9 Arten von Bearbeitungsprozessen, die Sie kennen sollten

Als ich zum ersten Mal in einer richtigen Maschinenwerkstatt stand, schlug mir als Erstes der Geruch entgegen – ein scharfer, reiner, metallischer Geruch von Schneidflüssigkeit und heißem Stahl, der einem für immer im Gedächtnis haften bleibt. Mein Mentor, ein alter, ergrauter Maschinist namens Frank, reichte mir einen massiven, 15 cm großen Würfel aus 6061-Aluminium. Er war schwer, vollkommen quadratisch und völlig nutzlos.

„Ihre Aufgabe“, sagte er mit leiser, grollender Stimme übertönte das Heulen einer Drehbank in der Ferne, „ist es, aus diesem Metallblock jenen zu machen.“ Er deutete auf eine komplexe Halterung auf der Werkbank, ein Bauteil für eine pneumatische Presse mit ineinandergreifenden Elementen, präzisen Bohrungen und einer glatten, satinierten Oberfläche. „Dieser Block birgt Potenzial. Ihre Aufgabe ist es, alles zu entfernen, was nicht zum Teil gehört. Das ist die ganze Bearbeitung. Es geht nicht darum, etwas hinzuzufügen, sondern wegzunehmen. Es ist eine Skulptur, aber mit Toleranzen im Tausendstelzoll.“

Diese Idee war die Grundlage meiner 25-jährigen Karriere. Beim maschinellen Bearbeiten geht es nicht darum, etwas aus dem Nichts zu erschaffen, wie beim 3D-Druck. Es ist die Kunst und Wissenschaft des subtraktiv Herstellung: die kontrollierte Entfernung von Material, um eine gewünschte Form zu erhalten. Jeder Prozess, vom einfachsten Loch in einem Stück Holz bis zum komplexesten komplexe 5-Achsen Das Fräsen einer Turbinenschaufel ist lediglich eine andere Methode, den Überschuss abzuschneiden. Und im Zentrum dieses gesamten Prozessuniversums stehen drei grundlegende Säulen – drei Kernmethoden, die den Großteil aller Prozesse ausmachen. bearbeitete Teile der Welt. Sie sind Vater, Sohn und Heiliger Geist der Maschinenwerkstatt: Drehen, Fräsen und Bohren.

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Bearbeitungsprozess	Kernprinzip	Primärmaschine	Gemeinsame Produkte
Drehung	Das Werkstück rotiert, während ein stationäres Schneidwerkzeug entfernt Materials.	Drehbank	Wellen, Stifte, Bolzen, Riemenscheiben, Düsen, alles Zylindrische.
Fräsen	Das Schneidwerkzeug rotiert, während das Werkstück stationär gehalten wird.	Fräse (Mühle)	Motorblöcke, Halterungen, Formen, flache Oberflächen, Taschen, Schlitze.
Bohren	Ein rotierendes Schneidwerkzeug bewegt sich axial in ein stationäres Werkstück, um ein rundes Loch zu erzeugen.	Bohrmaschine, Fräse, Drehbank	Löcher für Befestigungselemente, Flüssigkeitskanäle, Gewichtsreduzierung.
Schleifen	Eine Schleifscheibe dreht sich mit hoher Geschwindigkeit, um mikroskopisch kleine Materialmengen zu entfernen.	Schleifer	Laufringe, Endmaße, hochpräzise Wellen.
Sägen	Eine gezahnte Klinge bewegt sich in einer linearen Bewegung, um einen schmalen Schlitz in das Werkstück zu schneiden.	Bandsäge, Kaltsäge	Rohmaterial auf Länge schneiden, Rohlinge herstellen.
Anstich	Ein gezahntes Werkzeug wird durch ein Loch oder über eine Oberfläche geschoben oder gezogen, um eine bestimmte Form zu erzeugen.	Räummaschine	Interne Keilnuten, Keilwellen, Zahnräder.
EDM (elektrische Entladungsbearbeitung)	Der Materialabtrag erfolgt durch eine Reihe kontrollierter elektrischer Funken zwischen einer Elektrode und dem Werkstück.	EDM-Maschine	Komplexe Formen, Schneiden von gehärtetem Stahl, Entfernen defekter Wasserhähne.

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Was ist das Grundprinzip der Bearbeitung?

Bevor wir die verschiedenen Arten der Bearbeitungmüssen wir das eine Konzept erfassen, das sie alle vereint. Im Kern ist die Bearbeitung die Verfahren zur Verwendung eines Schneidegeräts Werkzeug zum Erstellen eines Chip. Dieses winzige Metallstück, sei es ein langes, gekräuseltes blaues Band, das von einer Drehbank kommt, oder ein feines Pulver aus einer Schleifmaschine, ist die grundlegende Einheit der Materialentfernung.

Die gesamte Wissenschaft der Zerspanung – von der Werkzeuggeometrie und Materialwissenschaft bis hin zu Geschwindigkeiten und Vorschüben – ist darauf ausgerichtet, diesen Span so effizient und präzise wie möglich zu erzeugen. Der Prozess funktioniert durch Erzwingen eines Schnitts Ein Werkzeug, das härter ist als das zu schneidende Material, wird in das Werkstück eingebracht. Dadurch entstehen enorme lokale Spannungen, die das Material in Form eines Spans abscheren.

