Schnelle Antwort: Fräsvorgänge sind spezifische Zerspanungsstrategien, die bei der CNC-Bearbeitung angewendet werden, um verschiedene Werkstückmerkmale herzustellen. Die wichtigsten Arten sind: Planfräsen (ebene Flächen – höchste Zerspanungsleistung, Ra 1,6–3,2 µm), Schaftfräsen/Taschenfräsen (geschlossene Hohlräume und in mehrere Richtungen verlaufende Merkmale), Nutfräsen (Keilnuten und Nuten, bei denen eine Breitentoleranz von ±0,010–0,020 mm eingehalten werden muss), Gewindefräsen (Innen- oder Außengewinde in teuren oder kritischen Werkstoffen), Profil-/Konturfräsen (komplexe 3D-gekrümmte Oberflächen für Formen und Luft- und Raumfahrtteile, Ra 0,8–1,6 µm mit Schlichtdurchgängen), Winkelfräsen (Fasen und abgeschrägte Kanten), Formfräsen (kundenspezifische oder sich wiederholende Profile, die spezielle Werkzeuge erfordern) und Mehrfachfräsen (mehrere Fräser gleichzeitig für die Serienfertigung von Bauteilen mit vielen Merkmalen). Jeder Bearbeitungsschritt ist notwendig, da unterschiedliche Merkmale unterschiedliche Werkzeugangriffsgeometrien, Spanabfuhr und Schneidkrafterichtung erfordern. Die Abstimmung des Bearbeitungsschritts auf das jeweilige Merkmal – anstatt alles mit dem Schaftfräser zu bearbeiten – reduziert bei komplexen Teilen in der Regel die Zykluszeit um 20–40%.
Warum es verschiedene Fräsverfahren gibt
Ein CNC-Bearbeitungszentrum ist in der Lage, ein rotierendes Werkzeug in den X-, Y- und Z-Achsen sowie um die Drehachse zu bewegen – doch diese kinematische Fähigkeit bedeutet nicht, dass jedes Werkzeug und jede Strategie für jedes Merkmal gleichermaßen effizient ist. Jeder Fräsvorgang stellt eine spezifische Kombination aus Werkzeuggeometrie, Werkzeugbahnrichtung, radialem und axialem Eingriff sowie der Ausrichtung der Schnittkraft dar, die für einen bestimmten Werkstücktyp optimiert ist.
Das Produktivitätsargument: Eine ebene Aluminiumoberfläche mit den Maßen 200 × 150 mm kann entweder mit einem Schaftfräser in mehreren überlappenden Durchgängen (Hochvorschub-Schaftfräser, Ø 20 mm, Schrittweite 18 mm = 11 Durchgänge) oder mit einem Planfräser (Ø 100 mm, ein Durchgang bei fester Z-Tiefe) hergestellt werden. Der Planfräser entfernt in einem Durchgang die gleiche Materialmenge bei einer 3–5-mal höheren Materialabtragsrate (MRR) als der Schaftfräser und erzielt dabei eine bessere Oberflächengüte, da die größere Kontaktfläche einzelne Schneideinsätze ausgleicht. Die Verwendung des Schaftfräsers für dieses Merkmal, nur weil er das “Standardwerkzeug” ist, kostet erhebliche Bearbeitungszeit.
Das Beispiel zur Genauigkeit: Ein Schlitz für einen Sicherungsring oder einen O-Ring mit einer Breitentoleranz von ±0,015 mm lässt sich am genauesten mit einem Nutenwerkzeug oder einem Schlitzfräser herstellen, dessen Breite exakt der Schlitzspezifikation entspricht. Die Bearbeitung desselben Merkmals mit einem kleineren Schaftfräser erfordert mehrere Durchgänge, um die endgültige Breite zu erreichen, führt zu einer Akkumulation von Positionsfehlern aus jedem Durchgang und erzeugt an den Schlitzflanken eine Oberflächenqualität, die schlechter ist als bei einem Schlitzfräser, der in einem einzigen Durchgang das Material über die gesamte Breite bearbeitet.
