Stufendrehen in der CNC-Bearbeitung: Drehvorgänge erklärt

Die CNC-Bearbeitung ist ein Bearbeitungsverfahren mit vielen spezifischen Techniken, wobei das Stufendrehen eine davon ist. Bei diesem Schneidvorgang wird Material entlang der Längsachse eines Werkstücks abgetragen. Es handelt sich um einen grundlegenden Bearbeitungsvorgang zur Herstellung von Werkstücken. Präzisionsteile mit unterschiedlichen Durchmessern in einer einzigen Aufspannung. In diesem Blogbeitrag erläutern wir die Grundlagen des Stufendrehens, damit Sie diese Bearbeitungstechnik besser verstehen lernen.

Definition, Merkmale und Anwendungen der Stufendrehmethode

Das Stufendrehen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem Material in abgegrenzten axialen Zonen parallel zur Achse eines rotierenden Werkstücks abgetragen wird. Dadurch entstehen mehrere zylindrische Segmente mit unterschiedlichen Durchmessern. Jede Durchmesseränderung bildet eine “Schulter”, die – sofern nicht anders angegeben – sowohl maßgenau als auch optisch scharfkantig sein muss.

Beim Stufendrehen bearbeitet die Maschine jeweils einen Durchmesser, indem sie die Werkzeugposition entlang der Achse verschiebt und so eine Reihe von Segmenten erzeugt. Das Ergebnis ist ein Stufenprofil: flache, zylindrische Flächen, die durch abrupte Übergänge getrennt sind. Bei CNC-Drehmaschinen werden die Koordinaten so programmiert, dass die nächste Station präzise angefahren wird. Dies gewährleistet wiederholgenaue Längen und Schulterpositionen an allen Werkstücken.

Typische Terminologie

Wo Schrittdrehung verwendet wird

Schrittdrehungen kommen in mechanischen Systemen überall vor: Kfz-Wellen und -Achsen, Befestigungskörper mit mehreren Durchmessern, Ventilschäfte, Buchsen, Pumpenkomponenten und Stufenriemenscheiben. Ziel des Stufendrehens ist die Herstellung von Teilen, die spezifischen Konstruktionsanforderungen entsprechen und über Montageflächen und Absätze für eine zuverlässige Passung verfügen, sodass sie reibungslos mit verschiedenen Gegenstücken, Lagern, Zahnrädern, Kupplungen und Distanzstücken zusammenwirken können.

Maschinen, Werkzeuge und Einrichtungsgrundlagen

Das Stufendrehen kann sowohl durch manuelles Drehen als auch durch CNC-Bearbeitung. Die Kernanforderungen sind weitgehend ähnlich: sichere Werkstückspannung, axiale Ausrichtung, eine stabile Werkzeugaufspannung und ein klarer Plan für die Schnittreihenfolge. In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf die Durchführung des Stufendrehens in der CNC-Bearbeitung.

Werkstückspannung und Zentrierung

• WerkstückspannungDreibackenfutter, Spannzangen oder weiche Spannbacken halten das Werkstück. Spannzangen bieten eine hervorragende Rundlaufgenauigkeit bei geschliffenen Stangen, während weiche Spannbacken ideal für Sonderdurchmesser und empfindliche Oberflächen geeignet sind.
• UnterstützungLange, schlanke Werkstücke profitieren von einer Reitstockspitze oder einer Lünette, um ein Durchbiegen und Rattern beim Schulterschneiden zu verhindern.
• Axiale AusrichtungDies wird primär durch die systembedingte Genauigkeit der CNC-Maschine, der Spindel und der Werkstückspannung (Spannfutter oder Spannzange) gewährleistet. Für höchste Präzisionsanforderungen kann während der Einrichtung der Außendurchmesser angegeben oder ein geschliffener Andruck verwendet werden, um die Ausrichtung zu überprüfen und feinabzustimmen.

Schneidwerkzeuge, Einsätze und Geometrie

• WerkzeugtypFür den Großteil der Stufendrehbearbeitung wird ein Wendeschneidplattendrehwerkzeug oder ein Einpunkt-Drehwerkzeug verwendet. Eine robuste Werkzeugspitze, die kurzzeitige Belastungen am Schultereintritt aufnehmen kann, ist von Vorteil. Für spezielle Aussparungen oder Nuten kann ein Abstechwerkzeug eingesetzt werden.
• GeometrieEin positiver Spanwinkel mit ausreichendem Freiraum reduziert die Reibung: Ein kleiner Werkzeugspitzenradius trägt zu einer schärferen Schulterkante bei. Ein größerer Radius hingegen verbessert die Werkzeugstandzeit und Oberflächenfinish Dabei entsteht jedoch ein kleines Filet an der Schulter.
• Spezialwerkzeuge: Nut- oder Profilierwerkzeuge können verwendet werden, um Schultern zu säubern oder Entlastungen und Fasen effizient zu erzeugen.

