Das Drehen zählt zu den ältesten und bedeutendsten Fertigungsverfahren in der Metallbearbeitung und ist aus der modernen Industrie nicht mehr wegzudenken. Es handelt sich um ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem Metall von einem rotierenden Werkstück abgetragen wird, um die gewünschte Form und Oberfläche zu erzeugen. Der zentrale Prozess findet an einer Drehmaschine statt, in der das Werkstück eingespannt und in Rotation versetzt wird. Ein feststehendes Werkzeug, der Drehmeißel, wird dann präzise auf das rotierende Material zugeführt und trennt Späne ab. Das Hauptziel des Drehens ist die Herstellung rotationssymmetrischer Teile wie Wellen, Bolzen, Gewinde oder Buchsen mit hoher Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Die Bandbreite der bearbeitbaren Materialien reicht von Stahl und Edelstahl über Aluminium bis hin zu Messing und Kunststoffen. Mit der Einführung der CNC-Technologie hat sich das Drehen zu einem hochpräzisen, automatisierten und extrem effizienten Prozess entwickelt, der selbst komplexeste Geometrien realisieren kann. Dieses zerspanende Verfahren ist die erste Wahl, wenn es um Wirtschaftlichkeit, Wiederholgenauigkeit und die Erfüllung enger Toleranzen geht. Folglich ist das Drehen eine fundamentale Säule in Werkstätten und der industriellen Serienfertigung.
Was ist das Drehverfahren und wie funktioniert es?
Das Drehverfahren ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem die Hauptbewegung, die sogenannte Schnittbewegung, durch die Rotation des Werkstücks erzeugt wird. Das Werkstück wird dazu in eine Drehmaschine eingespannt, typischerweise in einem Spannfutter oder zwischen Spitzen, und in eine schnelle Drehbewegung versetzt. Die zweite notwendige Bewegung, die Vorschubbewegung, wird hingegen vom Werkzeug, dem Drehmeißel, ausgeführt. Dieser wird linear oder entlang einer programmierten Bahn auf das rotierende Werkstück zu- oder von ihm weggeführt. Durch die Überlagerung dieser beiden Bewegungen schneidet die Schneide des Drehmeißels kontinuierlich Material in Form von Spänen vom Werkstück ab. Die Art und Weise, wie der Meißel geführt wird, bestimmt die finale Geometrie des Bauteils. Beim Längsdrehen bewegt sich der Meißel parallel zur Drehachse und erzeugt zylindrische Formen, während er beim Plandrehen quer zur Drehachse bewegt wird, um ebene Flächen an den Stirnseiten des Werkstücks zu erzeugen. Die Prozessparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe werden je nach Material und gewünschtem Ergebnis genau eingestellt, um eine optimale Zerspanung zu gewährleisten. Die entstehenden Späne werden kontinuierlich abgeführt, und oft wird ein Kühlschmiermittel eingesetzt, um die Temperatur zu regulieren, die Standzeit des Werkzeugs zu verlängern und die Oberflächenqualität zu verbessern.
Welche verschiedenen Arten von Drehmaschinen gibt es?
Die Welt der Drehmaschinen ist vielfältig und hat sich über Jahrhunderte von einfachen manuellen Maschinen zu hochkomplexen CNC-Drehzentren entwickelt. Man unterscheidet sie grundsätzlich nach ihrem Automatisierungsgrad und ihrer Bauweise. Die älteste Form ist die Drehbank oder Universaldrehmaschine, die manuell vom Dreher bedient wird und viel handwerkliches Geschick erfordert. Sie eignet sich hervorragend für Einzelanfertigungen, Reparaturen und in der Ausbildung. Für die wirtschaftliche Serienfertigung wurden Revolverdrehmaschinen entwickelt, die mit einem drehbaren Werkzeugrevolver ausgestattet sind, der mehrere Werkzeuge aufnehmen kann und so einen schnellen Wechsel ermöglicht. Die moderne Königsklasse sind die CNC-Drehmaschinen. Bei diesen wird der Drehprozess vollständig durch einen Computer gesteuert, was eine außergewöhnliche Präzision und die Fertigung hochkomplexer Konturen erlaubt. Eine weitere wichtige Unterscheidung liegt in der Lage der Drehspindel. Bei einer Waagerecht-Drehmaschine verläuft die Spindel horizontal, was die gängigste Bauform ist. Bei einer Senkrecht-Drehmaschine hingegen steht die Spindel senkrecht, was die Handhabung besonders schwerer und kurzer Werkstücke erleichtert. Moderne Drehzentren kombinieren oft Dreh- und Fräsfunktionen in einer Maschine, sodass ein Werkstück in einem Aufspannvorgang komplett bearbeitet werden kann. Die Wahl der richtigen Drehmaschine hängt stets vom Fertigungsauftrag, der Stückzahl und der geforderten Genauigkeit ab.