Der Fall der Oberflächenbeschaffenheit: Die Oberflächengüte gefräster Strukturen wird in erster Linie durch die Einschnittbedingungen des Werkzeugs (radialer Einschnittanteil, axiale Tiefe, Vorschub pro Zahn, Werkzeugspitzenradius oder Schneideinsatzgeometrie) und die Bearbeitungsstrategie (Schrupp- vs. Schlichtdurchgang) bestimmt – nicht nur durch die Bezeichnung des Arbeitsgangs. Derselbe Planfräser, der für einen schweren Schruppdurchgang verwendet wird, erzeugt eine Ra-Rauheit von 3,2–6,3 µm; derselbe Planfräser bei reduziertem Vorschub und reduzierter Tiefe mit einer Wischer-Wendeschneidplatte erzeugt auf derselben Oberfläche eine Ra-Rauheit von 0,4–0,8 µm.
Die wichtigsten Arten von Fräsbearbeitungen
Stirnfräsen
Beim Planfräsen werden große Fräser (Ø 50–200 mm für CNC-Bearbeitungszentren, mit mehreren Wendeplatten) zur Bearbeitung ebener Flächen eingesetzt. Die Fräserachse steht senkrecht zur zu bearbeitenden Fläche, und das Material wird durch die Schneidkanten der Wendeplatten abgetragen, während diese über die Werkstückoberfläche gleiten. Der große Fräserdurchmesser ermöglicht einen breiten, stabilen Kontakt mit dem Werkstück und sorgt für eine gleichmäßige Ebenheit über die gesamte Schnittbreite.
Leistung: Beim Planfräsen von Aluminium lassen sich mit Hochvorschub-Frässystemen Zerspanungsraten von 100–800 cm³/min erzielen. Eine Ebenheit von ±0,010–0,025 mm über den gesamten Bearbeitungsbereich ist Standard. Oberflächengüte Ra 1,6–3,2 µm im Schruppdurchgang, Ra 0,4–0,8 µm im Schlichtdurchgang mit einem Wiper-Einsatz.
Wann zu verwenden: Jede ebene Fläche, die als primäre Bezugsebene oder Dichtfläche dient; Flächen, für die eine bestimmte Ebenheitsanforderung gilt; sowie bei großflächigem Materialabtrag, bei dem die Zykluszeit minimiert werden muss. Ist die Fläche breiter als etwa das 1,5-Fache des verfügbaren Fräserdurchmessers, ist das Planfräsen effizienter.
Wann sollte man es nicht verwenden: Beim Planfräsen können innere Strukturen, Taschen oder Nuten nicht bearbeitet werden, da der große Fräserdurchmesser einen flachen, offenen Zugang von oben erfordert. Für Randstrukturen und geschlossene Geometrien ist das Schaftfräsen erforderlich.
Stirnfräsen (einschließlich Taschenfräsen)
Beim Stirnfräsen kommt ein rotierendes Werkzeug (Stirnfräser) zum Einsatz, das sowohl an der Spitze als auch an der zylindrischen Seite Schneidkanten aufweist, wodurch das Fräsen in verschiedene Richtungen möglich ist (axiales Eintauchen, seitlicher Vorschub, spiralförmiges Anfahren). Es handelt sich um den vielseitigsten Fräsvorgang und die richtige Standardwahl für geschlossene Hohlräume, Taschen mit Wänden und Strukturen, die eine multidirektionale Werkzeugbewegung erfordern.
Strategien für das Taschenfräsen: Bei rechteckigen oder unregelmäßigen Taschen kann der Schaftfräser einem Zickzack-Raster (bidirektional), einer konturparallelen Bahn (von der Wand nach innen versetzt) oder einer adaptiven/trochoidalen Bahn (kreisförmige Durchgänge mit kontrolliertem radialem Eingriff) folgen. Adaptive Werkzeugbahnen sorgen für eine konstante Spanbelastung und reduzieren die Spitzen-Schnittkräfte, was tiefere axiale Schnitte (und damit einen schnelleren Materialabtrag pro Durchgang) bei längerer Standzeit ermöglicht.