Dies ist das Gegenteil von generative Fertigungs (wie 3D-Druck), bei dem Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, oder formgebende Fertigung (wie Schmieden oder Stanzen), bei dem Material umgeformt wird, ohne es zu entfernen. Die spanende Bearbeitung ist einzigartig subtraktiv. Sie beginnen mit mehr Material als Sie benötigen und methodisch schneiden Sie es weg. Dieses Verfahren wird für seine Fähigkeit geschätzt, Teile mit unglaublicher Genauigkeit, ausgezeichneter Oberflächenveredelungund überlegene Materialeigenschaften, da es mit einem festen, homogenen Metallblock und nicht mit einer verschmolzenen Ansammlung von Pulvern oder Filamenten arbeitet. Frank hatte Recht: Es ist eine Skulptur, die den Gesetzen der Physik unterliegt.

Was ist Drehen und warum ist es wichtig?

Stellen Sie sich einen Töpfer an einer Spinnscheibe vor. Seine Hände sind das ruhende Werkzeug, und der sich drehende Ton ist das Werkstück. Das ist die Essenz von Drehung. Es handelt sich um ein Bearbeitungsverfahren zur Herstellung zylindrischer oder konischer Teile durch Drehen eines Werkstücks gegen einen Einpunkt-Schneid Werkzeug. Die Maschine, die diesen Vorgang ausführt, ist der unbestrittene König der Maschinenwerkstatt: die Drehbank.

In einer Drehbank wird das Werkstück sicher in einem rotierenden Spannfutter gehalten und mit hoher Geschwindigkeit gedreht. Das Schneidwerkzeug ist auf einem starren Werkzeugträger montiert, der vom Maschinisten (oder einem Computer in einem CNC-Drehmaschine).

• Wenn sich das Werkzeug bewegt Parallel zur Rotationsachse entsteht ein konstanter Durchmesser, ein Vorgang, der als „Drehen“ bezeichnet wird.
• Wenn sich das Werkzeug bewegt aufrecht zur Rotationsachse wird eine ebene Fläche am Ende des Teils erzeugt, ein Vorgang, der als „Plandrehen“ bezeichnet wird.
• Durch schräges Bewegen des Werkzeugs lassen sich Verjüngungen oder Fasen erzeugen. Mit speziell geformten Werkzeugen lassen sich Nuten, Gewinde und komplexe Profile schneiden.

Welche Arten von Teilen werden durch Drehen hergestellt?

Drehen ist das Verfahren der Wahl für alle Teile, die grundsätzlich rund sind. Die Welt ist voll davon:

• Wellen und Achsen: Die rotierenden Komponenten, die Kraft übertragen, alles von einem Automotor zu einer Windkraftanlage.
• Stifte und Dübel: Wird zum Lokalisieren und Ausrichten von Komponenten mit hoher Präzision verwendet.
• Bolzen und Schrauben: Das Gewindeschneiden eines Befestigungselements ist ein klassischer Drehvorgang.
• Riemenscheiben und Flansche: Rillenräder für Riemen und flache Scheiben zum Verbinden von Rohren.
• Düsen und Armaturen: Konische und Gewindeteile zur Steuerung des Flüssigkeitsflusses.

Die Drehbank ist eine der ältesten Werkzeugmaschinen. Ihr Prinzip ist einfach, aber unglaublich leistungsstark. Sie ist die wichtigste Methode zur Herstellung rotierender Teile.

Was ist Fräsen und wie unterscheidet es sich vom Drehen?

Wenn Drehen die Töpferscheibe ist, Mahlen ist der Meißel des Bildhauers. Beim Fräsen sind die Rollen vertauscht: Das Schneidwerkzeug rotiert, während das Werkstück stationär auf einem beweglichen Tisch gehalten wird. Die verwendete Maschine ist eine Mahlen Maschine, oft als „Mühle“ bezeichnet.

Das Schneidwerkzeug, bekannt als Ende Mühle or Planfräser, hat typischerweise mehrere Schneidkanten (Nuten). Während es sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, wird das Werkstück hineingeführt. Durch die Bewegung des Werkstücktisches in der X-, Y- und Z-Achse kann der Maschinist eine Vielzahl von Formen erzeugen.

• Planfräsen: Verwendet einen Fräser mit großem Durchmesser, um auf der Oberseite eines Teils eine vollkommen ebene Oberfläche zu erzeugen.
• Umfangsfräsen (oder Stirnfräsen): Verwendet die Seite des rotierenden Fräsers, um vertikale Wände, Schlitze und Schultern zu erstellen.
• Einstecken: Das Einarbeiten einer Vertiefung oder Kavität in die Oberfläche eines Teils.
• Konturierung: Verwenden Sie die Fräse, um einem komplexen 2D- oder 3D-Pfad zu folgen und so gekrümmte Oberflächen und organische Formen zu erstellen.

Welche Arten von Teilen werden durch Fräsen hergestellt?

Fräsen dient zum Erstellen prismatischer (nicht zylindrischer) Formen. Es ist das Arbeitspferd für die Herstellung der Bausteine ​​der meisten Maschinen:

• Motorblöcke: Die komplexen inneren und äußeren Merkmale sind alle gefräst.
• Halterungen und Gehäuse: Komponenten, die andere Teile an ihrem Platz halten.
• Formen und Matrizen: Für Injektion Formen und Stanzen, die komplexe 3D-Hohlräume erfordern.
• Verteiler: Metallblöcke mit komplizierten, miteinander verbundenen Flüssigkeitskanälen.

