CNC-Fräsen vs. Drehen: Prozessauswahl, DFM und Kosten

Der Hauptunterschied zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen liegt in der Bewegung des Werkstücks und des Werkzeugs. Beim Fräsen bearbeitet ein rotierendes Schneidwerkzeug ein stationäres Werkstück, was sich ideal für ebene und komplexe Oberflächen eignet. Beim Drehen dreht sich das Werkstück gegen ein stationäres Werkzeug, was perfekt für zylindrische Bauteile ist.

Die Wahl des wirtschaftlichsten Fertigungsverfahrens für ein bestimmtes Projekt geht jedoch weit über die Frage hinaus, ob ein Bauteil eckig oder rund ist. Zwar bildet die grundlegende Geometrie den Ausgangspunkt, doch wird die endgültige Entscheidung häufig von der Anzahl der Rüstvorgänge, den Bezugspunkten, den erforderlichen Oberflächengüten und dem Gesamtproduktionsvolumen bestimmt.

Um die Lücke zwischen einem CAD-Modell und einem endgültigen Angebot zu schließen, konzentriert sich die folgende Aufschlüsselung ausschließlich auf praktische DFM-Einschränkungen und die Faktoren, die die Fertigungskosten tatsächlich in die Höhe treiben.

Nutzen Sie die folgende Schnellentscheidungsmatrix, um den besten Startprozess für Ihr nächstes Bauteil zu ermitteln:

Schnittbewegung und Funktionsumfang

Um zu beurteilen, welches Verfahren für ein bestimmtes Bauteil geeignet ist, ist es hilfreich zu verstehen, wie die jeweilige Maschine Material abträgt und aus welchen Richtungen das Schneidwerkzeug an das Werkstück herankommen kann.

CNC-Fräsen

Beim Fräsen treibt die Maschinenspindel das Schneidwerkzeug an. Das Werkstück wird auf einem Tisch befestigt, in einem Schraubstock eingespannt oder auf einer Drehachse montiert. Da sich das Werkzeug über ein ortsfestes Werkstück bewegt, lassen sich beim Fräsen ebene Flächen, Stufen, Taschen, Nuten, Außenkonturen, Bohrungen in verschiedene Richtungen und Gewinde effizient bearbeiten.

Die größte Einschränkung beim Fräsen ist der Zugang für das Werkzeug. Eine herkömmliche 3-Achsen-Fräsmaschine arbeitet aus einer festen Richtung. Wenn das Werkstück an mehreren Seiten bearbeitet werden muss, muss der Bediener das Werkstück manuell wenden und neu einspannen. 4- und 5-Achsen-Maschinen lösen dieses Problem, indem sie das Werkstück drehen, um der Spindel verschiedene Flächen zugänglich zu machen. Als Faustregel gilt: Bei einem Werkstück mit Merkmalen an vier Seiten kann der Wechsel von einer 3-Achsen- zu einer 5-Achsen-Maschine die Rüstzeit von 2 Stunden auf 20 Minuten verkürzen, was direkt zu einer Senkung der Arbeitskosten führt und menschliche Fehler beim erneuten Einspannen minimiert.

CNC-Drehen

Beim Drehen wird das Werkstück in einem Spannfutter eingespannt und von der Hauptspindel in Drehung versetzt. Ein Einpunkt-Schneidwerkzeug drückt sich axial oder radial gegen das rotierende Material.

Drehzentren fertigen standardmäßig Außendurchmesser (OD), Innenbohrungen (ID), Stirnflächen, Stufen, Konen, Nuten, Axialgewinde und Abschnittsstellen. Da sich das Werkstück um einen festen Mittelpunkt dreht, werden bei der Bearbeitung des Außendurchmessers, des Innendurchmessers und einer Plandrehstufe in einer einzigen Aufspannung von Natur aus strenge Konzentrizitäts- und Rundlauftoleranzen eingehalten, ohne dass ein zusätzlicher Ausrichtungsaufwand erforderlich ist.

Fräs-Dreh-Bearbeitung

Fräs-Dreh-Zentren integrieren Fräsfunktionen in eine Drehmaschinenplattform. Sie nutzen angetriebene Werkzeuge (motorisierte Schaftfräser und Bohrer), eine C-Achse zum Indexieren und Arretieren der Spindel in präzisen Winkeln sowie häufig eine Gegenspindel zum Spannen des gegenüberliegenden Endes des Werkstücks.

