Vertikales vs. horizontales Bearbeitungszentrum: Welches passt zu Ihren Teilen?

Erstellen Sie zuerst die Zeichnung. Wenn die meisten Schnitte von oben erfolgen und sich die Anforderungen häufig ändern, ist ein vertikales Bearbeitungszentrum in der Regel die wirtschaftlichste Lösung. Ein Gehäuse mit Bohrungen und Montageflächen umlaufend deutet hingegen auf etwas anderes hin: Ein horizontales Bearbeitungszentrum kann den höheren Preis rechtfertigen, da es so viele Umspannvorgänge einspart. Es geht hier nicht um einen Vergleich zweier Maschinenlayouts, sondern um eine Entscheidung bezüglich der Arbeitsabläufe.

Angebote können die Entscheidung einfacher erscheinen lassen, als sie ist. Spindeldrehzahl, Verfahrweg, Werkzeugkapazität, Controller-Marke und Preis sind übersichtlich in Spalten aufgelistet. Rüstzeiten hingegen nicht. Genauso wenig wie Bezugspunktverschiebungen nach dem Wiedereinspannen oder die Zeit, die ein Bediener für das Entfernen von Spänen aus tiefen Taschen benötigt. Die entscheidende Frage ist weniger eindeutig: Welcher Weg liefert wiederholt akzeptable Teile mit möglichst wenig vermeidbarer Handhabung?

Der folgende Vergleich von vertikalen und horizontalen Bearbeitungszentren orientiert sich an der Teilebearbeitung und nicht an den Angaben in der Broschüre. Er betrachtet die beiden Bearbeitungszentren anhand der tatsächlich auszuführenden Arbeiten. Der Vergleich richtet sich an diejenigen, die mit dem Ergebnis arbeiten werden: den Ingenieur, der den Prozess plant, den Produktionsleiter, der die Produktionsleistung überwacht, und den Einkäufer, der die Investition später rechtfertigen muss.

VMC oder HMC: Was ist die Kurzfassung?

• Beginnen Sie mit einer VMC, wenn die meisten Merkmale von oben bearbeitet werden, sich der Produktmix häufig ändert und ein einfacher Einrichtungszugang wichtiger ist als eine unbeaufsichtigte Ausgabe.
• Ziehen Sie ein HMC in die engere Wahl , wenn dasselbe Teil an drei oder mehr Flächen bearbeitet werden muss, Bezugsbeziehungen nach dem erneuten Einspannen schwer aufrechtzuerhalten sind und das Volumen hoch genug ist, damit sich die Rüstkosteneinsparungen wiederholen.
• Vergleichen Sie beide Vorgehensweisen, wenn sich das Werkstück zwischen diesen beiden Fällen befindet. Ein Bearbeitungszentrum mit Drehtisch könnte die bessere Investition sein, oder es verlagert den Engpass lediglich in die Werkstückspannung und -handhabung.

Das ist die praktische Antwort. Im weiteren Verlauf des Artikels wird erläutert, wie Sie diese anhand Ihrer eigenen Zeichnung, Ihres Produktionsvolumens, Ihrer Personalstärke und Ihres Qualitätsrisikos testen können.

Welche Details der Teilezeichnung entscheiden darüber, ob Sie ein VMC oder ein HMC benötigen?

Wählen Sie zwei Zeichnungen aus, bevor Sie die Datenblätter öffnen: die heikle Stelle, die das Prozessrisiko offenbart, und die Stelle, die die meisten Maschinenstunden beansprucht. Die erste Zeichnung zeigt, ob die Maschine die Aufgabe bewältigen kann. Die zweite Zeichnung zeigt, ob sich die Investition rechnet.

Ergänzen Sie die Zeichnungen um die unten stehenden Informationen. Ein Lieferant kann damit arbeiten; eine Anfrage, die lediglich „Angebot für eine 850er Maschine“ enthält, lässt zu viel Raum für Spekulationen.