Der grundlegende Unterschied zwischen Drehen und Fräsen liegt darin, was sich bewegt. Beim Drehen dreht sich das Teil, beim Fräsen dreht sich das Werkzeug. Dieser einfache Unterschied schafft zwei völlig unterschiedliche Universen möglicher Formen. Die meisten komplexen Teile erfordern tatsächlich beide Prozesse – eine Welle kann auf einer Drehbank gedreht werden, um ihre runde Form zu erhalten, und dann zu einer Fräse transportiert werden, um eine flache oder eine Keilnut hineinzuschneiden.

Warum gilt Bohren als grundlegender Bearbeitungsprozess?

Die dritte Säule ist die einfachste und bekannteste: Bohrung. Dabei wird ein rundes Loch in ein Werkstück eingebracht. Wie beim Fräsen wird ein rotierendes Schneidwerkzeug verwendet, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Das Werkzeug, genannt Bohrer, bewegt sich nur entlang seiner eigenen Achse (der Z-Achse) und taucht direkt in das Material ein.

Während eine Handbohrmaschine ein gängiges Haushaltswerkzeug ist, wird in einer Maschinenwerkstatt mit einer Bohrmaschine für Genauigkeit oder als Vorgang auf einer Fräse oder Drehmaschine. Die Bohrmaschine stellt sicher, dass das Loch perfekt senkrecht zur Oberfläche steht und ermöglicht dem Bediener, kontrollierten, gleichmäßigen Druck auszuüben.

Bohren ist oft der erste Schritt vor anderen Vorgängen. Beispielsweise müssen Sie ein Loch bohren, bevor Sie ein Gewinde schneiden können, oder bevor Sie ein Bohrwerkzeug verwenden können, um das Loch zu vergrößern und präziser zu gestalten.

Bohren ist allgegenwärtig. Es wird verwendet für:

• Erstellen von Durchgangslöchern für Bolzen und Schrauben.
• Erstellen von Pilotlöchern für größere Bohrvorgänge.
• Bohren von Durchgängen für Flüssigkeiten oder Kabel.
• Reduzierung des Gewichts eines Bauteils.

Diese drei Verfahren – Drehen, Fräsen und Bohren – bilden die Grundlage der subtraktiven Fertigung. Sie sind die wichtigsten Werkzeuge zur Metallformung. Doch sie sind nicht die einzigen. Was passiert, wenn Sie ein perfekt rechtwinkliges Loch, eine spiegelglatte Oberfläche oder ein Material schneiden müssen, das so hart ist, dass ein normales Werkzeug es nicht einmal zerkratzen kann? Dafür brauchen wir Spezialisten.

Wir haben die drei Titanen der Maschinenwerkstatt kennengelernt: Drehen, Fräsen und Bohren. Sie sind die „Erdbewegungsmaschinen“, die Schwergewichte, die für die Grobformung der meisten Komponenten verantwortlich sind. Sie nehmen einen massiven Block und geben ihm die allgemeine Form einer Halterung, einer Welle oder eines Gehäuses. Doch was passiert, wenn die „allgemeine Form“ nicht gut genug ist? Was ist mit dem letzten Tausendstel Zoll, der den Unterschied zwischen einer schlampigen Passung und einer präzisen Lagerfläche ausmacht? Was ist mit Formen, die kein rotierendes Werkzeug erzeugen kann? Für diese Herausforderungen müssen wir Spezialisten hinzuziehen.

Frank nannte dies „den Unterschied zwischen Zimmerleuten und Tischlern“. Die Zimmerleute (Drehen und Fräsen) sorgen für den Rahmen des Hauses – es ist stabil, funktional und hat die richtige Form. Die Tischler hingegen sorgen für die makellose Oberfläche, die perfekten Verbindungen und die filigranen Details, die ein Bauwerk in ein Kunstwerk verwandeln. In der Zerspanung sind unsere Tischler für das Schleifen, Sägen und Räumen zuständig. Und wenn wir auf ein Problem stoßen, das selbst der beste Handwerker mit herkömmlichen Werkzeugen nicht lösen kann, greifen wir auf die Zauberer zurück – auf nicht-traditionelle Verfahren wie Funkenerosion.

Wann ist Schleifen die bessere Wahl als Fräsen oder Drehen?

Stellen Sie sich vor, Sie würden ein Stück Granit mit einem Stahlmesser schneiden. Das Messer, das weicher ist, würde stumpf werden und über die Oberfläche gleiten. Genau mit diesem Problem haben Maschinisten zu kämpfen, wenn sie mit gehärtetem Stahl oder wenn eine Oberflächenbehandlung erforderlich ist so glatt wie ein Spiegel. Die Lösung ist Schleifen.

Schleifen ist ein spanabhebender Bearbeitungsprozess, bei dem eine rotierende Schleifscheibe verwendet wird, um sehr kleine Materialmengen zu entfernen. Stellen Sie es sich als eine Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsversion des Schleifens vor. Anstelle einer einzelnen Schneide besteht die Schleifscheibe aus Millionen mikroskopisch kleiner, superharter Schleifkörner (wie Aluminiumoxid oder kubisches Bor). Nitrid). Jedes winzige Korn wirkt wie ein mikroskopisches Schneidwerkzeug und schneidet einen winzigen Span ab.

Warum Schleifen wählen?

