Die Fertigung von Drehteilen

Infos zu Verfahren, Maschinen und Werkzeugen

Was sind Drehteile und wie werden diese Bauteile gefertigt? Von allgemeinen Informationen bis zu den einzelnen Drehverfahren mit Wissenswertem zu Werkzeugen
und Schneidstoffen erfahren Sie hier in Wort und Bild.

Allgemeine und Fertigungsinformationen über Drehteile

Was sind Drehteile?

Drehteile sind wichtige Funktionskomponenten für Produkte und in vielen Bereichen des heutigen Zeitalters zu finden. So konnte mit der Einführung der CNC-Technik die Anwendungsmöglichkeiten dieser gedrehten Bauteile nochmals erweitert werden. Ob kleinste Mikroteile für die Uhrenindustrie oder Langdrehteile für den Maschinenbau, wo sich etwas dreht oder bewegt steckt meist ein Drehteil dahinter. Dabei lassen sich sehr harte Werkstoffe wie Titan als auch weiche Materialien wie Kunststoffe mit einer hohen Prozessgenauigkeit und kostenoptimiert zerspanen, weshalb die Fertigung von Drehteilen in vielen Bereichen zu einem festen Bestandteil der Produktion geworden ist.

Wie erfolgt die Fertigung?

Drehen zählt nach DIN 8580 zu der Gruppe der Trennverfahren und erfolgt auf manuellen Drehbänken oder CNC-gesteuerten Drehmaschinen. Bei diesem zerspanenden Verfahren dreht sich das Werkstück, im Gegensatz zum Fräsen, um die eigene Achse, weshalb die Hauptschnittbewegung vom sich drehenden Werkstück ausgeführt wird. Um einen Span dabei abzuheben wird das Werkzeug mit einem Schlitten entlang des sich drehenden Werkstückes bewegt. Durch neueste Entwicklungen auf dem Gebiet Drehtechnik können heute auch komplizierte Dreharbeiten durchgeführt werden, welche früher nur auf Fräsmaschinen möglich waren.

Welche Achsen gibt es beim Drehen?

Die Rotationsachse der Hauptspindel, um welche das Werkstück und das Futter rotieren, wird beim Drehen als Z-Achse bezeichnet und verläuft vom Futter in Richtung Reitstock. Die X-Achse befindet sich senkrecht darauf. Eine Y-Achse ist beim normalen Drehen nicht nötig, da die Werkzeughöhe über der XZ-Ebene beim Einrichten der Drehmaschine fest eingestellt wird. Dagegen wird auf CNC-gesteuerten Drehmaschinen oft der Winkel der Hauptspindel als dritte Koordinate angezeigt. Die Skaleneinteilung an der X-Achse verdoppelt beim Drehen die tatsächliche Bewegung, da sich die Bewegung des Werkzeuges auf den Radius des Werkstückes auswirkt.

Typische Fertigungsbeispiele für Drehteile

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Die Fertigungsparameter der Drehteilebearbeitung

Schneid- und Werkzeugparameter

Die Einstellung der optimalen Schneid- und Werkzeugparameter ermöglichen Anwendern beim Drehen kurze Bearbeitungszeiten, lange Standzeiten und die Fertigung von Drehteilen für höchste Qualitätsansprüche. Schon geringe Abweichungen vermindern die Prozessgenauigkeit und Standzeit. Deshalb sollten die Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe in Abhängigkeit von Material, Härte und Maschinenausführung ermittelt werden, um Drehteile mit einer hohen Qualität zu fertigen. Gerade in sensiblen Bereichen sind präzise Maßgenauigkeiten unabdingbar, weshalb die einzelnen Parameter optimal aufeinander abgestimmt sein sollten.

Die Schnittgeschwindigkeit ist abhängig von der Form und Härte des zu bearbeitenden Materials und beeinflusst beim Drehen in einem hohen Maß die Standzeiten der Werkzeuge. So verringert sich bei einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um 20% die Standzeit um über die Hälfte. Zu geringe Schnittgeschwindigkeiten führen dagegen zu einem Rattern, was wiederum zu einer kürzeren Lebensdauer der Drehwerkzeuge führt.