Leistung: Toleranzen beim Schaftfräsen von ±0,020–0,050 mm bei den Taschenabmessungen; Oberflächengüte Ra 0,8–3,2 µm, abhängig vom radialen Eingriff und der Vorschubgeschwindigkeit. Mit einem speziellen Schlichtdurchgang (geringer radialer Abtrag, reduzierter Vorschub) sind an den Seitenwänden Ra-Werte von 0,4–0,8 µm erreichbar.
Wann zu verwenden: Alle geschlossenen Hohlräume und Vertiefungen; Merkmale, die einen spiralförmigen oder schräg angeordneten Zugang erfordern; Teile mit mehreren Merkmalstypen, bei denen ein einziger Schaftfräser mehrere Bearbeitungsschritte ausführen muss; sowie alle Merkmale, bei denen der große Durchmesser des Planfräsers den Zugang zur Geometrie verhindert.
Nutfräsen
Beim Schlitzfräsen wird ein Schneidwerkzeug (Schlitzfräser, Seiten- und Stirnfräser oder ein Schaftfräser, der mit voller axialer Tiefe entsprechend der Schlitz-Tiefe eingesetzt wird) verwendet, um in einem einzigen Durchgang einen Schlitz oder eine Nut herzustellen, wobei die Werkzeugbreite die Schlitzbreite bestimmt. Da das Werkzeug gleichzeitig an beiden Seiten und am Boden des Schlitzes schneidet, handelt es sich um einen kraftintensiven Vorgang, der eine starre Aufspannung erfordert.
Maßkontrolle: Der Hauptvorteil des Schlitzfräsens gegenüber dem interpolierten Schlitzfräsen besteht darin, dass ein Ein-Durchgang-Schlitzfräser beide Schlitzseitenflächen in einem einzigen Werkzeugdurchgang bearbeitet, wodurch sichergestellt wird, dass die Schlitzbreite durch die Werkzeuggeometrie bestimmt wird und nicht durch kumulierte Positionsfehler aus mehreren Durchgängen. Mit einem richtig dimensionierten Schlitzfräser in einer starren Aufspannung lassen sich Schlitzbreitentoleranzen von ±0,010–0,020 mm erzielen.
Wann zu verwenden: Keilnuten (DIN 6885 oder Normen für Parallelkeile), Sicherungsringnuten (gemäß den Nutbreiten nach DIN 471 oder ANSI B27.7), O-Ring-Nuten an Funktionsschnittstellen und T-Nuten. In Fertigungsprozessen mit vielen identischen Teilen eliminiert ein auf die erforderliche Nutbreite vorgedimensionierter Nutfräser die Komplexität der Programmierung und verkürzt die Zykluszeit im Vergleich zur Interpolation der Nut mit einem Schaftfräser.
Einschränkung: Das Nutenfräsen ist ein Bearbeitungsvorgang mit Vollbreiten-Eingriff – dabei werden beide Seiten und der Boden gleichzeitig gefräst. Dies führt zu hohen radialen Schnittkräften und Drehmomenten. Bei tiefen, schmalen Nuten (Tiefen-Breiten-Verhältnis über ca. 3:1) ist eine sorgfältige Reduzierung der Parameter erforderlich, um Schwingungen und Wärmeentwicklung zu begrenzen.
Gewindefräsen
Beim Gewindefräsen wird ein mehrschneidiges, rotierendes Werkzeug (Gewindefräser) verwendet, das einer spiralförmigen Werkzeugbahn folgt, um die GewindegEOMetrie in eine Bohrung (Innengewinde) oder um ein zylindrisches Element herum (Außengewinde) einzufräsen. Die Gewindesteigung wird durch den axialen Vorschub pro Umdrehung der spiralförmigen Bahn definiert; der Gewindedurchmesser wird durch die radiale Eingriffsposition bestimmt.
