I. Der strategische Wert von 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen Die Maschinenbauindustrie ist das Rückgrat der nationalen Industrie. Sie liefert entscheidende Mittel für die Entwicklung neuer Technologien und Produkte sowie für die moderne industrielle Produktion und ist somit eine unverzichtbare strategische Branche. Selbst hochentwickelte Industrieländer messen ihr große Bedeutung bei. In den letzten Jahren hat sich mit der rasanten Entwicklung der nationalen Wirtschaft und dem Bedarf an nationaler Verteidigung ein dringender und erheblicher Bedarf an High-End-CNC-Werkzeugmaschinen ergeben. Werkzeugmaschinen sind ein Symbol für das Produktionsniveau eines Landes. Das 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinensystem repräsentiert die höchste Stufe der Werkzeugmaschinenfertigung und spiegelt gewissermaßen den industriellen Entwicklungsstand eines Landes wider. Lange Zeit haben westliche Industrieländer, allen voran die Vereinigten Staaten, 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinensysteme als wichtige strategische Güter betrachtet und ein Exportlizenzsystem eingeführt. Insbesondere während des Kalten Krieges verhängten sie eine Blockade und ein Embargo gegen China, die ehemalige Sowjetunion und andere sozialistische Länder. Militärbegeisterte kennen vielleicht den berühmten „Toshiba-Vorfall“: Ende des 20. Jahrhunderts verkaufte Toshiba mehrere Fünf-Achs-CNC-Fräsmaschinen an die Sowjetunion. Dadurch wurden die von den Sowjets im U-Boot-Bau verwendeten Propeller erheblich verbessert und waren für das Sonar amerikanischer U-Boote nicht mehr ortbar. Die USA warfen Toshiba daraufhin vor, gegen das Embargo für strategische Güter verstoßen zu haben, und strebten Strafmaßnahmen an. Dies verdeutlicht den entscheidenden Einfluss von Fünf-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen auf die Luftfahrt-, Raumfahrt-, Militär-, Forschungs-, Präzisionsinstrumenten- und Medizintechnikindustrie. Heute gelten Fünf-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen als die einzige Möglichkeit, Laufräder, Schaufeln, Schiffspropeller, schwere Generatorrotoren, Dampfturbinenrotoren und große Dieselmotor-Kurbelwellen zu bearbeiten. Daher greifen Anwender bei der Konstruktion und Entwicklung komplexer, gekrümmter Oberflächen häufig auf Fünf-Achs-CNC-Systeme zurück. Die hohen Kosten von Fünf-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen und die Schwierigkeit der NC-Programmierung hemmen deren breite Anwendung. Dank der bahnbrechenden Entwicklung von CAD- und CAM-Systemen haben jedoch in den letzten Jahren viele chinesische CNC-Unternehmen, wie beispielsweise Shanxing, Fünf-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen auf den Markt gebracht, ausländische Technologieblockaden durchbrochen, sich eine führende Position in dieser strategischen Branche erarbeitet und die Anwendungskosten deutlich gesenkt. Dies hat eine neue Ära für Chinas Maschinenbau eingeläutet! Die Entwicklung der modernen Wissenschaft, insbesondere der Informationstechnologie, hat dem Maschinenbau neue Impulse verliehen und gleichzeitig höhere Anforderungen an ihn gestellt. Dies unterstreicht die unersetzliche Rolle des Maschinenbaus als Motor der Hightech-Industrialisierung und fördert den technologischen Fortschritt und die industrielle Modernisierung der gesamten Gesellschaft. Als treibende Kraft für das nationale Wirtschaftswachstum und die technologische Modernisierung wird der Maschinenbau, geprägt durch die Vernetzung von fünf Achsen, parallel zur Entwicklung von Hochtechnologie und Zukunftsbranchen voranschreiten. China strebt nicht nur danach, ein bedeutendes Produktionsland, sondern eine weltweit führende Produktionsmacht zu werden! Mit der zunehmenden Verbreitung von 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen wird in naher Zukunft voraussichtlich eine solide Grundlage dafür geschaffen, dass China zur stärksten Nation der Welt aufsteigt! II. 5-Achs-Bearbeitungszentren Bearbeitungszentren werden im Allgemeinen in vertikale und horizontale Bearbeitungszentren unterteilt. Vertikale (3-Achs-)Bearbeitungszentren können nur die Oberseite des Werkstücks effektiv bearbeiten, während horizontale Bearbeitungszentren, selbst mit Drehtisch, nur vier Seiten des Werkstücks bearbeiten können. Aktuell entwickeln sich High-End-Bearbeitungszentren in Richtung 5-Achs-Steuerung. 