Diese Architektur ermöglicht es einer einzelnen Maschine, einen zylindrischen Durchmesser zu drehen, die Spindel zu arretieren und anschließend eine ebene Fläche zu fräsen, eine Querbohrung zu bohren oder eine Keilnut zu schneiden. Der Einsatz einer Fräs-Dreh-Kombination garantiert jedoch nicht, dass ein Bauteil vollständig „in einem Arbeitsgang“ gefertigt wird. Ein Bauteil kann dennoch eine zweite Aufspannung, Rundschleifen für enge Lagerpassungen, Elektroerosion für scharfe Innenecken, komplexes manuelles Entgraten oder Hartdrehen nach der Wärmebehandlung erfordern.

Teilgeometrie und Prozessauswahl

Um ein Werkstück einem Fräs- oder Drehzentrum zuzuordnen, muss man über dessen Grundumriss hinausblicken. Die Wahl des Verfahrens hängt davon ab, wie verschiedene geometrische Merkmale miteinander interagieren, in welche Richtung sie weisen und wie die Maschine das Rohmaterial spannt.

Prismatische Teile

Zu den prismatischen Teilen zählen Bauteile wie Gerätegehäuse, Befestigungsblöcke, Formkammern, Kühlkörper, Klammern, sowie Ventilverteiler.

Diese Bauteile werden in der Regel auf CNC-Fräsmaschinen bearbeitet. Aufgrund ihrer Geometrie muss Material abgetragen werden, um sich kreuzende ebene Flächen, Taschen unterschiedlicher Tiefe und Lochmuster in mehreren Ebenen zu erzeugen.

Bei der Bearbeitung prismatischer Teile sind die Reichweite des Werkzeugs und die Ausrichtung des Werkstücks die begrenzenden Faktoren. Selbst eine optisch einfache Halterung, die aus einem 6061-T6-Aluminiumblock gefertigt wird, kann drei separate Rüstvorgänge erfordern, wenn sie Gewindebohrungen an der Oberseite, Vorderseite und Seite aufweist. Darüber hinaus entscheiden tiefe Taschen oder komplexe Oberflächenkonturen darüber, ob eine standardmäßige 3-Achs-Bearbeitung ausreicht oder ob 5-Achs-Werkzeugwege erforderlich sind, um die Steifigkeit und Reichweite des Werkzeugs zu gewährleisten.

Rotationsteile

Zu den rotierenden Bauteilen zählen Wellen, Stifte, Buchsen, kundenspezifische Flansche, Hülsen, Rollen und kundenspezifische Gewindeanschlüsse.

Wenn die Hauptmerkmale – wie Lagerflächen, Innenbohrungen und Dichtflächen – eine gemeinsame Mittelachse aufweisen, ist das Bauteil für die Bearbeitung auf einer Drehmaschine vorgesehen. Bei der technischen Prüfung wird hier der Schwerpunkt auf das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) gelegt, um eine Durchbiegung des Materials zu verhindern, und es wird überprüft, welche Flächen sicher von den Spannbacken des Spannfutters erfasst werden können.

Ein kreisförmiges Profil bedeutet jedoch nicht automatisch, dass eine Drehbearbeitung erforderlich ist. So kann beispielsweise eine dünne, kreisförmige Platte aus Edelstahl 316L mit ausgedehnten asymmetrischen Vertiefungen und dichten Lochmustern auf einer Vertikalfräsmaschine stabiler liegen. Auf einer Drehmaschine verformen sich dünnwandige kreisförmige Teile häufig unter dem Druck der Spannbacken, weshalb das Fräsen die sicherere geometrische Wahl darstellt.

Teile mit gemischten Merkmalen

Viele Funktionskomponenten erfordern sowohl rotatorische als auch prismatische Merkmale. Nehmen wir als Beispiel einen maßgefertigten Flüssigkeitsanschluss aus Aluminium. Dieses Bauteil weist folgende Merkmale auf:

• Ein zylindrischer Hauptkörper
• Eine axiale Innenbohrung
• Außengewinde
• Zwei radiale Seitenbohrungen
• Zwei Schlüsselflächen
• Eine Passfläche

Für diese Geometrie kommen drei Hauptproduktionswege in Frage:

