Vertikale, Portal- und horizontale CNC-Bearbeitungszentren – Ein Vergleich

CNC-Maschinen der Klasse „Bearbeitungszentrum“ ermöglichen die Durchführung zahlreicher Zerspanungsvorgänge in einer einzigen Werkstückaufspannung. Je nach Spindelausrichtung und Tragkonstruktion unterscheidet man drei Haupttypen: vertikale, Portal- und horizontale Maschinen. Jeder dieser Typen weist bestimmte Eigenschaften auf, die sich aus dem kinematischen Aufbau ergeben und sich direkt auf die Art der zu bearbeitenden Werkstücke sowie den Charakter der Fertigung auswirken. Der folgende Artikel stellt die Merkmale der einzelnen Typen vor und vergleicht sie miteinander, um einen besseren Überblick über das Angebot an verfügbaren Lösungen zu ermöglichen.

CNC-Maschinen der Klasse „Bearbeitungszentrum“ ermöglichen die Durchführung zahlreicher Zerspanungsvorgänge in einer einzigen Werkstückaufspannung. Je nach Spindelausrichtung und Tragkonstruktion werden drei Haupttypen unterschieden: vertikale, Portal- und horizontale Maschinen. Jeder dieser Typen weist bestimmte Eigenschaften auf, die sich aus dem kinematischen Aufbau ergeben und sich direkt auf die Art der zu bearbeitenden Werkstücke und den Produktionscharakter auswirken. Der folgende Artikel stellt die Merkmale jedes Typs vor und vergleicht sie miteinander, um einen besseren Überblick über das Angebot an verfügbaren Lösungen zu verschaffen.

Inhaltsverzeichnis

• Vertikale CNC-Bearbeitungszentren
  • Aufbau und Funktionsweise
  • Typische Bearbeitungsvorgänge
  • Typische Anwendungen und Branchen
• CNC-Portalbearbeitungszentren
  • Aufbau und Funktionsweise
  • Typische Bearbeitungsvorgänge
  • Typische Anwendungen und Branchen
• Horizontale CNC-Bearbeitungszentren
  • Aufbau und Funktionsweise
  • Typische Bearbeitungsvorgänge
  • Typische Anwendungen und Branchen
• Vergleichsübersicht
• Zusammenfassung

Vertikale CNC-Bearbeitungszentren

Aufbau und Funktionsweise

Bei vertikalen Bearbeitungszentren ist die Spindel senkrecht, d. h. rechtwinklig zum Arbeitstisch, angeordnet. Das Schneidwerkzeug bearbeitet das auf dem horizontalen Tisch befestigte Werkstück von oben. Das X- und Y-Achsen-System sorgt für die Vorschubbewegung in der horizontalen Ebene, die Z-Achse ist für den Werkzeugvorschub zuständig. Der Maschinenkörper besteht in der Regel aus Gusseisen, was für Schwingungsdämpfung und Steifigkeit beim Zerspanen sorgt. Linearführungen und Kugelumlaufspindeln sorgen für eine Positioniergenauigkeit im Bereich von wenigen Mikrometern. Die Spindeln erreichen je nach Modell Drehzahlen von einigen bis zu mehreren tausend Umdrehungen pro Minute.

Der Arbeitstisch ist mit T-Nuten oder einem Palettensystem ausgestattet, das eine schnelle Befestigung von Halterungen und Spannvorrichtungen ermöglicht. Ein automatischer Werkzeugwechsler (ATC) ermöglicht die Ausführung aufeinanderfolgender Bearbeitungsschritte ohne Eingreifen des Bedieners. Viele der im CORMAK-Sortiment erhältlichen Modelle sind mit Steuerungssystemen von Siemens Sinumerik oder Fanuc ausgestattet, die die Ausführung anspruchsvoller Bearbeitungszyklen und die Kompatibilität mit CAD/CAM-Software gewährleisten.