Vorteile gegenüber dem Einpunkt-Gewindeschneiden und -Gewindebohren:
Bei Innengewinden bietet das Gewindefräsen gegenüber dem Gewindeschneiden mehrere Vorteile: (1) Ein einziger Gewindefräser kann durch Anpassung des Spiralradius mehrere Gewindedurchmesser innerhalb seines effektiven Durchmesserbereichs schneiden, wodurch der Werkzeugbestand reduziert wird. (2) Bricht der Gewindefräser während des Gewindeschneidens, so bricht er im Loch ab, ohne das Werkstück zu zerstören (im Gegensatz zu einem gebrochenen Gewindebohrer, der extrem schwer zu entfernen ist und in der Regel das Werkstück unbrauchbar macht). (3) In Sacklöchern kann beim Gewindefräsen das Gewinde bis zur vollen Tiefe mit Freiraum am Boden geschnitten werden; Gewindebohrer erfordern am Boden eine Freiraumzone in voller Bohrtiefe für den Spanabtransport. (4) Das Gewindefräsen erzeugt eine saubere Gewindeform mit gleichmäßiger Oberflächengüte, frei von den Rissen, die beim Gewindeschneiden in schwierigen Werkstoffen (Edelstahl, Titan) auftreten können.
Wann zu verwenden: Innengewinde in teuren oder kritischen Bauteilen, bei denen das Risiko eines Werkzeugbruchs nicht akzeptabel ist; Gewinde in Sacklöchern, bei denen ein Gewindeschneiden über die gesamte Tiefe erforderlich ist; Gewinde in schwer zu bearbeitenden Werkstoffen (Titan, Inconel, gehärteter Stahl); sowie Innengewinde mit großem Durchmesser, bei denen die Gewindeschneidkräfte zu hoch wären.
Einschränkung: Das Gewindefräsen ist langsamer als das Gewindebohren, wenn es um ein einzelnes Gewinde mit kleinem Durchmesser in einem weichen Werkstoff geht. Bei der Serienfertigung von Gewinden der Größe M6 und kleiner in Aluminium oder Weichstahl ist das Gewindebohren pro Gewinde wirtschaftlicher.
Profilfräsen (Konturfräsen)
Beim Profilfräsen wird das Schneidwerkzeug entlang einer programmierten 2D- oder 3D-Bahn geführt, wobei eine bestimmte Einschnittbedingung beibehalten wird (in der Regel Steigfräsen mit definierter radialer Schnitttiefe und axialem Absenken). Beim 3-Achsen-Profilfräsen folgt das Werkzeug einer konturierten Oberfläche, indem es in Z-Richtung absinkt und gleichzeitig dem X-Y-Profil folgt. Beim 5-axis-Profilfräsen wird die Werkzeugachse gleichzeitig angepasst, um den optimalen Schnittwinkel relativ zur Oberflächennormalen beizubehalten.
Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit: Die Steghöhe (das zwischen benachbarten Werkzeugdurchgängen verbleibende Restmaterial) bestimmt die erreichbare Oberflächengüte. Bei einem Kugelfräser mit dem Radius R und dem Schrittabstand ae beträgt die theoretische Steghöhe h = ae²/(8R). Eine Verringerung des Schrittabstands von 1,0 mm auf 0,5 mm (bei R = 5 mm) reduziert die Rille von 0,025 mm auf 0,0063 mm – eine 4-fache Verbesserung der Oberflächengüte auf Kosten von doppelt so vielen Werkzeugdurchläufen.