1. Getrenntes Drehen und Fräsen: Der zylindrische Körper, die Bohrung und das Außengewinde werden auf einer handelsüblichen 2-Achsen-Drehmaschine bearbeitet. Anschließend wird das Werkstück entnommen, in einem Schraubstock auf einer 3-Achsen-Fräsmaschine eingespannt und dort werden die Radialbohrungen, die Abflachungen und die Passfläche bearbeitet.
2. Drehen mit rotierenden Werkzeugen: Das Werkstück wird in eine Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen eingespannt. Die Drehwerkzeuge bearbeiten den Außendurchmesser und die Bohrung. Anschließend wird die Spindel arretiert, und angetriebene Fräser und Bohrer fräsen die Abflachungen, die Passfläche und die Radialbohrungen.
3. Vollausgestattetes Fräs-Dreh-Zentrum: Die Hauptspindel dreht den Primäraußendurchmesser und fräst die radialen Merkmale. Anschließend nimmt die Nebenspindel das Werkstück auf, ein Trennwerkzeug trennt es vom Stangenmaterial ab, und die Nebenspindel zieht das Werkstück zurück, um die Innenbohrung am gegenüberliegenden Ende zu bearbeiten.

Geometrisch gesehen lassen sich alle drei Verfahren erfolgreich zur Herstellung dieses Verbindungselements einsetzen. Die endgültige Entscheidung hängt von der Wiederholgenauigkeit der Vorrichtung, den Fehlern bei der Bezugspunktübertragung und den Gesamtrüstkosten ab – Faktoren, die wir im Folgenden näher erläutern werden.

DFM-Regeln für das Fräsen und Drehen

Konstruktionsentscheidungen haben direkten Einfluss auf die Werkzeugauswahl, die Bearbeitungsstabilität, die Zerspanungsleistung und letztlich auf die Zykluszeit. „Design for Manufacturability“ (DFM) bedeutet, zu verstehen, wie ein Schneidwerkzeug physikalisch mit dem Werkstück im Inneren der Maschine interagiert.

Konstruktion von Fräsmerkmalen

Wenn unsere Ingenieure ein Bauteil für die CNC-Fräsbearbeitung prüfen, achten wir auf Merkmale, die die Maschine zu einer Verlangsamung zwingen, Sonderwerkzeuge erfordern oder Vibrationen verursachen.

Inneneckenradien

• Warum es schwierig ist: Rundfräser können keine perfekt rechtwinkligen Innenecken fräsen.
• Auswirkungen auf die Qualität: Wird ein Werkzeug in eine scharfe Ecke gedrückt, führt dies aufgrund eines plötzlichen Anstiegs der Werkzeugbelastung zu Ruckeln, Rillenbildung und einer schlechten Oberflächengüte.
• Auswirkungen auf die Kosten: Um eine sehr enge Eckenausformung zu erzielen, muss man auf immer kleinere Schaftfräser zurückgreifen, was mehrere Durchgänge mit reduzierten Vorschubgeschwindigkeiten erforderlich macht und die Zykluszeit in die Höhe treibt.
• Anpassung des Designs: Legen Sie die Innenradien der Ecken etwas größer als die Standard-Werkzeugradien fest. Wenn beispielsweise die Taschentiefe den Einsatz eines Schaftfräsers mit 6 mm Durchmesser zulässt, geben Sie einen Innenradius von 3,5 mm an, anstatt genau 3 mm. Dadurch kann das Werkzeug kontinuierlich durch die Ecke gleiten.

Tiefe Taschen

• Warum es schwierig ist: Die Bearbeitung tiefer Hohlräume erfordert einen langen Werkzeugüberhang vom Spindelhalter.
• Auswirkungen auf die Qualität: Lange Werkzeuge biegen sich unter den Schnittkräften durch, was zu konischen Taschenwänden und starken Rüttelspuren führt.
• Auswirkungen auf die Kosten: Um einen Werkzeugbruch zu vermeiden, muss der Bediener die Vorschubgeschwindigkeit und die Schnitttiefe deutlich reduzieren.
• Anpassung des Designs: Begrenzen Sie die Taschentiefe auf das 3- bis 4-fache des Werkzeugdurchmessers oder gestalten Sie die Tasche mit abgestuften Wänden und Entformungsschrägen, damit kürzere, steifere Werkzeuge den Großteil der Arbeit übernehmen können.

