Präzision und Effizienz im Detail: Der Aufbau moderner CNC-Fräsmaschinen

Grundlegender Aufbau von CNC-Fräsmaschinen

Das Innere der DMU 50 3. Generation

Die Struktur einer CNC-Fräsmaschine folgt einem modularen Prinzip, bei dem mechanische, elektrische und digitale Baugruppen ineinandergreifen. Der grundlegende Aufbau gliedert sich in die mechanische Konstruktion, das Antriebssystem mit Linear- und Rundachsen sowie die elektronische Steuerung.

Mechanisch besteht eine Fräsmaschine aus dem Maschinenbett, den Führungen, der Frässpindel, dem Werkzeugwechselsystem, dem Aufspanntisch für das Werkstück und in manchen Fällen dem Palettenwechsler. Diese Komponenten gewährleisten Stabilität, Steifigkeit und thermische Konstanz – entscheidend für die langfristige Genauigkeit der Bearbeitung.

Elektronisch sorgt die CNC-Steuerung im Verbund mit den Servo- oder Direktantrieben der Achsen sowie der Sensorik für eine präzise Bewegungsführung entlang der programmierten Werkzeugbahnen. Die Steuerung übernimmt dabei auch Sicherheitsfunktionen, Prozessüberwachung und die Integration in digitale Fertigungsnetzwerke.

Je nach Fertigungsanforderung unterscheidet man zwischen mehreren Arten von CNC-Fräsmaschinen:

• 3-Achs-Vertikalfräsmaschinen: Bei dieser Standardbauform erfolgt die Bearbeitung in lediglich linearer X-, Y- und Z-Richtung. Die Spindel ist in den meisten Fällen vertikal über dem Werkstück positioniert, während horizontale 3-Achs-Fräsmaschinen eher die Ausnahme sind. Vertikalfräsmaschinen wie die NVX-Baureihe von DMG MORI bieten eine hohe Übersichtlichkeit und arbeiten äußerst präzise.
• 4-Achs-Fräsmaschinen: Hier wird eine rotative Achse ergänzt: Bei Horizontalfräsmaschinen erfolgt dies in der Regel in Form eines integrierten Rundtischs. Die vierte Achse ermöglicht es, die Seitenflächen bzw. schräge Flächen eines Werkstücks ohne manuelles Umspannen zu bearbeiten. Ein gutes Beispiel hierfür sind die NHX-Modelle, die sich zudem optimal in automatisierte Fertigungszellen mit linearen Palettensystemen einbinden lassen.
• 5-Achs-Bearbeitungszentren: In der komplexesten Bauart lässt sich das Werkzeug durch zwei zusätzliche Rundachsen, eine Schwenk- und eine Drehachse, die sowohl im Tisch als auch im Fräskopf untergebracht sein können, in nahezu jede Raumrichtung führen. So realisiert beispielsweise in der DMU 50 3. Generation ein Schwenk-Rundtisch mit seinen zwei Achsen eine Tisch-Tisch-Kinematik, die sich bei kleineren Werkstückgewichten bewährt. Eine Tisch-Kopf-Kinematik wie im Fall der DMU 80 P duoBLOCK resultiert aus einem Rundtisch mit hoher Traglast und einer Schwenkachse im Werkzeug. Befinden sich Dreh- und Schwenkachse im Kopf, spricht man von einer Kopf-Kopf-Kinematik. Da der Tisch auf einem stabilen Fundament ruht, ist diese Konstruktion auf höchste Werkstückgewichte ausgelegt. Auf diesem Prinzip basieren bei DMG MORI zum Beispiel die Maschinen der DMU Gantry Baureihe. Das 5-Achs-Fräsen ermöglicht in jedem dieser Fälle die Herstellung anspruchsvoller Freiformflächen in nur einer Aufspannung.

Im Vergleich zum Aufbau von CNC-Drehmaschinen gibt es einen entscheidenden Unterschied: Während bei CNC-Fräsmaschinen das Werkzeug aktiv über das Werkstück geführt wird, rotiert bei CNC-Drehmaschinen das Werkstück selbst, während das Werkzeug relativ statisch bleibt.

