Alle Fräsoperationen entdecken: Umfassender Leitfaden zu Fräsarten

Wie funktioniert CNC-Fräsen?

Fräsen ist ein Bearbeitungsprozess, der komplexe geometrische Formen aus massiven Materialblöcken mittels CNC-Fräsmaschine und Fräser erzeugt. Der Fräsprozess umfasst ein stationäres Werkstück und ein rotierendes Schneidwerkzeug. Zusätzlich verfügt eine CNC-Fräsmaschine über lineare und rotative Achsenbewegungen, um komplexe Werkzeugbahnen zwischen Werkstück und Fräser zu generieren.

CNC-Frästechnologie ist automatisiert und damit hochpräzise. Die Bewegung des Werkzeugs auf dem Werkstück (der Werkzeugpfad) wird über CAD/CAM-Software programmiert. In einer typischen CAM-Softwareumgebung haben Ingenieure eine Vielzahl von Fräsoperationstypen zur Auswahl, jeder mit seinem funktionalen Zweck.

Beginnen wir mit einigen der grundlegenden und gängigsten Fräsoperationstypen in einer Werkstatt.

Typischerweise lassen sich diese Fräsoperationen auch durch die Teilegeometrie charakterisieren, da jeder Prozess spezifische geometrische Merkmale am Werkstück erzeugt.

Plandrehen (Scheibenfräsen)

Plandrehen, auch Scheibenfräsen genannt, ist ein Kernfräsprozess, bei dem ein horizontaler Fräser ebene Flächen am Werkstück bearbeitet. Die Drehrichtung des Fräsers stimmt mit der Vorschubrichtung beim Plandrehen überein. Anders ausgedrückt: Die Werkzeugachse ist parallel zur Schnittfläche.

Generell ist Plandrehen sehr nützlich für Schruppzyklen zu Beginn eines Fertigungsplans. Es wandelt raue Materialrohlinge effektiv in feine prismatische, quadratische Geometrien mit präzisen Abmessungen und glatten Oberflächen um, bereit für weitere Fräsoperationen.

Zusätzlich bietet Scheibenfräsen eine gute Materialabtragsrate und hohe Prozessstabilität aufgrund der horizontalen Ausrichtung des Schneidwerkzeugs.

Planfräsen

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

Dies macht Planfräsen zu einer idealen Operation für feine Oberflächenqualitäten und hohe Dimensionsgenauigkeit. Durch die senkrechte Werkzeugachse zur Schnittebene ist es weniger anfällig für geometrische Abweichungen und Werkzeugvibrationen, was zu hoher Werkstückparallelität führt.

Seitenfräsen

Seitenfräsen gehört zu den gängigen Fräsprozessen zum Schneiden der Seiten eines Werkstücks. Es nutzt primär den Umfang bzw. die Seitenkanten des Fräsers zum Materialabtrag. Generell ist Seitenfräsen nützlich zum Schneiden von Profilen, Nuten und vertikalen Wänden im Werkstück.

Da die Schnittkräfte senkrecht zur Werkzeugachse wirken, müssen Zerspaner sorgfältig die Schnittlast am Werkzeug managen. Übermäßige Schnittkräfte oder sehr tiefe Schnitte können Werkzeugauslenkung und sogar Bruch verursachen.

Schulterfräsen

Schulterfräsen ist ein Fräsprozess, der vertikale Wände und ebene Böden mit präzisen, senkrechten Schultern dazwischen erzeugt. Es nutzt sowohl die Stirn- als auch die Umfangs schneiden des Fräsers, typischerweise eines Schaftfräsers. Diese Art des Schneidens erlaubt gleichzeitiges Schneiden von Boden und Wand, was scharfe Ecken in der Schultergeometrie ermöglicht.

Die Nützlichkeit des Schulterfräsens liegt in der Herstellung hochpräziser Teile mit prismatischen Merkmalen wie Formen und Matrizen, wo scharfe Ecken essenziell für starre Montagen sind.

Winkelfräsen

Winkelfräsen bearbeitet winklige Schnitte und Merkmale im Werkstück. Am häufigsten sind solche winkligen Merkmale Fasen oder Nuten entlang der Werkstückkante.