Wann wird das Drehen gegenüber anderen Verfahren eingesetzt?
Die Entscheidung für das Drehen als Fertigungsverfahren fällt primär dann, wenn es um die Herstellung von rotationssymmetrischen Bauteilen geht. Typische Beispiele hierfür sind Wellen, Achsen, Bolzen, Gewinde, Buchsen und Rohre. Der große Vorteil des Drehens liegt in der wirtschaftlichen und präzisen Erzeugung dieser Formen. Gegenüber dem Fräsen, einem anderen wichtigen Zerspanungsverfahren, punktet das Drehen bei der Bearbeitung von Außen- und Innenkonturen von Rotationskörpern in der Regel mit kürzeren Bearbeitungszeiten und einer besseren Oberflächengüte. Auch im Vergleich zum Schleifen wird das Drehen oft vorgezogen, wenn es um die grobe bis halbfeine Bearbeitung und das Erreichen bestimmter Maße geht, da es ein deutlich materialabtragsstärkeres Verfahren ist. Das Schleifen schließt sich häufig als Feinbearbeitung an das Drehen an, um besonders hohe Oberflächenqualitäten und Toleranzen zu erreichen. Für die Massenproduktion von kleinen, rotationssymmetrischen Teilen wie Schrauben kommt oft das Drehautomaten-Drehen zum Einsatz, ein äußerst effizientes Sonderverfahren. Letztendlich ist das Drehen dann die erste Wahl, wenn die Geometrie des Bauteils die Rotation als sinnvollste Hauptbewegung nahelegt und hohe Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden sollen. Es ist ein unverzichtbares Verfahren in Branchen wie dem Automobilbau, dem Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrt.
Welche Werkzeuge und Schneidstoffe werden beim Drehen verwendet?
Das Herzstück jeder Drehmaschine ist das Werkzeug, der Drehmeißel. Ein Drehmeißel besteht grundsätzlich aus dem Meißelhalter und der eigentlichen Schneidplatte. Moderne Drehmeißel setzen fast ausschließlich auf Wendeschneidplatten, die mehrschneidig sind und bei Stumpfwerden einfach gedreht oder gewechselt werden können, ohne den gesamten Meißel ausmustern zu müssen. Die Wahl des richtigen Schneidstoffs ist entscheidend für die Produktivität und Qualität des Drehprozesses. HSS (Schnellarbeitsstahl) war lange Zeit der Standard, wird heute aber hauptsächlich für Sonderanfertigungen und bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten verwendet. Beschichtete Hartmetalle sind der heutige Industriestandard, da sie eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit mit guter Zähigkeit verbinden und für die Bearbeitung der meisten Metalle geeignet sind. Für anspruchsvolle Anwendungen, insbesondere bei harten Werkstoffen oder hohen Schnittgeschwindigkeiten, kommen Schneidkeramik und Cermets zum Einsatz. Das Hochleistungsmaterial schlechthin ist polykristalliner Diamant (PKD) für die Bearbeitung von non-ferrous Metallen wie Aluminium, und polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl und Gusseisen. Die Geometrie der Schneidplatte, also deren Freiwinkel, Spanwinkel und Form, wird genau auf das zu bearbeitende Material und die Art des Drehvorgangs abgestimmt, um eine optimale Spanbildung und Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Die richtige Werkzeugwahl ist ein Schlüsselfaktor für einen effizienten Drehprozess.
Welche Materialien können durch Drehen bearbeitet werden?
Das Drehen ist ein äußerst vielseitiges Fertigungsverfahren, das sich für eine breite Palette von Werkstoffen eignet. Am häufigsten werden metallische Werkstoffe bearbeitet. Dazu zählen alle Arten von Stahl, wie zum Beispiel unlegierte Baustähle für allgemeine Anwendungen und rostfreie Edelstähle für korrosionsbeständige Bauteile. Auch Aluminium und seine Legierungen sind aufgrund ihrer Leichtigkeit und guten Zerspanbarkeit sehr beliebt für das Drehen. Weitere häufig gedrehte Nichteisenmetalle sind Messing, Kupfer und Bronze. Darüber hinaus können auch harte und zähe Werkstoffe wie Titan oder Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis gedreht werden, was jedoch besondere Werkzeuge und Prozessparameter erfordert. Selbst thermisch gehärtete Stähle können in einem als Hartdrehen bekannten Verfahren bearbeitet werden, das in vielen Fällen das aufwändigere Schleifen ersetzen kann. Neben Metallen lassen sich auch viele Kunststoffe und Technische Keramiken drehen, wobei hier aufgrund der anderen Materialeigenschaften spezifische Anpassungen notwendig sind. Die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs, also wie leicht er sich spanend bearbeiten lässt, hängt von Faktoren wie Härte, Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ab und beeinflusst direkt die Wahl der Werkzeuge, der Schnittparameter und die erreichbare Oberflächengüte. Die universelle Einsetzbarkeit macht das Drehen zu einem der flexibelsten Verfahren in der Metallbearbeitung.
