mini|Historische Wälzfräsmaschine zur Zahnradherstellung als Beispiel für eine Werkzeugmaschine mini|Eine moderne Werkzeugmaschine im Arbeitseinsatz mit Spritzdüsen für das Kühlschmiermittel Werkzeugmaschinen (seltener auch Bearbeitungsmaschinen) sind Maschinen zur Fertigung von Werkstücken mit Werkzeugen, deren Bewegung zueinander durch die Maschine vorgegeben wird.Reimund Neugebauer (Hrsg.): Werkzeugmaschinen: Aufbau, Funktion und Anwendung von spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen. Springer, 2012, S. 4. Zu den wichtigsten Vertretern zählen Dreh- und Fräsmaschinen, Erodiermaschinen sowie mechanische Pressen und Maschinenhämmer zum Schmieden.
Zu ihrer Einteilung gibt es die Normen DIN 8580 ff (Verfahren) und DIN 69 651 Teil 1 (Metallbearbeitung), die inhaltlich aufeinander Bezug nehmen. Werkzeugmaschinen zählen zu den Arbeitsmaschinen und zusammen mit den Werkzeugen, Vorrichtungen, Messmitteln und Prüfmitteln zu den Betriebsmitteln.
Werkzeugmaschinen werden nach dem zugrunde liegenden Fertigungsverfahren eingeteilt in umformende, trennende (zerteilende, spanende, abtragende …) sowie fügende Maschinen. Eine Einteilung kann auch nach aufsteigendem Automatisierungsgrad erfolgen: konventionelle Maschinen, Automaten, CNC-Maschinen, Bearbeitungszentren, flexible Fertigungszellen, flexible Fertigungssysteme und flexible oder starre bzw. konventionelle Transferstraßen.
Moderne Werkzeugmaschinen sind meist modular aufgebaut. Zu den wichtigsten Baugruppen zählen Gestell, Antrieb, Führungen und die Steuerung. Als weitere Baugruppen gibt es Fundamente, Werkzeugspeicher und -wechsler, Werkzeugaufnahmen, Werkstückwechsler, Messsysteme sowie Ver- und Entsorgungseinrichtungen.
Vorläufer der Werkzeugmaschinen gab es möglicherweise schon in der Steinzeit, die ersten Werkzeugmaschinen im modernen Sinne entstanden aber erst zu Beginn der industriellen Revolution in England und breiteten sich recht schnell in allen Industriestaaten aus. Zunächst wurden mehrere Maschinen von einer einzelnen Dampfmaschine angetrieben, ab etwa 1900 bekam jede Maschine einen eigenen elektrischen Antrieb. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist ihre Weiterentwicklung vor allem durch Automatisierung und Flexibilisierung geprägt.
Definitionen Es existieren mehrere Definitionen für Werkzeugmaschinen. Sie bieten aber nur einen mehr oder weniger groben Anhaltspunkt, welche Maschinen zu den Werkzeugmaschinen gehören. Vor allem urformende oder fügende Maschinen werden nur teilweise dazugezählt.
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)H. K. Tönshoff: Werkzeugmaschinen. Springer, Berlin 1995, S. 2.
Diese knappe Definition grenzt Werkzeugmaschinen gegenüber einer Vielzahl ähnlicher Maschinen ab:H. K. Tönshoff: Werkzeugmaschinen. Springer, Berlin 1995, S. 1f. Durch die Bezeichnung Arbeitsmaschine werden alle Kraftmaschinen ausgeschlossen, die der „Erzeugung“ oder Umwandlung von Energie dienen wie Generatoren, Motoren oder Getriebe. 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. 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. 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.Andreas Hirsch: Werkzeugmaschinen: Grundlagen, Auslegung, Ausführungsbeispiele. 2. Auflage. Springer-Vieweg, Wiesbaden 2012, ISBN 978-3-8348-0823-3, S. 2.
Geschichte
mini|Nachempfindung einer „steinzeitlichen“ Fidelbohrmaschine.
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.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München / Wien 1991, ISBN 3-446-16242-9, S. 25–95.
Während der industriellen Revolution mini|Dreharbeiten während der industriellen Revolution. An der Decke sind die Transmissionswellen zu erkennen.
