Seitenfräsen:Typen, Parameter und Hauptanwendungen

Was ist Seitenfräsen?

Beginnen wir mit einer technischen Antwort auf die vorliegende Frage. Seitenfräsen ist im Wesentlichen ein Bearbeitungsprozess, insbesondere Fräsen, bei dem die Seitenkanten eines Fräsers Material von einem Werkstück abtragen. Dadurch entstehen senkrechte oder schräge Flächen auf der Werkstückseite.

Dies steht im Gegensatz zum Planfräsen, bei dem die Planschneidkanten den Schnitt übernehmen und die Seitenkanten nicht ineinandergreifen.

Seitenfräsen wird häufig in der CNC-Bearbeitung eingesetzt, um 3D-Merkmale wie Schultern, Schlitze, Stufen, Taschen und andere komplexe Geometrien mit hoher Präzision zu erzeugen.

Die Mechanik und Leistung des Seitenfräsens wird, wie bei jedem Bearbeitungsvorgang, von einigen Bearbeitungsparametern bestimmt. Da es sich um einen Standardfräsvorgang handelt, sind die Schnittparameter beim Seitenfräsen recht einfach.

1. Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit (m/min oder ft/min) bezieht sich darauf, wie schnell sich die Schneidkante über die Werkstückoberfläche bewegt. Die Wahl der Schnittgeschwindigkeit hängt von Faktoren wie Werkstückmaterial, Fräsermaterial, Fräsergeometrie wie Spiralwinkel und Qualitätsanforderungen wie Durchsatz und Oberflächengüte ab.

2. Vorschubgeschwindigkeit

Die Vorschubgeschwindigkeit (mm/U) bestimmt, wie schnell sich das Werkzeug über das Werkstück bewegt. Dies ist nicht zu verwechseln mit der Schnittgeschwindigkeit, bei der es sich um die lokale Geschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen Schneidkante und Material handelt, während der Vorschub die Art und Weise angibt, wie sich das gesamte Werkzeug als Ganzes bewegt. Höhere Vorschübe führen zu höherer Produktivität, aber geringerer Oberflächenqualität und thermischer Stabilität.

3. Axiale Schnitttiefe

Die axiale Schnitttiefe (mm) gibt an, wie tief das Werkzeug in axialer Richtung in das Werkstück eindringt. Eine höhere Schnitttiefe erhöht die Materialabtragsleistung, erhöht aber auch die Schnittkräfte. Typischerweise begrenzt die Stärke des Werkzeugs die axiale Schnitttiefe, da tiefere Schnitte zu Werkzeugablenkungen und sogar zum Bruch führen können.

4. Radiale Schnitttiefe

Die radiale Schnitttiefe (mm) hängt davon ab, wie viel vom Werkzeugdurchmesser in die ungeschnittene Oberfläche des Werkstücks eindringt. Wie bei der axialen Schnitttiefe erhöhen größere radiale Schnitttiefen die Kräfte, die Temperatur und die Produktivität. Sie kann von nur 5–10 % des Fräserdurchmessers beim Schlichten von Seitenwandschnitten bis zu 100 % beim Schlitzfräsen reichen.

5. Überstieg

Der Bahnabstand ist eher ein Werkzeugweg-Planungsparameter als ein direkter Bearbeitungsparameter. Es ist ein Maß dafür, wie weit sich das Werkzeug nach jedem Schnittdurchgang in das Werkstück hineinbewegt. Kleinere Übergänge sind zeitaufwändig, erzeugen aber eine glattere Oberfläche.

Hauptseitenfräsformeln

Das Seitenfräsen ist ein sehr systematischer Prozess mit grundlegenden Gleichungen, die Ingenieuren und Technikern bei der Entscheidungsfindung in der Werkstatt helfen.
Einige dieser Seitenfräsformeln sind unten aufgeführt.

Spindelgeschwindigkeit

Es ist wichtig, die richtige Spindeldrehzahl gemäß den Schnittgeschwindigkeitsrichtlinien zu bestimmen.

• n =Spindeldrehzahl (U/min)
• Vc =Schnittgeschwindigkeit (m/min)
• D =Fräserdurchmesser (mm)

Vorschubgeschwindigkeit

Die Vorschubgeschwindigkeit ist eine notwendige Eingabe für ein CNC-Fräsprogramm. Daher erfolgt die Berechnung entsprechend der Fräsergeometrie und dem gewünschten Vorschub pro Zahn.

