Fertigungsverfahren im Profil: Fräsen

  1. Was ist Fräsen?
  2. Wie funktioniert Fräsen?
  3. Ziele und Einsatzgebiet
  4. Verfahren des Fräsens
  5. Vorteile des Fräsens
  6. Nachteile des Fräsens
  7. Schneidstoffe und Werkstoffe beim Fräsen
  8. Maschinen für das Fräsen
  9. Werkzeuge für das Fräsen
  10. Parameter für das Fräsen
  11. Erfolgsfaktoren und Umsetzung des Fräsens
  12. Schulungen und Seminare zum Fräsen

 

Was ist Fräsen?

Nach DIN8589 wird Fräsen als ein spanender Prozess mit einem kreisförmigen, meist mehrzahnigen, Werkzeug beschrieben. Die Vorschubbewegung des Werkzeuges kann dabei entweder schräg oder senkrecht zur Drehachse des Werkstückes verlaufen. So lassen sich beliebige Werkstückoberflächen erzeugen. Weiterhin ist für das Fräsen der unterbrochene Schnitt am Werkstück charakteristisch. Das Werkstück erfährt so keine konstante Krafteinleitung, sondern es lastet auf diesem eine dynamische Kraft, welche zwischen den Zahneingriffen wieder abklingt.  Da die Vorschubrichtung sowohl senkrecht, als auch vertikal zur Rotationsachse des Werkzeugs stehen kann, ist die Fertigung komplexer Werkstückkonturen möglich.

 

Wie funktioniert Fräsen?

Fräsen als spanendes Fertigungsverfahren dient zur Herstellung von Bauteilen mit bestimmter Gestalt. Wie bei allen spanenden Fertigungsverfahren wird dabei vom Rohteil Material in Form von Spänen abgetragen. Das Werkzeug wird dazu in eine rotatorische Bewegung versetzt, um dann auf einer definierten Bahn durch das Werkstück zu verfahren. Das Fräsen zählt zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, da die Geometrie der Schneiden klar definiert ist. Moderne Fräsmaschinen verfügen mehrere Verfahrachsen welche simultan betrieben werden können und so die Herstellung komplexer Bauteile ermöglichen.

Beispielhafter Fräsprozess. Quelle: ISF Dortmund

Ziele und Einsatzgebiet

Das Fräsen ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit nahezu beliebig komplexen Geometrien. Als effizientes spanendes Fertigungsverfahren mit hoher Oberflächengüte erfährt es vor allem in der metallverarbeitenden Industrie großer Beliebtheit. Frästeile kommen in den verschiedensten Branchen vom Maschinen- und Anlagenbau über Elektrotechnik, Medizintechnik und Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zur Automobilindustrie zum Einsatz. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren auch zur Kunststoff- und Holzbearbeitung.

 

Verfahren des Fräsens

Nach der Norm DIN 8589-3 werden die Fräsverfahren nach der erzeugten Oberfläche, der Werkzeugform und der Kinematik unterteilt. Bei Bearbeitung der Werkstückoberfläche mit der Stirnseite des Werkzeuges wird vom Stirnfräsen gesprochen. Entsprechend spricht man bei einer Bearbeitung mit den Schneiden am Fräserumfang vom Umfangsfräsen. Zusätzlich wird zwischen dem Gegenlauf- und dem Gleichlauffräsen unterschieden. Diese unterscheiden sich durch die Orientierung des Vorschubs- und Schnittgeschwindigkeitsvektor. Nachfolgend sind die unterschiedlichen Verfahrensvarianten kurz erläutert:

Gleichlauffräsen

Beim Gleichlauffräsen bewegt sich die Schneide des Fräswerkzeugs im Bereich der Spanbildung in gleicher Richtung des Vorschubs. Im Gegensatz zum Gegenlauffräsen wird beim Spanaufbau der Spanquerschnitt immer kleiner. Der erforderliche Kraftaufwand der Maschine nimmt entsprechend gleichmäßig ab.

Gegenlauffräsen

Beim Gegenlauffräsen bewegt sich die Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich entgegen der Vorschubrichtung des Werkstücks und bildet einen vom Eintrittspunkt zum Austrittspunkt der Schneide sich verdickenden Span.

Stirnfräsen

Beim Stirnfräsen ist die Eingriffsbreite ae wesentlich größer als die Schnittiefe ap. Die Werkstückoberfläche wird durch die Nebenschneide erzeugt.

Umfangsfräsen

Beim Umfangsfräsen steht die Werkzeugachse parallel zur Werkstückoberfläche. Diese wird durch die Hauptschneiden des Werkzeugs erzeugt.

Planfräsen

Das Planfräsen wird eingesetzt, um ebene Flächen herzustellen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine geradlinige Vorschubbewegung aus.

Eckfräsen

Eckfräsen ist ein Sonderfall des Stirnfräsens. Der Einstellwinkel des Werkzeugs beträgt hier exakt 90°. Die Werkstückoberfläche wird dabei sowohl durch die Neben- als auch die Hauptschneiden erzeugt.