Drehzahlen, Vorschübe, Kühlmittel und Messung

• Geschwindigkeiten/VorschübeDie Wahl des Werkzeugs und der Schnittgeschwindigkeit hängt vom Material ab. Härtere Legierungen erfordern eine moderate Schnittgeschwindigkeit und robustere Wendeschneidplatten. Aluminium beispielsweise ist ein relativ weiches Metall und ermöglicht daher höhere Schnittgeschwindigkeiten und großzügige Vorschübe. Orientieren Sie sich zunächst an den Herstellerempfehlungen und passen Sie die Einstellungen anhand der Spanbildung und des Werkzeugverschleißes an.
• KühlmittelNützlich für die Spanabfuhr und Temperaturkontrolle, insbesondere bei Stählen und Edelstählen. Bei Automatenwerkstoffen ist Trocken- oder Nebelschneiden ausreichend, sofern die Späne gut brechen.
• MessungNach dem CNC-Prozess wird häufig ein Messschieber verwendet, um Durchmesseränderungen und Schrittlängen während der Einrichtung und Inspektion zu messen.

Wie der Stufendrehprozess funktioniert

Das Stufendrehen erzeugt präzise, zylindrische Strukturen mit unterschiedlichen Durchmessern an einem einzigen Werkstück. Für ein erfolgreiches Ergebnis sind drei Schlüsselprinzipien zu beachten: sorgfältige Planung, Aufrechterhaltung der Steifigkeit beim Schruppen und präzise, kontrollierte Schlichtbearbeitung.

Planung anhand der Zeichnung

Bei CNC-Drehmaschinen erfolgt die Planung im Programm. Dort werden die Werkzeugwegkoordinaten definiert und Kontrollbewegungen eingefügt, um einen sauberen Schnitt in jedem Schritt zu gewährleisten. Eine wichtige Effizienzmaßnahme ist die Sequenzierung der Bearbeitungsschritte, um möglichst viele Merkmale mit einem Werkzeug zu bearbeiten, bevor ein Werkzeugwechsel erfolgt. Dies minimiert Werkzeugwechsel und reduziert den kumulativen Fehler.

Grober Schnitt und Sequenzierung für Steifigkeit

Ziel des Schruppens ist es, Material effizient abzutragen, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen. Arbeiten Sie stets vom steifsten zum weichsten Material. Eine gängige und effektive Strategie ist es, zuerst die größten Durchmesser zu schruppen. Lassen Sie bei jedem Bearbeitungsschritt ein kleines, gleichmäßiges Schlichtzugabe.

Steifigkeit ist ein entscheidender Faktor. Halten Sie den Überstand von Werkzeug und Werkstück so gering wie möglich. Verwenden Sie bei schlanken Wellen eine Reitstockspitze oder eine Mitlaufleiste, um Durchbiegungen auszugleichen und Vibrationen zu reduzieren. Wählen Sie zur Spankontrolle eine geeignete Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe, um das Brechen der Späne zu fördern.

Abschlüsse an Schultern, Fasen und Übergängen

Für die Feinbearbeitung ist ein leichterer Druck und mehr Kontrolle über die Werkstückoberfläche erforderlich. Führen Sie leichte, gleichmäßige Schnitte aus, um die Endgröße und die gewünschte Oberflächengüte zu erzielen. Achten Sie beim Annähern an eine Kante auf einen gleichmäßigen, kontinuierlichen Vorschub, um Haltespuren zu vermeiden.

Für eine hochwertige, eckige Schulterpartie die Schulterpartie leicht nach außen wölben. nach Den angrenzenden Durchmesser abdrehen. Falls die Zeichnung dies zulässt, erleichtert eine kleine Fase oder Hinterschneidung an der Stufe die Montage und schützt die Kanten vor Beschädigungen. Eine Entgratungsstrategie ist zu beachten: Alle scharfen Kanten an nicht bezugsseitigen Ecken müssen abgebrochen werden. Ist eine scharfe Kante funktional erforderlich, muss sie während des Entgratens abgeklebt und anschließend sorgfältig, gegebenenfalls unter Vergrößerung, geprüft werden.