Sie wenden sich aus zwei Hauptgründen dem Schleifen zu:

1. Arbeiten mit harten Materialien: Nachdem ein Stahlteil (wie ein Kugellager oder ein Schneidwerkzeug) wärmebehandelt wurde, um es hart und verschleißfest zu machen, ist es oft zu hart, um es mit einer herkömmlichen Drehbank oder Fräse effektiv zu bearbeiten. Schleifen ist eine der wenigen Möglichkeiten, diese gehärteten Materialien zu formen.
2. Erreichen von hoher Präzision und Fein Oberflächenbearbeitung: Durch Schleifen können Teile hergestellt werden Mit Maßtoleranzen und Oberflächengüten, die um ein Vielfaches besser sind als beim Fräsen oder Drehen. Während eine gute Fräse eine Toleranz von +/- 0.001 Zoll (ein Tausendstel Zoll) einhalten kann, erreicht eine Schleifmaschine problemlos +/- 0.0001 Zoll (ein Zehntausendstel Zoll). Die resultierende Oberfläche ist unglaublich glatt und oft reflektierend.

Schleifmaschinen gibt es in verschiedenen Ausführungen, wie zum Beispiel Flächenschleifmaschinen (zum Erstellen perfekt ebener Oberflächen), Rundschleifer (zum Fertigstellen der Außenseite von Schächten) und Innenschleifmaschinen (zum Fertigstellen der Innenseite von Löchern). Es handelt sich fast immer um eine Schlichtbearbeitung, die durchgeführt wird, nachdem der Großteil des Materials durch Drehen oder Fräsen entfernt wurde. Es ist der letzte, präzise Kuss, der ein Teil zu seinem endgültigen Abmessungen.

Warum gilt Sägen als spanabhebender Prozess?

Es mag seltsam erscheinen, eine einfache Säge in dieselbe Kategorie einzuordnen wie ein Multimillionen-Dollar- CNC-Fräse, aber Sägen ist ein legitimer und wesentlicher Bearbeitungsprozess. Wie bei allen anderen Bearbeitungen wird dabei ein Schneidwerkzeug (eine gezahnte Klinge) verwendet, um Material in Form von Spänen zu entfernen und so ein Merkmal (einen Schnitt) zu erzeugen.

Die häufigste industrielle Sägemaschine ist das Bandsäge, bei der ein langes, durchgehendes Sägeblatt in eine Richtung bewegt wird. Dies ist weitaus effizienter als eine Säbelsäge. Industriesägen verwenden außerdem eine konstante Kühlmittelzufuhr, um eine Überhitzung des Sägeblatts zu verhindern und die Späne wegzuspülen, was überraschend schnelle und präzise Schnitte ermöglicht.

Welche Rolle spielt das Sägen in einer Maschinenwerkstatt?

Das Sägen hat eine grundlegende und unverzichtbare Aufgabe: Schneiden des Rohmaterials auf eine handliche Größe. Bevor irgendein Drehen oder Fräsen stattfinden kann, muss dieser 20 Fuß lange Stahlstab oder die 4 Fuß mal 8 Fuß große Platte aus Aluminium muss geschnitten werden in einen Rohling – ein Stück Material, das etwas größer ist als das endgültige Teil. Die Säge ist das Werkzeug für diese Arbeit.

Obwohl sie nicht so präzise ist wie andere Bearbeitungsverfahren, kann eine moderne Industriesäge Toleranzen von wenigen Hundertstel Zoll einhalten, was für die Herstellung der ersten Rohlinge mehr als ausreichend ist. Ohne die Säge käme jede Maschinenwerkstatt weltweit zum Stillstand. Sie ist der erste Arbeitsschritt im Leben fast jedes bearbeiteten Teils.

Wie bearbeitet man ein quadratisches Loch?

Dies ist ein klassisches Rätsel für Maschinenbauer. Ein Bohrer erzeugt naturgemäß ein rundes Loch. Ein Schaftfräser kann zwar eine Tasche mit flachem Boden erzeugen, hinterlässt aber als rundes, rotierendes Werkzeug immer einen Radius in den Ecken. Wie erhält man also eine perfekt scharfe, rechtwinklige Innenecke? Die Antwort ist ein cleveres und leistungsstarkes Verfahren namens Räumen.

A Brosche ist ein langes Werkzeug mit einer Reihe von Schneidzähnen, die in aufsteigender Höhe angeordnet sind. Beim Durchschieben oder Ziehen der Räumnadel durch ein vorgebohrtes rundes Loch schneidet jeder Zahn etwas tiefer. Die fertigen Zähne der Räumnadel haben die exakte Form des gewünschten Merkmals. Der Vorgang ist unglaublich schnell – ein einziger Durchgang genügt – und äußerst reproduzierbar.

Wofür wird Räumen verwendet?

Räumen ist die Methode der Wahl zum Erstellen bestimmter, nicht runder Innenformen:

• Interne Passfedernuten: Ein quadratischer oder rechteckiger Schlitz in der Bohrung eines Zahnrads oder einer Riemenscheibe, der mit einem Keil auf einer Welle zusammenpasst und so ein Verrutschen verhindert. Dies ist die häufigste Verwendung beim Räumen.
• Splines: Eine Reihe von Keilnuten, die um die Innenseite einer Bohrung herum angeordnet sind und für Anwendungen mit hohem Drehmoment wie in Fahrzeuggetrieben verwendet werden.
• Quadratische, sechseckige oder Doppel-D-Löcher: Für spezielle Verbindungselemente oder Werkzeugschnittstellen.

Die Hauptbeschränkung des Räumens besteht darin, dass das Werkzeug auf eine bestimmte Form und Größe beschränkt ist, sodass es sich am besten eignet für Großserienproduktion, bei der die Kosten für die kundenspezifische Räumnadeln können gerechtfertigt sein. Für ein Einzelteil würde ein Maschinist wahrscheinlich eine andere Methode verwenden, beispielsweise EDM.

