Bei der Präzisionsbearbeitung bestimmt die Geometrie den Werkzeugweg, während die Bearbeitbarkeit des Materials und die Nachbearbeitung direkt die Werkzeugstandzeit, die Spindelzeit und die Ausbeute bestimmen.
Die folgende Analyse, aus der Perspektive der Fertigungsphysik und der praktischen Werkstattpraxis, erläutert, wie sich die Produktionskosten durch die Optimierung von Materialien und Nachbearbeitung reduzieren lassen.
1. Verbesserte Materialbearbeitbarkeit: Reduzierung der Spindelzeit und des Werkzeugverschleißes
Die Hauptkosten der CNC-Bearbeitung entstehen durch die Spindelzeit der Werkzeugmaschine und den Werkzeugverschleiß. Unterschiedliche Werkstoffe weisen sehr unterschiedliche Schnittwiderstände und thermische Eigenschaften auf.
lKaltverfestigung und Schnittwärme:Austenitischer Edelstahl 316L und Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) weisen eine extrem geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Hohe Schnitttemperaturen konzentrieren sich an der Werkzeugspitze und führen zu starker Kaltverfestigung des Materials. Dies zwingt die Werkzeugmaschine zu extrem niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten, wodurch die Werkzeugstandzeit exponentiell verkürzt wird.
lVorteile von Automatenelementen:Sofern die mechanischen Eigenschaften es zulassen, empfehlen Werkstätten die Verwendung von Automatenstählen mit Spuren von Schwefel, Phosphor oder Blei (z. B. AISI 1215, 1144). Diese Werkstoffe bieten schnellen Spanbruch, Selbstschmierung und Bearbeitungsgeschwindigkeiten, die 3- bis 4-mal höher sind als bei herkömmlichem Edelstahl.
lOptimierungsvorschläge:Für nichtstrukturelle, korrosionsbeständige Teile wird die Verwendung von Aluminiumlegierungen (wie z. B. 6061-T6) mit anschließender Anodisierung anstelle von Edelstahl empfohlen; für hochfeste Wellenteile wird die Verwendung von vergütetem Stahl 4140 oder 30CrNiMo8 anstelle von schwer zerspanbaren, hochharten Legierungen empfohlen, um die Schnittgeschwindigkeit zu verbessern und die Spindelzeit zu verkürzen.
2. Toleranzmechanik: Anpassung an marktübliche Rohmaterialspezifikationen
Die CNC-Bearbeitung ist eine Form der subtraktiven Fertigung. Der Grad, in dem die Endabmessungen des Bauteils den Standardvorgaben des Rohmaterials entsprechen, beeinflusst direkt die Materialausnutzung und die Bearbeitungszeit.
lSchälzugabe und Verformung:Metallstangen oder -platten weisen oft eine entkohlte Schicht oder eine unebene Oberfläche auf, wenn sie das Werk verlassen; daher sollte beim Bearbeiten vorrangig das Schälen erfolgen. Überschreitet der maximale Außendurchmesser eines Teils (z. B. 25,4 mm) die Standard-Stangenmaterialspezifikation (25 mm), muss die Werkstatt Stangenmaterial mit 30 mm Durchmesser bestellen.
lIneffektive Kostensenkung:Das bedeutet, dass beim Bearbeiten 4,6 mm Durchmesser abgetragen werden müssen. Der Kunde muss nicht nur das dadurch entstehende Rohmaterial, sondern auch die Kosten für die Vorbearbeitung tragen. Darüber hinaus kann die durch den übermäßigen Abtrag verursachte Restspannung nach der Bearbeitung leicht zu Verformungen des Bauteils führen.
lOptimierungsvorschlag:Ohne die Funktionalität zu beeinträchtigen, sollte die maximale Außenabmessung des Teils 1,5 bis 2 mm kleiner sein als die Standardspezifikation für Stangen/Platten, wobei nur grundlegende Abtrags- und Ausrichtungstoleranzen berücksichtigt werden.
3. Toleranzüberlappung: Nachbearbeitungsbereiche rational definieren.
Die Nachbearbeitung (Anodisieren, stromloses Vernickeln, Passivieren, Sandstrahlen usw.) verändert die Oberflächenabmessungen des Bauteils und beeinflusst somit direkt die Toleranzkontrolle bei der CNC-Bearbeitung.
lZu dicke Platinschichten zerstören Präzisionstoleranzen:Oberflächenbehandlungen haben eine physikalische Dicke. Durch herkömmliches Anodisieren erhöht sich die Dicke um 5–10 µm pro Seite, während Hartanodisieren oder stromloses Vernickeln 20–50 µm erreichen können. Beträgt die Toleranz für Passbohrungen oder Lagerpositionen in der Zeichnung ±0,01 mm, führt eine vollflächige Galvanisierung zu einem geringeren Bohrungsdurchmesser und größeren Maßabweichungen.
lArbeitskosten für das Tragen von Masken:Um die Einhaltung kritischer Toleranzen zu gewährleisten, müssen in der Werkstatt vor der Galvanisierung Präzisionsbohrungen manuell mit hochtemperaturbeständigem Klebeband oder Spezialstopfen abgedeckt werden. Je mehr Bohrungen abgedeckt werden und je komplexer die Geometrie ist, desto höher sind der Arbeits- und Zeitaufwand.
lOptimierungsvorschlag:Kennzeichnen Sie die lokale Nachbearbeitung ("local post-processing") deutlich auf den Zeichnungen, um den korrosionsbeständigen Bereich von der Präzisionspassung zu unterscheiden und die Passbohrungen anzugeben, die nicht galvanisiert werden dürfen und abgeklebt werden müssen. Dies gewährleistet die Montagegenauigkeit und vermeidet Nacharbeit und Abklebekosten.
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