Ein Fertigungsverfahren für höchste Ansprüche: CNC Fräsen

CNC Fräsen erlaubt die Herstellung fast beliebiger Formen aus dem vollen Werkstoff, und die numerische Steuerung erhöht die Leistungsfähigkeit dieses spangebenden Fertigungsverfahrens noch einmal erheblich.

Die CNC-Steuerung verkürzt den Weg von der Zeichnung zum Fertigteil, sie erleichtert gerade beim Fräsen die Berechnung der komplexen Bewegungsabläufe mit drei oder mehr Achsen. Dies hilft nicht nur, Fertigungskosten zu reduzieren, es ermöglicht auch die Fertigung komplexerer Werkstückgeometrien.

Das Fräsen als Fertigungsverfahren und die Bedeutung der numerischen Steuerung

Als Fertigungsverfahren ist Fräsen eng mit dem Bohren verwandt: Es verwendet ein rotierendes Werkzeug, das im Allgemeinen mehrere geometrisch bestimmte Schneiden besitzt, die über seinen Umfang verteilt sind. Allerdings erfolgt der Vorschub nicht wie beim Bohren ausschliesslich in Richtung der Drehachse des Werkzeugs, sondern vorwiegend in Querrichtung. Diese Art der Bearbeitung beim Fräsen erlaubt bereits sehr grosse Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Werkstückkonturen. Erweitert werden diese noch durch die Variationsmöglichkeiten bei der Form der Fräswerkzeuge.

Auf der anderen Seite erhöht sich durch die genannten Eigenschaften des Fertigungsverfahrens der Aufwand für die Steuerung der Werkzeugmaschine. Beispielsweise muss bei der Berechnung der anzusteuernden Soll-Koordinaten für die Fräsmaschine der Abstand der Schneiden von der Drehachse des Werkzeugs berücksichtigt werden. Dies führt bereits bei der Fertigung relativ einfacher Konturen, wie zum Beispiel einer abgerundeten Kante, insbesondere aber bei dreidimensionalen Kurven zu komplexen geometrischen Zusammenhängen.

Höhere Ansprüche an die Fertigungsgenauigkeit können darüber hinaus die Berücksichtigung elastischer Verformungen erfordern, die nicht nur von den Materialkennwerten, sondern auch von der Vorschubgeschwindigkeit und weiteren Parametern abhängen, welche die auf Werkzeug und Werkstück wirkenden Kräfte beeinflussen. Auch der Werkzeugverschleiss spielt hier eine Rolle, da er nicht nur die Werkzeuggeometrie, sondern auch die auftretenden Schnittkräfte beeinflusst.

Wie arbeitet die numerische Steuerung beim CNC Fräsen?

Die CNC-Steuerung erlaubt es, die komplexen Berechnungen für die Führung des Werkzeugs beim Fräsen zu automatisieren. Dabei sind zwei Arten zu unterscheiden: Berechnungen, die unabhängig vom verwendeten Werkzeug und Maschinentyp sind, und solche, für die eine Kenntnis der Werkzeuggeometrie oder anderer spezifischer Werkzeugdaten notwendig ist. Die erste Art der Berechnung erzeugt aus dem räumlichen Modell des zu fertigenden Werkstücks, das etwa in Form von CAD-Daten oder technischen Zeichnungen vorliegt, einen Ablaufplan für die Fertigung in der Fräsmaschine. Ein solcher Ablaufplan lässt sich in einer geräteunabhängigen Form wie CLDATA darstellen und ist somit auf unterschiedlichen Fräsmaschinen lauffähig, nachdem er in einen entsprechenden maschinenspezifischen Code übersetzt wurde.

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Als Maschinencode verwenden CNC-Maschinen typischerweise die in DIN 66025 genormte Darstellung. Diese Programmierschnittstelle geht auf das erste Konzept der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen zurück, das 1951 am MIT entwickelt wurde. Es beschreibt Wege- und Schaltinformationen sowie Werkzeugdaten durch zahlenmässige Werte, deren Bedeutung sich aus einem vorangestellten Adressbuchstaben erschliesst. Eine Codierung nach DIN 66025 wurde ursprünglich direkt für die Programmierung von CNC-Maschinen genutzt, ist aber in der Regel durch höhere Programmiersprachen ersetzt, die speziell für die Fertigungstechnik entwickelt wurden, wie zum Beispiel EXAPT.

Trotz dieses Wechsels zu einer Programmierung auf einer höheren Ebene hat die DIN-66025-Codierung ihre Bedeutung für die CNC-Bearbeitung nicht verloren, denn diese Art der Programmdarstellung verstehen die meisten numerisch gesteuerten Maschinen, und die auch in Hochsprachen geschriebenen CNC-Programme werden für die Ausführung auf der Werkzeugmaschine im Allgemeinen in einen Code nach DIN 66025 übersetzt. Dies erfolgt automatisch; der Prozess ist mit dem Kompilieren von Programmen vergleichbar, die in einer universellen Programmiersprache wie Fortran, C oder Pascal geschrieben sind. Auch dabei wird der Quelltext des Programms zunächst in einen Assemblercode übersetzt, der noch eine für Menschen lesbare Form hat, aber gerätespezifisch ist.

Die geräteunabhängigen CLDATA-Anweisungen enthalten geometrische Informationen, die den Bewegungsablauf des Werkzeugs bestimmen. Die genaue Ansteuerung der Koordinaten muss beim Fräsen aber, wie schon erwähnt, noch mit der Werkzeuggeometrie abgestimmt werden. Dies geschieht in einer Interpolation, die aus den vorgegebenen Bahnen anzusteuernde Stützpunkte errechnet.

 

Oberstes Bild: © Heppler AG