Eine CNC-Fräsmaschine besteht aus wenigen großen Baugruppen: einem Gestell, den Achsen mit ihren Führungen und Antrieben, der Frässpindel, der Steuerung und dem Tisch, auf dem das Werkstück gespannt wird. Wie gut die Maschine fräst, hängt davon ab, wie diese Teile ausgelegt sind und zusammenspielen.
Dieser Beitrag erklärt den Aufbau am Beispiel der Portalfräse, also der Bauform, die wir bei BZT in Leopoldshöhe seit 2006 bauen. Bearbeitungszentren für die Metallzerspanung sind anders aufgebaut, viele Grundbegriffe gelten aber für beide.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine CNC-Portalfräse besteht aus Gestell, Portal mit Z-Achse, Führungen und Antrieben, Motoren, Frässpindel, Steuerung und Maschinentisch.
- Beim fahrenden Portal bewegt sich das Portal über den Tisch, beim feststehenden Portal fährt der Tisch darunter.
- Kugelrollspindeln sind präzise und spielarm, Zahnstangen kommen bei sehr langen Achsen zum Einsatz.
- Welche Bauform, Spindel und Steuerung passt, hängt von Werkstoff, Plattengröße, Teilehöhe und Stückzahl ab.
Die Portalbauweise
Bei einer Portalfräse überspannt ein Portal den Maschinentisch wie eine Brücke. Auf dem Portal fährt der Schlitten mit der Z-Achse und der Frässpindel. Die Bauweise eignet sich besonders für große, flache Werkstücke wie Platten, weil die Arbeitsfläche frei zugänglich bleibt und sich die Maschine in der Länge gut skalieren lässt.
Es gibt zwei Grundformen:
- Fahrendes Portal: Das Portal fährt über den feststehenden Tisch. Das ist die häufigste Form bei Plattenbearbeitung und großen Formaten, etwa bei der PFU oder der PFB.
- Feststehendes Portal: Das Portal steht, der Tisch fährt darunter hindurch. Weil das schwere Portal nicht bewegt werden muss, eignet sich diese Form für hohe Genauigkeit und Dynamik. Beispiele sind die PFX und die PFI.
Gestell und Maschinenbett
Das Gestell trägt alle anderen Baugruppen und nimmt die Kräfte beim Fräsen auf. Je steifer es ist, desto weniger schwingt die Maschine, und desto besser werden Oberfläche und Maßhaltigkeit. Bei größeren Maschinen besteht das Gestell meist aus geschweißtem Stahl.
Bei der PFH zum Beispiel sind die Seitenteile in C-Konstruktion aus Stahl gebaut und in der X-Achse sitzt ein Stahlträger. Die C-Form verdeckt zugleich die Führungen und schützt sie vor Spänen.
Achsen, Führungen und Antriebe
Eine Portalfräse hat mindestens drei Achsen: X und Y für die Bewegung in der Fläche, Z für die Höhe. Jede Achse braucht eine Führung, die sie gerade hält, und einen Antrieb, der sie bewegt.
Als Führungen kommen Profilschienen mit Führungswagen zum Einsatz, bei BZT überwiegend von Bosch Rexroth. Für den Antrieb gibt es zwei verbreitete Lösungen:
- Kugelrollspindeln (Kugelgewindetriebe) übertragen die Drehung des Motors über umlaufende Kugeln in eine Längsbewegung. Sie sind präzise und spielarm. Die PF, die PFE und die PFU haben sie in allen Achsen.
- Zahnstangen eignen sich für sehr lange Achsen, bei denen eine Spindel zu lang würde. Die PFA nutzt schrägverzahnte Zahnstangen, die PFB geschliffene Präzisionszahnstangen.
Bei breiten Portalen wird das Portal oft auf beiden Seiten angetrieben, das nennt man Gantry-Antrieb. Die PFU-S hat dafür zwei Kugelrollspindeln in der Y-Achse, eine auf jeder Seite. So verkantet das Portal nicht, auch wenn die Spindel am Rand arbeitet.
Eine weitere Variante ist die angetriebene Mutter: Nicht die Spindel dreht sich, sondern die Mutter, die auf ihr läuft. Das ist bei langen Spindeln von Vorteil, weil die Spindel selbst nicht in Schwingung gerät. Die PFH, die PFS und die PFG-S arbeiten mit angetriebenen Muttern von Bosch Rexroth.
Motoren: Schrittmotor oder Servomotor
Die Antriebe werden von Schrittmotoren oder Servomotoren bewegt. Schrittmotoren sind einfach und günstig, Closed-Loop-Schrittmotoren prüfen zusätzlich, ob jeder Schritt tatsächlich ausgeführt wurde. Servomotoren arbeiten mit einem Messsystem im Regelkreis und erreichen höhere Geschwindigkeiten. Bei vielen BZT-Baureihen stehen alle drei Varianten zur Wahl. Große Industriemaschinen wie die PFG-S und die PFB fahren mit Servomotoren.