Entgraten und Inspektion

Beim CNC-Verfahren wird zum Entgraten häufig mit speziellen Entgratwerkzeugen an Stufenkanten und Schultern gearbeitet. Abschließend ist eine gründliche Prüfung durchzuführen, um alle Durchmesser auf Genauigkeit zu überprüfen.

Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit und Qualitätskontrolle

Präzisionsstufendrehen sorgt für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Durchmesserkontrolle, Schultergeometrie und Oberflächengüte.

Maßkontrolle und Rechtwinkligkeit

• Toleranzen: Viele Stufenwellen erfordern eine Durchmessertoleranz von ±0,001 Zoll oder weniger. Die Stufenlängen können je nach Funktion in ähnlichen Toleranzbereichen liegen. Die Schultern beziehen sich oft auf ein Bezugselement und können Grenzwerte für Rechtwinkligkeit oder Rundlauf enthalten.
• Rechtwinkligkeit: Überprüfen Sie die Schulterflächen relativ zur Bezugsachse mit einem Messuhr-Winkelmesser oder durch Zusammenbau der passenden Bauteile bei der Erstmusterprüfung. Jegliche Konizität oder Werkzeugdurchbiegung äußert sich in nicht rechtwinkligen Schultern.

Oberflächenrauheit und Kantenbrüche

• Oberflächengütevorgaben: Funktionsflächen für Lager und Dichtungen erfordern in der Regel glattere Oberflächen als unkritische Flächen. Der Zielwert für die Oberflächenrauheit (Ra) wird durch einen geeigneten Nasenradius, Schlichtbearbeitungen und gegebenenfalls leichtes Polieren erreicht, wobei Maßabweichungen unbedingt zu vermeiden sind.
• Kantenabbrüche: Sofern keine scharfe Ecke vorgeschrieben ist, schützt eine kontrollierte Fase oder ein kleiner Radius die Kanten, erleichtert die Montage und verringert das Risiko der Gratbildung im Betrieb.

Fehler und Lösungen beim Drehen

Beim Stufendrehen werden kleine Einrichtungsfehler schnell als Maßabweichungen, Rattern oder Schulterfehler sichtbar. Ein prägnanter Handlungsplan ist für die Fehlerbehebung unerlässlich.

Übergroße/Untergroße Stufen

Zu den Hauptursachen für Maßabweichungen zählen falsche Werkzeugkorrekturen, Wärmeausdehnung, ungleichmäßige Messkraft oder zu geringe Materialabtragsraten. Um dies zu beheben, sollten Sie die Werkzeuge neu anfahren, Werkstück und Werkzeug auf thermische Ausgleichstemperatur bringen und eine gleichmäßige Mikrometertechnik anwenden. Lassen Sie stets ein ausreichendes Schlichtzugabemaß und überprüfen Sie die tatsächliche Spanabnahme, um unnötige “Luftschnitte” zu vermeiden.”

Rattern, Konizität und Werkzeugverschleiß

Rattern lässt sich durch Verringern des Werkzeug- und Werkstücküberhangs, zusätzliche Unterstützung durch einen Reitstock oder eine Lünette und leichtes Erhöhen des Vorschubs bzw. Reduzieren der Drehzahl, um aus dem Resonanzbereich zu gelangen, beheben. Der Wechsel zu einer schärferen Wendeschneidplatte mit positivem Spanwinkel ist ebenfalls hilfreich. Bei Kegelbearbeitungen müssen die Reitstockausrichtung, der Rundlauf von Spindel und Spannfutter sowie die exakte Positionierung des Werkzeugs auf Spitzenhöhe überprüft werden. Bei CNC-Maschinen sind die Kompensationswerte und thermischen Ausgleiche zu prüfen. Der Werkzeugverschleiß ist kritisch, da Stufenprofile stumpfe Werkzeuge am Übergang zur Schneidkante stark beanspruchen. Es ist wichtig, die Werkzeugstandzeit zu überwachen, Wendeschneidplatten zeitnah zu wechseln und die Schneidkante auf Mikroausbrüche zu untersuchen, die die Schneidkanten abrunden.