Was sind die grundlegenden Bewegungen und Parameter beim Drehen?
Der Drehprozess wird durch das Zusammenspiel von zwei grundlegenden Bewegungen und drei zentralen Prozessparametern definiert. Die erste Bewegung ist die Schnittbewegung, auch Hauptbewegung genannt. Sie wird durch die Rotation des Werkstücks um seine eigene Achse erzeugt und ist für den eigentlichen Materialabtrag verantwortlich. Ihre Geschwindigkeit wird als Schnittgeschwindigkeit (v_c) bezeichnet und in Metern pro Minute (m/min) gemessen. Sie ist der bestimmende Faktor für die entstehende Temperatur in der Schnittzone und hat einen großen Einfluss auf die Standzeit des Werkzeugs. Die zweite Bewegung ist die Vorschubbewegung. Sie wird vom Drehmeißel ausgeführt und bewegt ihn relativ zum Werkstück, entweder linear oder entlang einer Kontur. Der Vorschub (f) gibt an, wie weit sich das Werkzeug pro Umdrehung des Werkstücks vorwärts bewegt, gemessen in Millimetern pro Umdrehung (mm/U). Ein feiner Vorschub führt zu einer glatteren Oberfläche, während ein grober Vorschub den Materialabtrag erhöht. Der dritte entscheidende Parameter ist die Schnitttiefe (a_p). Sie definiert, wie tief der Drehmeißel radial in das Werkstück eindringt, gemessen in Millimetern. Sie bestimmt maßgeblich die Menge des abgetragenen Materials pro Zeiteinheit. Die optimale Einstellung dieser drei Parameter im Verhältnis zueinander ist die Kunst der Prozessplanung und entscheidet über Wirtschaftlichkeit, Qualität und Machbarkeit des Drehvorgangs.
Welche typischen Drehoperationen und -verfahren werden unterschieden?
Im Laufe der Zeit haben sich eine Vielzahl spezifischer Drehoperationen herausgebildet, die jeweils auf die Erzeugung bestimmter Geometrien abzielen. Die beiden fundamentalsten Operationen sind das Längsdrehen (auch Plandrehen genannt) und das Querdrehen. Beim Längsdrehen bewegt sich der Drehmeißel parallel zur Drehachse des Werkstücks und reduziert so dessen Durchmesser, um zylindrische Formen zu erzeugen. Beim Querdrehen hingegen bewegt sich der Meißel senkrecht zur Drehachse und bearbeitet die Stirnseite des Werkstücks, um eine ebene Fläche zu schaffen. Eine weitere äußerst wichtige Operation ist das Gewindedrehen, bei dem der Meißel einer präzisen, gewundenen Bahn folgt, um ein metrisches oder Whitworth-Gewinde in das Werkstück zu schneiden. Das Abstechdrehen wird verwendet, um ein Werkstück von einem langen Stangenmaterial abzutrennen oder um schmale Nuten zu erzeugen. Für die Bearbeitung von Bohrungen wird das Bohrdrehen oder Innendrehen eingesetzt, bei dem der Meißel in eine vorgebohrte Öffnung gefahren wird, um den Innendurchmesser zu vergrößern oder zu profilieren. Das Profildrehen erlaubt die Herstellung komplexer, nicht-cylindrischer Konturen, indem eine formgenaue Schneide oder eine CNC-gesteuerte Bahn zum Einsatz kommt. Jede dieser Drehoperationen erfordert spezielle Werkzeuge und Kenntnisse, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
Welche Rolle spielt die CNC-Technologie beim modernen Drehen?