Wann zu verwenden: Formkerne und -hohlräume (erforderlich für Freiform-Oberflächengeometrien); Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt mit zusammengesetzten gekrümmten Oberflächen; Nockenprofile, Laufräder und Turbinenschaufeln; sowie alle Bauteileigenschaften, die sich nicht allein durch Operationen mit konstantem Z-Wert beschreiben lassen.
Winkelfräsen
Beim Winkelfräsen wird ein Werkzeug mit einer abgewinkelten Schneidgeometrie (oder ein Standard-Schaftfräser, der im 5-axis-Modus schräg gehalten wird) verwendet, um Fasen, abgeschrägte Flächen und schräge Flächen zu erzeugen. Standard-Fasenfräser verfügen über Geometrien mit einem Einschlusswinkel von 45°, 60° oder 90°; Sonderwinkel werden durch 5-axis-Kipp- oder Formfräser hergestellt.
Wann zu verwenden: Anfasungen an Befestigungslöchern (zur Verbesserung des Sitzes der Befestigungselemente und zur Ermöglichung einer Sichtprüfung); funktionale Abschrägungen an Passflächen; sowie ästhetische Anfasungen an sichtbaren Teilekanten. Bei der 5-axis-Bearbeitung werden komplexe zusammengesetzte Winkel durch Profilierung mit dem entsprechenden Werkzeugvektor erzeugt, wodurch der Einsatz eines speziellen Winkelfräsers entfällt.
Formfräsen
Beim Formfräsen kommt ein Fräser zum Einsatz, dessen Geometrie ein speziell geschliffenes Profil aufweist, sodass bereits ein einziger Werkzeugdurchgang die gewünschte Form des Merkmals exakt nachbildet. Die Geometrie des Merkmals ist in das Werkzeug integriert und wird nicht durch die Werkzeugweggeometrie nachgezeichnet.
Wann zu verwenden: Hohe Produktionsmengen eines bestimmten sich wiederholenden Profils, bei denen die Zykluszeit für die Bearbeitung des Profils mit einem Standard-Schaftfräser unzumutbar lang ist; Standardprofile, die durch Branchenspezifikationen definiert sind (Woodruff-Keilnuten, T-Nut-Normen); sowie Sonderformen, deren Bearbeitung mit einem Standardwerkzeug eine komplexe mehrachsige Programmierung erfordern würde.
Einschränkung: Das Formfräsen erfordert maßgeschneiderte Werkzeuge, was mit entsprechenden Vorlaufkosten und Vorlaufzeiten verbunden ist. Formwerkzeuge eignen sich nicht für Anwendungen mit geringen Stückzahlen oder wechselnden Geometrien.
Reihenfräsen
Beim Mehrfachfräsen werden mehrere Fräser, die auf einer gemeinsamen Welle montiert sind (oder mehrere Spindeln im Simultanbetrieb), eingesetzt, um mehrere Flächen oder Merkmale gleichzeitig in einem einzigen Durchgang zu bearbeiten. Die Fräser sind entsprechend den Positionen der Merkmale auf dem Werkstück angeordnet.
Wann zu verwenden: Massenfertigung von Bauteilen mit mehreren parallelen Merkmalen in festgelegten Abständen – mehrere Nuten, Spreizprofile (zwei parallele Flächen) oder Flächen mit festem Abstand. Das Gruppenfräsen wird in erster Linie in horizontalen Bearbeitungszentren und speziellen Fertigungsanlagen eingesetzt und nicht in universellen vertikalen CNC-Bearbeitungszentren.