Wie kann Elektrizität zur Metallbearbeitung genutzt werden?

Frank hatte ein Set zum Entfernen von abgebrochenen Wasserhähnen, das nur aus einer Ansammlung kleiner Metallstäbe und einem großen Netzteil bestand. Eines Tages brach ein Anfänger einen gehärteten Stahlhahn tief in einem unbezahlbaren Aluminiummotor Block. Kein Bohrer konnte den Gewindebohrer erreichen, und ein Versuch, ihn herauszuziehen, hätte das Gewinde ruiniert. Frank schloss ruhig sein Werkzeug an. Er benutzte einen Messingstab als Elektrode, tauchte die Stelle in eine dielektrische Flüssigkeit und ließ hochfrequenten Strom pulsieren. Innerhalb der nächsten Stunde zerfiel der Gewindebohrer mit einem leisen Summen zu Staub, das Aluminiumgewinde blieb völlig unberührt. Es war pure Magie.

Diese Magie ist Funkenerosion (EDM)Es ist ein nicht-traditionelles Bearbeitungsprozess, der Material entfernt Durch eine Reihe schneller, wiederkehrender elektrischer Entladungen (Funken) zwischen einer Elektrode (dem Werkzeug) und dem Werkstück. Werkstück und Elektrode werden in eine dielektrische Flüssigkeit getaucht, die als Isolator fungiert, bis genügend Spannung angelegt wird, um einen Funken zu erzeugen. Jeder Funke erzeugt eine winzige Hitzeblase (8,000 bis 12,000 °C), die ein mikroskopisch kleines Partikel des Werkstücks schmilzt und verdampft, das dann von der Flüssigkeit weggespült wird.

Warum ist EDM so leistungsstark?

Der einzigartige Mechanismus von EDM bietet mehrere unglaubliche Vorteile:

• Es kann jedes leitfähige Material bearbeiten, unabhängig von seiner Härte. Das ist seine Superkraft. Es wird zur Bearbeitung von gehärtetem Werkzeugstahl, Hartmetall und exotischen Superlegierungen verwendet, die auf herkömmliche Weise nicht bearbeitet werden können.
• Es entstehen keine Schnittkräfte. Da die Elektrode das Werkstück nie physisch berührt, entsteht kein Werkzeugdruck, wodurch extrem zerbrechliche, dünnwandige Merkmale ohne Verzerrung erzeugt werden können.
• Es können komplexe Formen erstellt werden. Die Elektrode kann in jede beliebige Form gebracht werden, wodurch komplizierte Hohlräume und Merkmale, einschließlich scharfer Innenecken, erzeugt werden können, die mit rotierenden Werkzeugen nicht möglich sind.

Es gibt zwei Haupttypen: Senkerodieren (bei dem eine geformte Elektrode verwendet wird, um eine Form in das Teil zu „senken“, ähnlich wie bei der Herstellung einer Formhöhlung) und Drahterodieren (Dabei wird ein dünner, sich kontinuierlich aufwickelnder Messingdraht als Elektrode verwendet, um präzise 2D-Schnitte auszuführen, ähnlich einer Hightech-Bandsäge.) EDM ist langsamer und teurer als die herkömmliche Bearbeitung, aber für die richtigen Arbeiten ist es nicht nur die beste Option, sondern die einzige.

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Prozess	Entscheidender Vorteil	Nachteil	Gemeinsame Anwendung
Schleifen	Ultrahohe Präzision; funktioniert auf gehärteten Materialien.	Langsam; entfernt sehr wenig Material.	Lagerringe, Endmaße, Endbearbeitung von Wellen.
Sägen	Schnell zum Ablängen von Rohmaterial.	Geringe Präzision; grob Oberflächenfinish.	Erstellen von Rohlingen für andere Vorgänge.
Anstich	Sehr schnell zum Erstellen bestimmter Innenformen.	Werkzeuge sind teuer und haben nur einen einzigen Zweck.	Passfedernuten, Keilwellen, Vierkantlöcher.
EDM	Bearbeitet jedes leitfähige Material unabhängig von der Härte; keine Schnittkräfte.	Sehr langsam; funktioniert nur auf leitfähigen Materialien.	Formenbau, Entfernen abgebrochener Gewindebohrer, Schneiden von Hartmetall.

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Wir verfügen nun über einen kompletten Werkzeugkasten, von der rohen Kraft einer Drehbank bis zur chirurgischen Präzision einer Erodiermaschine. Aber wie entscheiden Sie, welches Werkzeug Sie verwenden? Im letzten Abschnitt bauen wir das ultimative Design-Checkliste für die Herstellbarkeit. Ich gebe Ihnen die fünf Gebote für die Konstruktion von bearbeiteten Teilen und erklären, wie eine einfache Entscheidung über eine Zeichnung bedeuten kann der Unterschied zwischen einem 10-Dollar-Teil und einem 1,000-Dollar-Teil.

Wir haben die gesamte Werkstatt besichtigt, von den Hochleistungsdrehbänken, die riesige Späne abtragen, bis hin zum ätherischen Funken der EDM Maschine, die Metall verdampft ohne es überhaupt zu berühren. Wir haben die rohe Kraft, die Präzision und die spezialisierte Magie gesehen. Aber ein Maschinist weiß nicht nur wie um diese Maschinen zu bedienen; ein guter Maschinist weiß warum , wann jeden zu verwenden. Und ein großer Ingenieur entwirft Teile und zwar auf eine Weise, die diese Wahl einfach, effizient und günstig macht.