Die CNC-Technologie hat das Drehen revolutioniert und es zu einem der präzisesten und produktivsten Fertigungsverfahren der modernen Industrie gemacht. CNC steht für „Computerized Numerical Control“ und bedeutet, dass jede Bewegung der Drehmaschine durch einen Computer gesteuert wird. Der Operator erstellt oder lädt ein digitales Programm, das alle Bewegungen, Vorschübe und Drehzahlen exakt vorgibt. Dies ermöglicht eine nahezu unübertroffene Wiederholgenauigkeit, da jedes Bauteil in einer Serie identisch ist, völlig unabhängig von manuellen Fertigkeiten. Moderne CNC-Drehmaschinen, oft als Drehzentren bezeichnet, sind mit automatischen Werkzeugwechslern ausgestattet, die Dutzende von verschiedenen Drehmeißeln in Sekundenschnelle bereitstellen können. Dies erlaubt die Kombination mehrerer Drehoperationen in einem einzigen Aufspannvorgang, was die Bearbeitungszeit drastisch reduziert und die Maßhaltigkeit verbessert. Die CNC-Steuerung macht auch die Fertigung hochkomplexer, freigeformter Konturen möglich, die mit manuellen Methoden undurchführbar wären. Zudem können CNC-Drehmaschinen mit Roboterarmen für die automatische Beladung und Entladung gekoppelt werden, um vollautomatische Fertigungszellen zu schaffen. Die Integration von Messsystemen direkt in die Maschine erlaubt es, den Drehprozess zu überwachen und Korrekturen in Echtzeit vorzunehmen. Die CNC-Technologie ist damit der entscheidende Enabler für Industrie 4.0 und die intelligente, vernetzte Produktion.
Wie beeinflusst das Drehen die Oberflächengüte und Maßhaltigkeit?
Die erreichbare Oberflächengüte und Maßhaltigkeit sind zwei der wichtigsten Qualitätsmerkmale beim Drehen und werden durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Die Oberflächengüte, oft als Rauheit bezeichnet, beschreibt die feine Unebenheit der bearbeiteten Oberfläche. Eine gute Oberflächengüte ist für die Funktion eines Bauteils, z.B. für die Lauffläche einer Welle in einem Lager, oft entscheidend. Sie wird primär durch den Vorschub des Werkzeugs bestimmt – ein kleinerer Vorschub führt zu einer feineren Oberfläche. Aber auch die Schnittgeschwindigkeit, die Geometrie der Schneidkante, die Verwendung von Kühlschmiermittel und die Steifigkeit der gesamten Drehmaschine haben einen erheblichen Einfluss. Schwingungen, sogenanntes Rattern, können die Oberfläche massiv verschlechtern und müssen vermieden werden. Die Maßhaltigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit, die vorgegebenen Nennmaße und geometrischen Toleranzen wie Rundlauf oder Zylindrizität einzuhalten. Sie wird maßgeblich von der Steifigkeit und thermischen Stabilität der Drehmaschine, der Präzision der Vorschubantriebe sowie dem Verschleißzustand des Drehmeißels bestimmt. Eine verschlissene Schneide führt zu ungenauen Maßen und einer schlechten Oberfläche. Moderne CNC-Drehmaschinen mit geschlossenen Maßregelkreisen und Temperaturkompensation sind in der Lage, mikrometergenaue Maßhaltigkeit über lange Produktionszeiträume zu gewährleisten. Die gezielte Steuerung der Prozessparameter ist daher der Schlüssel zur Erfüllung der Qualitätsanforderungen.
Welche Sicherheitsvorkehrungen sind beim Drehen unbedingt zu beachten?
Die Arbeit an einer Drehmaschine erfordert stets ein hohes Maß an Aufmerksamkeit und die strikte Einhaltung von Sicherheitsvorkehrungen, da von den rotierenden Teilen und den scharfen Spänen erhebliche Gefahren ausgehen. Die absolut wichtigste Regel ist das Tragen einer Schutzbrille, um die Augen vor herumfliegenden Spänen und Spänen von Kühlschmiermittel zu schützen. Weitere essentielle Persönliche Schutzausrüstung (PSA) umfasst eng anliegende Arbeitskleidung, die nicht in die Maschine gezogen werden kann, und festes Schuhwerk. Lange Haare müssen zwingend unter einer Mütze oder einem Haarnetz zusammengebunden werden. Beim Einrichten der Maschine muss sie stets vollständig ausgeschaltet sein. Während des Drehvorgangs dürfen sich keine Handschuhe, Schmuck oder Uhren am Bediener befinden, da diese von der Maschine erfasst werden könnten. Der Späneraum sollte regelmäßig mit einem Haken und nicht mit der Hand gereinigt werden, da die Späne messerscharfe Kanten haben können. Beim Umgang mit Kühlschmiermitteln sind die entsprechenden Sicherheitsdatenblätter zu beachten. Vor allem bei CNC-Drehmaschinen ist es crucial, die Schutztüren während des Betriebs geschlossen zu halten. Eine gründliche Einweisung in die spezifische Drehmaschine und ein stetes Bewusstsein für die potenziellen Gefahren sind die Grundvoraussetzung für einen unfallfreien Arbeitsablauf in der Metallbearbeitung.