Typische Bearbeitungsvorgänge

• Fräsen von Flächen, Taschen, Konturen und Rundungen

• Bohren von Löchern in verschiedenen Anordnungen

• Maschinelles Gewindeschneiden

• Aufbohren und Vertiefen von Bohrungen

• Bearbeitung von Formen und Matrizen

• 5-Achs-Bearbeitung bei Modellen mit Schwenkkopf oder Dreh-Schwenk-Tisch

Typische Anwendungen und Branchen

Vertikale Bearbeitungszentren sind besonders dort verbreitet, wo eine präzise Bearbeitung von Bauteilen mittlerer Größe und komplexer Geometrie erforderlich ist. Sie gehören zur Standardausstattung von Betrieben der Automobilindustrie, in denen Motorkomponenten, Getriebe, Fahrwerksteile und Gehäuse hergestellt werden. In der Luftfahrtindustrie werden damit Werkstücke mit hohen Anforderungen an die Maßtoleranz bearbeitet. Bekannt sind auch Anwendungen im Maschinenbau, in Werkzeugbaubetrieben, bei der Herstellung von Spritzgussformen und Stanzmatrizen sowie in der Möbelindustrie bei der Bearbeitung von Metallteilen.

Zu den bearbeiteten Werkstoffen zählen vor allem Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Gusseisen, Aluminium, Messing, Kupfer und Kunststoffe. Das vertikale Bearbeitungszentrum eignet sich gut für die Einzel- und Kleinserienfertigung sowie für den Prototypenbau.

CNC-Portalbearbeitungszentren

Aufbau und Funktionsweise

Portal-Bearbeitungszentren zeichnen sich durch eine spezielle, portalartige Tragkonstruktion aus: Zwei vertikale Säulen, die durch einen horizontalen Querbalken verbunden sind, bilden ein Portal, auf dem sich der Schlitten mit der Spindel bewegt. Der großflächige Arbeitstisch ist feststehend oder führt eine Längsbewegung aus. Die Spindel kann je nach Modell vertikal oder horizontal angeordnet sein, und ihr Kopf ist oft schwenkbar, was die Bearbeitung unter verschiedenen Winkeln ermöglicht. Die massive, steife Portalbauweise minimiert Durchbiegungen und Schwingungen bei hohen Zerspanungskräften, was bei der Bearbeitung schwerer Werkstücke von entscheidender Bedeutung ist.

Maschinen dieser Gruppe bieten einen deutlich größeren Arbeitsraum als vertikale Bearbeitungszentren. Die zulässige Masse des eingespannten Werkstücks ist um ein Vielfaches höher. Der Tisch mit T-Nuten oder einem integrierten Spannsystem nimmt Werkstücke mit Sonderabmessungen und -gewichten auf.

Typische Bearbeitungsvorgänge

• Fräsen großformatiger Flächen und Konturen

• Bohren und Gewindeschneiden von Löchern in großen Bauteilen

• Bearbeitung von Taschen und Nuten in schweren Guss- und Schmiedeteilen

• Mehrseitenbearbeitung mit Schwenkkopf

• Drehen an Modellen mit Drehfunktion auf einem Drehtisch

Typische Anwendungen und Branchen

Portalbearbeitungszentren sind in erster Linie für die Schwerindustrie bestimmt. Sie kommen in Betrieben zum Einsatz, die sich mit der Bearbeitung von großformatigen Guss- und Schmiedeteilen, Maschinenbauteilen, Tragrahmen, Gleitlagern, Getriebegehäusen und Kisten befassen. Sie werden bei der Herstellung von Formen für das Pressen und Gießen von großen Metall- und Kunststoffteilen eingesetzt. Zu den Branchen, in denen sie am häufigsten zum Einsatz kommen, gehören: Energiewirtschaft (Turbinen, Generatoren), Schwermaschinenbau, Schiffbau, Eisenbahnindustrie und Rüstungsindustrie.

Die bearbeiteten Werkstoffe sind hauptsächlich Baustahl und legierter Stahl, Gusseisen, Aluminium mit großen Querschnitten sowie Spezialgussteile. Das Portalbearbeitungszentrum eignet sich für die Einzel- und Kleinserienfertigung von Bauteilen, deren Gewicht und Abmessungen eine Bearbeitung auf Maschinen anderer Bauart unmöglich machen.