Der Vorschub wird in Millimeter pro Umdrehung angegeben und bezeichnet die Strecke, welches der Halter bei einer Umdrehung zurücklegt. Mit einem optimal eingestellten Vorschub wird ein Freiflächenverschleiß vermieden und die Standzeiten erhöht. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte beim Vordrehen ein möglichst hoher Vorschub eingestellt werden. Dagegen wird beim Fertigdrehen für optimale Drehergebnisse mit einer sehr geringen Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet.

Die Tiefe des Schnittes ist bei den einzelnen Drehverfahren unterschiedlich und abhängig vom Material des Drehteiles, Leistung der Drehmaschine und der Beschaffenheit des Werkzeuges.

  • Runddrehen – Ist die Schnitttiefe von der Zustellung des Werkzeuges abhängig
  • Einstechdrehen – Ist die Schnitttiefe von der Breite der Schneide abhängig
  • Vordrehen – Sollte die Schnitttiefe möglichst groß sein
  • Fertigdrehen – Entspricht die Schnitttiefe dem Aufmaß

Bei der Fertigung von Drehteilen beeinflusst der Spanwinkel die Schneidleistung, Standzeit, Spanabfuhr und die Schneidtemperatur. Je nach dem zu bearbeitenden Werkstoff sind beim Drehen unterschiedliche Spanwinkel erforderlich. So wird für Drehteile aus sehr harten Materialien und mit einer stabilen Schneidkante ein negativer Spanwinkel benötigt. Dagegen ist beim Drehen von weichen Werkstoffen ein positiver Spanwinkel erforderlich. Im Allgemeinen hat der Spanwinkel hat Einfluss auf:

  • Schneidleistung
  • Standzeit
  • Spanabfuhr
  • Schneidtemperatur

Der Freiwinkel gewährleistet beim Drehen einen gleichmäßigen Vorschub und schützt die Freifläche vor Reibung an der Werkstückoberfläche. Durch eine Erhöhung des Freiwinkels wird der Freiflächenverschleiß gesenkt und die Stärke der Schneidkante vermindert. Prinzipiell sollte der Freiwinkel für die Fertigung von Drehteilen aus harten Materialien gesenkt werden. Dagegen ist bei der Bearbeitung von weichen Werkstoffgruppen ein etwas erhöhter Freiwinkel notwendig.

Definition der einzelnen Drehverfahren

Beim Drehen kommen je nach Lage der Bearbeitungsstelle, Bewegungsrichtung und der geometrischen Form der zu bearbeitenden Fläche unterschiedliche Verfahren zur Anwendung. Grundsätzlich unterscheidet man bei der Fertigung von Drehteilen zwischen dem Runddrehen, Plandrehen, Gewindedrehen, Stechdrehen, Profildrehen und Formdrehen. Diese untergliedern sich nochmals je nach Richtungsänderung der Vorschubbewegung quer oder längs durch die Drehachse in weitere Drehverfahren.

Verfahren für die Drehteile-Fertigung

Plandrehen

Sollen Drehteile mit Plandrehen gefertigt werden, muss eine ebene Fläche senkrecht zur Drehachse des Werkstücks erzeugt werden. Je nach Vorschubrichtung wird dabei zwischen dem Längsdrehen und Querdrehen unterschieden. Bewegt sich dabei das Werkzeug entlang der Rotationsachse spricht man vom Längsdrehen. Dagegen bewegt sich das Werkzeug beim Querdrehen senkrecht entlang der X-Achse.

Stechdrehen

Stechdrehen ist eine Drehbearbeitung, bei welcher die Vorschubbewegung entlang der Drehachse vom Werkzeug ausgeführt wird, um einen Einstich zu erzeugen.

Runddrehen

Mittels Runddrehen werden die Mantelflächen von Zylindern erzeugt. Die Vorschubbewegung kann dabei in die Richtung der Drehachse oder quer zur Drehachse erfolgen.

Profildrehen

Hierbei wird das Profil des Werkzeuges auf das Werkstück übertragen und der Vorschub kann dabei sowohl quer oder längs zur Drehachse erfolgen.

