Entdecken Sie alle Fräsvorgänge:Ein umfassender Leitfaden zu Fräsarten

Wie funktioniert CNC-Fräsen?

Fräsen ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem mithilfe einer CNC-Fräsmaschine und Fräsern komplexe geometrische Formen aus massiven Materialblöcken hergestellt werden. Der Fräsprozess umfasst ein stationäres Werkstück und ein rotierendes Schneidwerkzeug. Darüber hinaus verfügt eine CNC-Fräsmaschine über lineare und rotierende Achsbewegungen, um komplexe Werkzeugwege zwischen Werkstück und Fräser zu erzeugen.

Die CNC-Frästechnik ist automatisiert und daher hochpräzise. Die Bewegung des Werkzeugs auf dem Werkstück (der Werkzeugweg) wird über CAD/CAM-Software programmiert. In einer typischen CAM-Softwareumgebung haben Ingenieure eine Vielzahl von Fräsvorgängen zur Auswahl, von denen jeder seinen funktionalen Nutzen hat.

Beginnen wir mit einigen der grundlegenden und gebräuchlichsten Arten von Fräsvorgängen, die in einer Maschinenwerkstatt vorherrschen.

Typischerweise sind diese Fräsvorgänge auch durch die Teilegeometrie charakterisierbar, da jeder Prozess bestimmte geometrische Merkmale am Werkstück erzielt.

Einfachfräsen

Das Flachfräsen oder Plattenfräsen ist ein Kernfräsverfahren, bei dem ein horizontaler Fräser flache Oberflächen am Werkstück bearbeitet. Beim Glattfräsen stimmt die Drehrichtung des Fräsers mit der Vorschubrichtung überein. Mit anderen Worten, die Werkzeugachse verläuft parallel zur Schnittfläche.

Im Allgemeinen ist das Planfräsen für Schruppzyklen zu Beginn eines Fertigungsplans sehr nützlich. Es ist effektiv bei der Umwandlung von Rohmaterialbeständen in feine prismatische, quadratische Geometrien mit genauen Abmessungen und glatten Oberflächen, bereit für weitere Fräsvorgänge.

Darüber hinaus bietet das Brammenfräsen aufgrund der horizontalen Ausrichtung des Schneidwerkzeugs ein gutes Zeitspanvolumen und eine hohe Prozessstabilität.

Planfräsen

Das Planfräsen erzeugt wie das Planfräsen ebene und glatte Oberflächen am Werkstück. Der Unterschied liegt in der Werkzeugausrichtung. Beim Planfräsen steht das Schneidwerkzeug senkrecht zur Schnittfläche, was bedeutet, dass der Großteil der Schneidwirkung an der Stirnfläche des Schneidwerkzeugs und nicht an seinen Seitenkanten stattfindet.

Damit ist das Planfräsen ein idealer Vorgang zur Erzielung feiner Oberflächenqualitäten und hoher Maßhaltigkeit. Da die Werkzeugachse senkrecht zur Schnittebene steht, ist es weniger anfällig für geometrische Abweichungen und Werkzeugvibrationen, was zu einer hohen Werkstückparallelität führt.

Seitenfräsen

Das Seitenfräsen gehört zu den gebräuchlichsten Fräsverfahren zum Schneiden der Seiten eines Werkstücks. Dabei wird in erster Linie der Umfang bzw. die Seitenkanten des Fräsers zum Materialabtrag genutzt. Im Allgemeinen eignet sich das Seitenfräsen zum Schneiden von Profilen, Schlitzen und vertikalen Wänden im Werkstück.

Aufgrund der Schnittkräfte, die senkrecht zur Werkzeugachse wirken, müssen Maschinisten bei der Bewältigung der Schnittbelastung des Werkzeugs sorgfältig vorgehen. Übermäßige Schnittkräfte oder sehr tiefe Schnitte können zu Werkzeugablenkungen und sogar zum Bruch führen.

Schulterfräsen

Schulterfräsen ist ein Fräsverfahren, das vertikale Wände und flache Böden/Böden mit genauen, senkrechten Schultern dazwischen erzeugt. Es nutzt sowohl die Stirn- als auch die Umfangskanten des Fräsers, typischerweise eines Schaftfräsers. Diese Art des Schneidens ermöglicht das gleichzeitige Schneiden des Bodens und der Wand und ermöglicht so das Schneiden scharfer Ecken in der Schultergeometrie.

Der Nutzen des Eckfräsens bei der Herstellung hochpräziser Teile mit prismatischen Merkmalen wie Formen und Gesenken, bei denen scharfe Ecken für die Aufrechterhaltung stabiler Baugruppen unerlässlich sind.

Winkelfräsen

Winkelfräsmaschinen führen winkelige Schnitte und Merkmale in das Werkstück ein. Am häufigsten umfassen solche Winkelmerkmale Fasen oder Rillen entlang der Kante des Werkstücks.