Frässpindel und Werkzeugwechsel
Die Frässpindel dreht das Werkzeug. Für Portalfräsen werden meist Hochfrequenzspindeln (HF-Spindeln) eingesetzt, die hohe Drehzahlen erreichen. Ihre Leistung bestimmt, wie viel Material die Maschine pro Minute abtragen kann. Die Spanne reicht von kleinen Spindeln für Gravuren bis zu HF-Spindeln mit 15 kW, wie sie die PFH und die PFG-S tragen können.
Mit einem automatischen Werkzeugwechsler holt sich die Spindel das nächste Werkzeug selbst aus einem Magazin. Das spart bei Programmen mit mehreren Fräsern viel Zeit. Für Arbeiten, die mehrere Werkzeuge gleichzeitig brauchen, gibt es auch Maschinen mit zwei Spindeln am Portal.
Tisch und Aufspannung
Auf dem Maschinentisch wird das Werkstück gespannt. Zwei Lösungen sind verbreitet:
- T-Nutenplatte: Spannpratzen und Schraubstöcke werden in Nuten befestigt. Das ist flexibel und passt zu Einzelteilen und Blöcken.
- Vakuumtisch: Unterdruck saugt Platten auf die Tischfläche. Das spart Rüstzeit bei der Plattenbearbeitung. Vakuumtische gibt es im BZT-Shop.
Wichtig ist auch die Durchlasshöhe, also der freie Raum zwischen Tisch und Portal. Sie legt fest, wie hoch ein Werkstück sein darf. Für Formen und dicke Blöcke lassen sich viele BZT-Maschinen mit einer Portalerhöhung ausstatten.
Steuerung und Software
Die Steuerung setzt das CNC-Programm in Bewegungen der Achsen um. Das Programm selbst entsteht meist in einem CAM-System aus einer Zeichnung oder einem 3D-Modell. Je nach Baureihe arbeiten BZT-Maschinen mit einer Steuerung von BZT oder, auf Wunsch, mit einer Industriesteuerung von OSAI, Heidenhain oder Siemens, auch für die 4- oder 5-Achs-Simultanbearbeitung. Wie Sie Programm und Maschine sicher bedienen, lernen Sie in unseren CNC- und CAM-Schulungen.
Einhausung, Absaugung und Zubehör
Rund um die eigentliche Maschine kommen Baugruppen dazu, die für den Alltag wichtig sind: eine Einhausung gegen Lärm und Späne, eine Absaugung direkt an der Spindel, ein Werkzeuglängensensor zum Vermessen der Fräser und je nach Einsatz eine Drehachse als vierte Achse. Wie der Längensensor richtig eingesetzt wird, beschreibt der Beitrag Werkzeuglängensensor.
Worauf es beim Kauf ankommt
Welche Bauform, welche Antriebe und welche Spindel sinnvoll sind, hängt von Ihren Werkstücken ab: vom Werkstoff, von der Plattengröße, von der Höhe der Teile und von der Stückzahl. Im Maschinenfinder grenzen Sie die passenden Baureihen nach diesen Angaben ein. Einen Überblick über alle Baureihen finden Sie unter Produkte, wie die Maschinen in Leopoldshöhe entstehen, zeigt die Seite Fertigungsbetrieb. Datenblätter stehen im BZT-Shop, dort fragen Sie auch Ihr Angebot an.
Häufige Fragen zum Aufbau einer CNC-Fräsmaschine
Aus welchen Baugruppen besteht eine CNC-Fräsmaschine?
Aus Gestell, Achsen mit Führungen und Antrieben, Motoren, Frässpindel, Steuerung und Maschinentisch. Dazu kommen je nach Einsatz Werkzeugwechsler, Absaugung, Einhausung und weitere Achsen.
Was ist der Unterschied zwischen fahrendem und feststehendem Portal?
Beim fahrenden Portal bewegt sich das Portal über den Tisch, das ist typisch für große Formate. Beim feststehenden Portal fährt der Tisch unter dem Portal hindurch, das eignet sich für hohe Genauigkeit bei kleineren Arbeitsbereichen.
Was bedeutet Gantry-Antrieb?
Das Portal wird auf beiden Seiten angetrieben, zum Beispiel mit je einer Kugelrollspindel. So bleibt es auch bei breiten Maschinen gerade und verkantet nicht.
Kugelrollspindel oder Zahnstange?
Kugelrollspindeln sind präzise und spielarm und passen zu den meisten Achslängen. Bei sehr langen Achsen werden Zahnstangen eingesetzt, weil eine Spindel dort zu lang würde.
Fragen zur passenden Portalfräse?
Carsten Behrend berät Sie zu Bauform, Antrieb und Ausstattung und stellt Ihnen ein Angebot zusammen. Im Showroom in Leopoldshöhe sehen Sie die Maschinen im Betrieb.
Carsten Behrend, Vertrieb & Beratung · 05202 99 30 6-86
