporte zum Einsatz und es finden Halb-, Voll- und CNC-gesteuerte Automaten Verwendung.

Geschichte

Mittelalterliche Wippendrehbank.

Das Drehen ist schon seit den Kulturen des alten Orients bekannt. Im Grab des Ti aus dem 3. Jahrtausend v. Chr. ist eine Abbildung einer Zugschnurdrehbank zu sehen, bei der das Werkstück von einer Schnur umschlungen wurde. Ein Arbeiter hielt beide Enden in den Händen und brachte das Werkstück damit in Rotation. Ein zweiter Arbeiter führte das Werkzeug. Im Mittelalter wurde die Drehbank zur Wippendrehbank weiterentwickelt, die sich von einer Person alleine bedienen ließ. Während der industriellen Revolution wurden maschinell angetriebene Drehmaschinen gebaut die für die Industrialisierung von besonderer Bedeutung waren. Damit wurden vor allem Teile für Textilmaschinen und Schrauben hergestellt.

Achsen beim Drehen

Die Bezugsachse beim Drehen ist die Rotationsachse der Hauptspindel, um die sich das Werkstück und das Futter drehen. Diese wird als Z-Achse bezeichnet und zeigt vom Futter in Richtung Reitstock. Zusätzlich kann der Oberschlitten auf der Z-Achse verstellt werden, weshalb die Achse des Oberschlittens oft mit Z0 bezeichnet wird, um Verwechslungen zu vermeiden.

Senkrecht zur Z-Achse stehen die X-und die Y-Achse. Die Hauptschneide des Drehwerkzeuges wird über die Y-Achse beim Rüsten fest auf Werkstückmitte eingestellt und liegt meist exakt in der Arbeitsebene G19 bzw. XZ-Ebene. In besonderen Ausnahmefällen wie dem Abstechdrehen, kann das Drehwerkzeug bei konventionellen Drehmaschinen auch geringfügig unter Drehmitte eingestellt werden.

Bei CNC-gesteuerten Drehmaschinen und Drehfräszentren gibt es weitere Achsen, die geräte- und bearbeitungsabhängig mit Buchstaben von A bis W gekennzeichnet werden. Zusätzlich bezeichnete Achsen können u.a. die von Werkzeugrevolvern, Lünetten, angetriebenen Werkzeugen, Gegenspindeln oder Reitstöcken sein.

Der tatsächlich zurückgelegte Zustellweg über die X-Achse mit dem Planschlitten variiert von Maschine zu Maschine und kann mit mm, Zoll oder inches bezeichnet sein. Über die Skalenteilung muss darauf geachtet werden, ob sich der eingestellte Zustellweg auf den Radius oder Durchmesser des Werkstückes bezieht. Moderne Digitalanzeigen bei konventionellen und NC-gesteuerten Drehmaschinen zeigen i.d.R. den Zustellweg bezogen auf den Durchmesser des Werkstücks.

Bei rechnergestützten Drehmaschinen wird manchmal der Drehwinkel, bezogen auf die Drehachse Z oder die X-Achse, als dritter Parameter angezeigt und bei entsprechenden Fähigkeiten der Lageregelung selbstständig angepasst.

Geeignete Drehparameter

Die Parameter, die vom Dreher händisch an der Maschine eingestellt werden können, sind die Drehzahl in U/min, die Vorschubgeschwindigkeit in mm/U, der Einstellwinkel κ und der Neigungswinkel λ der Schneide (z.B. bei runden Drehmeißeln). Bei NC- und CNC-Drehmaschinen lässt sich zusätzlich die Schnittgeschwindigkeit in m/min einstellen, woraus die Steuerung die nötige Drehzahl berechnet. Durch spezielles Anschleifen des Drehwerkzeuges lassen sich außerdem der Eckenwinkel ε und der Spitzenradius vom Dreher beeinflussen.

Durch Optimierung all dieser Parameter werden folgende Zustände erreicht:

  • optimale Standzeit des Werkzeugs
  • verbesserte Spanbildung
  • verbesserte Span-und Wärmeabfuhr
  • möglichst geringe Werkzeugtemperatur
  • geforderte Oberflächengüte
  • möglichst großes Zeitspanvolumen
  • kleinstmögliche Schnittkraft und verminderte Energieaufnahme
  • bestmögliche Maßhaltigkeit

Schnittgeschwindigkeit und Drehzahl

Die Wahl der Schnittgeschwindigkeit vc ist von verschiedenen Faktoren abhängig.

