CNC-Bearbeitung großer Werkstücke – Herausforderungen, Einschränkungen und bewährte Verfahren

Die CNC-Bearbeitung von großformatigen Elementen stellt eine ganz andere Herausforderung dar als die Arbeit mit typischen, kleinen Details. Wenn ein Teil mehrere Dutzend Kilogramm wiegt, mehrere Meter lang ist und eine Toleranz im Bereich von Hunderten von Mikrometern einhalten muss, wird jeder Fehler kostspielig – sowohl in Bezug auf das Material als auch auf die Ausfallzeit der Maschine. Daher erfordert die Planung eines solchen Prozesses einen anderen Ansatz als bei typischen kleinen Teilen.

Bei SIM Gdynia führen wir die CNC-Bearbeitung von Komponenten bis zu 500 kg für die Maschinenbau-, Energie-, Verteidigungs- und Automatisierungsindustrie durch.

Auf der Grundlage unserer Erfahrungen fassen wir im Folgenden die wichtigsten Herausforderungen, Einschränkungen und bewährten Verfahren zusammen, mit denen Technologen und Produktionsingenieure täglich arbeiten.

Worin genau unterscheidet sich die CNC-Bearbeitung großer Werkstücke von der Standardbearbeitung?

In der Praxis sprechen wir normalerweise von „großen Werkstücken”, wenn:

• das Teil länger als 1 Meter ist,
• das Gewicht des Werkstücks mehrere Dutzend Kilogramm übersteigt,
• für die Bearbeitung Portalzentren, große Karusselldrehmaschinen oder Bohrwerke anstelle von typischen Kompaktdrehmaschinen erforderlich sind.

Solche Teile sind beispielsweise Maschinengehäuse, Grundplatten, Schweißrahmen, Getriebegehäuse und Lagerelemente mit großem Durchmesser.

In ihrem Fall muss die CNC-Bearbeitung eine hohe Genauigkeit mit den Einschränkungen des Arbeitsbereichs, der Tragfähigkeit und der Steifigkeit des gesamten Systems in Einklang bringen.

Hinzu kommt noch die Logistik, genauer gesagt der Transport des Werkstücks mit einem Kran, die Auswahl der Aufhängepunkte und die Organisation des Raums um die Maschine herum, damit das Be- und Entladen sicher und wiederholbar ist.

Die wichtigsten technologischen Herausforderungen bei großen Abmessungen

Bei großen Werkstücken beginnen sich die typischen Probleme der Zerspanung zu „vergrößern”. Was bei einem kleinen Werkstück nur eine kleine Unannehmlichkeit ist, kann bei einer mehrere Meter großen Platte bereits über das Gelingen oder Scheitern einer ganzen Serie entscheiden. Die wichtigsten Herausforderungen lassen sich in mehrere Bereiche einteilen:

• Vibrationen und Steifigkeit des Systems – lange Werkzeugauskragungen, dünnwandige Strukturen und geschweißte Rahmen verursachen eine Anfälligkeit für Vibrationen. Eine falsche Auswahl der Halterungen und Parameter führt zu einer welligen Oberfläche, Lärm und einem beschleunigten Verschleiß der Werkzeuge.
• Thermische Fehler – bei langen Verfahrwegen und mehrstündigen Zyklen erwärmen sich die Führungen, die Spindel und das Werkstück selbst. Ein Dutzend Mikrometer pro Meter mögen gering erscheinen, aber über eine Länge von mehreren Metern „fressen” sie schnell die Toleranzen auf.
• Einhaltung der globalen Toleranzen – lokal können die Abmessungen korrekt sein, dennoch können die Ebenheit, Geradheit oder Koaxialität des gesamten Werkstücks außerhalb der Spezifikation liegen. Bei großen Abmessungen ist es entscheidend, das Teil als Ganzes zu betrachten und nicht nur einzelne Merkmale.
• Komplexität der Programmierung und Kollisionsrisiko – Bei langen Programmen, 5-Achs-Bearbeitung und umfangreicher Ausrüstung steigt das Risiko einer Kollision des Werkzeugs mit dem Tisch, den Halterungen oder dem Werkstück selbst. Eine CAM-Simulation ist hier unersetzlich.

