Vertikales Fräsen verstehen: Definition und Schlüsselkonzepte

Auch außerhalb von Konstruktionsabteilungen relevant: Die ursprünglichen vertikalen Bearbeitungszentren verfügten über Vorschubspindeln mit kalibrierten Handrädern für die Steuerung der drei Achsen. Handradkalibrierungen sind recht präzise und sollten wann immer möglich genutzt werden.

Vertikales Fräsen (auch Fräsen genannt) basiert auf rotierenden Werkzeugen, die Metall vom Werkstück abtragen. Die Bearbeitung erfolgt auf einem vertikalen Bearbeitungszentrum (VMC) mit vertikal ausgerichtetem Spindelstock. Bei vertikaler Spindelausrichtung ragt das Werkzeug gerade aus dem Werkzeughalter heraus und bearbeitet meist die Oberseite des Werkstücks.

Drei Arten vertikaler Fräsmaschinen – Fräsen, Bohren und Ausdrehen

Es gibt drei grundlegende Bearbeitungsarten, die an einer vertikalen Fräsmaschine ausgeführt werden können: Fräsen, Bohren und Ausdrehen. Es ist schwer zu sagen, ob eine vertikale Fräsmaschine oder eine Drehmaschine die wertvollste Maschine im Betrieb ist. Theoretisch können die meisten vertikalen Fräsmaschinen mit Standardzubehör wie Rundtisch und Mitnehmern sich selbst reproduzieren – an einer Drehmaschine wäre dies ohne exotische Umbauten unmöglich.

Beim Fräsen an einer vertikalen Maschine kommen meist Schaftfräser zum Einsatz, die sowohl für Seiten- als auch Stirnschnitte ausgelegt sind. Bohren erfolgt durch Heben und Senken des gesamten Fräskopfes mittels der Z-Achsen-Vorschubspindel. Vor dem Bohren sollten Zentrierbohrer für höchste Genauigkeit verwendet werden. Beachten Sie, dass nachfolgende Bohrungen präzise „ausgewählt“ werden können, indem man vom ersten Loch aus die kalibrierten Handräder nutzt. Eine Handraddrehung ergibt 0,050 Zoll Vorschub bei Zollmaschinen bzw. 1 mm bei metrischen Maschinen. Der Handradnullpunkt muss nicht auf „Null“ stehen, obwohl optionale Nullhandräder die Berechnung erleichtern. Ausdrehen ist ein Verfahren zur Herstellung präziser Bohrungen durch Rotieren eines Werkzeugs mit einer Schneide, meist in einem verstellbaren Ausdrehkopf. Es dient zum Aufweiten von Bohrungen oder Rohren auf den gewünschten Durchmesser.

Eine weitere Fräsart ist der verstellbare Einzelschneiden-Fräskopf für die Flächenbearbeitung. Für maximale Sicherheit und Steifigkeit sollte die Schneide nicht weiter aus dem Halter ragen als nötig. Ein 1,5 Zoll (ca. 38 mm) Durchmesser Fräskopf arbeitet effizient; mehrere Bahnen sollten sich um etwa ein Drittel des Fräskopfdurchmessers überlappen. Für Aluminiumbearbeitung empfiehlt sich 2000 U/min bei einem Abtrag von ca. 0,010 Zoll (0,25 mm) pro Pass.

Wichtig: Die Schneidwirkung ändert sich je nach Vorschubrichtung. In einem Fall neigt das Werkzeug zum Aufklettern (Klettern), im anderen zum Wegbewegen vom Schnitt. Daher sollte Gegenlauffräsen (climb milling) vermieden werden, außer bei ganz leichten Schlichtschnitten.

Bedienung und Einsatz

Eine vertikale Fräsmaschine ist ein Präzisionswerkzeug zur Bearbeitung und Fertigung durch Materialabtrag – meist an Metallbauteilen aus Stahl und Aluminium. Auch Kunststoffe und andere Materialien lassen sich je nach Vorschubgeschwindigkeit und Werkzeug bearbeiten. Die Steuerung kann manuell, computergestützt (CNC) oder hybrid erfolgen. Vertikales Fräsen bedeutet Materialabtrag mittels eines rotierenden Schneidwerkzeugs, das in der Spindelfutterspindel eingespannt ist. Die Schneidoptionen sind komplexer und variabler als bei einer Säulenbohrmaschine, da ein verfahrbarer Tisch oder Schraubstock/Drehtisch (X- und Y-Achse) sowie vertikale Spindelbewegung (Z-Achse) vorhanden sind. Viele Vertikalmaschinen verfügen zudem über einen drehbaren Turm für den oberen Fräskopf, was zusätzliche Bearbeitungsmöglichkeiten (B-Achse) eröffnet.

Gängige Bearbeitungen an der Fräsmaschine:

• Planfräsen – Erzeugt eine ebene Fläche oder einen Plan am Werkstück, meist mit definierter Orientierung zu anderen Elementen. Auch bei unregelmäßig geformten Teilen wird Planfräsen eingesetzt, um eine Fläche nach der anderen „wahr“ zu fräsen und sicherzustellen, dass alle bearbeiteten Flächen hinreichend präzise geometrische Beziehungen zueinander aufweisen.
• Nuten- und Schlitzfräsen – Bohrungen, Ebenen oder Nuten können mit passenden Werkzeugen und Spannmitteln gefräst werden.
• Bohren und Ausdrehen – Wo besondere Formen zwischen Werkstückelementen gefordert sind, eignet sich ein vertikaler Fräser optimal zum präzisen Positionieren und Bearbeiten von Bohrungen.

Bei der Beschreibung von Fräsmaschinen beziehen sich die Begriffe „horizontal“ und „vertikal“ grundsätzlich auf die Ausrichtung der Spindel bzw. des Schneidwerkzeugs. Die Spindel (auch Fräskopf genannt) ist bei einer vertikalen Fräsmaschine vertikal positioniert. Da der Schneidkopf vertikal montiert ist, bewegen sich andere Maschinenteile entlang einer oder mehrerer Achsen, um das Material in die richtige Position für die Bearbeitung zu bringen.

Es gibt zwei grundlegende Typen vertikaler Fräsmaschinen: Konsolen- und Bettfräsmaschinen. Sie funktionieren leicht unterschiedlich und bieten jeweilige Vorteile:

• Vertikale Konsolenfräsmaschine (Turret Mill): Hier bleibt die Spindel fest, während der Arbeitstisch, der das Material hält, horizontal und vertikal verfahren wird. Durch die Möglichkeit, das Material in beide Richtungen zu positionieren, ist die Konsolenfräse extrem vielseitig. Meist jedoch auf kleinere Bauteile beschränkt, da die biaxiale Bewegung bei großen Werkstücken schwierig wird.
• Vertikale Bettfräsmaschine (Bed Mill): Der Bettfräser nutzt die horizontale Bewegung des Werkstücks entlang der X-Achse. Die Spindel ist auf die Vertikale beschränkt, kann aber bei Bedarf auf und ab bewegt werden. Die Kombination aus Spindelbewegung und horizontaler Bettbewegung ermöglicht die Bearbeitung von Werkstücken verschiedenster Formen und Tiefen. Im Vergleich zur Konsolenfräse eignet sich die Bettfräse besser für schwere und große Werkstücke.