Profilfräsen

Unter Profilfräsen versteht man das Fräsen mit Formwerkzeugen zur Erzeugung profilierter Flächen wie beispielsweise Nuten, Radien und Zahnrändern.

 

Vorteile des Fräsens

Das Fräsen, speziell das CNC Fräsen, zeichnet sich durch einen hohen Freiheitsgrad der herzustellenden Bauteile aus. Zudem verfügen moderne Maschinen über sehr kleine Toleranzbereiche, wodurch eine konstant gute Maßgenauigkeit erreicht werden kann. Durch die hohe Automatisierbarkeit lassen sich auch größere Losgrößen effizient und wirtschaftlich fertigen.

 

Nachteile des Fräsens

Als Nachteil des Fräsens sind bei CNC Fräsmaschinen die hohen Anschaffungskosten zu nennen. Gleichzeitig ist aufgrund des komplexen Aufbaus hochqualifiziertes Personal zur Wartung der Maschinen notwendig. Bei Ausfall einer Maschine kann es so zu längeren Ausfällen der Produktion kommen.

 

Schneidstoffe und Werkstoffe beim Fräsen

Das Fräsen ermöglicht eine große Vielfalt der zu bearbeitenden Werkstoffe:

  • Stahl
  • Gusseisen
  • Nicht-Eisen Werkstoffen (z.B.: Aluminium oder Titan).
  • Sonderwerkstoffe wie Holz oder Kunststoff

Mögliche Schneidstoffe der Fräswerkezuge sind dabei:

  • Schnellarbeitsstahl (HSS)

Schnellarbeitsstähle sind hochlegierte Stähle, die als Hauptlegierungselemente Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt und Chrom enthalten. Sie verfügen über eine verhältnismäßig hohe Biegebruchfestigkeit und damit über günstige Zähigkeitseigenschaften.

  • Hartmetall

Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe. Sie bestehen aus Karbiden der Übergangsmetalle (4.–6. Nebengruppe des Periodensystems), die in eine weiche metallische Bindephase aus Kobalt und/oder Nickel eingebettet sind. Die Karbide liegen an der Grenze zwischen Metallen und Keramik. Sie weisen z.T. noch metallähnliche Eigenschaften (z.B. elektrische Leitfähigkeit) auf, werden aber als sog. metallische Hartstoffe der nichtoxidischen Keramik zugeordnet.

  • Cermets

Wie Hartmetall. Cermets enthalten darüber hinaus noch Titannitrid

  • Keramiken

Die zunehmende Bereitschaft von Anwendern Schneidkeramik in der Produktion einzusetzen, beruht neben dem herausragenden Verschleißverhalten keramischer Schneidstoffe im Wesentlichen auf deren in den letzten Jahren deutlich verbesserten Zähigkeitseigenschaften. Das für keramische Werkstoffe charakteristische Sprödbruchverhalten, die Streuung ihrer Festigkeitseigenschaften und die hieraus resultierenden stochastisch auftretenden Werkzeugbrüche sind nach wie vor die Hauptursachen dafür, dass diese Schneidstoffe bislang nicht in dem Maße Eingang in die Zerspantechnik gefunden haben, wie z.B. die Hartmetalle.

 

Maschinen für das Fräsen

Eine Fräsmaschine unterscheidet sich von einem Bearbeitungszentrum durch die Integration eines automatischen Werkzeugwechslers in das angebaute Werkzeugmagazin. Andererseits sind die heutigen klassischen Universalfräsmaschinen auch mit einem optionalen Werkzeugmagazin erhältlich. In der Praxis ist es daher schwierig, eine Fräsmaschine eindeutig von einem Bearbeitungszentrum zu unterscheiden. Dabei ist vorausgesetzt, dass beide Maschinengattungen mit CNC-Steuerungen ausgerüstet sind. Neben dem Fräsen können auch andere Fertigungstechniken wie Drehen auf Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren umgesetzt werden. Eine gängige Einteilung von Bearbeitungszentren nach Spindel und Einbaulage der Spindel sind Horizontal- und Vertikalmaschinen. Bearbeitungszentren mit Horizontal- und Vertikalspindeln werden nach Rahmenbauweise in Konsolen-, Bett- und Portalbauweise eingeteilt. Cantilever-Konstruktionen werden nur für kleine Werkzeugmaschinen verwendet, da sich die Masse vertikal bewegt. Bettfräsmaschinen werden zur Bearbeitung schwerer Werkstücke eingesetzt, da bei dieser Ausführung der Tisch auf einem starren Maschinenbett ruht. Die Portalbauweise bietet Vorteile bei der Bearbeitung sehr großer Werkstücke und wenn besondere Anforderungen an Stabilität und Schnittleistung an das Bearbeitungszentrum gestellt werden. Bei der Portalbauweise wird zwischen Tisch- und Portalbauweise unterschieden. Durch die Kombination verschiedener Frässupporte, Spindeleinheiten und einem automatischen Werkzeug-/Spindeleinheit-Wechselsystem können unterschiedlichste Werkstücke und Werkstückgrößen bearbeitet werden.