5-Achs-Bearbeitungszentren zeichnen sich durch hohe Effizienz und hohe Präzision aus und ermöglichen die Bearbeitung von fünf Seiten eines Werkstücks in einer einzigen Aufspannung. Mit einem High-End-5-Achs-CNC-System können sie auch die hochpräzise Bearbeitung komplexer Oberflächen durchführen und eignen sich daher für die Bearbeitung moderner Formen, wie z. B. Automobilteile und Flugzeugstrukturkomponenten. (Dieser Abschnitt stellt vertikale Fünf-Achs-Bearbeitungszentren vor.) Vertikale Fünf-Achs-Bearbeitungszentren verfügen über zwei Arten von Drehachsen: die Tischdrehachse. Der auf dem Maschinentisch montierte Tisch kann sich um die X-Achse (A-Achse) drehen. Die A-Achse arbeitet typischerweise in einem Bereich von +30° bis -120°. In der Mitte des Tisches befindet sich außerdem ein Drehtisch, der sich um die Z-Achse (C-Achse) dreht (siehe Abbildung). Die C-Achse dreht sich um 360°. Durch die Kombination von A- und C-Achse können die fünf Flächen eines auf dem Arbeitstisch fixierten Werkstücks (ohne Unterseite) mit der Vertikalspindel bearbeitet werden. Der minimale Indexierungswert von A- und C-Achse beträgt typischerweise 0,001°, wodurch das Werkstück in beliebige Winkel unterteilt werden kann, um geneigte Flächen, Bohrungen usw. zu bearbeiten. Sind A- und C-Achse mit den XYZ-Linearachsen verknüpft, lassen sich komplexe, räumlich gekrümmte Flächen bearbeiten. Dies erfordert jedoch ein leistungsstarkes CNC-System, ein Servosystem und entsprechende Software. Die Vorteile dieser Konfiguration liegen in der relativ einfachen Spindelstruktur, der hohen Spindelsteifigkeit und den geringen Fertigungskosten. Allerdings kann der Arbeitstisch in der Regel nicht zu groß dimensioniert werden und seine Tragfähigkeit ist relativ gering, insbesondere bei einer Drehung der A-Achse von 90 Grad oder mehr, da die Werkstückbearbeitung ein hohes Drehmoment auf den Arbeitstisch ausübt. Ein anderer Ansatz basiert auf der Rotation des vertikalen Spindelkopfes. Das vordere Ende der Spindel bildet einen Drehkopf, der sich um 360 Grad um die Z-Achse drehen kann und somit die C-Achse bildet. Der Drehkopf verfügt außerdem über eine A-Achse, die sich typischerweise um ±90 Grad oder mehr um die X-Achse drehen kann und damit dieselbe Funktion wie oben beschrieben erfüllt. Der Vorteil dieser Konfiguration liegt in ihrer hohen Flexibilität bei der Spindelbearbeitung, die sehr große Arbeitstische ermöglicht. Selbst massive Flugzeugrümpfe und riesige Triebwerksgehäuse können auf diesen Bearbeitungszentren bearbeitet werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass bei der Bearbeitung gekrümmter Oberflächen mit Kugelkopffräsern die Oberflächenqualität am Scheitelpunkt aufgrund der dort nullen Umfangsgeschwindigkeit – wenn die Werkzeugachse senkrecht zum Werkstück steht – schlecht ist. Durch die Verwendung einer rotierenden Spindel, die sich relativ zum Werkstück dreht, kann der Kugelkopffräser den Schnitt am Scheitelpunkt vermeiden und eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit beibehalten, was die Oberflächengüte verbessert. Diese Konstruktion ist besonders geeignet für die hochpräzise Bearbeitung gekrümmter Oberflächen von Formen, was mit tischbasierten Drehbearbeitungszentren schwer zu erreichen ist. Um eine hohe Rotationsgenauigkeit zu erzielen, sind hochwertige Drehachsen zudem mit einer kreisförmigen linearen Skalenrückführung ausgestattet, die eine Indexiergenauigkeit innerhalb weniger Sekunden ermöglicht. Die Rotationskonstruktion solcher Spindeln ist jedoch komplexer und die Herstellungskosten sind höher.