• fz =Vorschub pro Zahn (mm/Zahn)
• n =Spindeldrehzahl (RPM)
• z =Anzahl der Nuten im Fräser

Materialabtragsrate

Hersteller sind sehr besorgt über die Materialentfernungsrate, die einen direkten Hinweis auf den Durchsatz ihrer Produktionslinie gibt. Die Berechnung der MRR und deren Optimierung für maximale Ergebnisse ist für produzierende Unternehmen eine Frage von Gewinn und Verlust.

• MRR =Materialabtragsrate (mm3/min)
• Ap =Axiale Schnitttiefe (mm)
• Ae =Radiale Schnitttiefe (mm)
• F =Vorschubgeschwindigkeit (mm/min)

Seitenfräsen im Vergleich zu anderen Frästechniken

Das Seitenfräsen unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von anderen CNC-Frästechniken. Lassen Sie uns einen kurzen Vergleich des Seitenfräsens mit einigen gängigen Fräsverfahren anstellen, um diese Unterschiede hervorzuheben.

 FräsereingriffOberflächenbearbeitungAnwendungenSeitenfräsenNur die Seitenkanten des Fräsers mit teilweisem radialem Eingriff.Gutes Finish (besser beim Gleichlauffräsen)Vertikale Wände, Stufen und SchulternPlanfräsenNur die Unterkanten des Fräsers.Hervorragende Oberfläche.Flache Flächen/EbenenSchlitzenBeide Seiten und die Unterkanten des Fräsers mit vollem radialen Eingriff.Erfordert Optimierung und sorgfältige PlanungVollbreite Schlitze, KeilnutschlitzeSchaftfräsenBeide Seiten und die Unterkanten des Fräsers mit teilweiser radialer Eingriff. Variabel, je nach Prozessplan und Werkzeugweg. Konturen für allgemeine Zwecke

Arten von Seitenfräsvorgängen

Das Seitenfräsen ist ein vielseitiges Bearbeitungsverfahren. Maschinisten verwenden es in verschiedenen Konfigurationen für eine Vielzahl von Funktionen. In den folgenden Abschnitten werden diese Arten von Seitenfräsvorgängen erläutert.

Einfachfräsen

Das Flachfräsen, auch Plattenfräsen genannt, ist die grundlegendste Form des Seitenfräsens. Dabei wird ein Scheibenfräser verwendet, um eine ebene Seitenfläche zu bearbeiten. Im Allgemeinen wird ein gerader Werkzeugweg verwendet und das Ergebnis ist eine große, ebene Fläche entlang der vertikalen Richtung oder eine eckige Fläche.

Winkelseitenfräsen

Beim Winkelseitenfräsen wird eine ebene Oberfläche erzeugt, wobei das Werkzeug jedoch in einem anderen Winkel als 90° zur Bezugsfläche des Werkstücks eingestellt ist. Dies ist sehr nützlich bei der Herstellung von Winkelmerkmalen wie Fasen, Abschrägungen oder Winkelführungen.

In vielen Fällen sind spezielle Winkelfräser erforderlich, bei denen der gewünschte Winkel bereits in die Werkzeugkonstruktion integriert ist.

Seiten- und Planfräsen

Das Seiten- und Planfräsen ist eine Art Hybridfräsverfahren, bei dem die Seiten- und Umfangskanten des Fräsers gleichzeitig die vertikalen und horizontalen Oberflächen des Werkstücks schneiden. Es ist sehr effizient zum Schneiden von Schlitzen/Nuten, da diese sowohl Boden- als auch Wandmerkmale haben.

Konturfräsen

Das Konturfräsen ähnelt dem Flachfräsen, jedoch entlang komplexer, gekrümmter Werkzeugwege. Diese Seitenfrästechnik ist nützlich bei der Bearbeitung von Teilen mit unregelmäßigen Konturen in ihren vertikalen Flächen, wie z. B. Formhohlräumen.

Straddle Milling

Beim Spreizseitenfräsen werden zwei Fräser verwendet, die auf beiden Seiten des Werkstücks montiert sind. Diese Konfiguration bearbeitet zwei vertikale Flächen gleichzeitig, wodurch eine gute Parallelität und Symmetrie erreicht und Zeit gespart wird.

Anforderungen und Einrichtung für Seitenfräsen

Ein typischer Seitenfräsvorgang ist zwar einfacher Natur, erfordert jedoch für eine ordnungsgemäße Ausführung eine bestimmte Werkzeugmaschineneinstellung. Maschinisten verwenden im Allgemeinen Checklistenpunkte wie die folgenden, bevor sie ein Teil CNC fräsen.

• Maschinentyp :CNC-Maschinen gibt es in verschiedenen Typen und Größen. Beispielsweise bieten vertikale Fräszentren in der Regel eine höhere Manövrierfähigkeit, sind jedoch nicht so steif wie horizontale Bearbeitungszentren. Schwer zerspanbare Materialien erfordern hohe Spindeldrehzahlen und -leistungen, die nicht in jedem Werkzeugmaschinenzentrum verfügbar sind.
• Werkzeug :Die Einstellung des Schneidwerkzeugs und des Werkzeughalters ist beim Präzisions-Seitenfräsen von entscheidender Bedeutung. Das Schneidwerkzeugmaterial (HSS, Hartmetall), die Geometrie (Länge, Durchmesser, Spiralwinkel, Anzahl der Spannuten) und die Montagekonfiguration (Werkzeugüberstand, Schrumpfsitz oder Spannzange) sind die Hauptfaktoren, die zur Steifigkeit und Schneidfähigkeit der Werkzeugspitze beitragen.
• Befestigung :Die Werkstückspannung ist wichtig, um das Teil stabil zu halten. Dies erfordert möglicherweise eine spezielle Befestigung und Kontrolle der Teilefehlausrichtungen vor der Bearbeitung. Schlecht montierte Teile sind anfällig für unerwünschte Durchbiegungen und Vibrationen.

Vorteile und Grenzen des CNC-Seitenfräsens

Das CNC-Seitenfräsen ist ein universeller Bearbeitungsvorgang. Allerdings ist es nicht immer die erste Wahl zur Erzeugung vertikaler prismatischer Geometrien. Es hat seine Vor- und Nachteile.
Diese zu verstehen ist notwendig, um ihre Vorteile gegenüber alternativen Bearbeitungsvorgängen abwägen zu können.

Vorteile 

CNC-Seitenfräsen ist aus folgenden Gründen vorzuziehen:

• Hohe Präzision :Es handelt sich um eine unkomplizierte Operation mit minimalen äußeren Störungen. Es ist ideal für die präzise Bearbeitung einfacher geometrischer Merkmale wie Schlitze, Stufen und Schultern.
• Prozessvielseitigkeit :Seitenfräsen ist ziemlich universell. Es gilt für hochbelastbare Teile mit vertikalen Wänden/Schlitzen und kleine Teile mit empfindlichen dünnwandigen Merkmalen.
• Materialflexibilität :Mit der fortschrittlichen Scheibenfräsertechnologie kann das Scheibenfräsen schwer zu bearbeitende Materialien wie Titan- und Nickellegierungen mit aggressiven Geschwindigkeiten und Tiefen bearbeiten.
• Gute Oberflächenqualität :Optimale Schnittparameter, Gleichlauffräsen und feine CNC-Niveausteuerung ermöglichen hochpräzise, feine Wandgüten für Präzisionsanwendungen.

Einschränkungen

Die folgenden Faktoren begrenzen die Leistung des CNC-Seitenfräsens:

• Werkzeugablenkung :Tiefere Schnitte erhöhen die Schnittkräfte auf das Werkzeug, das aufgrund seiner schlanken Geometrie beim Schneiden anfällig für Durchbiegungen ist. Dies verschlechtert die Maß- und Formgenauigkeit sowie die Werkzeugstandzeit.
• Rattervibrationen :Es ist bekannt, dass dynamische Flexibilitäten während der Bearbeitung unerwünschte Vibrationen und Rattern verursachen. Aufgrund des hohen Werkzeugeingriffs und der Schnitttiefe treten diese Vibrationen eher beim Seitenfräsen auf.
• Komplexe Werkzeugwege :Werkzeugwege zum Seitenfräsen sind oft zeitaufwändiger und schwieriger zu planen und auszuführen. CAM-Software benötigt mehr Zeit, um sich ändernde Merkmale entlang der Tiefe eines Teils zu verarbeiten, die häufig vielfältiger ist als die Gesichtsmerkmale.

Wichtige Überlegungen beim Seitenfräsen

Die Qualität einer CNC-Seitenfräsbearbeitung hängt von mehreren Faktoren ab. Ingenieure und Techniker müssen ihren Prozessplan aus mehreren Blickwinkeln betrachten und sicherstellen, dass es keine qualitätsmindernden Macken gibt.

1. Parameterauswahl

Die Auswahl der Schnittparameter ist der wichtigste Faktor bei CNC-Bearbeitungsprozessen. Die Wahl der optimalen Kombination aus Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe ist für die Teilequalität, MRR und das Werkzeugstandzeitmanagement notwendig.

In Produktionsumgebungen ist es üblich, diese Entscheidungen auf ausgefeilte Theorien, Software und technische Erfahrung zu stützen.

2. Materialauswahl

Maschinenbauer haben die Wahl zwischen verschiedenen Werkstoffen und Beschichtungen für Scheibenfräser. Im Allgemeinen eignet sich Schnellarbeitsstahl (HSS) für leicht zu schneidende Materialien, während Hartmetall für schwer zu schneidende Materialien wie Stähle und Titanlegierungen vorzuziehen ist.

3. Fräserauswahl

Ein Scheibenfräser hat zahlreiche Spezifikationen. Abgesehen von den üblichen Faktoren wie Länge, Durchmesser und Spannuten ist die Geometrie der Schneide von großer Bedeutung. Dazu gehören Eigenschaften wie der Spiralwinkel, der Spanwinkel, die Flankenkante, die Spanbrecher und der Kantenradius.

Diese Spezifikationen wirken sich auf die Schneidmechanik an der Schnittstelle zwischen Fräser und Werkstück aus und bestimmen die Größe und Richtung der Schnittkräfte, der Späne und der Wärmeableitung sowie den Spindelleistungsbedarf.

4. Kühlmittel-/Schmierstrategie

Kühl-/Schmiermittel verbessern die Oberflächeneigenschaften von Fräser und Werkstück und verringern Reibung und Wärmeentwicklung. Außerdem kühlen sie die Schnittfläche und transportieren Späne ab.

5. Werkzeugwegstrategie

Die Werkzeugwegstrategie definiert, wie sich das Werkzeug während des Vorgangs über das Werkstück bewegt. CAM-Programmierer steuern dies mit Techniken wie Gleichlauf-/konventionellem Fräsen, mehreren Durchgängen, Werkzeugwegtechniken (Helix, Zickzack, Trochoidal usw.) und Schnittparametern.

Best Practices für das Seitenfräsen

Experten geben die folgenden Tipps für eine optimale Seitenfräsleistung:

• Gleichlauffräsen :Gleichlauffräsen erzielt im Vergleich zum konventionellen Fräsen eine bessere Oberflächengüte und reduziert den Werkzeugverschleiß.
• Werkzeugüberhang minimieren :Ein kleinerer Werkzeugüberhang hält die Werkzeugbaugruppe stabil und trägt dazu bei, Durchbiegungs- und Vibrationsprobleme zu vermeiden.
• Werkzeuggeometrie: Die Wahl des richtigen Fräserdurchmessers, der richtigen Nutenzahl und des richtigen Spiralwinkels ist für die Maximierung der Produktivität, Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit von entscheidender Bedeutung.
• Glatte Ein-/Ausstiegswege :CAM-Experten empfehlen die Verwendung eines schrittweisen Aus-/Einstiegs für glattere Schnitte und eine längere Werkzeuglebensdauer.
• Verwenden Sie einen leichten Enddurchgang :Es mag verlockend sein, das Material schnell zu entfernen, aber ein leichter und langsamer Endbearbeitungsdurchgang ist der Schlüssel zum Erreichen der gewünschten Qualitätsanforderungen, insbesondere bei Anwendungen wie der Dünnwandbearbeitung.

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Das Seitenfräsen ist ein grundlegender Bearbeitungsvorgang mit mehreren Arten, Parametern und Überlegungen. Sein Betrieb umfasst ein breites Spektrum industrieller Anwendungen in Bereichen wie Automobil, Verteidigung, Luftfahrt und Fertigung.