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.Günter Spur: Produktionstechnik im Wandel. 1979, S. 116f–118, 64–89.
Entwicklung wichtiger Maschinentypen mini|hochkant|Säulenbohrmaschine mit Transmissionsantrieb
Als besonders wichtig für die industrielle Produktion erwies sich die Drehmaschine. Sie wurde von dem Briten Henry Maudslay entscheidend verbessert. Er baute die erste Drehmaschine mit einem Werkzeughalter, der über Kurbeln bewegt werden konnte (Support mit Vorschub). Vorher wurden die Werkzeuge noch per Hand geführt, sodass das Arbeitsergebnis stark von der Geschicklichkeit und Erfahrung des Arbeiters abhing. Durch die Entwicklung Maudslays wurden die Maschinen genauer, hatten eine höhere Arbeitsleistung, waren weniger anstrengend zu bedienen, und zu ihrer Bedienung war weniger Vorbildung nötig. Vor allem letzteres war entscheidend für die schnelle Ausbreitung der neuen Technologie, da erfahrene Dreher so selten waren, dass es in England zu einem Auswanderungsverbot für sie kam. Maudslay erfand auch eine Drehmaschine zur Herstellung von Schrauben und Gewinden. Zuvor wurden sie per Hand gefertigt, was zur Folge hatte, dass jedes Gewinde individuell war. Durch die erhöhte Genauigkeit der Maschinen wurde es erstmals möglich, Schrauben so genau herzustellen, dass sie untereinander austauschbar waren.
Weitere Verbesserungen stammen von den beiden Schülern Maudslays Richard Roberts und James Fox sowie Joseph Whitworth. Für eine schnellere Bearbeitung wurden Maschinen mit mehreren Werkzeugen entwickelt, die gleichzeitig im Einsatz waren. 1845 baute der Amerikaner John Fitch aus Connecticut die erste Revolverdrehmaschine, bei der sich mehrere Werkzeuge in einem Revolver befinden und sich somit schnell wechseln lassen. Gegen Ende des 18. Jahrhunderts wurden in Amerika die ersten mechanisch gesteuerten Drehautomaten gebaut.
Zwischen 1800 und 1840 wurden die Säulen- und Ständerbohrmaschinen von Whitworth und William Fairbairn entwickelt. Auf der Pariser Weltausstellung 1867 wurde erstmals der Spiralbohrer gezeigt. Es dauerte allerdings wegen des hohen Preises trotz großer Vorteile bis 1890, bis er sich gegen den Spitzbohrer durchsetzen konnte.
Erste Konstruktionen für Hobelmaschinen stammen noch von Maudslay, sein Schüler Roberts baute die erste Variante mit mechanischem Vorschub. Die erste amerikanische Hobelmaschine wurde 1833 von Gay Silver & Co angeboten. Johann von Zimmermann, einer der Begründer des deutschen Werkzeugmaschinenbaus (er errichtete die erste Werkzeugmaschinenfabrik auf dem Kontinent), erhielt eine Auszeichnung auf der Weltausstellung London 1862 für seine Hobelmaschine.
mini|Die Fräsmaschine von Eli Whitney Das erste Fräswerkzeug wird Jacques Vancanson nachgesagt, die älteste noch erhaltene Fräsmaschine stammt von dem Amerikaner Eli Whitney aus Connecticut, der sie in der Waffenproduktion einsetzte. Von dem Amerikaner Joseph Brown stammt die erste automatische Universalfräsmaschine von 1860. Bis etwa 1900 waren auch Maschinen zum Fräsen von Zahnrädern technisch ausgereift.
Infolge der erhöhten Genauigkeitsansprüche, vor allem im Modell- und Waffenbau, gewann das Schleifen an Bedeutung. Die erste Schleifmaschine für die Metallbearbeitung von 1833 wird Alfred Krupp zugeschrieben. 1853 erhielten Hiram Barker und Francis Holt ein Patent für eine Maschine zum Schleifen von Messingkugeln, die für Ventile in Dampflokomotiven benötigt wurden. 1855 baute W. Muir & Co. in Manchester eine Werkzeugschleifmaschine für Messer und Klingen.