Schmale Schlitze

• Warum es schwierig ist: Enge Schlitze schränken den maximalen Durchmesser des Fräsers ein, was den Einsatz empfindlicher Werkzeuge erforderlich macht.
• Auswirkungen auf die Qualität: Die Spanabfuhr wird stark eingeschränkt. Der Fräser zerkleinert schließlich seine eigenen Späne erneut, wodurch die Schlitzwände zerkratzt werden.
• Auswirkungen auf die Kosten: Starker Werkzeugverschleiß und häufige Werkzeugbrüche führen zu Maschinenstillständen und höheren Werkzeugkosten.
• Anpassung des Designs: Verbreitern Sie die Nuten, wo immer dies möglich ist, oder gestalten Sie sie so, dass sie vollständig durch das Werkstück verlaufen, damit die Späne sauber nach unten abfließen können.

Dünne Wände

• Warum es schwierig ist: Dünne Querschnitte verfügen nicht über die erforderliche Steifigkeit, um dem Radialdruck des Schneidwerkzeugs standzuhalten.
• Auswirkungen auf die Qualität: Die Wand biegt sich beim Schneiden vom Werkzeug weg, was zu Maßabweichungen, Verformungen und ungleichmäßiger Dicke führt.
• Auswirkungen auf die Kosten: Erfordert spezielle Werkzeugwege mit geringer Kraft, mehrere Fräsdurchgänge oder thermische Verfahren zur Spannungsentlastung.
• Anpassung des Designs: Verstärken Sie die Wände, sofern der Platz dies zulässt (z. B. durch Einhaltung einer Wandstärke von mindestens 1,5 mm bei der Standardfräsbearbeitung von Aluminium), oder integrieren Sie Stützrippen in die Konstruktion, um die strukturelle Steifigkeit zu erhöhen.

Taschen mit flachem Boden

• Warum es schwierig ist: Ein absolut präziser 90-Grad-Übergang zwischen dem Taschenboden und einer Seitenwand beansprucht die scharfe Spitze eines Standard-Vierkantfräsers besonders stark.
• Auswirkungen auf die Qualität: Führt zu Spannungskonzentrationen im Fertigteil und erhöht das Risiko von Ausbrüchen an der Werkzeugspitze.
• Auswirkungen auf die Kosten: Oftmals ist es erforderlich, zunächst mit einem Werkzeug zu schruppen und anschließend mit einem speziellen Vierkantfräser nachzuarbeiten, um die Bodenecke sauber zu bearbeiten.
• Anpassung des Designs: Fügen Sie an den Unterkanten eine kleine Bodenverrundung (Bullnose-Radius) hinzu. Dadurch kann ein Bullnose-Schaftfräser verwendet werden, der deutlich stabiler ist und mit einer wesentlich höheren Vorschubgeschwindigkeit arbeiten kann.

Konstruktion von Drehwerkzeugen

Bei gedrehten Bauteilen konzentriert sich die DFM vor allem darauf, wie sicher das Teil gegriffen werden kann und wie sich das Material beim Drehen mit hohen Drehzahlen verhält.

• Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D): Lange, schlanke Werkstücke neigen dazu, zu peitschen oder vom Schneidwerkzeug wegzuschlagen. Bei hohen L/D-Verhältnissen ist in der Regel ein Reitstock zur zentrischen Abstützung oder eine Lünette erforderlich.
• Spannlänge und Oberflächen: Die Spannbacken benötigen eine ausreichende Auflagefläche, um das Werkstück sicher zu halten. Weist ein Werkstück bis zum Ende hin komplexe Konturen auf, muss zusätzliches Material hinzugefügt werden, nur um das Werkstück zu halten; dieses wird später abgetrennt und entsorgt.
• Tiefbohrungen und Spanabfuhr: Bohrstangen sind sehr anfällig für Vibrationen. Tiefe, blinde Bohrungen sind besonders schwierig, da sich am Boden Späne ansammeln, was zu Werkzeugabstürzen und Riefen an der Innenwand führen kann.
• Dünnwandige Zylinder: Spannbacken üben einen enormen radialen Druck aus. Beim Spannen dünner Rohre oder beim Ausbohren eines dünnwandigen Gehäuses kann das Werkstück zerquetscht oder verformt werden, was dazu führt, dass es nach dem Entnehmen aus der Maschine unrund wird.
• Entlastungsrillen (Hinterschneidungen): Gewindeschneidwerkzeuge und Bohrstangen benötigen einen Punkt, an dem sie sauber ansetzen und aufhören können. Durch die Ausgestaltung von Gewindeauslaufbereichen und inneren Hinterschneidungen wird verhindert, dass das Werkzeug gegen eine Schulter stößt.
• Gewindeauslauf: Werkzeuge können Gewinde in voller Tiefe nicht perfekt bis an eine senkrechte Wand schneiden. Halten Sie ausreichend Abstand ein, damit das Gewindeschneidwerkzeug herausgezogen werden kann.
• Ort der Abtrennung: Überlegen Sie, an welcher Stelle die Trennklinge das Bauteil vom Stangenmaterial abtrennt. Bei diesem Arbeitsgang entsteht eine kleine Grate, die oft einen nachträglichen Plandrehvorgang erforderlich macht, wenn ein vollkommen glattes Ende gewünscht ist.
• Werkzeugabstand: Innere Merkmale wie abgestufte Bohrungen müssen ausreichend Spielraum bieten, damit der Schaft der Bohrstange eingeführt werden kann, ohne mit der Vorderseite des Werkstücks zu kollidieren.