Horizontale CNC-Bearbeitungszentren

Aufbau und Funktionsweise

Bei horizontalen Bearbeitungszentren ist die Spindelachse horizontal ausgerichtet. Das Werkstück wird auf einem Tisch befestigt, der in der Regel über eine vierte Drehachse (B-Achse) verfügt, die eine Indexierung oder eine kontinuierliche Umfangsbearbeitung ermöglicht, ohne dass das Werkstück umpositioniert werden muss. Die Späne fallen durch die Schwerkraft aus dem Schneidbereich heraus, was ihre Auswirkungen auf die Oberflächenqualität begrenzt und das Risiko einer Beschädigung des Werkzeugs durch Nachschneiden verringert. Die Maschinenkonstruktion ist massiv, und der Einsatz von Linearführungen und Präzisionskugelumlaufspindeln gewährleistet eine hohe Wiederholgenauigkeit bei der Positionierung. Steuerungen von Siemens oder Fanuc ermöglichen die Abwicklung komplexer mehrachsiger Zyklen.

Die horizontalen Bearbeitungszentren der PREMIUM LINE, die im Angebot der CORMAK-Metallbearbeitungsmaschinen erhältlich sind, wie beispielsweise die Modelle H-MILL 320, H-MILL 500, H-MILL 630 und H-MILL 800, bestehen aus Komponenten führender Hersteller (HIWIN, FANUC, Siemens, Bosch Rexroth, FAG), was sich in Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb niederschlägt.

Typische Bearbeitungsvorgänge

• Mehrseitenfräsen in einer Aufspannung dank eines Drehtisches

• Bohren, Gewindeschneiden und Aufbohren von Bohrungen an verschiedenen Seiten des Werkstücks

• Bearbeitung langer Wellen, Hülsen und zylindrischer Bauteile

• Serienfertigung von Bauteilen mit wiederholbaren Toleranzen

• Bearbeitung schwerer Werkstücke mit effizienter Spanabfuhr

Typische Anwendungen und Branchen

Horizontale Bearbeitungszentren kommen vor allem dort zum Einsatz, wo Serien- oder Massenfertigung stattfindet und eine mehrseitige Bearbeitung bei kurzen Zykluszeiten erforderlich ist. Der Drehtisch ermöglicht den Zugang zu vier Seiten des Werkstücks, ohne dass dieses umgelegt werden muss, was die Anzahl der Aufspannvorgänge erheblich reduziert und die Produktionszeit verkürzt. Die Schwerkraft-Späneabfuhr macht sie besonders geeignet für die Tiefbearbeitung von Gusseisen und Stahl, bei der große Mengen an Spänen anfallen.

Zu den Anwendungsbereichen zählen die Automobilindustrie (Motorblöcke, Zylinderköpfe, Getriebe), die Hydraulikindustrie (Verteiler, Ventile, Pumpengehäuse), den Maschinenbau (Maschinengehäuse, Getriebe) sowie die Luftfahrtindustrie. Das horizontale Bearbeitungszentrum ist ein Standardbestandteil automatisierter Fertigungslinien mit Palettensystemen und robotergestützter Beladung.

Vergleichsübersicht

Zusammenfassung

Vertikale, Portal- und horizontale Bearbeitungszentren sind drei unterschiedliche Maschinenklassen, von denen jede unterschiedliche Produktionsanforderungen erfüllt. Vertikale Bearbeitungszentren eignen sich für die präzise Bearbeitung von Werkstücken mittlerer Größe in einem breiten Spektrum von Branchen. Portalbearbeitungszentren sind die Antwort auf die Anforderungen der Schwerindustrie, wo die Abmessungen und das Gewicht der Werkstücke die Möglichkeiten von Standardmaschinen übersteigen. Horizontale Bearbeitungszentren sind für die Serienfertigung mit mehrseitiger Bearbeitung in einer Aufspannung und effizienter Spanabfuhr ausgelegt.

Die Wahl der konkreten Lösung hängt von der Art der Fertigung, den Abmessungen und dem Gewicht der zu bearbeitenden Werkstücke, der erforderlichen Anzahl an Aufspannvorgängen sowie dem geplanten Produktionsumfang ab. Das vollständige Angebot aller Typen finden Sie in der Kategorie „CNC-Bearbeitungszentren“. Sollte die Auswahl des geeigneten Modells für eine bestimmte Anwendung eine technische Beratung erfordern, stehen Ihnen die Spezialisten von CORMAK unter den auf den einzelnen Produktseiten angegebenen Kontaktdaten zur Verfügung und helfen Ihnen gerne dabei, die Maschine an die Anforderungen Ihres Betriebs anzupassen.