Gewindefräsen beherrschen:Experten-CNC-Gewindeschneidtechniken und Best Practices

Was ist Gewindefräsen?

Wir beginnen mit einer technischen Einführung in das Gewindefräsen. Dabei handelt es sich um eine Art Fräsvorgang, bei dem mit einem Gewindefräser Innen- oder Außengewinde in ein Werkstück eingebracht werden. Beim Gewindefräsen dreht sich das Werkzeug (ein Fräsprozess) und folgt einem spiralförmigen Werkzeugweg.

Das CNC-Gewindefräsen ist ein hochpräziser Prozess, da sich das Schneidwerkzeug in Koordination mit den Maschinenachsen bewegt und dabei fortschrittliche Interpolationstechniken nutzt. Das CNC-Gewindeschneiden bietet dem Benutzer ein hohes Maß an Kontrolle und Vielseitigkeit und ist darüber hinaus eine sicherere Alternative zu anderen Gewindeschneidvorgängen.

Schlüsselparameter beim Gewindefräsen

Das Gewindeschneiden ist ein komplexer Fräsprozess mit mehreren Kernparametern. Diese Parameter beziehen sich auf den Schneidvorgang und auch auf die synchrone Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück.

In den folgenden Abschnitten werden die wichtigen Gewindefräsparameter beschrieben.

Thread Pitch

Die Gewindesteigung ist wohl der wichtigste Parameter für Gewindeschneidvorgänge. Jedes Gewindedesign hat ein bestimmtes Gewinde, das definiert, wie weit benachbarte Gewinde voneinander entfernt sind.

Das Schneidwerkzeug muss entsprechend der Gewindesteigungsdefinition vorrücken, um die richtige Gewindesteigung zu schneiden. Dies wirkt sich typischerweise auf die Werkzeugweg- und Spiralbewegungsplanung in der CAM-Programmierphase des Prozesses aus.

Spindle Speed

Die Spindeldrehzahl bestimmt, wie schnell sich das Werkzeug um seine Achse dreht. Die übliche Einheit für die Spindelgeschwindigkeit ist Umdrehungen pro Minute (RPM). Maschinisten wählen die Spindeldrehzahl basierend auf dem Werkstückmaterial, dem Werkzeugdurchmesser und den Überlegungen zur Werkzeuglebensdauer.

Im Allgemeinen sind beim CNC-Gewindeschneiden höhere Geschwindigkeiten vorzuziehen, um die Produktivität und Oberflächenqualität zu maximieren. Allerdings erzeugen zu hohe Geschwindigkeiten auch Wärme und damit Maßungenauigkeiten.

Cutting Feed

Der Schnittvorschub, gemessen in den Einheiten mm/U, mm/min oder mm/Zahn, bestimmt, wie sich der Gewindefräser entlang seines Werkzeugwegs bewegt. Höhere Schnittvorschübe führen zu schnelleren Ergebnissen, verschlechtern jedoch die Oberflächengüte und Genauigkeit, die bei den meisten Gewindekomponenten die Hauptaspekte sind. Diese Regeln gelten für alle Fräsprozesse wie das Nutenfräsen.

Bei einem Gewinde mit hoher Rauheit oder schlechter Oberfläche besteht die Gefahr, dass es sich verklemmt, übermäßig viel Kraft erfordert und das Teil ruiniert.

Im Allgemeinen sind Vorschübe im Bereich von 0,05–0,15 mm/Zahn der akzeptierte Industriestandard.

Depth of Cut

Die Schnitttiefe steuert, wie tief das Werkzeug in die Werkstückoberfläche schneidet. Eine geringere Schnitttiefe eignet sich für schwer zu schneidende Metalle, erfordert jedoch mehr Durchgänge, um die richtige Gewindetiefe zu erreichen.

Im Gegenteil, Fertigungsingenieure bevorzugen das Schneiden in einem Durchgang für kleinere Gewindegänge und leicht zu schneidende Materialien. In diesem Fall entspricht die radiale Schnitttiefe der Gewindetiefe.