Oberflächenbeschaffenheit je nach Fräsvorgang und -strategie
Die Oberflächengüte beim CNC-Fräsen wird durch die Kombination aus Bearbeitungsvorgang, Schnittparametern und der Frage bestimmt, ob ein separater Schlichtdurchgang durchgeführt wird. Ein häufiger Fehler besteht darin, die endgültige Oberflächengüte bereits im Schruppdurchgang durch Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit erreichen zu wollen – dies führt zu einer nur geringfügigen Verbesserung der Oberfläche auf Kosten einer deutlich längeren Zykluszeit. Der richtige Ansatz besteht darin, zunächst mit hoher Zerspanungsleistung zu schruppen und anschließend einen speziellen Schlichtdurchgang mit reduzierter radialer und axialer Schnitttiefe durchzuführen.
| Betrieb und Strategie | Typischer Ra-Wert (µm) | Schlüsselparameter |
|---|---|---|
| Planfräsen – Grobbearbeitung | Ra 3.2–6.3 | Hoher Vorschub, große Schnitttiefe |
| Planfräsen – Schlichtdurchgang | Ra 0,4–1,6 | Wischereinsatz, reduzierter Vorschub |
| Schaftfräsen – Schruppen | Ra 3.2–6.3 | Großer Überstand, volle Tiefe |
| Schrägfräsen – Endbearbeitung der Seitenwände | Ra 0,4–1,6 | Kleine Radialbearbeitung, Steigfräsen |
| Nutfräsen | Ra 1,6–3,2 | Vollflächiger Kontakt |
| Profilfräsen – Vorbearbeitung | Ra 3.2–6.3 | Große Muschelhöhe |
| Profilfräsen – Schlichtfräsen (kleiner Schritt) | Ra 0,8–1,6 | Kugelspitze, 0,3–0,5 mm Schrittweite |
| Gewindefräsen | Ra 0,8–1,6 | Durch die Werkzeuggeometrie bestimmt |
Der Einfluss des Steigfräsens auf die Oberflächengüte: Beim Steigfräsen (bei dem der Vorschub des Werkzeugs am Einschnittpunkt in derselben Richtung erfolgt wie die Drehung des Fräsers) entsteht ein Span, der zunächst dick ist und sich dann auf Null verringert, wodurch eine polierte Austrittsfläche mit einem niedrigeren Ra-Wert als beim herkömmlichen Fräsen (Span beginnt dünn und wird dicker) zurückbleibt. Bei Schlichtdurchgängen wird das Steigfräsen standardmäßig vorgeschrieben, um eine bessere Oberflächenqualität der Seitenwände zu erzielen.
Abgleich von Bearbeitungsvorgängen mit Werkstückmerkmalen: Anwendungsbeispiele
Tragelement für die Luft- und Raumfahrt: Beim Planfräsen wird die ebene Bezugsfläche (Befestigungsfläche und Referenzfläche) mit einem Wiper-Einsatz auf Ra 1,6 µm bearbeitet. Beim Schaftfräsen (adaptives Ausfräsen) wird Material aus den Gewichtsreduktionskammern abgetragen. Durch Profilfräsen (5-axis) werden die aerodynamischen oder strukturellen Konturmerkmale erzeugt. Durch Gewindefräsen werden Gewindebohrungen in der Titanlegierung ohne Gewindeschneidrisiko hergestellt.
Spritzgusskern: Beim Schruppen wird das Material aus dem Hohlraum mit maximaler Materialabtragsrate (MRR) abgetragen. Das Profilfräsen (3-achsig, anschließend 5-axis für Hinterschneidungen) erzeugt die endgültige Oberflächengeometrie des Hohlraums mit einer Rauheit von Ra 0,8–1,2 µm. Die EDM-Schlichtbearbeitung bearbeitet alle scharfen Ecken oder feinen Strukturen, die mit dem minimalen Profilfräsradius nicht erreicht werden können.
Hydraulikverteilerblock: Durch das Planfräsen werden die ebenen Anschlussflächen hergestellt (Dichtflächen mit Ra ≤ 0,8 µm im Schlichtdurchgang). Durch Stirnfräsen werden Innenbohrungen und Fluidkanäle hergestellt. Durch Schlitzfräsen werden O-Ring-Nuten an den Anschlussflächen mit einer Breitentoleranz von ±0,015 mm hergestellt. Durch Gewindefräsen werden die Anschlüsse mit NPT- oder BSPP-Gewinde hergestellt.