Diese sind der Werkstoff des Werkstücks, der Werkstoff des Werkzeugs, die Beschichtung und Oberflächengüte des Werkzeugs, das Bearbeitungsverfahren (Schruppen, Schlichten, Feinschlichten), das Drehverfahren (Einstechdrehen, Abstechdrehen, Querplandrehen, Längsrunddrehen, Kopierdrehen, Hinterdrehen, Gewindedrehen, Innendrehen usw.), die geforderte Oberflächengüte des Werkstücks und der Kühlschmierstoff. Richtwerte für die Schnittgeschwindigkeit sind aus Tabellenbüchern oder den Datenblättern der Drehwerkzeuge zu entnehmen. Die Drehzahl ist abhängig von Schnittgeschwindigkeit und Durchmesser des Werkstücks und mit der Formel n=\frac{v_c}{\Pi*d} errechenbar. Bei der Berechnung ist insbesondere ist auf Gleichheit der Einheiten zu achten.

Vorschub

Der Vorschub f wird in Millimeter pro Umdrehung angegeben. Er sollte beim Schruppen aus wirtschaftlichen Gründen so groß wie nötig eingestellt werden, um die optimale Standzeit der Schneide bei größtmöglichem Zeitspanvolumen, die Stabilität des Werkstücks und in besonderen Fällen die Steigung, z.B. beim Gewindeschneiden, zu gewährleisten. Begrenzt wird er durch die Antriebsleistung der Drehmaschine. Beim Schlichten (Fertigdrehen) wird wegen der höheren erzielbaren Oberflächenqualität die Zustelltiefe ap gegenüber dem Schruppvorgang vermindert und die die Schnittgeschwindigkeit erhöht bzw. die Vorschubgeschwindigkeit verringert.

Je geringer der Spitzenradius und/oder Spitzenwinkel des Drehwerkzeugs ist, desto geringer muss für gleichbleibende Oberflächengüte die Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe ist beim Runddrehen von der Zustellung des Drehwerkzeuges, beim Einstechdrehen von der Breite der Schneide abhängig. Die Schnitttiefe sollte beim Schruppen so groß wie möglich gewählt werden. Beim Schlichten entspricht die Schnitttiefe der Hälfte des Aufmaßes.

Einstellwinkel

Der Einstellwinkel κ bestimmt die Schnittkraftverteilung auf die Schneide des Drehwerkzeugs. Je kleiner der Winkel wird, desto verschleißärmer ist der Bearbeitungsvorgang für die Schneide. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte er beim Schruppvorgang einen optimalen Kompromiss aus Anstellung des Drehwerkzeugs bzw. möglichst geringem Winkel und der Bearbeitungsrichtung darstellen. Ein zu kleiner Einstellwinkel kann sich ebenfalls negativ auf die Schneide auswirken und starke Rattermarken verursachen. Beim Schruppen sollte er > 25° und < 90° sein, beim Schlichtdrehen ist wegen Eckenbearbeitung ein Winkel von 90 bis 97° vorzuziehen. Je kleiner der Einstellwinkel wird, desto geringer wird die benötigte Vorschubkraft, aber desto mehr steigt die Passivkraft. Bei κ=90° ist die benötigte Vorschubkraft am größten und eine Passivkraft theoretisch nicht vorhanden.

Eckenwinkel

Der Eckenwinkel ε beeinflusst die Stabilität der Schneide und die Oberflächenrauheit des Werkstückes. Je geringer er ausfällt, desto mehr wird die Schneide belastet und desto größer wird die Oberflächenrauheit. I.d.R. werden Eckenwinkel zwischen 30° und 130°, je nach Bearbeitungsvorgang verwendet. Nur in seltenen Fällen dreht man mit scharfkantigen Eckenwinkeln, da Rillen im Werkstück die Folge sind. Aufgrund der Schneidenstabilität, gerade bei kleinen Eckenwinkeln, werden Radien in gängigen Größen zwischen 0,2mm und 2mm an die Drehwerkzeuge angeschliffen, bei HSS oft individuell per Hand. Je größer der Radius wird, desto höher wird die Oberflächengüte.