Gewindedrehen

Bei der Fertigung von Drehteilen mit Gewinden kommt Längsdrehen mit einem Profilwerkzeug zum Einsatz. Dabei entspricht der Vorschub der Gewindesteigung, somit wird eine Spur auf der geforderten Schraubenlinie erzeugt. Das Profil des Werkzeuges entspricht dabei der Form des erforderlichen Gewindes. Das Werkzeug wird bei diesem Drehverfahren mehrmals hintereinander durch die gleiche Spur geführt, da die Schnittkräfte bei einem einzigen Schneidvorgang zu groß sind. Auch können mit dem Gewindedrehen Drehteile mit einem kegelförmigen Gewinde gefertigt werden. Hierbei wird die Vorschubbewegung mechanisch an den Spindelantrieb gekoppelt oder elektronisch mit der Drehbewegung der Spindel gleichgesetzt. Dies bewirkt, dass sich das Werkzeug pro Umdrehung exakt um die Steigung weiterbeweg.

Formdrehen

Formdrehen kommt sehr häufig bei der Fertigung von Drehteilen mit komplizierten geometrischen Formen zur Anwendung. Dabei wird durch die Steuerung der Vorschubbewegung die Form des Drehteils erzeugt und das Werkzeug kann sich frei auf den Bahnen bewegen.

Freiformdrehen

Hierbei wird das Werkzeug mit der Hand geführt und die Steuerung der Achsen erfolgt manuell. Dieses Drehverfahren ist für Drehteile mit einer hohen Maßgenauigkeit ungeeignet.

Nachformdrehen

Bei diesem Drehverfahren wird die Form eines Musters elektronisch oder mechanisch erfasst und auf das Werkstück übertragen.

NC-Formdrehen

Bei dieser Drehtechnik ist die Bahn des Werkzeuges CNC-gesteuert und der gesamte Bearbeitungsprozess von Sensoren überwacht.

Die Drehverfahren
Definition der einzelnen Drehverfahren

Beim Drehen kommen je nach Lage der Bearbeitungsstelle, Bewegungsrichtung und der geometrischen Form der zu bearbeitenden Fläche unterschiedliche Verfahren zur Anwendung. Grundsätzlich unterscheidet man bei der Fertigung von Drehteilen zwischen dem Runddrehen, Plandrehen, Gewindedrehen, Stechdrehen, Profildrehen und Formdrehen. Diese untergliedern sich nochmals je nach Richtungsänderung der Vorschubbewegung quer oder längs durch die Drehachse in weitere Drehverfahren.

Verfahren für die Drehteile-Fertigung
Plandrehen

Plandrehen

Sollen Drehteile mit Plandrehen gefertigt werden, muss eine ebene Fläche senkrecht zur Drehachse des Werkstücks erzeugt werden. Je nach Vorschubrichtung wird dabei zwischen dem Längsdrehen und Querdrehen unterschieden. Bewegt sich dabei das Werkzeug entlang der Rotationsachse spricht man vom Längsdrehen. Dagegen bewegt sich das Werkzeug beim Querdrehen senkrecht entlang der X-Achse.

Stechdrehen

Stechdrehen

Stechdrehen ist eine Drehbearbeitung, bei welcher die Vorschubbewegung entlang der Drehachse vom Werkzeug ausgeführt wird, um einen Einstich zu erzeugen.

Runddrehen

Runddrehen

Mittels Runddrehen werden die Mantelflächen von Zylindern erzeugt. Die Vorschubbewegung kann dabei in die Richtung der Drehachse oder quer zur Drehachse erfolgen.

Profildrehen

Profildrehen

Hierbei wird das Profil des Werkzeuges auf das Werkstück übertragen und der Vorschub kann dabei sowohl quer oder längs zur Drehachse erfolgen.

Gewindedrehen

Gewindedrehen

Bei der Fertigung von Drehteilen mit Gewinden kommt Längsdrehen mit einem Profilwerkzeug zum Einsatz. Dabei entspricht der Vorschub der Gewindesteigung, somit wird eine Spur auf der geforderten Schraubenlinie erzeugt. Das Profil des Werkzeuges entspricht dabei der Form des erforderlichen Gewindes. Das Werkzeug wird bei diesem Drehverfahren mehrmals hintereinander durch die gleiche Spur geführt, da die Schnittkräfte bei einem einzigen Schneidvorgang zu groß sind. Auch können mit dem Gewindedrehen Drehteile mit einem kegelförmigen Gewinde gefertigt werden. Hierbei wird die Vorschubbewegung mechanisch an den Spindelantrieb gekoppelt oder elektronisch mit der Drehbewegung der Spindel gleichgesetzt. Dies bewirkt, dass sich das Werkzeug pro Umdrehung exakt um die Steigung weiterbeweg.