Diese Brücke zwischen Design und Produktion heißt Design für Herstellbarkeit (DFM). Frank hatte eine brutale, aber effektive Art, dies zu lehren. Wenn ihm ein junger Ingenieur eine Zeichnung mit einem „unmöglichen“ Merkmal brachte – wie einer perfekt scharfen Innenecke an einer gefrästen Tasche – sagte er nicht einfach nein. Er sagte: „Klar, das kann ich machen. Ich brauche dafür vier Stunden an der Funkenerosionsmaschine und es kostet Sie 800 Dollar.“ Dann hielt er inne, holte seinen roten Stift heraus, zeichnete einen kleinen Radius in die Ecke und sagte: „Oder Sie lassen mich einen Viertelzoll-Schaftfräser verwenden. Ich bin in fünf Minuten fertig und es kostet Sie 20 Dollar. Sie haben die Wahl.“ Diese Lektion musste man nur einmal lernen. Die Kosten eines Teils werden nicht in der Werkstatt bestimmt, sondern in der Entwurfsphase.

Wie können Sie ein Teil entwerfen, das leicht zu bearbeiten ist?

Das grundlegendste Prinzip der DFM für die Bearbeitung ist die Berücksichtigung der Art der Werkzeuge. Der überwiegende Teil der Bearbeitung erfolgt mit rotierenden Fräsern. Diese einfache Tatsache führt Beachten Sie die fünf Gebote für die kostengünstige Konstruktion von Maschinenteilen. Wenn Sie diese befolgen, werden Sie zum Helden Ihrer Maschinenbediener und sparen Ihrem Unternehmen ein Vermögen. Werden diese Gebote ignoriert, entsteht am schnellsten ein Teil, das unnötig teuer oder schlichtweg unmöglich herzustellen ist.

Gebot 1: Du sollst Radien in Innenecken lieben

Wie Franks Lektion gezeigt hat, kann ein rotierender Schaftfräser keine scharfen Innenecken erzeugen. Er hinterlässt immer einen Radius, der dem Radius des Werkzeugs entspricht. Die Forderung nach einer scharfen Ecke (einem „Nullradius“) erfordert einen zweiten, deutlich teureren Prozess wie das Funkenerosionsschneiden.

• Gutes Design: Radiusieren Sie alle vertikalen Innenecken großzügig. Als Faustregel gilt, dass der Radius mindestens 3 mm oder größer sein sollte. Noch besser ist es, den Radius mit „Max R0.125“ anzugeben. So kann der Maschinist jedes Werkzeug mit einem Durchmesser von bis zu einem Viertelzoll verwenden.
• Schlechtes Design: Eine scharfe Ecke ausrufen mit R0 oder ein sehr kleiner Radius, der einen winzigen, zerbrechlichen und teuren Schaftfräser erfordert.

Gebot 2: Du sollst die Lochtiefe angemessen halten

Das Bohren eines tiefen Lochs mit kleinem Durchmesser ist eine der anspruchsvollsten Aufgaben in einer Maschinenwerkstatt. Je tiefer das Loch, desto schwieriger ist es für die Späne, zu entweichen, und für das Kühlmittel, das zu erreichen. Schneide. Der Bohrer kann verstopfen, überhitzen und tief im Werkstück abbrechen – ein Totalausfall.

• Gutes Design: Vermeiden Sie nach Möglichkeit Bohrungen mit einem Tiefen-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 4:1. Wenn Sie ein tiefes Loch benötigen, müssen Sie mit deutlich höheren Kosten rechnen, da der Bediener spezielle „Tiefbohrzyklen“ (ein wenig bohren, zurückziehen, um Späne zu entfernen, und wiederholen) durchführen muss, was deutlich mehr Zeit in Anspruch nimmt.
• Schlechtes Design: Angabe eines 1/8″ Durchmessers und einer Tiefe von 2 Zoll in einem Stück rostfreier Stahl ohne einen sehr, sehr guten Grund.

Verhältnis von Befehls- zu Wandstärke. Dies kann während der Bearbeitung zu Vibrationen („Rattern“) führen, was zu einer schlechten Oberflächengüte führt und sogar zum Bruch des Schneidwerkzeugs führen kann.

• Gutes Design: Achten Sie auf dicke, stabile Wände. Achten Sie bei der Bearbeitung eines Gehäuses oder einer Tasche darauf, dass die Wände bei Aluminium mindestens 1.5 mm und bei Stahl mindestens 0.8 mm dick sind. Wenn möglich, sollten die Wände deutlich dicker sein.
• Schlechtes Design: Entwerfen eines Teils mit langen, nicht unterstützten Wänden, die so dünn wie Papier sind.

Gebot 4: Du sollst die Anzahl der Setups minimieren

Jedes Mal, wenn die Der Maschinist muss das Teil ausspannen, drehen und in einer neuen Ausrichtung neu spannen, um auf verschiedene Funktionen zuzugreifen, kostet es Zeit und birgt Fehlerpotenzial. Dies wird als „Setup“ bezeichnet. Ein Teil, das komplett bearbeitet von einer Seite (ein einziger Aufbau) ist immer günstiger als ein Teil, das fünfmal umgedreht werden muss.