Neigungswinkel

Der Neigungswinkel λ beeinflusst die Wirkung der Werkzeugschneide. Diese kann schabend oder schneidend sein und ist in einigen Fällen werkstoffabhängig. Bei hohen Belastungen setzt man oft negative Neigungswinkel ein, bei niedrigen Belastungen eher positive. Entsprechend der Neigungswinkel sind auch die Schneidplattenhalter positiv und negativ ausgelegt. Negative Wendeschneidplatten haben oft den Vorteil, dass sie beidseitig verwendet werden können, wogegen positive nur einseitig benutzbar sind. Bei HSS-Drehstählen werden i.d.R. nur positive Neigungswinkel verwendet, bei Wendeschneidplatten aus Keramik oft negative und bei PKD-, beschichteten HM- und CBN-Wendeschneidplatten aus Hartmetall als Grundträger negative und positive Neigungswinkel.

Zum verbesserten Spanbruch und der verschleißärmeren und bestimmten Spanabfuhr besitzen Hartmetallwendeschneidplatten fast immer angesinterte positive Schneiden und dahinter liegende Spanleitnuten. Damit relativiert sich in gewisser Hinsicht die reine Schabwirkung einiger negativer HM-Wendeschneidplatten.

Drehwinkel

Der Drehwinkel beeinflusst am Werkstück angedrehte Winkel zur Z-Achse und wird auf konventionellen Drehmaschinen per Drehung des Oberschlittens, durch seitlichen Versatz des Reitstocks, durch außermittige Spannung an der Mitnehmerspitze, durch Einsatz von Leitlinealen am Support (Oberschlitten) oder durch Schablonen an Kopierdrehmaschinen eingestellt. Damit lassen sich z.B. Kegelaufnahmen oder Keilriemennuten herstellen. Bei zentrischer Spannung des Werkstücks können die Winkel ausschließlich mit dem Oberschlitten hergestellt werden, bei exzentrischer Spannung des Werkstückes auf einer Seite, können die Winkel ebenfalls mit dem Hauptschlitten angedreht werden.

Bei CNC-gesteuerten Drehmaschinen wird der Drehwinkel im Programm eingegeben und die Lageregelung des Drehwerkzeugs erfolgt über einen Regelkreis.

Drehverfahren

Die Drehverfahren können nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt werden:

Lage der Bearbeitungsstelle

Je nachdem, wie die Bearbeitungsstelle am Werkstück liegt, spricht man von Außendrehen oder vom Innendrehen. Beim Außendrehen werden die Außenflächen bearbeitet, beim Innendrehen Flächen, die in einer Bohrung liegen.

Bewegungsrichtung

Je nach Vorschubrichtung wird zwischen Längsdrehen und Querdrehen (Plandrehen) unterschieden. Beim Längsdrehen bewegt sich das Werkzeug längs der Rotationsachse (Z-Achse), beim Querdrehen senkrecht/quer dazu, also entlang der X-Achse. Dies sind die grundlegenden Bewegungen beim Drehen. Kompliziertere Formen werden durch die Überlagerung beider Bewegungen erzeugt. Wenn sich das Werkzeug auf einer geraden Bahn in einem Winkel zur Z-Achse bewegt, entstehen Kegelflächen. Beim Formdrehen kann sich das Werkzeug auch auf beliebig gekrümmten Bahnen bewegen und damit die verschiedensten rotationssymmetrischen Formen erzeugen.

Nachformdrehen
NC-Formdrehen

Geometrische Form der bearbeiteten Fläche

  • Runddrehen, es entsteht die Mantelfläche eines Zylinders
  • Plandrehen, es entsteht die Grundfläche eines Zylinders, also eine Ebene
  • Kegeldrehen, es entsteht die Mantelfläche eines Kegels
  • Schraubdrehen, es entstehen Flächen entlang einer Schraubenlinie
  • Profildrehen, die Form des Werkzeugs wird auf das Werkstück übertragen, zum Beispiel zum Abrunden von Ecken mit einer viertelkreisförmigen Werkzeugschneide
  • Formdrehen, eine beliebige rotationssymmetrische Fläche wird durch die dazu passende Werkzeugbahn erzeugt. Formdrehen kann weiter unterteilt werden in:
    • Freiformdrehen, hierbei wird das Werkzeug entweder mit der Hand geführt und auf eine Stütze aufgelegt oder die zwei Kurbeln (für Z- und X-Achse) werden gleichzeitig manuell betätigt. Hierzu ist eine gewisse Übung nötig, maßhaltige Werkstücke können so nicht hergestellt werden.
    • Nachformdrehen, hierbei wird die Form eines Musters elektronisch oder mechanisch abgetastet und auf das Werkzeug und damit auf das Werkstück übertragen.
    • NC-Formdrehen, die Werkzeugbahn wird durch ein Programm von einem Rechner gesteuert.
  • Unrunddrehen, es entstehen Flächen, die nicht rotationssymmetrisch sind, zum Beispiel der Sechskant-Kopf einer Schraube
  • Hinterdrehen, das Herstellen von Freiflächen, zum Beispiel an einem Fräserrohling.