Bearbeitung nach Schweizer Art: Das Drehen nach Schweizer Art eignet sich für schlanke Werkstücke mit kleinem Durchmesser, die aus Stangenmaterial gefertigt werden. Die Führungsbuchse stützt das Material nahe am Schneidbereich ab, wodurch die Durchbiegung während der Bearbeitung deutlich reduziert wird.

Material und Lagerform

Die Rohform des Werkstücks – sei es Stangenmaterial, ein rechteckiger Block, eine Platte, ein dünnwandiges Rohr oder ein fast endkonturgetreues Schmiedeteil – bestimmt den Bearbeitungsablauf ebenso sehr wie das CAD-Modell.

Der Vergleich alternativer Rohteilformen ist von entscheidender Bedeutung. Die Verwendung von Rohmaterial in Standardgrößen minimiert aufwendige Schruppbearbeitungen. Die Effizienz der Materialausnutzung hängt jedoch vollständig davon ab, wie gut die endgültige Geometrie zur Rohteilform passt, und nicht von einer pauschalen Regel, wonach „das Drehen mehr Material spart als das Fräsen“. Die Entstehung großer Mengen an Ausschuss aus teurem Rohmaterial wirkt sich äußerst nachteilig auf die Stückkosten aus.

Verschiedene Werkstoffe weisen zudem unter dem Schneidwerkzeug spezifische Verhaltensweisen auf, die unsere Anlage bei der Prozessplanung berücksichtigen muss:

• Edelstahl (z. B. 316L): Neigt zur Arbeitshärtung. Die Bearbeitung erfordert aggressive, entschlossene Vorschübe; das Reiben des Werkzeugs am Werkstoff härtet die Oberfläche aus und zerstört nachfolgende Schneidwerkzeuge.
• Titan (z. B. Güteklasse 5): Ein schlechter Wärmeleiter. Die Schnittwärme wird direkt in die Schneide übertragen, anstatt mit dem Span abgeführt zu werden, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt und starre Aufspannungen sowie maßgeschneiderte Kühlmittelstrategien erfordert.
• Aluminium (z. B. 6061-T6): Bietet eine hervorragende Zerspanbarkeit, allerdings sind die Späne abrasiv und verursachen beim Abtransport leicht Kratzer auf den bearbeiteten Oberflächen.
• Kunststoffe (z. B. Delrin, PEEK): Sehr anfällig für Wärmeverformung und Spannungsverformung. Starke Schruppbearbeitungen können innere Spannungen hervorrufen, die dazu führen, dass sich der Kunststoff noch Tage nach der Bearbeitung verzieht.
• Dünnwandige Rohre: Oft sind speziell angefertigte weiche Spannbacken oder ausdehnbare Innendornnocken erforderlich, um ein Zusammendrücken der Spannbacken zu verhindern und die Rundlaufgenauigkeit zu gewährleisten.

Einrichtungen, Bezugspunkte und Bearbeitungsqualität

Teile, die auf einem CAD-Bildschirm nahezu identisch aussehen, können zu sehr unterschiedlichen Fertigungsangeboten führen. Der Hauptgrund für diese Diskrepanz liegt in der Anzahl der Rüstvorgänge und im Toleranzmanagement.