Formdrehen

Formdrehen

Formdrehen kommt sehr häufig bei der Fertigung von Drehteilen mit komplizierten geometrischen Formen zur Anwendung. Dabei wird durch die Steuerung der Vorschubbewegung die Form des Drehteils erzeugt und das Werkzeug kann sich frei auf den Bahnen bewegen.

Freiformdrehen

Hierbei wird das Werkzeug mit der Hand geführt und die Steuerung der Achsen erfolgt manuell. Dieses Drehverfahren ist für Drehteile mit einer hohen Maßgenauigkeit ungeeignet.

Nachformdrehen

Bei diesem Drehverfahren wird die Form eines Musters elektronisch oder mechanisch erfasst und auf das Werkstück übertragen.

NC-Formdrehen

Bei dieser Drehtechnik ist die Bahn des Werkzeuges CNC-gesteuert und der gesamte Bearbeitungsprozess von Sensoren überwacht.

Werkzeuge und Schneidstoffe

Schruppen oder Schlichten

Die richtige Werkzeugwahl ist beim Drehen ein wesentliches Qualitätsmerkmal, weshalb je nach Anforderung unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz kommen. So entscheidet der Schneidenradius, ob ein Werkzeug zum Schruppen oder Schlichten verwendet werden kann und ist ein wichtiges Auswahlkriterium. Dabei gilt: Zum Schlichten werden grundsätzlich Wendeplatten mit einem Radius kleiner als 0,8 mm verwendet. Ist der Radius einer Schneide dagegen größer ist das Werkzeug ideal zum Schruppen geeignet.

Für jeden Werkstoff das passende Werkzeug

Beim Drehen von metallischen Werkstoffen wie Edelstahlstahl, Aluminium oder Messing erfolgt eine große Spanbildung, weshalb beim Bearbeitungsprozess meist harte Wendeschneidplatten mit einer Spanbrechkante die optimale Fertigungslösung sind. Bei spröden Werkstoffen wie z.B. Grauguss ist es dagegen sinnvoll, Wendeplatten aus Keramik mit einer glatten Oberfläche zu verwenden. Die Standzeiten sind dabei abhängig von der Schnittgeschwindigkeit, dem Vorschub und dem Material.

Schneidstoffe in der Drehbearbeitung

Die richtige Auswahl des Schneidstoffes richtet sich beim Lohndrehen nach dem zu zerspanenden Werkstoff und der Wirtschaftlichkeit. Wichtige Eigenschaften für die Auswahl des passenden Schneidstoffes sind dessen Verschleißfestigkeit, welche durch Beschichtungen deutlich gesteigert werden kann. Je nach dem zu bearbeitenden Werkstoff kommen aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedene Schneidstoffe zum Einsatz.

Diese Schneidstoffe finden am häufigsten Anwendung

  • Hartmetall 45%
  • Schnellarbeitsstahl 35%
  • Cermet 8%
  • Keramik 5%
  • PKB und PKD 4%
  • Sonstige 3%

Schneidstoffe aus Hartmetall sind je nach Zusammensetzung, Korngröße und Beschichtung für fast alle Werkstoffe bestens geeignet. Diese vielseitig einsetzbaren Schneidstoffe verfügen über eine hohe Verschleißfestigkeit sowie Zähigkeit und sind in verschiedenen Sorten erhältlich. Die Wahl der richtigen HM-Sorte richtet sich nach den jeweiligen Bearbeitungsbedingungen und Empfehlungen der Hersteller.

Schnellarbeitsstahl ist ein Werkzeugstahl mit hohen Legierungsanteilen aus Wolfram, Molybdän, Vanadium und Kobalt. Dieser hochlegierte Werkzeugstahl verfügt über eine hohe Zähigkeit und eine geringe Härte. Einsatz finden HSS-Schneidstoffe z.B. bei der Fertigung von Kunststoffdrehteilen, da beim Zerspanen von Kunststoff die Schneidkanten sehr scharf und die Schnitttemperatur niedrig sein sollten.