• Lagerbestand: Werkstoffgüte, Guss- oder Rohlingzustand, Rohgröße, Fertiggröße und Gewicht.
• Zugang: die Flächen, die gefräst, gebohrt, ausgebohrt oder mit Gewinde versehen werden müssen.
• Bezugspunkte: Merkmale auf verschiedenen Flächen, die positionell zueinander in Beziehung stehen müssen.
• Handhabung: die voraussichtliche Anzahl der Nachspannvorgänge bei einer grundlegenden dreiachsigen Bearbeitungsroute.
• Bedarf: Losgröße, Jahresvolumen, Schichtmuster und erwartete Umrüstungen.
• Personalbesetzung: ob ein Bediener in der Nähe bleibt oder ob der Prozess voraussichtlich über längere Zeiträume selbstständig abläuft.

Mit diesen Informationen wird der Transportweg eher zu einer Einschränkung als zum alleinigen Auswahlkriterium. Die Diskussion kann sich nun auf die Zugänglichkeit der Vorrichtung, das Spindeldrehmoment, die Werkzeugreichweite, den Spanfluss, das Antasten und die Anzahl der Bearbeitungsschritte außerhalb der Maschine erstrecken.

Vertikales vs. horizontales Bearbeitungszentrum: der praktische Unterschied

Entscheidungsfaktor	Vertikales Bearbeitungszentrum	Horizontales Bearbeitungszentrum
Spindelrichtung	Die vertikale Spindel nähert sich dem Werkstück von oben	Die horizontale Spindel nähert sich dem Werkstück von der Seite.
Typische Arbeit	Platten, Formen, Halterungen, Werkzeuge und kleine bis mittelgroße Präzisionsteile	Gehäuse, Ventilkörper, Getriebegehäuse, Automobilteile und Mehrseitenkomponenten
Bedienerzugang	In der Regel einfacher zu sehen, zu laden, zu prüfen und einzustellen	Erfordert oft eine sorgfältigere Planung der Installationen und Zugänge.
Mehrseitenbearbeitung	Möglicherweise ist eine erneute Einspannung oder eine zusätzliche Drehachse erforderlich.	Gut geeignet zum Indizieren mehrerer Gesichter in einem Setup
Chipsteuerung	Chips können auf horizontalen Flächen und in Taschen zurückbleiben.	Die Schwerkraft sorgt im Allgemeinen dafür, dass die Späne vom Arbeitsbereich wegfallen.
Produktionsstil	Flexible Werkstattarbeit und häufige Personalwechsel	Wiederkehrende Produktion und Prozesse, bei denen Rüstzeitreduzierung von Bedeutung ist
Investition	Typischerweise niedrigere Maschinen-, Vorrichtungs- und Integrationskosten	Typischerweise höhere Anfangskosten, mit potenziellen Einsparungen pro fertiggestelltem Teil

Die Tabelle dient als Ausgangspunkt, nicht als Kaufregel. Eine gut konfigurierte Bearbeitungsmaschine (VMC) kann einen schlecht geplanten Prozess mit einer mechanischen Bearbeitungsmaschine (HMC) übertreffen. Umgekehrt kann eine HMC für einen Betrieb, der Kleinserien einfacher Oberflächenteile fertigt, überdimensioniert sein. Maschinenarchitektur und Wirtschaftlichkeit der Produktion müssen gemeinsam betrachtet werden.

Wählen Sie einen VMC, wenn Flexibilität wichtiger ist als die Ausgabe mehrerer Seiten.

Eine Bearbeitungsmaschine ist oft die praktischste Lösung, wenn das Werkstück hauptsächlich aus einer Richtung bearbeitet werden kann. Die offene Sichtverbindung zwischen Spindel, Tisch, Vorrichtung und Werkstück erleichtert zudem vielen Teams die Prozessentwicklung.

Formbasen, Platten, Aluminiumhalterungen, Vorrichtungen und Präzisionsbauteile gehören zu den typischen Aufgaben auf vertikalen Bearbeitungszentren. Das Layout eignet sich auch für Werkstätten, in denen die Arbeit am Montag wenig mit der am Freitag gemeinsam hat. Auf einem 3-Achs-Vertikalbearbeitungszentrum lassen sich Schraubstöcke oder Spannplatten wechseln, ohne dass jede neue Teilefamilie ein Integrationsprojekt erfordert.