Werkstückspannung und Bezugspunktübertragung

Jedes Mal, wenn ein Werkstück gelöst, gewendet und erneut eingespannt wird, entstehen im Fertigungsprozess versteckte Kosten und Risiken. Das erneute Einspannen ist mit zusätzlichem manuellem Arbeitsaufwand, Zeit für die Messung mit einer Messuhr, Kosten für maßgefertigte Weichbacken, dem Umgang mit unfertigen Erzeugnissen (WIP) sowie Zwischenprüfungen verbunden.

Noch entscheidender ist, dass das erneute Festklemmen dazu führt, dass Fehler bei der Datenübertragung. Um auf unser Beispiel des kundenspezifischen Aluminium-Flüssigkeitsanschlusses zurückzukommen: Wenn sich ein Betrieb dafür entscheidet, zunächst den zylindrischen Körper zu drehen und das Teil anschließend zur Fräsmaschine zu bringen, um die radialen Seitenbohrungen und die Schlüsselflächen zu fräsen, muss der Bediener die Mittelachse des Zylinders im Frässchraubstock neu ausrichten. Wenn für diese radialen Bohrungen eine strenge Positionstoleranz gilt (z. B. eine „True Position“ von 0,05 mm relativ zur Zentralbohrung), wird diese zweite Einrichtung zur Hauptursache für Toleranzkumulierung und Ausschussrisiko.

Allerdings ist die Zusammenfassung aller Arbeitsschritte in einer einzigen Aufspannung nicht automatisch die wirtschaftlichste Lösung. Bei geringen Stückzahlen, einfachen Fräsmerkmale und großen Positionstoleranzen zwischen den gedrehten und gefrästen Merkmalen lassen sich durch die Aufteilung der Arbeitsschritte auf eine Standarddrehmaschine und eine 3-Achsen-Fräsmaschine die hohen Stundensätze und der komplexe Programmieraufwand eines Fräs-Dreh-Zentrums vermeiden.

Kritische Toleranzen und Prüfung

Die funktionalen Angaben auf einer Zeichnung legen die Bearbeitungsreihenfolge, die Wahl des Bezugspunkts und die Art der erforderlichen Prüfung fest.

• Rundlauf und Rundlaufabweichung: Wenn bei einer Welle ein geringer Rundlauf zwischen einem Außendurchmesser-Lagerdorn und einer Innenbohrung erforderlich ist, ordnet der Zerspaner die Arbeitsschritte so an, dass beide Merkmale in derselben Aufspannung bearbeitet werden, wodurch Variablen durch erneutes Einspannen vermieden werden.
• Rechtwinkligkeit: Wenn eine Stirnfläche exakt senkrecht zur Mittelachse stehen muss, ist es am sichersten, diese zu bearbeiten und gleichzeitig den Außendurchmesser zu drehen.
• Position und Winkel: Enge Winkelverhältnisse zwischen radialen Seitenbohrungen und dem Hauptkörper machen den Einsatz einer Fräs-Dreh-Kombimaschine oft erforderlich, bei der der C-Achsen-Encoder eine exakte Winkelausrichtung gewährleistet.

Diese Anforderungen wirken sich direkt auf die Preisgestaltung im Angebot aus, da sie den Einsatz von Prüfgeräten und den Zeitaufwand bestimmen. Für allgemeine Toleranzen sind möglicherweise nur Messschieber und Mikrometer erforderlich. Lagerpassungen erfordern Bohrungsmessgeräte. Ein geringer Rundlauf erfordert die Aufspannung des Teils auf V-Blöcken mit einer Messuhr. Angaben zur genauen Lage in mehreren Ebenen erfordern oft eine Messung mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM), was spezielle Programmierzeit und umfassende Berichte zur Erstmusterprüfung (FAI) erfordert.

Expertentipp: Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, in Ihrer Ausschreibungszeichnung ausdrücklich zu klären, welche Toleranzen rein funktionsbezogen sind und welche allgemeinen Normtoleranzen (z. B. ISO 2768-m) entsprechen. Eine übermäßige Toleranzsetzung bei nicht kritischen Merkmalen zwingt den Hersteller dazu, langsamere Endbearbeitungsvorgänge und CMM-Prüfungen durchzuführen, was zu einem künstlich überhöhten Angebot führt.

