Fräsen ➥ Das universelle Zerspanungsverfahren

Grundlagen und Verfahrensinformationen

Frästeile sind Bauteile aus Metall, Kunststoff oder Holz und finden in der heutigen Fertigungsindustrie vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Die Fertigung von Frästeilen erfolgt mittels eines Fräswerk-zeuges auf CNC-gesteuerten Fräsmaschinen. Beim Fräsen werden ebene Flächen oder Konturen gefräst. Dabei wird die benötigte Schnittgeschwindigkeit durch Rotation des Schneidewerkzeuges, gegenüber dem fest im Maschinentisch eingespannten Werkstücks erzeugt. Nach jeder Umdrehung des Fräswerkzeuges erfolgt auf den Eingriff der Schneiden, der Austritt aus dem Frästeil und die Kühlung. Durch den unterbrochenen Schnitt beim Fräsen schwanken Schnittkraft und Temperatur an der Schneide. Die zur Formgebung erforderliche Vorschubbewegung wird durch verschieben des Maschinentisches oder durch Bewegung des Werkzeuges um das Werkstück herum erreicht. Fräsen ist ein zerspanendes Verfahren und zählt nach DIN 8580 zu der Gruppe der Trennverfahren.

Die Zerspanungsparameter beim Fräsen

Die Ermittlung der optimalen Zerspanungsparameter ermöglicht ein wirtschaftliches Fräsen und garantiert die Fertigung von Frästeilen mit einer hohen Bauteilegenauigkeit sowie Oberflächengüte.

Die erforderliche Schnittgeschwindigkeit ist beim Fräsen abhängig vom Schneidstoff und Werkstoff, sowie von der gewünschten Maßgenauigkeit und Oberflächengüte des Frästeils. Um eine wirtschaftliche Fertigung von Frästeilen zu ermöglichen, sollte die Schnittgeschwindigkeit möglichst groß gewählt werden, da dies die Standzeiten der Fräswerkzeuge erhöht.

Die optimale Vorschubbewegung bestimmt bei der Fräsbearbeitung die erreichbare Oberflächengüte und die Schneidbelastung. Mit der Vergrößerung des Vorschubes nehmen die Spanungsdicke und Schnittkraft sowie der Werkzeugverschleiß zu.

Die Spanungsdicke ist nur beim Stirnfräsen ein fester Parameter, während beim Umfangsfräsen die Spanungsdicke aufgrund des kommaförmigen Spanens nur schwer zu erreichen ist. Daher ist es sinnvoll die Schneidenbelastung über die mittlere Spanungsdicke zu bewerten. Dagegen wird die Dicke des Spanes beim Umfangsfräsen über die Schnitttiefe, Fräsdurchmesser und dem Vorschub je Zahn ermittelt.

Die Schnittbreite gibt bei der Fertigung von Frästeilen an, wie breit das Fräswerkzeug in das Werkstück eingreift. Die optimale Schnittbreite sollte ca. 2/3 vom Werkzeugdurchmesser betragen.

Bei der Schnitttiefe unterscheidet man zwischen der radialen und axialen Schnitttiefe. Die radiale Schnitttiefe bezeichnet beim Schaftfräsen und Scheibenfräsen als die radiale Einstellung des Werkzeuges. Wogegen die axiale Schnitttiefe beim Schaftfräsen und Planfräsen, die axiale Einstelltiefe des Fräswerkzeuges und somit auch wesentlich das Zeitspanungsvolumen bestimmt.

Der Eingriffswinkel ist der Winkel, zwischen dem Eintritt und Austritt des Fräswerkzeuges und bestimmt die Anzahl der sich gleichzeitig im Eingriff befindlichen Schneiden. Einen ruhigen Schnittverlauf erreicht man durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Schneiden.

Das Zeitspanungsvolumen gibt das abgetragene Volumen des Werkstückes pro Minute an und ist somit ein wesentliches Kriterium für die Wirtschaftlichkeit eines Fertigungsverfahrens.

Grundlagen und Einordnung der Frästechnik

Welche Werkstoffe lassen sich Fräsen?

Fräsen ist ein zerspanendes Fertigungsverfahren für die Herstellung von Frästeilen aus Metall, Kunststoff und Holz. Je nach den zu bearbeitenden Werkstoffen gibt es Unterschiede bei der Bearbeitung.

Die Fräsbearbeitung von Kunststoff

Bei der Fertigung von Frästeilen aus Kunststoff wird mit einer mittleren Schnittgeschwindigkeit gearbeitet. Je nach Art des zu bearbeitenden Kunststoffes kommen als Kühlschmiermittel Wasser oder Alkohol zum Einsatz. Dabei garantieren eine optimale Einstellung der Maschinenparameter und modernste HSC-Werkzeug-Fräsmaschinen die Fertigung von Kunststofffrästeilen für höchste Qualitätsansprüche. So können Standartkunststoffe wie POM, PA, PE, PVC sicher und präzise bearbeitet werden.

CNC-Formfräsen von Wellen aus Edelstahl

Fräsen von Metall

Bei der Fertigung von Frästeilen aus Metall, umfasst die Schnittgeschwindigkeit ein breites Anwendungsspektrum und richtet sich nach der Härte und Festigkeit des zu bearbeitenden Metalls. Werden bei der Fertigung von Metallfrästeilen keine großen Ansprüche an Präzision und Wirtschaftlichkeit gestellt, wird häufig mit einer Schnittgeschwindigkeit von ungefähr 20–300 m/min. gearbeitet. Dagegen sind bei der Herstellung von Präzisionsfrästeilen und in der Serienfertigung von CNC-Frästeilen Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 10.000 m/min möglich und die Schneidparameter sind optimal aufeinander abgestimmt. Häufig kommen dabei Kühlschmierstoffe zum Einsatz, doch geht die Tendenz zu einer trockenen Fertigung von metallischen Frästeilen, da die Kosten für den Einsatz von Kühlschmierstoffen zwischen 10 und 20 % der Fertigungskosten ausmachen. Dies macht sich gerade in der Serienfertigung von metallischen Frästeilen bemerkbar.

Abfräsen von Holzrundungen für Gebilde

Wie werden Holzfrästeile gefertigt?

Frästeile aus Holz werden mit einer sehr hohen Schnittgeschwindigkeit und ohne Kühlschmiermittel gefertigt. Beim Bearbeitungsprozess bildet sich an der Werkstückoberfläche eine hohe Wärmeentwicklung, da Holz ein schlechter Wärmeleiter ist. Deshalb sollten bei der Fertigung von Holzfrästeilen Vorschub und Frästiefe optimal angepasst sein, um Brandspuren an der Oberfläche des Holzfrästeiles zu vermeiden.

Für die Bearbeitung von Zylindern kommt oft Formfräsen zum Einsatz

Die Verfahren der Frästechnik

Fräsen ist neben Drehen eine unverzichtbare Basistechnologie für die spanende Fertigungstechnik. Im Allgemeinen untergliedert man die Frästechnik in das konventionelle Fräsen und CNC-Fräsen. Lange Zeit kamen in der allgemeinen Fertigungsindustrie ausschließlich konventionelle Fräsmaschinen zum Einsatz, welche heute durch die Einführung CNC-gesteuerter Fräsmaschinen abgelöst worden sind. Diese hochmodernen Bearbeitungszentren haben die Methoden beim Fräsen soweit perfektioniert, dass handgesteuerte Frässysteme nur noch für Ausbildungszwecke verwendet werden.

Die konventionelle Fertigung von Frästeilen

Beim Hand- oder mechanisch gesteuerten Fräsen werden alle drei Achsen über Handräder oder einfachen maschinellen Vorschubeinrichtungen manuell bedient und die einzelnen Einstellungen an Skalen abgelesen.

Automatisierte Fraesbearbeitung durch CNC-gesteuerte Technik

Wie erfolgt das CNC-Fräsen?

Beim der Fertigung von CNC-Frästeilen kommen numerisch gesteuerte Fräsmaschinen zum Einsatz, welche auch bei großen Stückzahlen eine gleichbleibende Qualität der Frästeile gewährleisten. Diese hochtechnologisierten Bearbeitungszentren verfügen über eine automatisierte Bahnsteuerung für bis zu 8 Achsen und der gesamte Fertigungsprozess wird von Sensoren überwacht. Die einzelnen Achsen könne dabei einzelnen oder zusammen mit Vorschüben gesteuert werden und die Verfahrenswege werden mit sogenannten Glasmessleisten gemessen. In Verbindung mit einem integriertem Werkzeugwechsler und einem Werkzeugmagazin kann der Fertigungsablauf voll automatisiert durchgeführt werden. Unterstützend wirken sich auch werkstattspezifische Programmiersysteme aus, mit welchen auch anspruchsvolle Fräsaufgaben schnell und einfach programmiert werden können. Ergänzend kommen die Werkzeugverwaltung mit der Standzeitüberwachung und die Echtzeitsimulation der Frästeilebearbeitung zu.

Hier werden das Gleichlauffräsen und weitere Verfahren beschrieben

Die Verfahren der Frästechnik nach DIN 8589

• Planfräsen erfolgt mit Fräsköpfen und erzeugt ebene Flächen
• Eckfräsen für die Bearbeitung von Absätzen und großen Flächen
• Formfräsen kommt für die Fertigung räumlicher Flächen zu Einsatz
• Profilfräsen für die Fräsbearbeitung von Führungen
• Wasserstrahlfräsen erfolgt mit einem Hochdruckwasserstrahl
• Walzfräsen kommt bei der Fertigung von Zahnrädern zum Einsatz
• Schraubfräsen wird zum Fräsen von Schrauben und Spindeln verwendet
• Rundfräsen findet Anwendung für die Fertigung zylindrischer Frästeile
• Schlagzahnfräsen gewährleistet eine hohe Oberflächengüte
• Tauchfräsen eignet sich dazu, um große Tiefen auf einmal zu zerspanen

Gleichlauffräsen

Beim Gleichlauffräsen bewegt sich die schnell rotierende Werkzeugschneide in Richtung des Vektors der Werkstückvorschubrichtung und dringt im Gegensatz zum Gegenlauffräsen, ohne Angleiten sehr schnell in das Werkstück ein. Somit ist die Schnittkraft beim Schneideneintritt am größten und verringert sich kontinuierlich mit der abnehmenden Spanungsdicke. Da der Span beim Gleichlauffräsen zum Schneidenaustritt hin immer dünner wird, ist auch die Fertigung von Frästeilen mit einer hohen Oberflächenqualität möglich. Doch sollten Anwender beim Fräsen im Gleichlauf darauf achten, dass stets eine Schneide im Eingriff ist und die Vorschubeinrichtung des Schlittens der Fräsmaschine absolut spielfrei arbeitet. Die Vorschubgeschwindigkeit kann beim Gleichlauffräsen mit der gleichen Standzeit wie beim Gegenlauffräsen um 50% erhöht werden, da der Schneiden- und Freiflächenverschleiß geringer ist.

Gegenlauffräsen

Beim Gegenlauffräsen ist die Drehbewegung des Fräswerkzeuges gegen die Vorschubbewegung des Werkstückes gerichtet. Bevor die Schneide in das Material eintritt, kommt es zu einem Anfangsgleiten der Schneide über die Werkstückoberfläche, welches mit einem starken Freiflächenverschleiß verbunden ist. Dies verfestigt das vorhandene Gefüge, sodass eine Reibung entsteht und die Schneide in den Werkstoff dringt. Dabei ist die Schneidkraft noch gering, da noch wenig Material abgetragen werden muss. Der Kraftaufwand steigt mit der Dauer des Fräsvorgangs und erreicht seinen maximalen Wert, kurz bevor der Kommaspan abgetrennt wird. Da beim Gegenlauffräsen der Fräser bei der Spanbildung zum Werkstück gezogen wird, können weiche Werkstoffe aufgrund der hohen Zerspanungskräfte vom Aufspanntisch abgehoben werden.

Edelstahl kann durch durch HSC-Fräsen sicher bearbeitet werden

HSC-Fräsen

Das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Werkstücken ist eine effektive Alternative zum Erodieren und unterscheidet sich zu den konventionellen Fräsverfahren durch wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten bei allen Werkstoffgruppen. Im HSC-Bereich liegen die Schnittgeschwindigkeiten fünf bis zehnmal höher als beim konventionellen Fräsen. Weitere Merkmale sind auch die Erhöhung des Vorschubes pro zahn und die kleine radiale Schnitttiefe. HSC-Fräsen garantiert Anwendern umfangreiche Vorteile. So bestechen HSC-Frästeile durch eine hohe Oberflächengüte und einem großen Zeitspanungsvolumen. Aufgrund der umfangreichen Vorteile kommt das HSC-Fräsen in vielen Branchen der allgemeinen Industrie zum Einsatz. Häufige Anwendungsgebiete von HSC-Frästeilen sind der Werkzeug- und Formenbau, bei der Herstellung von Metall- und Grafitelektroden, dem Motorenbau und in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Das 5-Achsen-Fräsen im industriellen Fertigungsprozess

Fazit ⇒

Fräsen ist neben dem Drehen das führende Fertigungsverfahren auf dem Gebiet der Zerspanungstechnik und besticht durch eine hohe Qualität sowie Flexibilität. Gerade die neuesten Entwicklungen führender Hersteller von Fräsmaschinen, haben die Frästechnik noch effektiver werden lassen. So können heutzutage Frästeile auf Maschinen mit bis zu 8 Achsen sehr schnell und präzise gefertigt werden. Diese und weitere innovative Fertigungslösungen werden auch in Zukunft eine wirtschaftliche Fertigung von Frästeilen der unterschiedlichsten Art gewährleisten.