Produkte Anwendungen Technologie Downloads Unternehmen Karriere
Kontakt News

Werkzeugmaschinen

Werkzeugmaschinen – Bindeglied der Automatisierung

Moderne Werkzeugmaschinen zeichnen sich in erster Linie durch die Fertigung oder Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen aus. Als Arbeitsmaschinen bestimmen sie – und nicht der Mensch – im Betrieb die gegenseitige Führung von Werkstück und Werkzeug. Zusammen mit Mess- und Prüfmitteln, Vorrichtungen sowie einfachen Werkzeugen zählen Werkzeugmaschinen zu den Betriebsmitteln und können anlässlich ihrer Vielfalt auf unterschiedliche Art und Weise näher unterteilt werden.

Aufgrund der rasch voranschreitenden technischen Entwicklung werden Werkzeugmaschinen vermehrt als mechanisierte und gegebenenfalls automatisierte Fertigungseinrichtungen definiert. Letzterer Zusatz steht stellvertretend für den technischen Fortschritt und aktuelle Bestrebungen der Industrie: Sowohl die Automatisierung als auch die Vernetzung von Maschinen mit intelligenten Systemen nehmen großen Einfluss auf die Beschaffenheit und Rolle von Werkzeugmaschinen innerhalb des industriellen Sektors.

Konstruktion von Werkzeugmaschinen mittels Baugruppen

Obwohl die Vielfalt von Werkzeugmaschinen – wie auch die Anzahl ihrer Anwendungsbereiche und Applikationen – enorm groß ist, verfügen sie in der Regel über eine ähnliche, beinahe gemeinsame Zusammensetzung. Diese besteht typischerweise aus modularen Baugruppen, welche die jeweilige Maschine erst in Kombination vollkommen einsatzfähig machen. Im Stile des Bausteinprinzips erlaubt die modulare Konstruktionsweise nicht nur eine einfache Inbetriebnahme, sondern bietet ebenfalls die Möglichkeit, von Applikation zu Applikation spezifische Anforderungen zu erfüllen. Zudem können Komponenten des Systems zu einem späteren Zeitpunkt ausgetauscht werden.

Als grundlegende Baugruppe und Basis einer jeden Werkzeugmaschine dient das Maschinengestell. Dieses gibt der gesamten Maschine ihre physische Erscheinung, trägt die übrigen Komponenten und verbindet sie miteinander. Von großer Relevanz ist das Gestell einer Werkzeugmaschine insbesondere bei weiträumigen, komplexen Apparaten, die unter großen Lasteinwirkungen stehen. Im Gegensatz zu kleinen Maschinen, bei denen oftmals ein modifizierter Tisch als Gestell fungiert, müssen Maschinengestelle größerer Geräte Widerstand gegen elastische Verformungen aufweisen. In den Vordergrund rücken bei der Werkstoffwahl des Gestells daher Eigenschaften wie Dichte, Dämpfung und Wärmeleitfähigkeit. Einige Werkzeugmaschinen benötigen des Weiteren ein gegossenes Fundament, um eine hohe Steifigkeit zu gewährleisten.

Maßgeblich für die anhaltende Funktionalität von Werkzeugmaschinen ist darüber hinaus die Baugruppe der Führungen und Lagerungen. Diese gibt vor, auf welchen Achsen sich bewegliche Komponenten der Maschine bewegen können und sollen. Weil Führungen und Lagerungen in direktem Kontakt mit anderen Bauteilen des Systems stehen, unterliegen sie einem Verschleiß, der beispielsweise durch Kugellager gemindert werden kann. 

Steuerung und Antrieb – Wegbereiter der Automatisierung

 Als primäre Antriebseinheit sorgen Motor und Getriebe für die federführende Arbeitsbewegung der Werkzeugmaschine. Hinzu kommen diverse Nebenantriebe, darunter sogenannte Vorschubantriebe zur Positionierung des Werkzeugs. Die verschiedenen Antriebselemente setzen eine Werkzeugmaschine allerdings nicht nur in Gang – sie stellen ebenfalls einen wichtigen Faktor für die Arbeitsgenauigkeit beziehungsweise die Qualität der verarbeiteten Werkstücke dar. Entsprechende Eigenschaften weisen Harmonic Drive® Hohlwellenantriebe der Baureihen FHA, CHA und CanisDrive® auf. Dank eines verstärkten Abtriebslagers mit höchster Kippsteifigkeit und Präzision können besagte Antriebe schnell und unkompliziert hohe Lasten aufnehmen; dazu gewährleisten sie eine hohe Lebensdauer und bei Bedarf kurze Schwenkzeiten.