• Gutes Design: Versuchen Sie, die Elemente so zu konstruieren, dass sie auf derselben Ebene liegen oder aus derselben Richtung zugänglich sind. Wenn Elemente auf gegenüberliegenden Seiten liegen müssen, stellen Sie sicher, dass gute parallele Flächen vorhanden sind, an denen der Maschinist für die zweite Einrichtung klemmen kann.
• Schlechtes Design: Ein Würfel mit einem komplexen Präzisionsmerkmal auf allen sechs Flächen, das jedes Mal sechs separate Setups und eine sorgfältige Neuausrichtung erfordert.

Gebot 5: Du sollst standardisieren

Maschinenbauer haben Werkzeuge in Standardgrößen (Bohrer, Schaftfräser, Gewindebohrer) sofort zur Hand. Ein Teil zu konstruieren, das ein nicht standardmäßiges Werkzeug erfordert, ist so, als würde man einen Zimmermann bitten, ein Haus mit Schrauben zu bauen, für die ein spezieller, maßgeschneiderter Schraubendreher erforderlich ist. Es ist zwar möglich, aber zeitaufwändig und teuer.

• Gutes Design: Verwenden Sie Standardlochgrößen, die gängigen Bohrern entsprechen. Verwenden Sie Standardgewindegrößen wie 1/4″-20 oder M6. Passen Sie Ihre Eckradien den gängigen Schaftfräsergrößen an (z. B. einen Radius von 0.25″ für einen Schaftfräser von 0.5″).
• Schlechtes Design: Festlegen eines Lochs mit einem Durchmesser von 0.317 Zoll oder ein 7/16″-18-Gewinde. Der Maschinist muss ein Spezialwerkzeug bestellen, was die Kosten und die Vorlaufzeit des Auftrags erhöht.

Wie wählen Sie das richtige Bearbeitungsverfahren aus?

Nachdem wir nun unsere DFM-Gebote kennen, stellt sich die Frage, wie wir ein Design mit dem richtigen Prozess verknüpfen. Es handelt sich um einen logischen Baum, der sich oft auf vier Schlüsselfragen reduziert: Material, Präzision, Geometrie und Menge.

Fallstudie: Die einfache Klammer

Stellen wir uns vor, wir müssen aus einem Aluminiumblock eine einfache L-förmige Halterung herstellen. Sie hat zwei Durchgangslöcher und ein Gewindeloch.

1. Material? Aluminium. Es ist weich und lässt sich gut schneiden. Alle gängigen Verfahren (Sägen, Fräsen, Bohren, Gewindeschneiden) stehen zur Verfügung.
2. Präzision? Standardtoleranzen von +/- 0.005″. Kein Problem für einen Standard CNC-Fräse. Kein Schleifen erforderlich.
3. Geometrie? Eine einfache prismatische Form mit Löchern. Das ist das A und O beim Fräsen und Bohren. Keine komplexen Kurven oder Innenecken, die EDM oder Räumen erfordern würden.
4. Menge? Wir benötigen 500 Stück.

Der Fertigungsplan:

1. Sägen: Schneiden Sie 500 Rohlinge aus einem langen Aluminiumstab.
2. Fräsen (Setup 1): Spannen Sie den Rohling in einen Schraubstock. Verwenden Sie einen großen Planfräser, um die Oberfläche zu glätten. Verwenden Sie einen Schaftfräser, um das Außenprofil der L-Form zu bearbeiten.
3. Bohren: Mit einem Bohrer werden die beiden Durchgangslöcher und die Führungsbohrung für das Gewinde erstellt.
4. Tippen: Schneiden Sie mit einem Gewindebohrer das Gewinde in das dritte Loch.
5. Fräsen (Setup 2): Drehen Sie das Teil um und richten Sie die andere Seite auf die endgültige Dicke aus.
6. Entgraten: Drehen Sie die Teile um, um scharfe Kanten zu entfernen.

Dies ist ein unkomplizierter, kostengünstiger Plan, der auf den „großen drei“ Prozessen basiert.

Fallstudie: Die Formhöhle aus gehärtetem Stahl

Lassen Sie uns nun einen Hohlraum für ein Spritzgussform. Es wird verwendet, um Millionen von Kunststoffteile.

1. Material: A2-Werkzeugstahl, wärmebehandelt auf 60 HRC. Dieses Material ist unglaublich hart und verschleißfest. Konventionelles Fräsen und Bohren ist für die Endbearbeitung nicht mehr möglich.
2. Präzision? Extrem hohe Toleranzen von +/- 0.0002″ und eine spiegelähnliche Oberflächengüte sind erforderlich, um sicherzustellen, dass die Kunststoffteile sauber freigeben.
3. Geometrie? Eine komplexe, organische Form mit mehreren kleinen, scharfen Innenecken.
4. Menge? Nur einer.

Der Fertigungsplan:

1. Sägen: Schneiden Sie einen Rohling aus einem Block geglühten (weichen) A2-Werkzeugstahls.
2. Mahlen: Solange der Stahl noch weich ist, verwenden Sie ein CNC-Fräse zur Maschine die allgemeine Form der Kavität, wobei auf allen kritischen Oberflächen etwa 0.010 Zoll zusätzliches Material übrig bleiben. Dies wird als „Schruppen“ bezeichnet.
3. Wärmebehandlung: Senden Sie den vorgefertigten Block zum Härten auf 60 HRC an eine Wärmebehandlungsanlage.
4. Mahlen: Verwenden Sie eine Flächenschleifmaschine, um die Außenflächen des Blocks auf ihre endgültigen, präzisen Abmessungen zu bringen.
5. EDM: Dies ist die SchlüsselschrittErstellen Sie eine Graphit- oder Kupferelektrode, die die exakte umgekehrte Form der endgültigen Kavität aufweist. Verwenden Sie eine Senkerodiermaschine, um die endgültige Form langsam und präzise in den gehärteten Stahlblock zu brennen und so scharfe Ecken und feine Details zu erzeugen, die beim Fräsen nicht möglich wären.
6. Polieren: Polieren Sie die Kavität von Hand, um die gewünschte Hochglanzoberfläche zu erzielen.