Gewindefräsen im Vergleich zu anderen Gewindeschneidoperationen

Das Gewindefräsen ist nicht die einzige Art der Gewindebearbeitung. Zum Schneiden von Gewinden steht dem Maschinisten eine Reihe von Gewindeschneidtechniken zur Verfügung. Allerdings hat jeder Prozess seine Vor- und Nachteile.

Werfen wir einen kurzen Blick darauf, wie sich das CNC-Gewindeschneiden im Vergleich zu herkömmlichen Gewindeschneidmethoden schlägt.

Gewindefräsen vs. Gewindeschneiden

Gewindeschneiden ist eine Gewindeschneidmethode, bei der der Fräser (ein Gewindebohrer) wie ein Bohrer in das Loch/über den Schaft fährt und dabei Gewinde schneidet.

Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Methoden besteht darin, dass beim Gewindefräsen Gewinde mit verschiedenen Durchmessern und Steigungen geschnitten werden können, während ein Gewindebohrer auf einen bestimmten Durchmesser und eine bestimmte Steigung beschränkt ist. Gewindebohrer sind außerdem für ihre schlechte Spanabfuhr und gelegentliche Brüche bekannt.

Das Gewindeschneiden bleibt jedoch aufgrund seiner höheren Geschwindigkeit und geringeren Kosten, die ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für die geringere Maßgenauigkeit bieten, in Maschinenwerkstätten eine beliebte Wahl.

Gewindefräsen vs. Gewindedrehen

Der Hauptunterschied ist hier einfach. Das Gewindedrehen erfolgt auf der Drehmaschine, das Gewindefräsen erfolgt auf einer Fräsmaschine.

Das Gewindedrehen eignet sich besser für zylindrische Teile mit großen Durchmessern und Konzentrizitätsanforderungen. Das Gewindefräsen hingegen ist hinsichtlich der Werkzeugwege und der Handhabung komplexer Geometrien vielseitiger.

Gewindefräsen vs. Gewinderollen

Beim Gewinderollen handelt es sich um einen Umformprozess, bei dem im Gegensatz zum Fräsen kein Material zerschnitten wird.
Beim Gewindewalzen wird das Werkstück zwischen Schmiedegesenke gelegt, wobei das Gewindedesign in die Oberfläche eingeschnitten wird. Durch Anwendung von Temperatur und Druck formen sie die Gewinde auf der Werkstückoberfläche. Typischerweise führt dies aufgrund des Kaltschmiedeprozesses zu stärkeren und glatteren Gewinden.

Das Gewindewalzen erfordert jedoch spezielle und teure Ausrüstung und ist hinsichtlich der Gewindegeometrie und -steuerung nicht so vielseitig wie das Gewindefräsen.

Typen von Gewindefräsern

Das Gewindefräsen ist ein vielseitiges Verfahren, bei dem Fertigungsingenieuren und Technikern eine Vielzahl von Fräsern zur Verfügung stehen. In den folgenden Abschnitten werden die wichtigsten Arten von CNC-Gewindewerkzeugen behandelt.

Straight Flute

Gerade genutete Gewindefräser haben Schneidkanten parallel zur Werkzeugachse. Diese Konfiguration macht sie steif und eignet sich perfekt für den Einsatz bei weichen Materialien und Gewindeschneidvorgängen mit niedriger Geschwindigkeit. Im Allgemeinen sind sie aufgrund ihrer Steifigkeit widerstandsfähig gegen Durchbiegungen und Brüche.

Da es jedoch keinen Spiralwinkel gibt, kann die Spanabfuhr bei der Verwendung von Fräsern mit gerader Nut eine Herausforderung darstellen. Daher ist ihr Einsatz auf flache Gewinde beschränkt.

Helical Flute

Spiralnutfräser weisen, wie der Name schon sagt, einen Spiralwinkel an den Schneidkanten auf, der ihnen ihre charakteristische spiralförmige Form verleiht. Der Spiralwinkel unterstützt das Lastmanagement und die Spanabfuhr und macht sie für schwer zu schneidende Materialien geeignet.

Gewindefräser mit spiralförmiger Nut eignen sich besser für aggressive Schnittparameter und unterstützen hohe Geschwindigkeiten und Vorschübe ohne Probleme wie Vibrationen und Rattern.

Single Profile

Einprofilfräser, auch Einspitzfräser genannt, haben am Ende ihrer Länge nur eine Zahnreihe. Dieses Konstruktionsmerkmal macht sie sehr vielseitig, da die Maschinisten dann eine separate Kontrolle über jedes Gewinde erhalten.

Diese Gewindefräser eignen sich vor allem für kundenspezifische Gewindebearbeitungsaufgaben wie Gewinde mit variabler Steigung.

Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie eine hohe Anzahl von Durchgängen erfordern, um das Gewinde fertigzustellen, da sie nur eine Schneidkante haben. Daher sind sie keine beliebte Wahl für Standard-Gewindedesigns.

Interne/externe Stufen

Gewinde können innen sein, wie bei Gewinden in Löchern, oder außen, wie bei Bolzen oder Stehbolzen. Für beide Gewindetypen gibt es spezielle Gewindefräser.

Bei internen CNC-Gewindebearbeitungen steht beispielsweise nicht viel Platz für das Werkzeug zur Verfügung, da es sich innerhalb einer Bohrung befindet. Daher verfügen Innengewindefräser über eine Bohrstangenkonstruktion mit einer kleinen hervorstehenden Schneidkante.

Außengewindefräser ähneln eher Schaftfräsern mit regelmäßigen Spannuten, Werkzeuggeometrie und Gewinden.

Vorteile und Grenzen des Gewindefräsens

Das Gewindefräsen ist nicht der einzige Bearbeitungsvorgang, bei dem Gewinde in Werkstücke geschnitten werden. Da alternative Optionen zur Verfügung stehen, haben Ingenieure den Luxus, das beste Gewindeverfahren für ihre Anwendung auszuwählen.

Vorteile des Gewindefräsens

• Flexibilität :CNC-Gewindefräsen ist sehr vielseitig. Ein Eingewindefräser kann verschiedene Gewindearten, Gewindegrößen und Steigungen schneiden.
• Bessere Kontrolle :Das Gewindefräsen gibt Maschinisten eine bessere Kontrolle bei der Bewältigung von Problemen wie Sacklochgewindeschneiden, schwer zu schneidenden Materialien und Werkzeugbruch.
• Qualität :Beim CNC-Gewindeschneiden entstehen im Vergleich zu anderen Gewindeschneidtechniken im Allgemeinen glatte und gratfreie Gewinde. Dies liegt vor allem an der präzisen Steuerung auf CNC-Niveau und der Qualität der Gewindefräser.
• Bessere Spanabfuhr :Optimale Spanabfuhrprogramme und hohe Bewegungsgenauigkeit führen zu einer effizienteren und sichereren Spanentsorgung bei CNC-Gewindebearbeitungen.

Nachteile des Gewindefräsens

• CNC-Abhängigkeit :Das Gewindefräsen kann auf einer manuellen Fräsmaschine nicht bequem und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Für Präzisionsanwendungen müssen sich Bediener daher auf eine CNC-Maschine zur Herstellung von Gewinden verlassen.
• Werkzeugkosten :Gewindefräser haben besondere geometrische Merkmale, wodurch sie teurer sind als herkömmliche Fräser.
• Hohe Geschwindigkeitsanforderung :Feines CNC-Gewindeschneiden erfordert Hochgeschwindigkeitsmaschinen, die nicht immer in jeder Maschinenwerkstatt verfügbar sind.

Best Practices für das CNC-Gewindefräsen

Bearbeitungsexperten befolgen bei der Planung eines CNC-Gewindefräsvorgangs eine Reihe von Best Practices. Die folgenden Punkte fassen diese Richtlinien zusammen:

• Helixinterpolation :Spiralförmige Werkzeugwege sind die bevorzugte Methode zum Programmieren von CNC-Gewindefräsvorgängen. Am besten verwenden Sie Standardcodes wie G32/G33 für Gewindeschneidvorgänge.
• Anfasung/vorgebohrtes Startloch :Experten empfehlen, vor dem Gewindefräsen Fasen oder vorgebohrte Löcher zu verwenden. Diese Funktionen führen den Gewindeschneider in die richtige Position, reduzieren die Schnittbelastung und ermöglichen einen reibungslosen Einstieg in den Schnitt.
• Gleichlauffräsen :Gleichlauffräsen ist für das CNC-Gewindeschneiden vorzuziehen, da es eine glatte Oberfläche erzeugt. Beim konventionellen Fräsen reibt der Fräser an der Gewindeoberfläche und hat aufgrund von Hitze und Reibung eine geringere Standzeit.
• Schneiden in mehreren Durchgängen :Die Bearbeitung des gesamten Gewindes in einem Durchgang (eine Schnitttiefe) kann zu einer rauen Oberflächengüte und hohen Schnittkräften führen. Mehrere radiale Durchgänge können die Gewindequalität drastisch verbessern.
• Kleiner Fräserdurchmesser :Der Fräserdurchmesser beeinflusst den Werkzeugweg. Ein kleiner Fräser benötigt einen Schnittweg mit größerem Durchmesser, damit sein Zentrum sehr nahe an der Gewindeschneidfläche verlaufen kann. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Formfehlern im Gewindeprofil.
• Werkzeugweg optimieren :Werkzeugwegfunktionen wie Ein-/Ausfahr- und Interpolationstechniken können in der CAM-Software optimiert werden, was zu weniger Vibrationen, Fräserausfällen und Qualitätsproblemen führt.
• Kühlmittelstrategie :Der Kühlmittelauftrag beeinflusst die Qualität der bearbeiteten Oberfläche. Bestimmte Materialien wie Edelstahl werden für eine wirksame Schmierung der Schneidzone verwendet. In manchen Fällen ist jedoch eine Trockenbearbeitung vorzuziehen, um einen Thermoschock an der Schneidschnittstelle zu vermeiden.

Häufige Anwendungen des Gewindefräsens

Das CNC-Gewindefräsen ist ein universeller Prozess in jeder Maschinenwerkstatt. Da die meisten mechanischen Komponenten Teil größerer Baugruppen sind, stößt man häufig auf Gewindeelemente.

Hier ist eine Liste einiger gängiger industrieller Anwendungen des Gewindefräsens:

• Motorblöcke für Kraftfahrzeuge :Schrauben sind die erste Wahl für die Montage verschiedener Motorblöcke. Darüber hinaus verfügen die meisten Sensoren, wie z. B. Temperatursensoren, auch über Gewinde zur Montage.
• Medizin :Bei Knochenschrauben und Zahnimplantaten werden üblicherweise Präzisionsgewindefrästeile verwendet, um eine stabile und bequeme Befestigung zu gewährleisten.
• Gehäuse:Mehrteilige Gehäuse verfügen über Feingewinde zur Aufnahme von Befestigungsschrauben. Zum Beispiel elektronische Gehäuse und Smartphone-Gehäuse.
• Halterungen und Gehäuse für die Luft- und Raumfahrt :Platten, Avionikgehäuse und Halterungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie werden oft über Gewindekomponenten verbunden, die mit hochpräzisen CNC-Gewindefräsvorgängen hergestellt werden.

WayKen bietet hochpräzise CNC-Fräsdienstleistungen für Metalle und Kunststoffe und unterstützt sowohl die Prototypenerstellung als auch die Kleinserienproduktion. Ausgestattet mit fortschrittlichen 3- bis 5-Achsen-Bearbeitungszentren bearbeitet das Team komplexe Geometrien, feine Details und enge Toleranzen mit gleichbleibender Genauigkeit. Von Luft- und Raumfahrt- und Automobilkomponenten bis hin zu medizinischen Geräten und elektronischen Gehäusen sind CNC-Fräsvorgänge auf Effizienz, Oberflächenqualität und Zuverlässigkeit optimiert und stellen sicher, dass die Teile den anspruchsvollen Anforderungen verschiedener Branchen gerecht werden.

Um diese Diskussion über das Gewindefräsen abzuschließen:Das CNC-Gewindeschneiden ist eine der Kernbearbeitungstechniken zur Herstellung mechanischer Gewinde. Sie bieten mehrere Vorteile, wie z. B. hohe Steifigkeit, Maßhaltigkeit und Vielseitigkeit hinsichtlich verschiedener Gewindearten.