Die Steuereinheit dient prinzipiell der Automatisierung einer Maschine und übernimmt diverse Aufgaben, welche zuvor manuell oder mithilfe von Mechanik ausgeführt wurden. So steuert und kontrolliert sie Fertigungsschritte, speichert maschinen- und werkzeugbezogene Daten und sichert Fertigungsprogrammierungen. Dabei greifen moderne Werkzeugmaschinen auf elektronische Systeme, beispielsweise Halbleiterbauelemente und Relais, vor allem aber auf numerische Steuerungen zurück. Letztere bieten eine wesentlich höhere Flexibilität als viele andere Ablaufsteuerungen.

Weitere Baugruppen moderner Werkzeugmaschinen sind Werkzeugspeicher und -wechsler, Werkstückwechsler, Werkzeugaufnahmen und Ver- und Entsorgungseinrichtungen. Hinzu kommen Sicherheitseinrichtungen und Messsysteme (beispielsweise zur Positionsbestimmung des Werkzeugs).

Typische Baugruppen einer Werkzeugmaschine in der Übersicht:

  • Maschinengestell (optional mit Fundament)
  • Führungen und Lagerungen
  • Antriebe (Hauptantrieb und Neben-/Vorschubantriebe)
  • Steuerung (elektronisch, numerisch)
  • Werkzeugspeicher und -wechsler
  • Werkstückwechsler und Werkzeugaufnahmen
  • Sicherheits- sowie Ver- und Entsorgungseinrichtungen
  • Messsysteme (beispielsweise zur Positionsbestimmung)

Einteilung von Werkzeugmaschinen nach Fertigungsverfahren

Ob Achsenanzahl, Kinematik, Genauigkeit oder doch Automatisierungsgrad – Werkzeugmaschinen bieten zahlreiche Klassifizierungsmöglichkeiten. Zu den prominentesten und meistgenutzten Einteilungen zählt hierbei insbesondere die Einteilung anhand der klassischen Fertigungsverfahren. So werden Dreh- und Fräsmaschinen als auch Bohrmaschinen, Sägemaschinen, Schleifmaschinen und ähnliche Geräte der spanenden Klasse zugerechnet, während Biege- und Walzmaschinen sowie Pressen den umformenden Werkzeugmaschinen zugehörig sind. Schlagscheren und Stanzmaschinen zählen unterdessen zu den zerteilenden Maschinen. Zur Klasse der abtragenden Maschinen gehören unter anderem Laserbearbeitungs- und Wasserstrahlschneidemaschinen. Maschinen, die Aufgaben wie Schweißen, Löten und Kleben bewerkstelligen, sind Bestandteil der fügenden Klasse.

Werkzeugmaschinen im Verlauf der Zeit

Die Massenproduktion von Gebrauchs- und Konsumgütern des 21. Jahrhunderts beruht in hohem Maße auf der stetigen Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen. Heute zählen leistungsfähige, beinahe vollständig automatisierte Maschinen zur Grundausstattung moderner Fertigungsbetriebe und Hersteller des industriellen Sektors. Die Geschichte der Werkzeugmaschinen begann allerdings nicht erst in den letzten Jahrzehnten – bereits vor vielen Jahrhunderten, gar Jahrtausenden entstanden Vorläufer heutiger Werkzeugmaschinen. So reicht die Erfindung der womöglich ersten Werkzeugmaschine, einer primitiven Bohrvorrichtung, etwa 6000 Jahre zurück. Auch wenn diese und folgende Apparate, darunter Drehbänke und Schleifmaschinen, nicht mit heutigen Modellen zu vergleichen sind, erfüllten sie einige Kriterien aktueller Definitionen von Werkzeugmaschinen.

Im Zuge der industriellen Revolution und aufgrund des gesellschaftlichen Wandels stieg der Bedarf an immer leistungsstärkeren und fortschrittlicheren Werkzeugmaschinen. Das manuelle Zutun per Menschenhand nahm fortlaufend ab, da durch neue Innovationen eine deutlich höhere Wirtschaftlichkeit und Produktionsmenge erreicht werden konnten. Die rasch wachsende Nachfrage führte nicht nur zu großer Popularität der Maschinen, sondern förderte auch ihren technischen Fortschritt unaufhörlich. Erst durch die Entwicklung spezieller Dreh- und Bohrmaschinen im 18. und 19. Jahrhundert beispielsweise konnte sich Metall zu einem gängigen Werkstoff etablieren. Im 20. Jahrhundert gelang mit der Computerized Numerical Control, kurz CNC, der nächste große Entwicklungsschritt. Hierbei handelt es sich um eine computergestützte numerische Steuerung von Werkzeugmaschinen, welche individuell auf die jeweilige Anwendung angepasst ist und in der Regel über ein eigenes Betriebssystem samt Nutzeroberfläche verfügt.