Grate und unsaubere Schulterverarbeitung

Diese Fehler entstehen typischerweise durch stumpfe Werkzeuge, einen zu großen Fräskopfradius für das betreffende Merkmal oder Reibung durch zu geringen Vorschub im Schulterbereich. Abhilfe schaffen dabei ein kleinerer Fräskopfradius für scharfe Schultern, ein gleichmäßiger Vorschub bis zur Schulter und ein leichter Planfrässchnitt.

Sicherheit und Chipkontrolle

Halten Sie die Schutzvorrichtungen stets angebracht, tragen Sie eine Schutzbrille und verwenden Sie zum Entfernen der Späne einen Spänehaken oder eine Bürste – niemals die Hände. Bei Schulterschnitten können heiße, gekräuselte Späne in Richtung des Bedieners geschleudert werden. Verwenden Sie daher Kühlmittel oder passen Sie die Geometrie des Spänebrechers an, um deren Fluss zu kontrollieren. Entfernen Sie vor Messungen in Schulternähe stets die Späne.

Wie sich das Wenden von Stufen mit verwandten Operationen vergleichen lässt

Das Drehen von Schritten wird oft zusammen mit einigen benachbarten Operationen diskutiert. Das Verständnis der Unterschiede vermeidet Modellierungs- oder Programmierfehler.

Gerades Drehen, Nuten und Planen

• GeradeauskurveDies bezieht sich auf die Herstellung eines Werkstücks mit einem einheitlichen Durchmesser entlang seiner gesamten Länge. Stufendrehen kann man sich als mehrere parallele Drehvorgänge an unterschiedlichen axialen Positionen vorstellen, um gestufte Durchmesser zu erzeugen.
• RillenErzeugt schmale Vertiefungen oder Reliefs, keine breiten Durchmesseränderungen. Nuten können beim Stufendrehen angebracht werden, um Reliefs an den Schulteransätzen oder für Halteringe zu schaffen.
• Konfrontiert: Richtet das Ende des Werkstücks oder eine Schulterfläche aus. Es ergänzt das Stufendrehen, um die Stufenlängen und den Schulterabschluss zu finalisieren.

Kegeldrehen und Formdrehen

• Kegeldrehen: Erzeugt einen allmählichen, konischen Übergang anstelle einer abrupten Schulter. Kegeldrehen eignet sich für Presspassungen oder Ausrichtungselemente, bei denen ein stufenförmiger Übergang zu abrupt wäre.
• Formdrehen: Hierbei werden mithilfe spezieller Werkzeuge oder CNC-Profile komplexe Konturen erzeugt. Es können Stufen innerhalb einer komplexeren Form vorkommen, wobei jedoch nichtlineare Geometrie und nicht diskrete, ebene Flächen angestrebt werden.

CNC- versus manuelle Fertigungsüberlegungen

• CNC-Drehmaschinen: Sie bieten Wiederholgenauigkeit, einfache Sequenzierung mehrerer Arbeitsschritte, vordefinierte Zyklen und präzise Schulterpositionen über mehrere Chargen hinweg. Ideal für Wellen mit unterschiedlichen Durchmessern, engen Toleranzen und hohen Dokumentationsanforderungen.
• Manuelle Drehmaschinen: Ideal für Prototypen oder Kleinserien, wenn ein erfahrener Bediener Übergänge anreißen, Anschläge setzen und regelmäßig messen kann. Der Erfolg hängt von sorgfältigem Anreißen, gleichbleibender Technik und disziplinierten Zwischenprüfungen ab.

Fazit

Das Stufendrehen ist eine grundlegende Bearbeitungstechnik zur Herstellung von Teilen mit unterschiedlichen Durchmessern und präzisen Kanten in einer einzigen, effizienten Aufspannung. Sein Hauptvorteil liegt in der Gewährleistung genauer Abmessungen und präziser Passungen der Merkmale, was für Teile, die passgenau mit anderen Komponenten zusammenpassen müssen, unerlässlich ist.

Die Beherrschung dieses Prozesses erfordert ein umfassendes Verständnis des gesamten Bearbeitungsablaufs, von der Planung bis zur Überprüfung. Als vielseitige und unverzichtbare Fertigkeit bildet die Kompetenz im Stufendrehen die Grundlage für komplexere Bearbeitungsaufgaben und ist entscheidend für die Herstellung der Stufenteile, die in den meisten mechanischen Baugruppen vorkommen.

Häufig gestellte Fragen