Was die vertikale Anordnung dem Produktionsteam bietet

• Geringere Anschaffungskosten im Vergleich zu einem horizontalen System ähnlicher Größe.
• Gute Sichtverhältnisse während der Einrichtung, der Erprobung und der Erststückprüfung.
• Eine Plattform kann ohne ungewöhnliche Werkstückspannung zwischen Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden wechseln.
• Standard-Schraubstöcke, Spannplatten und gängige Werkstattwerkzeuge sind leicht zu beschaffen und wiederzuverwenden.
• Eine praktische Lösung für gemischte Produktion und häufige technische Änderungen.

Der Kompromiss wird deutlich, wenn ein Werkstück an vier Seiten bearbeitet werden muss. Jeder erneute Spannvorgang verlängert die Bearbeitungszeit und erhöht das Risiko von Bezugsfehlern. Späne können sich zudem in tiefen Vertiefungen ansammeln, was die Werkzeugstandzeit oder die Oberflächengüte beeinträchtigen kann, wenn Kühlmittel und Absaugung nicht ordnungsgemäß geplant sind.

Ein Drehtisch mit vier Achsen kann diese Lücke teilweise schließen. Er ist eine Überlegung wert, wenn mehrseitige Bearbeitungen regelmäßig anfallen, aber noch kein vollwertiges horizontales Bearbeitungszentrum rechtfertigen. Die Vorrichtung, die Drehlast, der verfügbare Arbeitsbereich und die Werkzeugzugänglichkeit müssen weiterhin als ein System betrachtet werden.

Wählen Sie ein HMC, wenn wiederholte Handhabung zum Flaschenhals wird.

Ein HMC (Horizontal Manufacturing Center) ist dann vorteilhaft, wenn mehrere Flächen auf denselben Bezugspunkt bezogen bleiben müssen. Durch Indexierung des Werkstücks kann die Maschine mehrere Seiten erreichen, ohne dass ein wiederholtes manuelles Nachspannen erforderlich ist. Dies ist besonders nützlich für kastenförmige Gehäuse, Hydraulikkomponenten, Getriebeteile, Ventilkörper und andere Teile mit Bohrungen oder Befestigungselementen auf verschiedenen Flächen.

Was ändert sich, wenn mehrere Gesichter in einem Setup bleiben?

• Weniger Aufspannungen für die Mehrseitenbearbeitung.
• Bessere Kontrolle der Positionsbeziehungen zwischen Gesichtern.
• Natürlicheres Abfallen der Späne weg von der Schnittzone.
• Größeres Potenzial für die Palettierung oder längere Produktionszyklen.
• Reduzierter Bedieneraufwand bei ausgereiften Anlagen und Programmen.

Diese Vorteile sind nicht kostenlos. Die Vorrichtungskonstruktion ist in der Regel anspruchsvoller, Programmierung und Kollisionsprüfung erfordern Disziplin, und die Maschine benötigt möglicherweise mehr Stellfläche und zusätzliche Ausrüstung. Der wirtschaftliche Nutzen zeigt sich am deutlichsten, wenn reduzierte Rüstzeiten und eine gleichbleibende Produktionsleistung bei einer ausreichenden Anzahl von Teilen wiederholt werden.

Beispielsweise lässt sich ein Gehäuse mit geringen Stückzahlen, das wöchentlich wechselt, auf einem Bearbeitungszentrum mit Drehvorrichtung möglicherweise einfacher handhaben. Ein über Monate hinweg produziertes, stabiles Automobilgehäuse kann hingegen den Einsatz eines Bearbeitungszentrums rechtfertigen, da sich die eingesparten Rüstvorgänge über das gesamte Produktionsjahr summieren.

Stellen Sie sich den Verlauf eines Getriebegehäuses vor

Auf einer Bearbeitungsmaschine kann der Bediener die Oberseite bearbeiten, das Werkstück drehen, einen neuen Bezugspunkt festlegen und den Vorgang für die restlichen Seiten wiederholen. Für Prototypen oder Kleinserien ist dieses Vorgehen durchaus sinnvoll. Das Risiko steigt jedoch, wenn jeder Arbeitsschritt Bohrungen und Montageflächen betrifft, die zueinander passen müssen.