Maschinisten nutzen möglicherweise mehrere Frästechniken, um Winkelfräsoperationen durchzuführen. Sie können beispielsweise eine Winkelvorrichtung verwenden, um das Werkstück im gewünschten Winkel zu halten, oder sie können speziell angefertigte Fräser mit abgewinkelten Schneidkanten oder sogar Mehrachsenmaschinen verwenden.

Im Allgemeinen handelt es sich beim Winkelfräsen um einen Endbearbeitungsvorgang zur Entfernung scharfer Kanten oder zur Erzeugung ästhetischer Merkmale. Bei hochpräzisen Teilen wie Gussformen und Gesenken ist es sehr nützlich, um die korrekten Formschrägen in den Werkstücken genau zu erzeugen.

Formfräsen

Beim Formfräsen handelt es sich um einen Fräsprozess, bei dem speziell geformte Fräser eingesetzt werden, um Merkmale mit speziellen Geometrien zu erzeugen. Formfräswerkzeuge können komplexe Konturen wie Kurven, Bögen und andere unkonventionelle Formen erzeugen. Die folgende Abbildung zeigt beispielsweise einen Formfräser mit rundem Umriss, der einen bogenförmigen Hohlraum im Werkstück erzeugen kann.

Eine häufige Anwendung des Formfräsens ist der Formen- und Werkzeugbau, wo Ingenieure ihre eigenen Formfräser entwerfen, um kundenspezifische geometrische Profile in Form- und Matrizenmaterialien zu schneiden.

Profilfräsen

Profilfräsen ist ein fortschrittliches Fräsverfahren, das komplexe Konturen am Werkstück erzeugt. Diese Konturen bestehen im Allgemeinen aus einer Kombination aus Kurven, Bögen und Linien. Das Profilfräsen ist im Allgemeinen ein CNC-Fräsvorgang, da es unmöglich ist, komplizierte Profile manuell zu erstellen.

Bei der industriellen Fertigung geometrisch komplexer Teile gibt es mehrere Einsatzmöglichkeiten des Profilfräsens. Beispielsweise erfordern Turbinenschaufelprofile für die Luft- und Raumfahrt sowie Außenverkleidungen im Automobilbereich umfangreiche Profilfräsvorgänge.

Gruppenfräsen

Beim Gruppenfräsen handelt es sich um einen Fräsprozess, der die Produktivität durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Schneidwerkzeuge maximiert. Diese Werkzeuge werden auf eine bestimmte Art und Weise auf einem einzigen Dorn montiert. Dieser einzelne Dorn dreht dann alle Fräser, die jeweils einen anderen Teil der Werkstückoberfläche bearbeiten. Die folgende Abbildung veranschaulicht dies.

Das Gruppenfräsen ist bei Teilen mit mehreren Schnitten in derselben Ausrichtung sehr verbreitet. Es reduziert die Gesamtbearbeitungszeit und verbessert gleichzeitig den Durchsatz.

Verzahnungsfräsen

Beim Zahnradfräsen handelt es sich, wie der Name schon sagt, um ein ausschließliches Fräsverfahren zur Herstellung von Zahnrädern. Zahnräder haben äußerst komplizierte geometrische Profile, die mit Standardfräsern nur schwer zu erreichen sind.

Daher verwenden Getriebehersteller spezielle Verzahnungsfräser mit genau dem Profil, das sie benötigen. Dieser Ansatz trägt zur Maximierung von Präzision und Produktivität bei.

Gewindefräsen

Das Gewindefräsen gehört ebenso wie das Zahnradfräsen zu den ausschließlichen Fräsbearbeitungsarten. Es wird verwendet, um Gewinde in ein Loch im Werkstück zu schneiden. Beim Gewindefräsen kommen spezielle Fräser in der spezifischen Form des Gewindeprofils zum Einsatz.

Darüber hinaus ist das Gewindefräsen ein hochpräzises Fräsverfahren, da es einen spiralförmigen Werkzeugweg erfordert, um das Gewinde mit der richtigen Steigung zu schneiden. Typischerweise führen Maschinisten das Gewindefräsen auf einer CNC-Fräsmaschine mithilfe spezieller Zyklen zur Werkzeugweggenerierung durch.

Die Herstellung von Gewinden mithilfe von Frästechniken anstelle herkömmlicher Methoden wie Gewindebohrer bietet eine größere Flexibilität, da der Prozess problemlos an jede Lochgröße, Steigung und jedes Profil angepasst werden kann.

Nutenfräsen

Das Schlitzfräsen ist ein gängiges Fräsverfahren, das sich zur Herstellung von Schlitzen in Werkstücken eignet. Abhängig von der Geometrie des Schlitzes kann es mit einer Vielzahl von Fräsertypen arbeiten, darunter T-Nutenfräser, Schaftfräser oder Scheibenfräser.

Zu den häufigsten Anwendungen des Schlitzfräsens gehört die Bearbeitung von Keilnuten, Taschen und Nuten in Strukturbauteilen.

Besondere Arten von Fräsvorgängen

Fräsvorgänge sind nicht auf die oben besprochenen Standardprozesse beschränkt. Mit den neuesten Fortschritten in der CNC-Technologie und Werkzeugausstattung hat sich das Fräsen erheblich weiterentwickelt. Eine moderne CNC-Fräsmaschine kann hochkomplexe Teilegeometrien mit komplizierten Merkmalen bearbeiten.

In diesem Abschnitt werden einige der fortgeschrittenen Arten von Frästechniken besprochen.

Mehrachsiges CNC-Fräsen

Das mehrachsige CNC-Fräsen ist eine fortschrittliche Frästechnik, bei der eine mehrachsige CNC-Fräsmaschine zum Einsatz kommt. 5-Achsen-CNC-Fräszentren sind die beliebteste Wahl für moderne Maschinenwerkstätten, die im Allgemeinen über drei lineare Achsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (je zwei von A, B, C) verfügen, die der Maschinist gleichzeitig bedienen kann. Die folgende Abbildung veranschaulicht diese Konfiguration.

Mit dem CNC-Mehrachsenfräsen können hochpräzise Teile mit geometrischen Merkmalen wie Spline-Kurven, Profilen, Oberflächen und Hinterschnitten bearbeitet werden. Es spielt eine entscheidende Rolle in anspruchsvollen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik, in denen nicht-prismatische Teile und enge Toleranzen üblich sind.

Drehfräsen

Beim Drehfräsen handelt es sich um eine hybride Bearbeitungstechnik, die Funktionen des Drehens und des Fräsens in derselben Maschine, einer sogenannten Dreh-Fräsmaschine, kombiniert. Drehfräszentren verfügen typischerweise über ein Spannfutter und einen Reitstock, um das Werkstück zu montieren und zu drehen, wie bei einer Drehmaschine. Darüber hinaus verfügen sie über spezielle Werkzeughaltevorrichtungen mit rotierenden Schneidwerkzeugen, wie bei einem Fräsprozess.

Der Fräser in Dreh-Fräszentren ist in mehrere Richtungen manövrierbar, sowohl parallel als auch senkrecht zur Werkstückachse (siehe Abbildung unten).

Diese Art der Doppelfunktionalität ermöglicht es Dreh-Fräszentren, Teile mit zylindrischen und prismatischen Merkmalen in derselben Aufspannung herzustellen. Dies steigert die Produktivität und Genauigkeit und spart Kosten.

Dünnwandfräsen

Das Dünnwandfräsen ist ein Spezialzweig fortgeschrittener Frästechniken. Bestimmte Teile, wie Turbinenschaufeln und Produktgehäuse, weisen dünnwandige Merkmale auf. Dünne Wände zeichnen sich durch ihr geringes Höhen-Breiten-Verhältnis aus.

Die empfindliche Geometrie dieser dünnwandigen Elemente macht sie anfällig für Probleme wie Vibrationen, bleibende Verformungen und Bearbeitungsrattern. Um diese Probleme zu vermeiden, nutzen Maschinisten spezielle Frästechniken wie dynamisches Fräsen, adaptive Vorschubgeschwindigkeiten und Werkzeugwege mit variablem Eingriff für maximale Präzision und Oberflächenqualität.

Zwei typische Fräsvorgänge:Konventionelles vs. Gleichlauffräsen

Konventionelles Fräsen und Gleichlauffräsen sind zwei Arten von Fräsvorgängen, die definieren, wie der Fräser mit dem Werkstück in Eingriff kommt. Der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht darin, wie die Vorschubrichtung des Werkstücks im Verhältnis zur Drehung des Schneidwerkzeugs verläuft.

Beim konventionellen Fräsen oder Gegenlauffräsen ist die Vorschubrichtung der Rotation des Fräsers entgegengesetzt. Dies führt dazu, dass die Schneidkante den Schnitt als Reiben einleitet und dann langsam in reine Scherung übergeht. Bedingt durch die Schnittrichtung beginnt die Spanbreite bei Null und erreicht ihr Maximum beim Austritt des Fräsers aus dem Werkstück. Im Allgemeinen ist das konventionelle Fräsen stabiler in Bezug auf Vibrationen und den Umgang mit Maschinenspiel.

Beim Gleichlauffräsen oder Gleichlauffräsen hingegen richtet sich die Vorschubrichtung nach der Rotation des Fräsers. Die Spanbreite beginnt bei ihrem Maximum und geht allmählich gegen Null, was zu einem gleichmäßigen Schnittlastverlauf führt. Das Gleichlauffräsen ist die bevorzugte Frästechnik, da es eine bessere Werkzeugstandzeit, Oberflächengüte und geringere Schnittbelastungen bietet.

Schlüsselfaktoren bei der Auswahl des richtigen Frästyps

Bei der großen Auswahl an Fräsvorgängen kann es eine Herausforderung sein, die optimale Wahl zu treffen. Im Allgemeinen müssen Ingenieure mehrere Faktoren berücksichtigen, wenn sie Fräsvorgänge für ihre Fertigungspläne auswählen.

Teilegeometrie

Bei der Auswahl der Fräsprozesse für ein Teil sind zunächst die geometrischen Merkmale des Teils zu berücksichtigen. Spezifische Merkmale wie abgewinkelte Flächen, Krümmungen und Gewinde können dabei helfen, den Fräsprozess auf eine überschaubare Anzahl zu beschränken.

Beispielsweise würde ein Automobilblech aufgrund seiner komplexen Krümmung mit Sicherheit fortgeschrittene Frästechniken wie das Profilfräsen mit einer CNC-Fräsmaschine erfordern.

Werkzeugmaschinenfähigkeit

Verschiedene Fräsmaschinen verfügen über unterschiedliche Bearbeitungsmöglichkeiten. Eine manuelle 3-Achsen-Fräsmaschine eignet sich perfekt für einfache Arbeiten wie das Quadrieren von Werkstücken, das Schneiden von abgewinkelten Oberflächen oder die Herstellung planarer Oberflächen. Ein komplexerer Vorgang wie das Profilfräsen ist jedoch ohne eine mehrachsige CNC-Fräsmaschine möglicherweise nicht möglich.

Ebenso ist ein Dreh-Fräszentrum eine spezialisierte Werkzeugmaschine, die hauptsächlich zylindrische Teile mit prismatischen Merkmalen effizient herstellen kann.

Qualitätsanforderungen

Auch Qualitätsanforderungen wie Oberflächenbeschaffenheit und Toleranzen bestimmen die Wahl des Fräsverfahrens. Wenn eine qualitativ hochwertige Produktion gewünscht wird, wäre beispielsweise das Gleichlauffräsen besser geeignet. Wenn enge Toleranzen erforderlich sind, ist eine CNC-Fräsmaschine die erste Wahl.

Schnittparameter bei verschiedenen Fräsvorgängen

Der Fräsprozess wird durch Frässchnittparameter definiert, mit denen Ingenieure Faktoren wie Schnittkräfte, Oberflächenqualität und Fertigungstoleranzen steuern. Die drei wichtigsten Schnittparameter beim Fräsen sind wie folgt:

Füttern

Der Vorschub bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sich Schneidwerkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegen. Ingenieure verwenden verschiedene Darstellungsmöglichkeiten. Die gebräuchlichen Einheiten sind Weg/Zeit (mm/min), Weg/Umdrehung (mm/Umdrehung) und Abstand/Zähne (mm/Zähne). Höhere Vorschübe beim Fräsen führen zu einer höheren Produktivität, verringern jedoch die Standzeit und die Oberflächenqualität.

Geschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit definiert, wie schnell sich das Werkzeug über die Oberfläche des Werkstücks dreht. Die typischen Maßeinheiten sind mm/min oder U/min. Eine höhere Schnittgeschwindigkeit bei Frästechniken fördert die Produktivität und Oberflächenqualität, kann jedoch zu übermäßigem Werkzeugverschleiß und thermischen Problemen führen.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe bestimmt, wie tief das Schneidwerkzeug in die Werkstückoberfläche eindringt. Da der Fräser bei einem Fräsprozess oft sowohl in radialer als auch in axialer Richtung schneidet, gibt es zwei Parameter für die Schnitttiefe, nämlich die radiale Schnitttiefe (RDOC) und die axiale Schnitttiefe (ADOC). Eine hohe Schnitttiefe erhöht die Schnittkräfte, Vibrationen und Wärmeentwicklung, führt aber auch zu einer höheren Produktivität.

WayKen bietet Präzisions-CNC-Fräsdienstleistungen mit fortschrittlichen 3-, 4- und 5-Achsen-Bearbeitungszentren. Unser Team ist auf die Herstellung von Teilen mit hohen Toleranzen aus Metall und Kunststoff spezialisiert und verarbeitet komplexe Geometrien effizient. Ob für Prototypen oder Kleinserienfertigung, wir liefern schnelle Lieferzeiten, feine Oberflächengüten und gleichbleibende Qualität in Branchen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinbranche.

CNC-Fräsen ist unbestreitbar ein äußerst vielseitiger Herstellungsprozess mit enormen Möglichkeiten. Mit einer Vielzahl von Fräsvorgängen zur Auswahl bietet es Ingenieuren ein hohes Maß an Flexibilität in Bezug auf Design und Herstellbarkeit.