Hauptkomponenten im Detail

• Maschinenbett: Das Maschinenbett ist die Basis jeder CNC-Fräsmaschine. Es dient der Aufnahme aller Baugruppen und trägt maßgeblich zur strukturellen Steifigkeit bei. Gefertigt aus schwingungsdämpfenden Materialien wie Grauguss, stellt es sicher, dass auch bei hoher Dynamik die Präzision der Bearbeitung erhalten bleibt.
• Führungen und Achsen: Über hochpräzise Linearführungen erfolgt die Bewegung in den drei bzw. fünf Raumrichtungen. Die Achsen werden über Servoantriebe und Kugelumlaufspindeln oder lineare Direktantriebe positioniert, abhängig vom Einsatzzweck. Zur Rückmeldung der exakten Positionen dienen Längenmesssysteme mit hoher Auflösung – ein zentrales Element zur Gewährleistung der Genauigkeit.
• Frässpindel: Die Spindel ist das produktive Herzstück der Fräsmaschine. Sie rotiert das Werkzeug mit teils über 40.000 min-1 oder über 2.000 Nm und überträgt sowohl Drehmoment als auch Schnittkraft auf das Werkstück. Gekühlte Spindellager und Vibrationssensoren sorgen dafür, dass auch bei anspruchsvoller Bearbeitung stabile Verhältnisse herrschen.
• Werkzeugaufnahme und Werkzeugwechsler: Die Schnittstelle zwischen Frässpindel und Werkzeug ist die Werkzeugaufnahme – häufig als HSK-, CAPTO- oder SK-Kegel bzw. BT-Schnittstelle ausgeführt. Sie gewährleistet eine form- und kraftschlüssige Verbindung. Automatische Werkzeugwechsler erhöhen die Effizienz, da sie Rüstzeiten verkürzen und einen kontinuierlichen Prozess ermöglichen.
• CNC-Steuerung: Die CNC-Steuerung interpretiert den programmierten NC-Code und setzt diesen in präzise Maschinenbewegungen um. Systeme unter anderem von Heidenhain, Siemens oder Mitsubishi und Fanuc sowie das übergeordnete MAPPS bieten darüber hinaus adaptive Vorschubregelungen, Werkzeugüberwachung und digitale Schnittstellen. Die Steuerung ist essenziell für die sichere und effiziente Umsetzung komplexer Bearbeitungsstrategien.

Fräsmaschinen für die Zukunft der Fertigung

Moderne Fräsmaschinen eröffnen neue Herangehensweisen und damit den Weg in die Zukunft der Fertigung. Denn insbesondere bei 5-Achs-Maschinen geht es immer öfter um die effiziente Komplettbearbeitung von anspruchsvollen Komponenten. Das betrifft zum einen die mechanische Bearbeitung komplexer Geometrien in einer Aufspannung, zum anderen die Integration weiterer Prozesse. So lassen sich zusätzliche Technologien wie das Drehen, Schleifen und Verzahnungsfräsen sowie Messprozesse integrieren. Ebenso dienen Universalmaschinen wie diese als optimale Basis für eine automatisierte und damit hochwirtschaftliche Fertigung. Moderne Steuerungssysteme wie die intuitive Bedienoberfläche CELOS X von DMG MORI gewährleisten darüber hinaus eine perfekte Einbindung in die immer öfter digitalisierten Fertigungsprozesse. Das Zusammenspiel dieser Optimierungen resultiert außerdem in einer ressourcenschonenderen und nachhaltigeren Produktion.

Fazit

Der Aufbau einer CNC-Fräsmaschine vereint mechanische Präzision, elektronische Intelligenz und digitale Steuerung zu einem hocheffizienten Gesamtsystem. Vom Maschinenbett über die Frässpindel bis zur NC-Steuerung – jede Komponente spielt eine zentrale Rolle für die präzise und wirtschaftliche Bearbeitung komplexer Werkstücke. In einer Zeit, in der Flexibilität, Genauigkeit und Nachhaltigkeit zunehmend über den Erfolg industrieller Produktionen entscheiden, sind moderne CNC-Fräsmaschinen unverzichtbar. Hersteller wie DMG MORI zeigen, wie durch ganzheitliche Strategien die Transformation zu einer digitalen, automatisierten und grünen Fertigung gelingt – getragen von Maschinen, die mehr sind als bloße Werkzeuge: Sie sind integrale Bestandteile der Produktion von morgen.