Bei einem HMC kann dasselbe Gehäuse so indexiert werden, dass mehrere Flächen von einer einzigen Vorrichtung aus bearbeitet werden können. Der Vorteil liegt nicht nur in der seitlichen Spindel, sondern auch im geringeren Aufwand für das Umsetzen zwischen den einzelnen Bearbeitungselementen. Die Einschränkung besteht darin, dass Vorrichtung, Programm, Kollisionsprüfungen und Produktionsvolumen ausreichend ausgereift sein müssen, um den zusätzlichen Aufwand zu rechtfertigen.

Was bedeutet die Genauigkeitszahl für Ihr Bauteil?

Der Käufer erhält keinen Nutzen aus der Genauigkeitsangabe in einem Angebot. Der Wert entsteht erst, wenn Bohrungen, Oberflächen oder Lochmuster über mehrere Teile hinweg innerhalb der Toleranz bleiben. Fragen Sie nach, welches Merkmal gemessen wurde, über welchen Verfahrweg, nach welcher Aufwärmzeit und in welcher Vorrichtung. Eine vertikale oder horizontale Spindel allein beantwortet diese Fragen nicht.

Es hilft auch, Positioniergenauigkeit von Wiederholgenauigkeit zu trennen. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) beschreibt ISO 230-2 als Prüfverfahren für die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Positionierung von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinenachsen. Für den praktischen Einkauf sollte ein Lieferant erklären können, wie die angegebene Genauigkeit gemessen wurde, an welchem ​​Modell, unter welchen Bedingungen und ob ein Prüfbericht vorliegt.

Vereinfacht ausgedrückt prüft die Laserinterferometerkalibrierung, ob sich eine Achse an die vom System vorgegebene Position bewegt. Der Ballbar-Test prüft die Präzision der gemeinsamen Bewegung mehrerer Achsen auf einer Kreisbahn. Renishaws Übersicht zum Ballbar-Test erläutert die Methode detaillierter. Diese Tests helfen bei der Diagnose der Maschine, ersetzen aber keinen Probeschnitt, der auf den kritischen Anforderungen des Käufers basiert.

Ein Bericht belegt nur einen Teil der Geschichte. Ein sinnvoller Abnahmeplan beinhaltet einen Probeschnitt, der die für den Käufer relevanten Merkmale hervorhebt. Teilen Sie Zeichnung, Material, vorläufige Vorrichtung, kritische Maße und Prüfmethode mit, bevor der Test vereinbart wird. Ein generischer Aluminiumblock mag zwar zeigen, dass die Maschine schneidet; er sagt jedoch wenig über eine lange Bohrung durch ein Gusseisengehäuse aus.

Welche Maschine ist pro einwandfreiem Teil kostengünstiger?

Die Entscheidung zwischen einem vertikalen und einem horizontalen Bearbeitungszentrum wird deutlicher, wenn beide Verfahren pro akzeptablem Fertigteil und nicht pro Maschine bepreist werden.

Ein vertikales Bearbeitungszentrum ist im Preisvergleich meist die günstigste Option. Das bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass es die kostengünstigste Produktionslösung ist. Ein solches Zentrum kann einen Teil der höheren Investitionskosten durch weniger Rüstzeiten, Bedienereingriffe, Zwischenprodukte und Ausrichtungsfehler wieder einspielen.

Erstellen Sie den Vergleich anhand des vollständigen Routings:

1. Schätzen Sie die Zykluszeit für jeden Arbeitsgang.
2. Hinzu kommen die Zeiten für Be- und Entladen, Sondieren, Waschen und manuelles Umpositionieren.
3. Zählen Sie die benötigten Einrichtungsgegenstände und Qualifikationen für die Einrichtung.
4. Schätzen Sie den Werkzeugverbrauch und die Unterbrechungen durch die Späneentfernung.
5. Berücksichtigen Sie bei jedem Wiedereinspannschritt das zu erwartende Risiko von Nacharbeit oder Ausschuss.
6. Vergleichen Sie die Leistung über eine Schicht, einen Monat und ein Jahr.