Der Prozess wird hier durch die Härte des Materials und die Komplexität der Geometrie bestimmt, sodass wir auf die Spezialverfahren Schleifen und Funkenerosion zurückgreifen müssen. Die Kosten für dieses einzelne Teil betragen Tausende von Dollar, was durch seine Rolle bei der Herstellung von Millionen billiger Kunststoffteile gerechtfertigt ist.

Fazit: Eine Symphonie der Subtraktion

Die Welt der Zerspanung ist eine Symphonie der Subtraktion. Jedes der neun Verfahren, die wir untersucht haben, ist ein Instrument mit einer einzigartigen Stimme und einer spezifischen Rolle. Die rohe Kraft des Drehens und Fräsens sind die Schlaginstrumente und Bässe, die den grundlegenden Rhythmus des Werkstücks bestimmen. Bohren sorgt für klare, präzise Töne. Die Endbearbeitungsprozesse – Schleifen, Sägen und Räumen – sind die Holzbläser und Streicher und sorgen für die raffinierten Melodien und Harmonien, die das Werkstück zum Leben erwecken. Und die unkonventionellen Methoden wie die elektroerosive Metallbearbeitung sind die Solisten, die atemberaubende Leistungen vollbringen, an die kein anderes Instrument heranreicht.

Ein Designer, der diese Instrumente versteht, kann ein elegantes, effizientes und kostengünstiges Teil komponieren. Ein Designer, der dies nicht tut, ist wie ein Komponist, der ein Trompetensolo schreibt, das tiefer geht, als das Instrument spielen kann – das Ergebnis ist frustrierend, teuer und letztendlich ein Misserfolg. Indem Sie die Prinzipien des DFM anwenden und die Möglichkeiten jedes Prozesses respektieren, entwerfen Sie nicht nur ein Teil; Sie erstellen einen Erfolgsplan und stellen sicher, dass Ihre Vision von den erfahrenen Musikern der Maschinenwerkstatt schön und kostengünstig zum Leben erweckt werden kann.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Welche Bearbeitungsart ist am häufigsten?

Die drei mit Abstand häufigsten Bearbeitungsarten sind Drehen, Fräsen und BohrenDiese drei Prozesse bilden die Grundlage der modernen Fertigung und sind für die Herstellung der überwiegenden Mehrheit der Merkmale auf bearbeiteten Teilen verantwortlich.

Was ist der Unterschied zwischen Bearbeitung und Fertigung?

Herstellung ist der allgemeine Begriff für die Umwandlung von Rohstoffen in Fertigwaren. Dies kann Prozesse wie Gießen, Formen, Schmieden und Versammlung. Maschinenbearbeitung ist eine spezifische Teilmenge der Fertigung. Es handelt sich um einen subtraktiven Prozess, bei dem Schneidwerkzeuge verwendet werden, um Material zu entfernen und ein Teil zu formen, typischerweise ein aus Metall oder Kunststoff.

Ist 3D-Druck eine Art der Bearbeitung?

Nein, 3D-Druck ist das Gegenteil von Bearbeitung. Bearbeitung ist eine subtraktiv Prozess (Sie beginnen mit einem Block und entfernen Material), während 3D-Druck ein Zusatzstoff Prozess (Sie beginnen mit nichts und fügen Schicht für Schicht Material hinzu). Es handelt sich um zwei grundsätzlich unterschiedliche Fertigungsansätze.

Warum heißt es „CNC“-Bearbeitung?

CNC-Ständer für Computer Numerische Steuerung. Frühe manuelle Maschinen erforderten einen erfahrenen Bediener, der Kurbeln drehte und Hebel zog, um die Position des Werkzeugs zu steuern. In CNC-Bearbeitung, die Bewegungen des Werkzeugs werden durch ein Computerprogramm (normalerweise G-Code) gesteuert, was eine unglaubliche Präzision, Wiederholbarkeit und die Erstellung komplexer Formen ermöglicht, die von Hand nicht möglich wären.

Welches Bearbeitungsverfahren ist das teuerste?

Im Allgemeinen sind die nicht-traditionellen Prozesse pro Stunde am teuersten. EDM wird oft als eine der teuersten Methoden angesehen, da der Materialabtrag langsam ist und die Kosten für Maschinen und Verbrauchsmaterialien (Elektroden und Dielektrikum) hoch sind. Für spezifische Aufgaben (wie die Bearbeitung gehärteter Materialien) ist es jedoch oft die wirtschaftlichsten Gesamtlösung. Die tatsächlichen Kosten eines Vorgangs hängen von der Geometrie, dem Material und der Menge des Teils ab.

Referenzen

• Degarmo, EP, Black, JT, & Kohser, RA (2017). DeGarmos Materialien und Prozesse in der Fertigung. Wiley.
• Groover, MP (2012). Grundlagen der modernen Fertigung: Materialien, Prozesse und Systeme. John Wiley & Söhne.
• Maschinenhandbuch. (2020). 31. Auflage. Industrial Press Inc.
• Smid, P. (2008). CNC-Programmierhandbuch. Industrial Press Inc.

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