 

Werkzeuge für das Fräsen

Durch die hohe Anzahl an möglichen Bearbeitungsoperationen existiert eine große Anzahl an unterschiedlicher Fräswerkzeugtypen. Einige sind nachfolgend aufgelistet:

  • Walzenfräser mit Spannschaft an jedem Ende, zum Fräsen von Planflächen
  • Langlochfräser, zum Fräsen von Keilnuten und Taschen
  • Schaftfräser, zum Fräsen tiefer Nuten, Konturen zum Anfasen und Gesenkfräsen
  • T-Nuten-Fräser, zum Fräsen von T-Nuten
  • Schlitzfräser, zum Fräsen von Scheibenfedernuten
  • Winkelfräser, zum Fräsen von Winkelführungen

 

Parameter für das Fräsen

Die Prozessparameter beim Fräsen ähneln sich denen anderer spanender Fertigungsverfahren. Dabei handelt es sich um aktive Parameter, wie:

  • Schnittgeschwindigkeit vc

Die Schnittgeschwindigkeit vc ist die Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkzeugschneide und dem zu bearbeitenden Werkstück in Schnittrichtung.  Sie wird meist in Meter pro Minute (m/min) angegeben und ist gemäß der Formel vc = n ∙ D ∙ π von der Drehzahl n sowie dem Werkzeugdurchmesser abhängig.

  • Schnitttiefe ap

Die Schnitttiefe ap bezeichnet die Tiefe des Schneideingriffes und wird in mm angegeben.

  • Schnittbreite ae

Die Schnittbreite wird gemessen senkrecht zur Vorschubrichtung, in der Arbeitsebene.

  • Vorschubgeschwindigkeit vf

Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Einheit, die angibt welche Geschwindigkeit das Werkzeug in Vorschubrichtung hat, in mm/min.

  • Zahnvorschub fz

Der Zahnvorschub beschreibt den Vorschub in mm von einem Zahneingriff zum nächsten. Er kann abgeleitet werden aus der Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittgeschwindigkeit.

 

Erfolgsfaktoren und Umsetzung des Fräsens

Die exakte Bestimmung von Prozessparametern erfordert viel Erfahrung und Wissen. Vor allem für Betriebe, welche nur verhältnismäßig selten Frästeile benötigen, ist es daher ratsam, auf externe Dienstleister zurückzugreifen. Diese haben ein umfassendes Wissen zu Prozessparametern, Werkzeugwahl und anderen Rahmenbedingungen, welche eine erfolgreiche Produktion versprechen. Beim Fräsprozess können zahlreiche Probleme auftreten, die es gilt zu beherrschen. Beispielsweise kann durch Vibration des Werkzeugs oder des Werkstücks nur eine unzureichende Oberflächengüte erreicht werden. Auch gilt es zur Erzielung optimierter Schnittdaten, bester Werkstückqualität und Standzeit stets die Schneidkante/Wendeschneidplatte zu überprüfen. Um einen Schneidkantenbruch zu verhindern, gilt es zudem einen zuverlässigen Späne Abtransport sicherzustellen. Um einen wirtschaftlichen Fräsprozess zu etablieren gilt es, eine größtmögliche maximale Schnitttiefe und Spanungsbreite zu wählen ohne das Werkzeug durch zu hohe Prozesskräfte zu überlasten. Auch gilt es hierbei die maximale Leistung der Werkzeugmaschine zu berücksichtigen. Ziel ist es, ein Minimum aus der Summe der Rüstzeit und der Bearbeitungszeit zu erreichen.

 

Schulungen und Seminare zum Fräsen

Aufgrund der stetig voranschreitenden Digitalisierung, welche in der Fertigungsindustrie den Begriff 4.0 geprägt hat, ist der Austausch über neue Technologien ebenso wichtig wie der Umgang mit diesen. Durch das gezielte Weiterbilden im Bereich des Fräsens, können neben den Prozesszeiten und dem Ausschuss auch der Werkzeugverschleiß reduziert werden, was sowohl ökonomische als auch ökologische Synergieeffekte für das Unternehmen bietet. Die wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) bietet im Rahmen der WGP-Produktionsakademie ein maßgeschneidertes Weiterbildungsangebot an. Des Weiteren kann am Institut für Spanende Fertigung (ISF), an der TU Dortmund, ein attraktives Angebot an Seminaren, Schulungen und Weiterbildungen zum Thema Fräsen besucht werden, zu denen u.a. das WGP-Seminar gehört, indem den Teilnehmenden an den Basisprozessen wie dem Drehen, Bohren und Fräsen der Umgang mit geeigneter Messtechnik / Sensorik vermittelt wird, um ein breiteres Wissen im Bereich der Zerspanung zu erlangen.

 

Hier finden Sie das Seminar zur Prozess-, Werkzeug- und Maschinenanalyse.