Diese Berechnung benötigt keine künstliche Genauigkeit. Selbst eine einfache Spanne ist besser als der Vergleich von Maschinenpreisen ohne Berücksichtigung des Produktionsablaufs. Wenn die HMC bei einer kleinen Jahresserie nur wenige Minuten einspart, kann die VMC weiterhin die bessere Wahl sein. Ersetzt sie jedoch zwei Aufspannungen bei einem Gehäuse für hohe Stückzahlen, kann das Ergebnis ganz anders aussehen.

Was sollte ein aussagekräftiges Angebot für eine Maschine enthalten?

Eine aussagekräftige Angebotsanfrage sollte es dem Lieferanten erschweren, eine Standardantwort zu geben. Senden Sie genügend Informationen für eine technische Diskussion:

• 2D-Zeichnung und, falls vorhanden, ein 3D-Modell.
• Materialzustand und etwaige harte Stellen, Gussflächen oder unterbrochene Schnitte.
• Abmessungen und Gewicht des Roh- und Fertigwerkstücks.
• Kritische Toleranzen, Bezugspunkte und Oberflächenanforderungen.
• Losgröße, Jahresvolumen, Schichtmuster und Umrüsthäufigkeit.
• Bevorzugte Steuerung, Werkzeugschnittstelle, Messtechnik, Kühlmittel und Automatisierungsanforderungen.
• Beschränkungen der Fabrik, wie z. B. Platzverhältnisse, Kranzugang, Stromversorgung und Fundament.

Bitten Sie den Lieferanten anschließend um einen Prozessvorschlag, nicht nur um ein Datenblatt. Die Antwort sollte Maschinentyp, Verfahrweg, Spindeldrehmoment und Drehzahlbereich, Werkzeugkapazität, Vorrichtungskonzept, erwartete Aufspannungen, Prüfplan, Lieferumfang, Installation, Schulung und Kundendienst erläutern.

Wie Zhihe CNC eine Zeichnung in eine Maschinenempfehlung umsetzt

Zhihe CNC nahm 2018 in Zhongshan, Guangdong, den Betrieb auf. Das Produktportfolio umfasst heute vertikale, horizontale, Portal-, Bohr- und Gewindeschneid-, Fräs- und 5-Achs-Bearbeitungszentren. Das veröffentlichte Unternehmensprofil listet über 21 Patente auf, darunter Entwicklungen im Bereich Spindelstrukturen, Werkzeugmagazine, Führungssysteme, Vorrichtungen und Kühlsysteme.

Bei ausgewählten Modellen kann die angegebene Positioniergenauigkeit je nach Maschinenserie, Verfahrweg und Konfiguration +/-0,005 mm und die Wiederholgenauigkeit +/-0,003 mm erreichen. Diese Werte sind für die Vorauswahl hilfreich. Zur Abnahme bietet Zhihe im Rahmen eines projektspezifischen Prüfplans Unterstützung bei der Laserinterferometerkalibrierung, der Kugelstabprüfung und Probeschnitten. Ziel ist es, die Spezifikation mit den tatsächlichen Anforderungen des Kunden in Einklang zu bringen.

Der sinnvollste Ausgangspunkt ist nicht die Modellnummer. Senden Sie uns stattdessen das Werkstückmaterial, die Abmessungen, die Genauigkeitsanforderungen, das Produktionsvolumen und die Zeichnung. Das Ingenieurteam von Zhihe kann dann eine vertikale und eine horizontale Lösung für den tatsächlich benötigten Prozess vergleichen.

Die Produktpalette bietet einen ersten Überblick über die verfügbaren Maschinenkonfigurationen. Das Werks- und Unternehmensprofil liefert zusätzliche Informationen zu Fertigung und Qualitätskontrolle. Sobald die Vorauswahl getroffen ist, senden Sie bitte die Teileinformationen und bitten Sie um eine prozessbasierte Empfehlung anstelle eines reinen Modellangebots.

Fragen, die Käufer vor dem Absenden einer Angebotsanfrage stellen

Wird ein HMC das Teil automatisch schneller bearbeiten?