Zerspaner können mehrere Frästechniken für Winkelfräsen nutzen. Beispielsweise können sie einen Winkelfutterspanner verwenden, um das Werkstück im gewünschten Winkel zu halten, oder zweckgebaute Fräser mit winkligen Schneiden, oder sogar Mehrachsmaschinen.

Generell ist Winkelfräsen eine Schlichtoperation zum Entfernen scharfer Kanten oder Erzeugen ästhetischer Merkmale. Für hochpräzise Teile wie Formen und Matrizen ist es sehr nützlich, um korrekte Entformungsschrägen im Werkstück präzise zu erzeugen.

Formfräsen

Formfräsen ist ein Fräsprozess, der speziell geformte Fräser verwendet, um Merkmale mit speziellen Geometrien zu erzeugen. Formfräser können komplexe Konturen wie Kurven, Bögen und andere unkonventionelle Formen erzeugen. Die Abbildung unten zeigt beispielsweise einen Formfräser mit rundem Umriss, der einen bogenförmigen Hohlraum im Werkstück erzeugen kann.

Eine häufige Anwendung von Formfräsen ist der Formen- und Werkzeugbau, wo Ingenieure ihre eigenen Formfräser entwerfen, um kundenspezifische geometrische Profile in Formen- und Matrizenrohlinge zu schneiden.

Profilfräsen

Profilfräsen ist ein fortgeschrittener Fräsprozess, der komplexe Konturen am Werkstück erzeugt. Diese Konturen bestehen allgemein aus einer Kombination von Kurven, Bögen und Linien. Profilfräsen ist generell eine CNC-Fräsmaschinenoperation, da es unmöglich ist, komplexe Profile manuell zu erreichen.

Es gibt diverse Anwendungen von Profilfräsen in der industriellen Fertigung geometrisch komplexer Teile. Beispielsweise erfordern Luftfahrt-Turbinenschaufelprofile und Automobilaußenteile umfangreiche Profilfräsoperationen.

Gangfräsen

Gangfräsen ist ein Fräsprozess, der die Produktivität maximiert, indem mehrere Schneidwerkzeuge gleichzeitig eingesetzt werden. Diese Werkzeuge werden in einer spezifischen Weise auf einem einzelnen Fräserarbor montiert. Dieser einzelne Arbor rotiert dann alle Fräser, von denen jeder einen anderen Teil der Werkstückoberfläche bearbeitet. Die Abbildung unten veranschaulicht dies.

Gangfräsen ist sehr verbreitet für Teile mit mehreren Schnitten in derselben Orientierung. Es reduziert die Gesamtbearbeitungszeit und verbessert den Durchsatz.

Zahnradfräsen

Zahnradfräsen, wie der Name andeutet, ist ein exklusiver Fräsprozess zur Herstellung von Zahnrädern. Zahnräder haben hochkomplexe geometrische Profile, die mit Standardfräsern schwer zu erreichen sind.

Daher nutzen Zahnradhersteller spezielle Zahnradfräser mit dem exakten Profil, das sie benötigen. Dieser Ansatz maximiert Präzision und Produktivität.

Gewindefräsen

Gewindefräsen, wie Zahnradfräsen, gehört zu den exklusiven Fräsoperationstypen. Es wird verwendet, um Gewinde in eine Bohrung im Werkstück zu schneiden. Gewindefräsoperationen nutzen spezielle Fräser in der spezifischen Form des Gewindeprofils.

Zudem ist Gewindefräsen ein hochpräziser Fräsprozess, da er einen helicalen Werkzeugpfad erfordert, um das Gewinde mit der korrekten Steigung zu schneiden. Typischerweise führen Zerspaner Gewindefräsen auf einer CNC-Fräsmaschine mit spezialisierten Werkzeugpfadgenerierungszyklen durch.

Die Herstellung von Gewinden mit Frästechniken statt traditioneller Methoden wie Gewindebohrern bietet größere Flexibilität, da der Prozess bequem an jede Bohrungsgröße, Steigung und Profil anpassbar ist.

Nutenfräsen

Nutenfräsen ist ein gängiger Fräsprozess zur Erzeugung von Nuten in Werkstücken. Er kann mit verschiedenen Fräsertypen arbeiten, einschließlich T-Nutenfräser, Schaftfräser oder Scheibenfräser, abhängig von der Nutgeometrie.

Einige gängige Anwendungen von Nutenfräsen umfassen die Bearbeitung von Passfedernuten, Taschen und Nuten in Strukturkomponenten.