Schruppen & Schlichten

Wie bei vielen anderen spanenden Fertigungsverfahren kann man auch beim Drehen zwischen einem Schrupp- und einem Schlicht-Arbeitsgang unterscheiden. Beim Schruppen wird deutlich mehr Volumen als beim Schlichten von dem Bauteil abgetragen. Das Werkstück wird hierbei annähernd auf Maß gebracht. Das Schlichten dagegen soll dem Erzielen einer hohen Oberflächengüte dienen.

Drehen - Stechdrehen - Abstechen

Beim Drehen wird das Werkzeug an der Oberfläche entlang bewegt, beim Abstechen wird direkt in das zu bearbeitende Halbzeug geschnitten, so dass es sich vom Rest ablöst, es wird also in das Werkstück hineingestochen. Viele Profil-Werkzeuge werden im Stechdrehverfahren verwendet, zum Beispiel zum Herstellen von Nuten für Sicherungsringe. Wird mit dem Stechdrehen bis zur Werkstückmitte fortgefahren, so kann das Werkstück vom eingespannten Halbzeug getrennt werden. Dies nennt man dann Abstechen.

Gewindedrehen - Gewindestrehlen

Bei beiden Verfahren wird ein Werkzeug im Längsdrehverfahren benutzt. Der Vorschub entspricht der Gewindesteigung, damit hinterlässt das Werkzeug eine Spur auf der gewünschten Schraubenlinie. Beim Gewindedrehen wird ein Profil-Werkzeug verwendet. Dessen Profil entspricht der Form des gewünschten Gewindes, zum Beispiel ein 60°-Winkel für ein metrisches und ein 55°-Winkel für ein Rohr-Gewinde. Da die Schnittkräfte vor allem bei groben Gewinden bei einem einzigen Durchgang zu groß sind, wird dieses Werkzeug mehrmals durch dieselbe Spur bewegt, jedes mal ein Stückchen tiefer. Im Unterschied dazu hat ein Werkzeug für das Gewindestrehlen mehrere Schneiden hintereinander. Jede hat das Profil des Gewindes, der Abstand der Schneiden entspricht der Steigung. Die Schneiden sind versetzt angeordnet, so dass jede ein Stückchen tiefer in der Spur ihres Vorgängers läuft.

Das Gewindedrehen ist flexibler als das Gewindestrehlen, da mit demselben Werkzeug Gewinde unterschiedlicher Steigung gefertigt werden können. Dafür benötigt man für das Gewindestrehlen nur einen einzigen Durchlauf, die Bearbeitungszeit ist somit deutlich kürzer.

Mit Gewindedrehen können auch keglige Gewinde hergestellt werden. Damit das Gewindewerkzeug sich pro Umdrehung exakt um die Steigung weiterbewegt, wird seine Vorschubbewegung entweder mechanisch an den Spindelantrieb gekoppelt, oder die Vorschubbewegung wird elektronisch mit der Spindeldrehung synchronisiert.

Werkzeuge

Ob eine Wendeplatte dafür ausgelegt ist, ein Werkstück zu schruppen oder zu schlichten, entscheidet der Radius der Schneide. Dieser kann von 0,2 mm bis 2,4 mm variieren. Wendeplatten mit einem Radius kleiner als 0,8 mm werden meist dazu verwendet, ein Werkstück zu schlichten. Alle darüber dienen dem Schruppvorgang. Die zu verwendende Wendeplatte ist auch vom eingesetzten Material abhängig. Bei Grauguss (sprödes Material) werden Keramikwendeplatten mit glatter Oberfläche empfohlen. Bei Stahl, Aluminium, Messing (große Spanbildung) wird die Verwendung von Wendeplatten mit Spanbrechkante vorgeschrieben. Diese ermöglichen ein besseres Abheben des Bearbeitungsspans.

Wie bei anderen spanenden Fertigungsverfahren unterliegen die Werkzeugschneiden auch beim Drehen einem Verschleiß, der je nach eingesetztem Material, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Qualität der eingesetzten Wendeplatte variiert.

Spezielle Probleme

Durch den Regenerativeffekt kann das Werkstück so schwingen, dass ein wellenförmiger Schliff entsteht.

Siehe auch

Weblinks

 Wiktionary: drehen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Drehen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien