Definition nach Otto Kienzle

Eine häufig herangezogene Definition für Werkzeugmaschinen stammt von dem Ingenieur und Hochschullehrer Otto Kienzle, von dem auch die Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 stammt. Nach seinem Tod 1969 wurde sie erweitert, um den Stand der Technik besser abzubilden.

Eine Werkzeugmaschine ist eine Arbeitsmaschine, die ein Werkzeug am Werkstück unter gegenseitiger bestimmter Führung zur Wirkung bringt. (Kienzle) Sie übernimmt die Werkzeug- und Werkstückhandhabung und das Aufnehmen, Verarbeiten und Rückführen von Informationen über den Fertigungsvorgang. (Erweiterung)

Diese knappe Definition grenzt Werkzeugmaschinen gegenüber einer Vielzahl ähnlicher Maschinen ab:

1. Durch die Bezeichnung Arbeitsmaschine werden alle Kraftmaschinen ausgeschlossen, die der „Erzeugung“ oder Umwandlung von Energie dienen wie Generatoren, Motoren oder Getriebe.
2. Werkzeugmaschinen dienen der Herstellung und Bearbeitung von Werkstücken. Dieser Teil der Definition dient als Abgrenzung zu verfahrenstechnischen Maschinen, die Fließgüter produzieren, und gegenüber vielen anderen Arten von Maschinen wie Buchbinde- oder Brotschneidemaschinen.
3. Werkzeugmaschinen verwenden Werkzeuge. Dabei kann es sich um Bohrer, Fräswerkzeuge und Meißel handeln, um Wasser-, Laser- und Elektronenstrahlen oder um die Flamme eines Brenners. Sie wenden dabei alle möglichen Fertigungsverfahren an.
4. Werkstück und Werkzeug müssen durch die Werkzeugmaschine gegenseitig bestimmt geführt werden. Die Lage von Werkzeug und Werkstück zueinander sowie ihre Bewegungen werden also durch die Maschine bestimmt und nicht durch den Menschen. Dies dient als Abgrenzung gegenüber motorisch angetriebenen, aber per Hand geführten Werkzeugen wie Bohrschraubern, Stichsägen oder Winkelschleifern („Flex“).

Definition nach DIN 69 651

In der DIN 69 651 werden Werkzeugmaschinen definiert als mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtung, die durch relative Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug eine vorgegebene Form am Werkstück oder eine Veränderung einer vorgegebenen Form an einem Werkstück erzeugt.

Frühe Vorläufer

Aufgrund der sauber gebohrten Löcher in steinzeitlichen Steinäxten wurde seit der Gründerzeit darüber spekuliert, dass es vor 6000 Jahren sogenannte Fidelbohrmaschinen gegeben haben könnte, bei denen die Sehne eines Bogens um den Bohrer geschlungen wird, der in ein Gestell eingespannt ist. Durch Hin- und Herbewegen des Bogens kann man den Bohrer in alternierende Drehungen versetzen. Eine solche Vorrichtung würde schon alle Merkmale einer Werkzeugmaschine erfüllen. Archäologische Nachweise fehlen jedoch, sodass es möglich ist, dass diese nachgebauten Bohrmaschinen den im 19. Jahrhundert gängigen Werkzeugmaschinen nachempfunden sind.

In der Antike kamen erste Drehbänke sowie Schleif- und Bohrmaschinen auf, die durch Wasserkraft oder durch Tiere im Göpel angetrieben wurden. Das Werkzeug wurde hier allerdings noch per Hand geführt. In der Renaissance entwickelte Leonardo da Vinci Maschinen zur Herstellung verschiedener Werkstücke. Darunter waren Bohrmaschinen, Feilenhaumaschinen, Maschinen zum Gewindeschneiden oder Zylinderschleifen. 1771 wurde die erste Kopierdrehmaschine entwickelt, deren Werkzeug schon von der Maschine selbst entlang einer definierten Bahn geführt wurde.

Während der industriellen Revolution

Werkzeugmaschinen waren Voraussetzung für die Herstellung leistungsfähiger Dampfmaschinen. In der Folge diente die Dampfmaschine als Antrieb für zahlreiche Werkzeugmaschinen in den neu entstehenden Fabriken. Die atmosphärische Kolbendampfmaschine wurde bereits 1712 von Thomas Newcomen erfunden. Beim Bau der benötigten Zylinder von etwa einem Meter Durchmesser und zwei Metern Länge stieß man jedoch an die Grenzen der damaligen Maschinen: Eine Maßabweichung von zwei Zentimetern galt als gutes Ergebnis. 1775 gelang John Wilkinson der Bau einer Horizontal-Bohrmaschine, die zuverlässig eine Abweichung von wenigen Millimetern einhalten konnte. Durch Bohrung von Zylindern in Eisen ermöglichte sie den Bau von Dampfmaschinen nach der von James Watt erdachten Konstruktion, die einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufwies.

Wegen einer anhaltenden Nachfrage nach Maschinen, zunächst im Textilgewerbe, später auch in vielen anderen Bereichen, breitete sich die Dampfmaschine schnell aus. Die damit verbundenen technischen und gesellschaftlichen Umwälzungen werden als erste industrielle Revolution bezeichnet. Entscheidend für den Einsatz von Werkzeugmaschinen statt der bisher üblichen Handarbeit war die Forderung nach hoher Genauigkeit. Von einer zentralen Dampfmaschine aus führten Transmissionswellen durch die Maschinenhallen. Von dort wurde die Energie über Lederriemen zu den einzelnen Maschinen weitergeleitet. Im Laufe der Industriellen Revolution kam es zu Weiterentwicklungen auf vielen Gebieten der Produktionstechnik, die sich gegenseitig befruchteten und vorantrieben. Durch die Verwendung von Steinkohle statt Holzkohle wurde es möglich, Gussstahl herzustellen, der bald für Werkzeuge und Gestelle von Werkzeugmaschinen verwendet wurde, die dadurch genauer wurden. Durch den vermehrten Einsatz von Eisen als Werkstoff stieg wiederum die Nachfrage nach Werkzeugmaschinen.

Die zweite industrielle Revolution

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts waren die Maschinen präzise genug, um brauchbare Dampfturbinen herzustellen. Um die Jahrhundertwende wurden erste Kraftwerke zur Erzeugung elektrischer Energie in Betrieb genommen. Genutzt wurden sie zunächst vor allem für die Straßenbeleuchtung. Die Entwicklung von Verbrennungs- und Elektromotoren ermöglichte es im Laufe der zweiten industriellen Revolution, jede Maschine mit einem eigenen Antrieb auszustatten, die nun nicht mehr auf in der Nähe befindliche Dampfkessel angewiesen waren. Diese Umstellung vollzog sich in mehreren Phasen. In den Fabriken herrschte immer noch das Prinzip der Transmissionswellen vor. Beim Zu- oder Abschalten von Großmaschinen kam es bei den übrigen Maschinen zu ruckartigen Stößen, die das Arbeitsergebnis verschlechterten. Daher rüstete man zunächst die größten Maschinen mit einem eigenen Antrieb aus und betrieb die restlichen noch mehrere Jahre über Transmissionen.

In der zweiten Phase wurden die zentralen Dampfkessel durch zentrale Elektromotoren ersetzt, die nun die Transmissionswellen antrieben. Erst in der dritten Phase bekam jede Maschine einen eigenen Motor als Antrieb. Begünstigt wurde der Übergang zum Einzelantrieb durch die Entwicklung des Schnellarbeitsstahls: Um seine Potenziale ausnutzen zu können, wurden neue Maschinen benötigt. Durch den Wegfall der Transmissionen, die einen schlechten Wirkungsgrad besaßen, wurde nun deutlich weniger Energie verbraucht. Später bekamen Werkzeugmaschinen für jede Vorschubachse einen eigenen Motor. Zeitgleich wurden die Maschinen immer stärker automatisiert, zunächst durch Weiterentwicklung der mechanischen Steuerungen, später mit einfachen elektrischen Steuerungen oder Lochkarten. Führend waren in dieser Entwicklung vor allem die USA und Japan.

Wissenschaftliche Erforschung

Erste technische und naturwissenschaftliche Schulen und Akademien wurden im Laufe des 18. Jahrhunderts gegründet. Gegen Ende des Jahrhunderts wurde die erste Schule eines neuen Typs eröffnet: die Polytechnische Schule in Paris. Nach ihrem Vorbild entstanden in Frankreich und im deutschsprachigen Raum viele weitere Schulen, die im Laufe des 19. Jahrhunderts zu technischen Hochschulen aufgewertet wurden. In der ersten Hälfte des Jahrhunderts konzentrierte man sich noch auf die sogenannte „Mechanische Technologie“, einen Vorläufer der heutigen Fertigungstechnik. Karl Karmarsch, Direktor der polytechnischen Schule und späteren Universität in Hannover, verfasste ein Buch über das „System der Mechanischen Technologie“ und legte eine in Forschung und Lehre bedeutende Werkzeugsammlung an. Sein Nachfolger Hermann Fischer gab 1900 ein Buch über Werkzeugmaschinenkunde heraus, in dem er vorhandene Maschinen klassifizierte und beschrieb, aber auch auf die Bedienung und die Bedeutung der Haupt- und Nebenzeiten einging.

Das Gebiet der Produktionstechnik bildete damals noch eine Einheit: Erforscht wurden schwerpunktmäßig die Fertigungsverfahren, aber auch Werkzeugmaschinen, sonstige Maschinen wie Bergbau- oder Textilmaschinen, Rechnungswesen (für die Ermittlung der Selbstkosten) und das Planen und Betreiben von Fabriken. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden erste Lehrstühle gegründet, die sich nur noch mit Werkzeugmaschinen beschäftigten. Um etwa 1900 kehrte sich auch das Verhältnis zwischen Wissenschaft und Praxis um: Während der industriellen Revolution waren es findige Unternehmer, die die Werkzeugmaschinen immer weiter verbesserten; die Wissenschaft konnte den Prozess nur beschreibend begleiten. Seit 1900 wurde ein besseres theoretisches Verständnis der Produktion zur Voraussetzung für den technischen Fortschritt. Zunächst versuchten sich einige Unternehmen, wie die in dieser Hinsicht als vorbildlich geltende Ludwig Loewe AG oder Taylor selbst, an der Forschung, stießen aber bald an ihre Grenzen. Bis heute wird ein großer Teil der Produktionsforschung gemeinsam von Hochschulen, Forschungsinstituten und der Industrie betrieben. In Amerika und England wurden technische Schulen und Hochschulen erst mit mehreren Jahrzehnten Verzögerung gegründet, und auch zahlenmäßig waren es eher wenige. Die bekannteste ist das Massachusetts Institute of Technology. Gegen 1900 machte sich in den angelsächsischen Ländern daher ein breiter Mangel an gut ausgebildeten Ingenieuren bemerkbar.

Dritte industrielle Revolution

Um 1950 wurde am Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Numerische Steuerung entwickelt, die es ermöglichte, mit Rechnern komplexe Geometrien zu fräsen. Allein die für die Steuerung benötigte Hardware war allerdings schon teurer als eine konventionelle Werkzeugmaschine. Dazu kam noch der hohe Aufwand für die Programmierung, sodass sich numerische Steuerungen zunächst nicht durchsetzen konnten. Die Entwicklung des Mikroprozessors Anfang der 1970er Jahre ermöglichte es in der dritten industriellen Revolution, jede Maschine mit einem eigenen Rechner auszustatten, der die kostengünstige Anwendung numerischer Steuerungen ermöglichte. Auch die Programmierverfahren wurden vereinfacht, sodass sich die neue Technologie schnell ausbreitete. Ihre Vorteile sind einerseits die Möglichkeit, beinahe beliebig geformte Geometrien zu erzeugen, und andererseits die hohe Flexibilität: Für die Produktion eines weiteren Produkttyps musste man nur noch ein neues Programm in den Speicher laden. Dadurch wurden die Produktionskosten für Einzelteile und Kleinserien erheblich verringert. Verstärkt wurde dieser Effekt durch die Entwicklung der ersten Bearbeitungszentren (BAZ), die mehrere Fertigungsverfahren in sich vereinen. Früher musste man Werkstücke oft zuerst auf einer Drehmaschine drehen, um sie dann auf einer Fräsmaschine weiterzubearbeiten. Mit einem Bearbeitungszentrum, das beide Verfahren beherrscht, entfallen das Umspannen und der Werkstücktransport zwischen beiden Maschinen.

Durch die Entwicklung der numerischen Steuerungen und der Materialfluss- und Handhabungstechnik wurden die ersten Flexiblen Fertigungssysteme möglich. Bei ihnen sind mehrere gleiche oder verschiedenartige Maschinen durch Transporteinrichtungen (z. B. die neuen Industrieroboter) verbunden, die für jedes Werkstück einen individuellen Weg durch das System ermöglichen. Ab jetzt konnte man auch mittelgroße Serien kostengünstig fertigen. Durch den Robotereinsatz bei Fertigungsstraßen wurden diese ebenfalls flexibler.

In den letzten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts waren Deutschland und Japan sowie die USA führend auf dem Weltmarkt. 2013 war China sowohl der größte Produzent als auch Abnehmer weltweit, gefolgt von Japan und Deutschland. Während China netto noch Werkzeugmaschinen importiert, haben Japan und Deutschland einen deutlichen Exportüberschuss. Weitere wichtige Herstellernationen sind Italien, Taiwan, Südkorea, die USA und die Schweiz. Wichtigste Abnehmerbranchen sind der Maschinenbau mit etwa einem Drittel der Produktion und die Automobilbranche mitsamt Zulieferern mit einem weiteren Drittel.

Einteilung nach Fertigungsverfahren

Nach der enger gefassten Sichtweise werden nur die umformenden, zerspanenden und abtragenden Maschinen zu den Werkzeugmaschinen gezählt. Nach einer weiter gefassten Sichtweise rechnet man auch die urformenden Maschinen (z. B. Gussmaschinen), fügende sowie alle trennenden Maschinen (zerteilende, spanende und abtragende) dazu.

Die spanenden Maschinen zählen mit etwa zwei Dritteln des Produktionswertes aller Werkzeugmaschinen zu den wichtigsten. Zu ihnen gehören neben Dreh- und Fräsmaschinen auch Bohrmaschinen, Hobelmaschinen, Stoßmaschinen, Räummaschinen, Sägemaschinen, Schleifmaschinen, Honmaschinen und Läppmaschinen (zum Läppen).

Die umformenden Maschinen können weiter unterteilt werden nach den Fertigungsverfahren in Biegemaschinen, Pressen, Ziehmaschinen (Zum Durchziehen) und Walzmaschinen. Allerdings lassen sich durch den Einbau unterschiedlicher Werkzeuge mehrere Fertigungsverfahren realisieren. Deshalb hat sich eine Einteilung nach dem zugrundeliegenden Funktionsprinzip bewährt. Bei energiegebundenen Umformmaschinen wirkt mit jedem Hub die gleiche Energiemenge auf das Werkstück. Dies kann realisiert werden, indem das Werkzeug immer aus einer bestimmten Höhe fallengelassen wird wie beim Fallhammer. Ebenfalls in diese Gruppe gehören der Oberdruck- und Gegenschlaghammer, sowie Spindelpressen. Weggebundene Umformmaschinen legen bei jedem Hub denselben Weg zurück. Dazu zählen Exzenterpressen, Kurbelpressen und Kniehebelpressen. Kraftgebundene wirken so lange auf das Werkstück ein, bis eine bestimmte Kraft erreicht wird. Hierzu zählen hydraulische Pressen.

Zerteilende Maschinen sind den umformenden in der Konstruktion recht ähnlich und werden eingeteilt in Schlagscheren, Schneidpressen und Stanzmaschinen. Sie werden überwiegend zur Bearbeitung von Blechen eingesetzt.

Die abtragenden Maschinen werden nach den zugrundeliegenden Verfahren eingeteilt in Erodiermaschinen, Laserbearbeitungsmaschinen und Wasserstrahlschneidemaschinen. Wegen der hohen Kosten durch die geringe Produktivität werden sie nur dann eingesetzt, wenn andere Maschinen nicht nutzbar sind. Dies ist beispielsweise bei sehr harten, spröden oder temperaturempfindlichen Materialien der Fall oder zum Fertigen von Hinterschnitten sowie sehr kleinen Formelementen.

Einteilung nach Automatisierungsgrad

Eine konventionelle Werkzeugmaschine erzeugt die Schnitt- und die Vorschubbewegung über einen Motor und ein Getriebe sowie über Handräder. Ein Automat dagegen steuert schon die Vorschubbewegung. Eine CNC-Maschine vollführt einen automatischen Arbeitszyklus an einem manuell eingespannten Werkstück. Der Werkzeugwechsel wird meist automatisch durchgeführt. Ein Bearbeitungszentrum (BAZ) integriert zusätzlich den Werkstückwechsel und das Werkzeugsteuerungssystem. Die Flexible Fertigungszelle umfasst mehrere Maschinen mit ihren Werkzeugmagazinen, einen größeren Werkstückspeicher und z. T. integrierte Messeinrichtungen. Flexible Fertigungssysteme (FFS) besitzen einen maschinenübergreifenden automatischen Werkstückfluss mit Anbindung einer Fertigungssteuerung beziehungsweise eines Produktionsplanungssystems. Konventionelle Transferstraßen besitzen einen sehr geringen Flexibilitätsgrad. Nur durch aufwendiges Rüsten können kleine Veränderungen in der Produktpalette gefertigt werden.

Gestell

Das Maschinengestell nimmt die Bearbeitungskräfte auf und sichert die Lage aller Baugruppen zueinander. Es bestimmt zu großen Teilen die statische und dynamische Steifigkeit der Werkzeugmaschine. Bei kleineren Maschinen sind die Gestelle als Tisch ausgeführt. Für schwerere Maschinen werden Bettausführungen in offener (Ständer- oder C-Bauweise) oder geschlossener (Portal-)Bauweise eingesetzt.

• C-Gestell (Bandsäge)
• Portalbauweise (Hobelmaschine)
• Bettgestell (Drehmaschine)

Typisch sind Ausführungen aus Gusseisen, Stahl, Leichtmetallen, Mineralguss (Polymerbeton) oder Faserverbundkunststoffen. Bei Ultrapräzisionsmaschinen findet man auch Gestellbauteile aus Granit. Inzwischen kommen auch geschäumte Leichtmetalle zum Einsatz. Bei niedrigen Stückzahlen werden geschweißte oder verschraubte Konstruktionen bevorzugt, bei höheren Stückzahlen gegossene Gestelle.

Wichtige Eigenschaften der Gestellwerkstoffe sind der Elastizitätsmodul, die Dichte, der Wärmeausdehnungskoeffizient, die Wärmeleitfähigkeit, die Streckgrenze und die Werkstoffdämpfung, die Schwingungen des Gestells dämpft. Mineralguss zeichnet sich gegenüber metallischen Werkstoffen durch seine geringe Dichte und sehr hohe Dämpfung aus. Wegen der geringen Belastbarkeit müssen die Gestelle aber sehr massiv ausfallen. Von den metallischen Werkstoffen zeichnet sich das Gusseisen durch eine gute Dämpfung aus, weshalb es besonders häufig eingesetzt wird.

Fundament

Besonders bei großen Maschinen werden spezielle Fundamente wichtig, üblicherweise aus Beton mit 70 bis 90 Prozent der Gesamtmasse einer Maschine in eine Bodenform gegossen, weil diese durch ihre hohe Trägheit eine hohe Gesamtverwindungssteifigkeit garantieren und durch einen ruhigen Maschinenlauf die nötige Genauigkeit ermöglichen. Insbesondere bei schweren Werkstücken und/oder bei entsprechend hohen Arbeitskräften oder bei stoßartigen Belastungen wird eine entsprechend massive Auslegung des Maschinenfundaments wichtig, weil es sonst zwangsläufig zu Teilabsenkungen der Maschine kommt, womit die heute üblichen geometrischen Genauigkeiten nicht mehr im gesamten Arbeitsraum erreicht werden.

Führungen und Lagerungen

Führungen und Lagerungen begrenzen die Anzahl der Freiheitsgrade von Maschinenbauteilen. Geradführungen erlauben die Bewegung in einer linearen (translatorischen) Achse, Rundführungen oder Lagerungen erlauben eine Rotation und im Falle von Wellenführungen zusätzlich eine lineare Bewegung. Sie werden unterschieden nach ihrer Querschnittsform (z. B. Schwalbenschwanz- oder V-Führung) und nach der Art der Führungsflächentrennung in Magnetlager, Wälzführungen und Gleitführungen, die wiederum in hydrodynamische, hydro- und aerostatische Lagerungen eingeteilt werden. Führungen und Lagerungen sollen möglichst kleine Reibwerte haben, einem geringen Verschleiß unterliegen, eine gute Dämpfung aufweisen, um Schwingungen zu vermeiden, vor herabfallenden Spänen und anderen Teilen geschützt sein, möglichst spielfrei und wartungsarm sein und eine hohe Steifigkeit haben.

Die einfachste Ausführung ist ein hydrodynamisches Lager, bei dem die beiden Kontaktflächen mit Schmieröl benetzt sind. Erst ab einer gewissen Mindestgeschwindigkeit setzt die reibungsreduzierende Wirkung des Schmieröls ein (sogenannter Stick-Slip-Effekt). Bei einem hydrostatischen Lager wird mittels einer Pumpe Öldruck aufgebaut, der die Kontaktflächen auch trennt wenn sie in Ruhe sind. Bei aerostatischen Führungen gleitet das obere Bauteil auf einem Luftkissen. Die meisten Führungen werden als Wälzführungen ausgeführt, bei denen die Kontaktflächen durch runde Körper (meist Kugeln) getrennt sind.

Führungsart	Bewegungsreibkoeffizient ${\displaystyle \mu _{k}}$	Startreibkoeffizient ${\displaystyle \mu _{p}}$	statische Steifigkeit	Dämpfung
hydrodynamisch	0,05… 0,2	${\displaystyle \mu _{p}>\mu _{k}}$	gut	sehr gut
hydrostatisch	0,001… 0,0001	${\displaystyle \mu _{p}=\mu _{k}}$	gut… hoch	sehr gut
aerostatische	0,00001	${\displaystyle \mu _{p}=\mu _{k}}$	gut… hoch	schlecht
Wälzführung	0,01… 0,00001	${\displaystyle \mu _{p}\sim \mu _{k}}$	hoch	schlecht

Antriebe

Zu den Antriebseinheiten zählen der Hauptantrieb, der für die Arbeitsbewegung zuständig ist, und die Vorschubantriebe für die Positionierung des Werkzeugs. Antriebe für alle übrigen Aufgaben wie Kühlschmierstofftransport, Späneförderer oder zur Erzeugung von Hydraulikdruck werden als Nebenantriebe bezeichnet. Anforderungen an Antriebe sind hohe Dynamik (vor allem Beschleunigungen), da sie die Wirtschaftlichkeit stark beeinflussen, hohe maximale Drehzahlen sowie ein großer und stufenlos einstellbarer Drehzahlbereich.

Steuerung

Steuerungen dienen der Automatisierung von Werkzeugmaschinen. Erste Steuerungen von Werkzeugmaschinen waren noch mechanisch umgesetzt, beispielsweise mit Kurvenscheiben. Heute werden sie elektrisch betrieben, z. B. mit Relais oder Halbleiterbauelementen. Spezielle Steuerungen für Werkzeugmaschinen sind die numerischen Steuerungen. Sie ermöglichen heute die Fertigung nahezu beliebig geformter Werkstücke. Hierfür sind gute Bahnsteuerungen nötig, die das Werkzeug entlang einer programmierten beliebig geformten Bahn führen.

Werkzeugspeicher und -wechsler

Werkzeugmaschinen sind häufig mit Werkzeugspeichern ausgestattet, aus denen je nach Bedarf Werkzeuge direkt oder über einen vollautomatischen Werkzeugwechsler in Arbeitsspindel oder Werkzeughalter eingewechselt werden können. Drehmaschinen besitzen häufig Revolver, die das benötigte Werkzeug nicht wechseln, sondern in die Arbeitsebene drehen. Bei modernen Werkzeugmaschinen wird zunehmend auch nach Ablauf einer programmierten Standzeit oder nach dem tatsächlichen Werkzeugverschleiß (über die Spindelmotoren gemessene Schnittkraft) selbstständig ein bereitgestelltes Ersatzwerkzeug eingewechselt, sodass solche Maschinen dann in Kombination mit automatischen Werkstückwechslern weitgehend unbeaufsichtigt Werkstücke bearbeiten können.

Messsysteme

Moderne Werkzeugmaschinen besitzen Messsysteme, die zur Erfassung der Lage z. B. des Werkzeug oder eines Achsschlittens dienen. Die dazu nötigen Winkel- und Längenmessungen erfolgen überwiegend optoelektronisch, z. B. mit Inkrementalgebern oder Absolutwertgebern auf drehenden Wellen und direkt die Position messenden Glasmaßstäben. Des Weiteren sind ohmsche, induktive, kapazitive, magnetische oder elektromagnetische Wirkprinzipien der Aufnehmer üblich.

Bei den Messeinrichtungen unterscheidet man direkte und indirekte Wegmesssysteme. Bei beiden Messsystemen werden über Sensoren die zurückgelegten Skalenabschnitte gezählt, und aus dieser Anzahl wird dann der zurückgelegte Weg errechnet. Bei indirekten Wegmesssystemen ist die Skala kreisförmig angeordnet, so dass das System die Winkeländerung der Gewindespindel misst und über die Steigung des Gewindes dann die Wegänderung berechnet. Bei den genaueren direkten Wegmesssystemen ist die Skala parallel zur Bewegungsrichtung angebracht, so dass die Länge der Abschnitte (multipliziert mit der Anzahl der gezählten Abschnitte) direkt dem zurückgelegten Weg entspricht.

Werkzeugaufnahmen

Um einen schnellen Werkzeugwechsel bei gleichzeitig hoher Genauigkeit zu gewährleisten, sind die Werkzeugaufnahmen (Schnittstelle Werkzeug-Spindel) genormt. Früher wurden für rotierende Werkzeuge überwiegend so genannte Steilkegel (SK), noch früher sogenannte Morsekegel (MK) verwendet. Heute werden aufgrund ihrer technologischen Vorteile vermehrt Hohlschaftkegel-Aufnahmen eingesetzt. Bei HSK-Aufnahmen erfolgt u. a. das Spannen auf der Innenkontur, wodurch das System für höhere Drehzahlen geeignet ist. Für alle Aufnahmesysteme gibt es jeweils Adapter zu den anderen Systemen, um in den oft gemischten Maschinenparks eine rationelle Werkzeugverwendung zu ermöglichen.

Werkstückwechsler

Moderne Fräsmaschinen und Bohrmaschinen haben oft zwei oder mehr Paletten zum Spannen der Werkstücke, die abwechselnd in den Arbeitsraum gebracht werden können. Dies erlaubt es, Spann-Operationen außerhalb des Arbeitsraumes vorzunehmen, während an der vorigen Palette die Bearbeitung stattfinden kann. Werden die Werkstücke wie beschrieben gemeinsam mit der Palette ausgewechselt, spricht man vom Palettenwechsler. Größere Werkstücke können mit Robotern ein- und ausgewechselt werden.

Ver- und Entsorgungseinrichtungen

Werkzeugmaschinen der spanenden Fertigung sind heutzutage überwiegend mit Kühlschmiereinrichtungen ausgestattet. Diese fördern meist eine Wasser-Öl-Emulsion in den Arbeitsbereich des Werkzeugs, sei es über Spritzdüsen an der Maschine, am Spindelkopf oder durch Düsen im jeweiligen Werkzeug. Das Kühlschmiermittel wird im Umlauf gefiltert. Im Zuge einer umwelt- und arbeitsplatzfreundlichen Fertigung wird jedoch heutzutage zunehmend auf die sogenannte Minimalmengenschmierung (MMS oder MMKS) umgestellt. Dabei wird eine sehr geringe Menge Kühlschmierstoff mit Luft vernebelt und auf die Wirkstelle gesprüht. Zu den Ver- und Entsorgungseinrichtungen zählt auch der Späneförderer, der die abgetrennten Späne aus dem Arbeitsraum heraus in einen Container fördert.

Maschineneinhausung

Werkzeugmaschinen haben heute meist eine Maschineneinhausung. Diese dient dem Schutz des Bedieners vor umher fliegenden Spänen, vor Kühlschmierstoff und vor der entstehenden Lärmbelastung sowie als Schutz vor Verletzungen an den bewegten Teilen und als Berstschutz (z. B. wenn ein Werkzeug bricht). Größere Maschinen und Anlagen sind durch Lichtschranken und Gitter geschützt.

Sicherheitsbauteile

Da Werkzeugmaschinen prozessbedingte Gefahren hervorrufen können, werden Funktionen gebildet, um Personen zu schützen. Gemäß der Maschinenrichtlinie ist ein Sicherheitsbauteil ein Bauteil, das zur Gewährleistung einer Sicherheitsfunktion dient, gesondert in Verkehr gebracht wird, dessen Ausfall und/oder Fehlfunktion die Sicherheit von Personen gefährdet und das für das Funktionieren der Maschine selbst nicht erforderlich ist. Ein Sicherheitsbauteil muss dabei alle vier Merkmale erfüllen. Eine nicht erschöpfende Liste der Sicherheitsbauteile befindet sich im Anhang V der Maschinenrichtlinie:

1. Schutzeinrichtungen für abnehmbare Gelenkwellen
2. Schutzeinrichtungen zur Personendetektion.
3. Kraftbetriebene bewegliche trennende Schutzeinrichtungen mit Verriegelung für die in Anhang IV Nummern 9, 10 und 11 genannten Maschinen.
4. Logikeinheiten zur Gewährleistung der Sicherheitsfunktionen.
5. Ventile mit zusätzlicher Ausfallerkennung für die Steuerung gefährlicher Maschinenbewegungen.
6. Systeme zur Beseitigung von Emissionen von Maschinen.
7. Trennende und nichttrennende Schutzeinrichtungen zum Schutz von Personen vor beweglichen Teilen, die direkt am Arbeitsprozess beteiligt sind.
8. Einrichtungen zur Überlastsicherung und Bewegungsbegrenzung bei Hebezeugen.
9. Personen-Rückhalteeinrichtungen für Sitze.
10. NOT-HALT-Befehlsgeräte.
11. Ableitungssysteme, die eine potenziell gefährliche elektrostatische Aufladung verhindern.
12. Energiebegrenzer und Entlastungseinrichtungen gemäß Anhang I Nummern 1.5.7, 3.4.7 und 4.1.2.6.
13. Systeme und Einrichtungen zur Verminderung von Lärm- und Vibrationsemissionen.
14. Überrollschutzaufbau (ROPS).
15. Schutzaufbau gegen herabfallende Gegenstände (FOPS).
16. Zweihandschaltungen.
17. Sicherheitsbauteile von Maschinen für die Auf- und/oder Abwärtsbeförderung von Personen zwischen unterschiedlichen Ebenen dienen wie a.) Verriegelungseinrichtungen für Fahrschachttüren; b.) Fangvorrichtungen, die einen Absturz oder unkontrollierte Aufwärtsbewegungen des Lastträgers verhindern; c.) Geschwindigkeitsbegrenzer; d.) energiespeichernde Puffer mit nichtlinearer Kennlinie oder mit Rücklaufdämpfung; e.) energieverzehrende Puffer; f.) Sicherheitseinrichtungen an Zylindern der Hydraulikhauptkreise, wenn sie als Fangvorrichtungen verwendet werden; g.) elektrische Sicherheitseinrichtungen in Form von Sicherheitsschaltungen mit elektronischen Bauelementen.
18. Feuerlöschanlage

etc.

Geometrische Genauigkeit

Die geometrische Genauigkeit gibt die Fertigungsqualität der unbelasteten Maschine an, also ohne Belastung durch Bearbeitungskräfte. Die erzielbare geometrische Genauigkeit ergibt sich im Wesentlichen aus der Fertigungsqualität der Werkzeugmaschine, dem Spiel und der Bauform. Man unterscheidet dabei zwischen Form- und Lageabweichungen.

Statische Steifigkeit

Die statische Steifigkeit oder Steifheit ergibt sich aus der geometrischen Statik (Wanddicken, Querschnitte) und den Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe. Weiterhin sind besonders Lage, Form und Anzahl von Fugen und Führungen (feste und bewegliche Verbindungen von Maschinenelementen) entscheidend für die erzielbare Steifigkeit. Statische Verformungen können durch die CNC-Steuerung ausgeglichen werden.

Dynamische Steifigkeit

Die dynamische Steifigkeit einer Maschine ergibt sich aus ihren Verformungen bei zeitlich veränderlichen Kräften, die häufig Schwingungen hervorrufen. Sie haben einen negativen Einfluss auf die Werkstücke (vor allem Oberflächenrauigkeit) und Lebensdauer der Maschine und sind daher grundsätzlich unerwünscht. Da die dynamischen Verformungen im Gegensatz zu den statischen auch von der Frequenz der Anregung abhängen, können sie nicht so einfach korrigiert werden. Man unterscheidet zwischen selbsterregten und fremderregten Schwingungen, die sich wiederum in freie und erzwungene Schwingungen teilen.

Eine einmalige Anregung führt zu einer freien Schwingung mit Eigenfrequenz, die langsam abklingt.

Bei periodisch wiederkehrenden Anregungen ergibt sich eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz der Anregung. Diese können über das Fundament in die Maschine eingeleitet werden, durch Unwuchten (z. B. des Motors), Zahneingriffsfehler der Getriebe, Lagerfehler oder verschlissene Werkzeuge erzeugt werden.

Selbsterregte Schwingungen entstehen aus dem Fertigungsprozess selbst. Die Maschine schwingt dann ebenfalls mit ihrer Eigenfrequenz, allerdings im Zeitablauf immer stärker. Dies kann durch Aufbauschneiden, Regenerativeffekte oder eine fallende Schnittgeschwindigkeits-Schnittkraft-Kennlinie verursacht werden.

Thermisches Verhalten

Das thermische Verhalten einer Werkzeugmaschine beschreibt die Reaktion auf Temperaturänderungen, vor allem die Lagenänderung des Werkzeuges relativ zum Werkstück. Es wird wesentlich von der Einwirkung von Wärmequellen und -senken nach Menge der Wärme und ihrer Lage beziehungsweise Anordnung beeinflusst. Man unterscheidet bei der thermischen Belastung zwischen inneren und äußeren Einflüssen. Innere Einflüsse werden z. B. durch Antriebsverluste in Antriebsmotoren, Pumpen, Lager, Führungen und im Hydrauliksystem ausgeübt oder durch Umform- bzw. Zerspanungswärme im Werkzeug, Werkstück, Späne und Kühlschmiermittel hervorgerufen. Äußere Einflüsse werden durch das Hallenklima (Temperaturverteilung, Temperaturschwankungen, Luftströmungen), durch direkte (einseitige) Wärmestrahlung (Sonne, Heizanlagen, benachbarte Anlagen) oder durch Wärmesenken (Fundamente, Frischluftströme durch Tore und Fenster) hervorgerufen.

Zur Steigerung der Genauigkeit und trotz der Bemühung, Temperaturschwankungen gering zu halten, ist es von Vorteil, Maschinen thermosymmetrisch aufzubauen. Thermosymmetrie bedeutet, dass sich Ausdehnungen gegenseitig aufheben. Dabei ist die zu erwartende Temperaturverteilung in den Bauteilen von Einfluss sowie die Länge und der Ausdehnungskoeffizient. Mit der Kenntnis des Temperaturverhaltens der Werkzeugmaschine kann die thermische Ausdehnung in der CNC-Steuerung teils kompensiert werden.

Serielle Kinematik

Die serielle Kinematik bezeichnet den klassischen Aufbau einer kinematischen Kette: Eine Baugruppe, die nur für den Antrieb in einer Bewegungsachse zuständig ist, setzt eine zweite mit einer anderen Bewegungsachse in Bewegung, und es können sich weitere anschließen, bis die gewünschte Gesamtbewegung erreicht ist. Einen Spezialfall dieser Kinematik stellt die so genannte kartesische Kinematik dar. Hier werden alle Vorschubachsen senkrecht zueinander angeordnet, um so die Koordinaten in einem kartesischen Koordinatensystem auf mechanisch möglichst einfache Weise zu erreichen. Dabei wird meist jede Vorschubachse nach der entsprechenden Koordinatenachse (im Dreidimensionalen beispielsweise X, Y und Z) benannt.

Beispiel Konsolenfräsmaschine: Auf dem Maschinenständer bewegt sich das Spindelgehäuse, mit einem vorne angebauten Schwenkkopf als Träger des Fräswerkzeugs, in einer Führung vor und zurück in der Maschinenachse Y. Der Aufspanntisch bewegt sich auf der Konsole nach links und rechts in der Maschinenachse X. Die Konsole bewegt sich mit dem aufliegenden Aufspanntisch am Maschinenständer auf und ab und bildet die Maschinenachse Z.

Parallelkinematik

Eine Parallelkinematik bezeichnet eine Kinematik mit parallel geschalteten Bewegungsachsen. Dadurch wird vermieden, dass ein Antrieb den nächstfolgenden bewegen muss. Häufig werden hier parallele Stabkinematiken eingesetzt.

Die Realisierung dieses kinematischen Prinzips bei Werkzeugmaschinen ist wegen der vielversprechenden geometrischen Eigenschaften seit über 20 Jahren im Fokus von Forschungsprojekten für Werkzeugmaschinen. Bis heute gibt es aber keinen nennenswerten Einsatz in der Produktion, die traditionell von Maschinen mit serieller Kinematik dominiert wird. Vorteil von parallelen Kinematiken ist in der Regel eine höhere Dynamik wegen der geringen Masse der Führungselemente, welche – im Gegensatz zu einer seriellen Kinematik – die Belastungen gleichmäßig(er) auf alle Führungselemente aufteilen.

Fachliteratur

• Klaus-Jörg Conrad: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen. Fachbuchverlag Leipzig, München/Wien 2002, ISBN 3-446-21859-9.
• Andreas Hirsch: Werkzeugmaschinen: Grundlagen, Auslegung, Ausführungsbeispiele. 2. Auflage. Springer-Vieweg, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-0823-3.
• Reimund Neugebauer (Hrsg.): Werkzeugmaschinen: Aufbau, Funktion und Anwendung von spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen. Springer, Berlin/ Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-30077-6.
• Hans Kurt Tönshoff: Werkzeugmaschinen: Grundlagen. Springer-Lehrbuch, 1995, ISBN 3-540-58674-1.
• Manfred Weck, Christian Brecher: Werkzeugmaschinen.
  • Band 1: Maschinenarten und Anwendungsbereiche. 6. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-22504-8.
  • Band 2: Konstruktion und Berechnung. 8. Auflage. Springer, Berlin/ Heidelberg 2005, ISBN 3-540-22502-1.
  • Band 3: Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozeßdiagnose. 6. Auflage. Springer, Berlin/ Heidelberg 2006, ISBN 3-540-22506-4.
  • Band 4: Automatisierung von Maschinen und Anlagen. 6. Auflage. Springer, Berlin/ Heidelberg 2006, ISBN 3-540-22507-2.
  • Band 5: Messtechnische Untersuchung und Beurteilung. 7. Auflage. Springer, Berlin/ Heidelberg 2006, ISBN 3-540-22505-6.

Wörterbücher

• Henry George Freeman: Spanende Werkzeugmaschinen – Deutsch-englische Begriffserklärungen und Kommentare. Verlag W. Girardet, Essen 1973, ISBN 3-7736-5082-5.
• Hans-Dieter Junge: Dictionary of machine tools and mechanical engineering : English / German, German / English – Wörterbuch Werkzeugmaschinen und mechanische Fertigung. Weinheim 1992, ISBN 3-527-27993-8.

Bücher zur Geschichte der Werkzeugmaschinen

• Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen – eine kulturgeschichtliche Betrachtung der Fertigungstechnik. Carl Hanser Verlag, München/ Wien 1991, ISBN 3-446-16242-9.
• W. Steeds: A history of Machine Tools 1700–1910. Oxford 1969, OCLC 476608011.