Spezielle Arten von Fräsoperationen

Fräsoperationen sind nicht auf die oben diskutierten Standardprozesse beschränkt. Mit den neuesten Fortschritten in CNC-Technologie und Werkzeugen hat sich das Fräsen erheblich weiterentwickelt. Eine moderne CNC-Fräsmaschine kann hochkomplexe Teilegeometrien mit komplexen Merkmalen bewältigen.

Dieser Abschnitt diskutiert einige der fortgeschrittenen Frästechniken.

Mehrachsen-CNC-Fräsen

Mehrachsen-CNC-Fräsen ist eine fortgeschrittene Frästechnik, die eine Mehrachsen-CNC-Fräsmaschine nutzt. 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen sind die beliebteste Wahl für fortgeschrittene Fertigungswerkstätten, die allgemein drei lineare Achsen (X, Y, Z) und zwei Drehachsen (beliebige zwei von A, B, C) umfassen, die der Zerspaner gleichzeitig manipulieren kann. Die Abbildung unten illustriert diese Konfiguration.

CNC-Mehrachsenfräsen kann hochpräzise Teile mit geometrischen Merkmalen wie Spline-Kurven, Profilen, Flächen und Unterschnitten bearbeiten. Es spielt eine entscheidende Rolle in anspruchsvollen Branchen wie Luftfahrt, Automobil und Medizintechnik, wo nicht-prismatische Teile und enge Toleranzen üblich sind.

Drehfräsen

Drehfräsen ist eine hybride Bearbeitungstechnik, die Merkmale sowohl vom Drehen als auch vom Fräsen in derselben Maschine kombiniert, bekannt als Drehfräsmaschine. Drehfräsmaschinen verfügen typischerweise über einen Spannfutter und eine Gegenspitze zum Spannen und Drehen des Werkstücks, wie bei einer Drehmaschine. Zusätzlich haben sie spezialisierte Werkzeughaltevorrichtungen mit rotierenden Schneidwerkzeugen, wie bei einem Fräsprozess.

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

Diese duale Funktionalität ermöglicht Drehfräsmaschinen die Herstellung von Teilen mit sowohl zylindrischen als auch prismatischen Merkmalen in derselben Aufspannung. Dies steigert Produktivität, Genauigkeit und spart Kosten.

Dünnwandfräsen

Dünnwandfräsen ist ein spezieller Zweig fortgeschrittener Frästechniken. Bestimmte Teile, wie Turbinenschaufeln und Produktgehäuse, haben dünnwandige Merkmale. Dünne Wände zeichnen sich durch ihr geringes Höhen-zu-Breite-Verhältnis aus.

Die empfindliche Geometrie dieser dünnwandigen Merkmale macht sie anfällig für Probleme wie Vibrationen, permanente Verformungen und Fräsrattern. Um diese Probleme zu vermeiden, nutzen Zerspaner spezielle Frästechniken wie dynamisches Fräsen, adaptive Vorschubraten und variable Eingriffs-Werkzeugbahnen für maximale Präzision und Oberflächenqualität.

Zwei typische Fräsoperationen: Gegenlauffräsen vs. Gleichlauffräsen

Gegenlauffräsen und Gleichlauffräsen sind zwei Arten von Fräsoperationen, die definieren, wie der Fräser mit dem Werkstück in Eingriff kommt. Der Hauptunterschied liegt darin, wie die Werkstückvorschubrichtung zur Drehrichtung des Schneidwerkzeugs steht.

Beim Gegenlauffräsen (Up Milling) opponiert die Vorschubrichtung der Werkzeugdrehung. Dies bewirkt, dass die Schneide den Schnitt als Reibung einleitet und dann langsam in reines Scheren übergeht. Durch die Schneidrichtung beginnt die Spanbreite bei null und ist maximal beim Austritt des Fräsers aus dem Werkstück. Generell ist Gegenlauffräsen stabiler in Bezug auf Vibrationen und den Umgang mit Maschinenrückschlag.

Beim Gleichlauffräsen (Down Milling) hingegen stimmt die Vorschubrichtung mit der Werkzeugdrehung überein. Die Spanbreite beginnt bei ihrem Maximum und geht allmählich auf null zurück, was zu einem ruhigen Schnittlastverlauf führt. Gleichlauffräsen ist die bevorzugte Frästechnik, da sie bessere Werkzeugstandzeit, Oberflächengüte und geringere Schnittlasten liefert.