Einschränkungen durch Maschinen, Werkstücke und Materialien – reale harte Grenzen

Selbst der beste Maschinenpark hat objektive geometrische und dynamische Einschränkungen. Bei der CNC-Bearbeitung großer Werkstücke ist dies besonders deutlich zu sehen:

• Begrenztes Arbeitsfeld und Tragkraft des Tisches – manchmal lässt sich eine Neupositionierung des Werkstücks nicht vermeiden, was zusätzliche Referenzierungsfehler mit sich bringt,
• eine Verringerung der Geometriegenauigkeit bei extremen Achspositionen, die durch eine geeignete Bearbeitungs- und Messstrategie kompensiert werden muss,
• die Notwendigkeit, Beschleunigungen und Geschwindigkeiten zu reduzieren, um keine Schwingungen an großen beweglichen Massen zu erzeugen.

Große Bauteile sind oft Gussteile mit Aufmaßen oder Schweißkonstruktionen. Nach der Grobbearbeitung werden Restspannungen freigesetzt, es kommt zu Verformungen, Verdrehungen und lokalen Verformungen. Aus diesem Grund gliedert sich der optimale Prozess in der Regel in eine Grobbearbeitung mit kontrolliertem Aufmaß, eine anschließende Entspannung (thermisch oder „natürlich” – zeitlich) und eine Endbearbeitung, die auf Genauigkeit und Oberflächenqualität ausgerichtet ist.

Wie geht man die Planung der CNC-Bearbeitung von großformatigen Werkstücken am besten an?

Bei großformatigen Elementen hängt die Effizienz der Bearbeitung weitgehend von der Art und Weise ab, wie der gesamte Prozess geplant wird.

Im Gegensatz zu kleinen Werkstücken wirkt sich hier jede technologische Entscheidung nicht nur auf die Qualität, sondern auch auf die Arbeitssicherheit und die geometrische Stabilität aus. Daher lohnt es sich, die Vorbereitung des Prozesses auf einige wichtige Schritte zu stützen.

1. Analyse der Konstruktion im Hinblick auf die CNC-Bearbeitung

Der erste Schritt besteht in der Bewertung des Werkstücks hinsichtlich der Verfügbarkeit von Werkzeugen, der Aufspannmöglichkeiten und der Reihenfolge der Arbeitsschritte.

In der Praxis bedeutet dies einen Vergleich der Konstruktionsvorgaben mit den tatsächlichen Einschränkungen der Maschinen und Werkzeuge.

Eine solche Analyse ermöglicht es, Bezugspunkte festzulegen, das Risiko von Verformungen vorherzusagen und zu bestimmen, ob das Element eine modulare Bearbeitung erfordert.

1. Definition des Prozesses in zwei Schritten

Große Elemente erfordern eine schichtweise Bearbeitung.

Zunächst wird die Grobbearbeitung geplant, deren Ziel die kontrollierte Entfernung von Aufmaß ist, und erst nach der Stabilisierung des Werkstücks folgt die Feinbearbeitung.

Diese Aufteilung minimiert den Einfluss der freigesetzten Spannungen auf die endgültigen Abmessungen und erleichtert die Einhaltung der Gesamttoleranzen.

1. Auswahl der Werkzeugmaschine entsprechend der Beschaffenheit des Werkstücks

Die Wahl der Werkzeugmaschine hängt nicht nur von der Größe des Teils ab, sondern auch von seiner Konstruktion und der Verteilung der Bearbeitungsflächen.

Für einige Elemente ist ein horizontales Zentrum mit großem Achsbereich effektiver, für andere eine Bohrmaschine. In dieser Phase werden auch die erforderlichen Werkzeuge und die Art der Werkstückabstützung festgelegt.

1. Überprüfung des Prozesses in der CAM-Umgebung

Bei großen Abmessungen dient die CAM-Simulation nicht nur der Kollisionskontrolle.

Sie ermöglicht es zu beurteilen, wie Werkzeuge, Halterungen und Maschinentisch die Möglichkeit reibungsloser Bewegungen beeinflussen und ob die zu bearbeitenden Flächen ohne Änderung der Basen zugänglich sind.

Dadurch wird der Prozess besser vorhersehbar und die Einstellung an der Maschine erfolgt schneller und ohne das Risiko ungeplanter Ausfallzeiten.

Zusammenfassung – CNC-Bearbeitung großer Werkstücke ohne Überraschungen

Die Bearbeitung großer Werkstücke ist ein Bereich, in dem kleine Fehler große Konsequenzen haben. Der Schlüssel zur Vorhersehbarkeit ist:

• Eine gute Planung des technologischen Pfades,
• eine bewusste Auswahl der Werkzeugmaschine und der Werkzeuge,
• die Kontrolle von Vibrationen und thermischen Phänomenen,
• eine an den Maßstab des Werkstücks angepasste Messtechnik.

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