Oberflächenbeschaffenheit und Verlegung

Oberflächenrauheit (Ra-Wert) und Oberflächenstrukturrichtung (Lay) sind miteinander verbundene, aber unterschiedliche Eigenschaften. Die bloße Einhaltung des geforderten Ra-Werts garantiert nicht, dass das Bauteil einwandfrei funktioniert, wenn die Werkzeugspuren in die falsche Richtung verlaufen.

Beim Drehen entsteht in der Regel eine durchgehende, mikroskopisch kleine Spiralrille – ähnlich wie bei einer Schallplatte –, da es sich um einen kontinuierlichen Einschnitt an einem einzigen Punkt handelt. Beim Fräsen entstehen je nach Werkzeugbahn und Schrittweite geschwungene, parallele, gewölbte oder kreuzförmige Werkzeugspuren.

Die Ausrichtung dieser Werkzeugspuren wirkt sich auf die Reibung, den Schmiermittelrückhalt, das Erscheinungsbild und die Dichtwirkung aus.

Expertentipp: Betrachten wir eine O-Ring-Dichtnut. Bei einer dynamischen Dichtung unter hohem Druck kann eine durch Standarddrehen erzeugte Spiralrippe wie ein mikroskopisch kleines Gewinde wirken, das bei Bewegung der Welle kontinuierlich Flüssigkeit an der Dichtung vorbei pumpt. In diesem Fall können Tauchdrehen, Rollieren oder anschließendes Schleifen erforderlich sein, um die Spiralrippe zu beseitigen, selbst wenn der gemessene Ra-Wert bereits innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegt.

Zudem zwingt die Vorgabe unnötig niedriger Oberflächenrauheitswerte (z. B. durchgehend 0,4 µm / 16 µin) den Zerspaner dazu, die Vorschubgeschwindigkeiten drastisch zu reduzieren, die Schneideinsätze häufig auszutauschen oder zusätzliche Polierschritte einzufügen. Dies treibt die Produktionskosten erheblich in die Höhe, ohne einen zusätzlichen funktionalen Mehrwert zu schaffen.

Produktionsweg und Gesamtkosten

Letztendlich muss sich die technische Machbarkeit in einer Beschaffungsentscheidung niederschlagen. Die Entscheidung, ob die Arbeitsschritte getrennt ausgeführt werden oder eine Mehrachsenmaschine zum Einsatz kommt, hängt davon ab, wie sich Rüstzeiten, Personalaufwand und Maschinenstundensätze im Verhältnis zu Ihrem Produktionsvolumen verhalten.

Getrenntes Fräsen und Drehen

Ein traditionelles Bearbeitungsschema nach dem Prinzip „zuerst Drehen, dann Fräsen“ ist nicht grundsätzlich veraltet. Es ist oft die wirtschaftlichste Wahl für:

• Prototypen und Kleinserien: Wenn sich aufwendige Programmierarbeiten nicht amortisieren lassen.
• Minimale Fräsmerkmale: Z. B. eine einfache Welle mit einer einzigen Schlüsselfläche an einem Ende.
• Lose Merkmalszuordnung: Wenn zwischen den gedrehten Durchmessern und den gefrästen Taschen keine strenge GD&T-Beziehung (wie z. B. „True Position“ oder „Concentricity“) besteht.
• Standard-Werkstückspannung: Wenn Standard-Schraubstöcke und -Spannfutter das Werkstück auch ohne spezielle Vorrichtungen zuverlässig festhalten können.
• Flexible Zeitplanung: Durch die Aufteilung der Bearbeitungsvorgänge kann ein Betrieb seine Kapazitäten auf mehrere Standardmaschinen verteilen, anstatt ein einzelnes, kostspieliges Dreh-Fräs-Zentrum zu überlasten.

Käufer müssen jedoch die versteckten Kosten von getrennten Arbeitsgängen berücksichtigen. Die tatsächlichen Kosten beschränken sich nicht nur auf die Zykluszeit der beiden Maschinen, sondern umfassen auch:

• Wartezeiten: Das Warten auf freie Termine an zwei verschiedenen Maschinen kann Ihre Gesamtdurchlaufzeit im Vergleich zu einem Prozess mit nur einer Rüstung um mehrere Tage verlängern.
• Manuelle Übergabe und Handhabung zwischen den Arbeitsstationen.
• Wiederholte Messwertablesung und Kantenortung für die zweite Einrichtung.
• Die Kosten für die Konstruktion und Fertigung maßgeschneiderter weicher Spannbacken.
• Zwischenkontrollen zwischen den Arbeitsgängen.
• Unfertige Erzeugnisse (WIP), die in der Fertigung auf ihre Weiterverarbeitung warten.
• Erhöhtes Ausschussrisiko: Wenn der Fräser das Werkstück bei der zweiten Aufspannung falsch ausrichtet, sind die während der Drehphase investierte Zeit und das Material vollständig verloren.