Nein. Der Vorteil zeigt sich oft zwischen den Schnitten: weniger Umspannvorgänge, weniger Handhabung und besserer Zugang zu mehreren Seitenflächen. Eine einfache Platte kann durch ein Bearbeitungszentrum immer noch mit weniger Aufwand und auf einem kürzeren Gesamtweg geführt werden.

Welche Maschine eignet sich besser für die Formenherstellung?

Ein Bearbeitungszentrum wird häufig für kleine und mittlere Formen, Platten und Formböden eingesetzt. Große Formen erfordern unter Umständen ein Portalbearbeitungszentrum, während komplexe Oberflächen die Fünf-Achs-Fähigkeit rechtfertigen können.

Welche Maschine eignet sich besser für kastenförmige Teile?

Ein HMC ist in der Regel ein starker Kandidat, da mehrere Flächen von einer einzigen Vorrichtung aus bearbeitet werden können und die Späne den Bearbeitungsbereich leichter verlassen.

Kann ein VMC mit vier Achsen ein HMC ersetzen?

Für manche Bauteilfamilien ja. Ein Drehtisch kann das Nachspannen reduzieren und den Zugang zu mehreren Seiten ermöglichen. Prüfen Sie vor der Entscheidung die Drehlast, den Freiraum der Vorrichtung, den Verfahrweg, die Werkzeugreichweite und den erforderlichen Ausstoß.

Warum ist ein horizontales Bearbeitungszentrum in der Regel teurer?

Die Maschinenstruktur, der Drehtisch, das Spänemanagementsystem, die Anforderungen an die Vorrichtungen und die mögliche Paletten- oder Automatisierungskonfiguration erhöhen in der Regel die anfänglichen Investitionskosten.

Welche Informationen werden für ein genaues Maschinenangebot benötigt?

Bitte geben Sie die Zeichnung, das Material, die Roh- und Fertigmaße, das Gewicht, die kritischen Toleranzen, die Losgröße, das Jahresvolumen, die bevorzugte Steuerung sowie alle Automatisierungs- oder Inspektionsanforderungen an.

Wie sollte die Maschinengenauigkeit vor der Auslieferung überprüft werden?

Vereinbaren Sie modellspezifische Geometrie- und Positionierungsprüfungen, prüfen Sie die verfügbaren Laser- und Kugelstabberichte und vereinbaren Sie einen Probeschnitt, wenn das Teilerisiko dies rechtfertigt.

Gibt es bei einem VMC Probleme mit der Chip-Evakuierung?

Nicht unbedingt, aber Späne können in Vertiefungen oder auf horizontalen Flächen zurückbleiben. Kühlmittelzufuhr, Gehäusekonstruktion, Späneabfuhr und Schneidstrategie sollten auf das Material und die Teilegeometrie abgestimmt sein.

Wann ist ein HMC finanziell sinnvoll?

Die Rechtfertigung wird einfacher, wenn ein stabiles Produktionsvolumen die Reduzierung der Rüstzeiten, die Mehrseitenbearbeitung, die Spankontrolle und die unbeaufsichtigte Zeit ermöglicht, um wiederkehrende Einsparungen zu erzielen.

Was ist der beste nächste Schritt vor der Modellauswahl?

Bitten Sie den Lieferanten, beide Maschinenlayouts anhand eines repräsentativen Bauteils und eines vorgeschlagenen Prozesses zu vergleichen. Diese Diskussion ist aussagekräftiger als die Auswahl eines Modells allein anhand von Verfahrweg und Spindeldrehzahl.

Benötigen Sie eine Maschinenempfehlung? Senden Sie Zhihe CNC eine repräsentative Teilezeichnung mit Angabe des Materials, der Rohgröße, der kritischen Toleranzen, der erwarteten Losgröße und des Jahresvolumens. Bitten Sie das Entwicklungsteam um einen Vergleich der Bearbeitungsabläufe: wahrscheinliche Rüstvorgänge, Vorrichtungsansatz, Prüfplan und die Begründung, warum ein vertikales oder horizontales Bearbeitungszentrum der bessere Ausgangspunkt ist. So hat Ihr Team eine konkrete Grundlage für die Prüfung, bevor über eine Modellnummer gesprochen wird.