Schlüsselfaktoren bei der Auswahl der richtigen Fräsart

Bei so vielen Fräsoperationstypen zur Auswahl kann die optimale Wahl eine Herausforderung sein. Generell gibt es mehrere Faktoren, die Ingenieure bei der Auswahl von Fräsoperationen für ihre Fertigungspläne berücksichtigen müssen.

Teilegeometrie

Die geometrischen Merkmale des Teils sind das Erste, worauf man bei der Auswahl von Fräsprozessen schauen sollte. Spezifische Merkmale wie geneigte Flächen, Krümmungen und Gewinde helfen, den Fräsprozess auf eine handhabbare Anzahl einzugrenzen.

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

Maschinenfähigkeit

Verschiedene Fräsmaschinen haben unterschiedliche Bearbeitungsfähigkeiten. Eine manuelle 3-Achsen-Fräsmaschine ist perfekt für einfache Jobs wie Abrichten von Rohlingen, Schneiden geneigter Flächen oder Erzeugen ebener Flächen. Ein komplexerer Vorgang wie Profilfräsen ist jedoch ohne Mehrachsen-CNC-Fräsmaschine möglicherweise nicht möglich.

Ebenso ist ein Drehfräsmaschinenzentrum ein spezialisiertes Maschinenwerkzeug, das primär zylindrische Teile mit prismatischen Merkmalen effizient produzieren kann.

Qualitätsanforderungen

Qualitätsanforderungen wie Oberflächengüte und Toleranzen diktieren ebenfalls die Wahl des Fräsprozesses. Gleichlauffräsen wäre beispielsweise besser geeignet, wenn hochwertige Produktion gewünscht ist. Eine CNC-Fräsmaschine ist die bevorzugte Wahl, wenn enge Toleranzen gefordert sind.

Schnittparameter bei verschiedenen Fräsoperationen

Der Fräsprozess wird durch Frässchnittparameter definiert, die Ingenieure nutzen, um Faktoren wie Schnittkräfte, Oberflächenqualität und Fertigungstoleranzen zu steuern. Die drei Hauptschnittparameter beim Fräsen sind:

Vorschub

Die Vorschubgeschwindigkeit bestimmt die Rate, mit der sich Schneidwerkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegen. Ingenieure nutzen verschiedene Darstellungsweisen. Gängige Einheiten sind Weg/Zeit (mm/min), Weg/Umdrehung (mm/U) und Weg/Zahn (mm/Zahn). Höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei Fräsoperationen erreichen hohe Produktivität, verringern aber Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität.

Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit definiert, wie schnell sich das Werkzeug über die Werkstückoberfläche dreht. Typische Maßeinheiten sind m/min oder RPM. Höhere Schnittgeschwindigkeit bei Frästechniken fördert Produktivität und Oberflächenqualität, kann aber zu übermäßigem Werkzeugverschleiß und thermischen Problemen führen.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe bestimmt, wie tief das Schneidwerkzeug in die Werkstückoberfläche eindringt. Beim Fräsen schneidet der Fräser oft sowohl in radialer als auch in axialer Richtung, daher gibt es zwei Schnitttiefe-Parameter: radiale Schnitttiefe (ae) und axiale Schnitttiefe (ap). Hohe Schnitttiefe erhöht Schnittkräfte, Vibrationen und Wärmeerzeugung, führt aber auch zu größerer Produktivität.

WayKen bietet präzise CNC-Fräsdienstleistungen mit fortschrittlichen 3-, 4- und 5-Achsen-Bearbeitungszentren. Unser Team spezialisiert sich auf die Herstellung hochtoleranter Teile aus Metallen und Kunststoffen, bewältigt komplexe Geometrien effizient. Ob für Prototypen oder Kleinserienfertigung – wir liefern kurze Lieferzeiten, feine Oberflächen und konsistente Qualität in Branchen wie Automobil, Luftfahrt und Medizintechnik.

CNC-Fräsen ist zweifellos ein hochvielseitiger Fertigungsprozess mit enormen Fähigkeiten. Mit einer Vielzahl von Fräsoperationen zur Auswahl bietet es Ingenieuren große Flexibilität in Design und Fertigbarkeit.