Antriebswerkzeuge und Fräs-Dreh-Kombination

Fräs-Dreh-Zentren und Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen sind darauf ausgelegt, Arbeitsschritte zu bündeln. Dieser Ansatz bietet erhebliche Vorteile für:

• Zylindrische Körper mit dichten seitlichen Merkmalen: Teile, bei denen neben radialem Bohren, Gewindeschneiden und Flachfräsen auch aufwendige Außendrehbearbeitungen erforderlich sind.
• Strenge Datenausrichtung: Wenn gefräste Bauteile exakt auf gedrehte Bauteile ausgerichtet werden müssen, ist der Verzicht auf das erneute Einspannen der einzige zuverlässige Weg, um enge Toleranzen einzuhalten.
• Automatisierte Serienfertigung: Durch die Kombination von Fräs- und Drehfunktionen mit einem Stangenlader wird eine „Lights-out“-Bearbeitung ermöglicht, wodurch die Arbeitskosten pro Teil drastisch gesenkt werden.

Der Nachteil ist die Anfangsinvestition. Die Mill-Turn-Fertigung bietet folgende Vorteile:

• Ein deutlich höherer Stundensatz für Maschinen.
• Komplexere CAM-Programmierung und Kollisionssimulation.
• Teure Spezialhalter für angetriebene Werkzeuge.
• Längere Zeiten für die Ersteinrichtung der Maschine und die Feinabstimmung.
• Platzmangel innerhalb des Maschinenraums für lange Werkzeuge.

Das Beispiel des Aluminiumverbinders:

Was unseren maßgefertigten Aluminium-Flüssigkeitsanschluss betrifft, so bestimmt das Produktionsvolumen den weiteren Weg.

Bei einer Prototypenproduktion von 5 Stück ist es wirtschaftlich nicht sinnvoll, 3 Stunden aufwendige CAM-Programmierung für Fräs-Dreh-Bearbeitungen zu bezahlen. Unsere Ingenieure würden das Werkstück zunächst auf einer Standard-Drehmaschine bearbeiten und es anschließend manuell auf eine 3-Achsen-Fräsmaschine umspannen, um die radialen Bohrungen zu fräsen.

Bei einer Produktionsserie von 2.000 Stück wird sich der hohe Stundensatz der Dreh-Fräs-Kombimaschine jedoch schnell aufteilen. Die Maschine kann alle 3 Minuten Rohmaterial aus einem Stangenlader entnehmen, den Außendurchmesser drehen, die Flachflächen fräsen, die Radialbohrungen bohren, das Werkstück abstechen und ein fertiges, vollständig ausgerichtetes Verbindungsstück in einen Teileauffangbehälter abwerfen – ganz ohne manuelle Eingriffe und ohne Fehler bei der Bezugspunktobertragung.

Schlussfolgerung

Das CNC-Fräsen ist in der Regel die bessere Wahl für prismatische Teile, Taschen und mehrseitige Merkmale. Das CNC-Drehen ist meist effizienter für Durchmesser, Bohrungen, Konen und Gewinde, die um eine Achse angeordnet sind. Das Fräs-Drehen-Kombinationsverfahren erweist sich als vorteilhaft, wenn rotationssymmetrische und außeraxiale Merkmale eine präzise Ausrichtung erfordern oder wenn das Produktionsvolumen eine Reduzierung der Rüstvorgänge rechtfertigt.

Sind Sie bereit für die Produktion? Senden Sie uns Ihr 3D-Modell, Ihre technische Zeichnung, die Materialangaben, die Stückzahl und die kritischen Toleranzen für eine DFM-Prüfung zu.. Unsere Ingenieure vergleichen Fräs-, Dreh- und Fräs-Dreh-Verfahren, um Ihnen ein Angebot zu unterbreiten, das hinsichtlich Qualität, Lieferzeit und Gesamtfertigungskosten optimiert ist.