  • Sehr gute Zähigkeit
  • Hohe Biegefestigkeit
  • Härte unter 70 HRC
  • Temperaturbeständig bis 600 °C

Schneidstoffe aus Cermet sind Hartmetalle auf der Basis von Titankarbid und werden als Wendeschneidplatten für die Fertigung der unterschiedlichsten Drehteile eingesetzt. Aufgrund der hohen Verschleiß- und Kantenfestigkeit finden Schneidstoffe aus Cermet hauptsächlich für die Schlichtbearbeitung Anwendung.

  • Sehr große Verschleißfestigkeit
  • Hohe Warmhärte
  • Große Schneidkantenstabilität
  • Sehr gute chemische Beständigkeit

Keramische Schneidplatten reagieren nicht mit dem zu zerspanenden Werkstoff und stehen Anwendern der Drehtechnik als Oxidkeramik, Mischkeramik und Siliziumnitrid zur Verfügung. Aufgrund ihrer sehr großen Warmhärte kommen keramische Schneidstoffe bei der Drehbearbeitung von Gusseisen und warmfesten Legierungen, beim Hartdrehen und Zerspanen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zum Einsatz.

  • Große Härte
  • Warmhärte bis 1200 °C
  • Optimale Verschleißfestigkeit
  • Hohe Druckfestigkeit
  • Sehr gute chemische Beständigkeit

PKB-Schneidplatten bestehen aus Kubischem Bornitrid und werden hauptsächlich zum Schlichten von sehr harten Materialien eingesetzt. Diese Schneidstoffe sind nach Diamant die härtesten Schneidmaterialien und verfügen über die größte Warmhärte. In vielen Fällen entfällt bei der Fertigung von CNC-Drehteilen mit PKB-Schneidplatten ein Nachschleifen der gefertigten Werkstücke, da die Oberflächengüte nach der Drehbearbeitung sehr hoch ist.

  • Die größte Warmhärte aller Schneidstoffe
  • Hohe Verschleißfestigkeit
  • Sehr große Härte
  • Gute chemische Beständigkeit

Schneidstoffe aus Polykristallinem Diamant verfügen über eine fast so große Härte wie natürliche Diamanten. Die Verschleißfestigkeit dieser Wendeschneidplatten ist sehr hoch, weshalb eine Standzeit der Drehwerkzeuge gewährleistet ist. Doch sollten aufgrund der Sprödigkeit von PKD-Schneidstoffen die Schnittbedingungen stabil und die Schnittgeschwindigkeit sowie der Vorschub wegen der Temperaturempfindlichkeit nicht zu hoch gewählt werden. Zum Einsatz kommen Schneidplatten aus Polykristallinem Diamant bei der Fertigung von siliziumhaltigen Aluminiumdrehteilen und beim Zerspanen von nichteisenhaltigen Werkstoffen.

  • Härtester Schneidstoff
  • Top-Verschleißfestigkeit
  • Temperaturbeständig bis 600 °C

Vorteile, Anwendungen und Arbeitsschutz beim Drehen

Die Vorteile der Drehbearbeitung

Die Fertigung von Drehteilen besitzt gegenüber anderen zerspanenden Verfahren umfangreiche Vorteile. Folgende Vorzüge machen das Drehen zu einer wichtigen Basistechnologie.

  • Hohe Maßgenauigkeit
  • Gleichbleibende Qualität
  • Große Produktivität
  • Eine umfangreiche Materialvielfalt
  • Geringer Werkzeugverschleiß

Wo Drehteile zum Einsatz kommen

Drehteile finden in der heutigen Industrie vielfältige Anwendungen. Wo sich etwas dreht oder bewegt, kommen oft gedrehte Bauteile zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete sind:

  • Antriebstechnik
  • Automobilindustrie
  • Medizintechnik
  • Verbindungstechnik
  • Und viele weitere

Die Unfallvorschriften beim Drehen

  • Keine hervorstehenden Spannbacken
  • Schlüssel des Spannfutters immer abziehen
  • Anlagenbediener sollten qualifiziert sein
  • Die Spannkraft muß der Form des Drehteils und der Zerspankraft angepasst sein
  • Arbeitssicherheit an Drehmaschinen (anliegende Arbeitskleidung, kein Schmuck, Haarnetz bei langen Haare, kein Tragen von Schmuck, Schutzbrillen werden empfohlen)