Kühlkörper mit Lamellenanordnung: Beim Schlitzfräsen werden die Lamellenschlitze gleichzeitig über die gesamte Anordnung hinweg gefertigt. Durch die Verwendung einer Schlitzfräserbreite, die dem Lamellenabstand entspricht, lässt sich die gesamte Lamellenanordnung in einem oder wenigen Durchgängen herstellen, während mit einem Schaftfräser Dutzende von Durchgängen erforderlich wären.
Häufige Fehler bei der Zerspanung und deren Folgen
| Fehler | Folge | Technische Lösung |
|---|---|---|
| Fräsen großer ebener Flächen | 3–5-mal längere Zykluszeit im Vergleich zum Planfräsen; sichtbare Werkzeugspuren zwischen den Durchgängen | Verwenden Sie einen Planfräser für Flächen, die breiter sind als das 1,5-Fache des verfügbaren Schaftfräserdurchmessers. |
| Einsatz des Schlitzfräsens für tiefe, breite Taschen | Überlastung des Werkzeugs; Späneansammlung; Bruchgefahr | Endfräsen mit adaptiver Taschenfrässtrategie anwenden; Eingriff verringern |
| Versuch einer Endoberflächenbearbeitung bereits im Schruppdurchgang | Geringfügige Verbesserung bei 2–3-fachen Zykluszeitkosten; Vibrationen durch Reibung | Schrupp- und Schlichtdurchgänge trennen; nur die Schlichtparameter anpassen |
| Das Verhältnis von Werkzeuglänge zu Durchmesser bei tiefen Aussparungen außer Acht lassen | Werkzeugdurchbiegung; Rattermarken; Maßabweichung | Den Werkzeugüberhang auf ≤ 4 × Durchmesser begrenzen; kürzere, stumpfe Werkzeuge verwenden oder einen stufenweisen Ansatz wählen |
| Gewindebohren statt Gewindefräsen bei teuren Werkstoffen | Risiko eines gebrochenen Wasserhahns; Ausschussteil; Demontagekosten | Gewindefräser aus Titan, Inconel, gehärtetem Stahl, für Sacklöcher |
| Anwendung des Planfräsens bei geschlossenen Taschen | Die Planfräse kann nicht auf die umschlossene Geometrie zugreifen | Verwenden Sie das Schaftfräsen für geschlossene Strukturen; das Planfräsen nur für offene Flächen. |
Wichtigste Erkenntnisse
- Jeder Fräsvorgang ist für einen bestimmten Merkmalstyp optimiert.: Planfräsen für offene, ebene Flächen, Stirnfräsen für geschlossene Taschen und in verschiedene Richtungen verlaufende Strukturen, Schlitzfräsen für nutbreitekritische Nuten, Gewindefräsen für kritische Innengewinde und Profilfräsen für komplexe 3D-Konturen. Die Bearbeitung aller Strukturen in einem Arbeitsgang führt zu einer Verschwendung von Zykluszeit und beeinträchtigt die Qualität.
- Das Planfräsen ist bei großen ebenen Flächen 3–5-mal effizienter als das Stirnfräsen.: Der Planfräser mit großem Durchmesser entfernt Material in weniger Durchgängen bei höherer Materialabtragsrate (MRR). Dies ist der häufigste Fehler bei der Frässtrategie in der CNC-Programmierung – die Verwendung des Standard-Schaftfräsers für Flächen, die eigentlich mit einem Planfräser bearbeitet werden sollten.
- Das Nutenfräsen führt zu einer besseren Breitentoleranz als das interpolierte Nutenfräsen: Bei einer Ein-Durchgang-Schlitzfräsmaschine wird die Schlitzbreite durch die Werkzeuggeometrie bestimmt, wodurch eine Breitentoleranz von ±0,010–0,020 mm erzielt wird, ohne dass sich durch mehrere interpolierte Durchgänge Positionsfehler summieren.
- Die Oberflächenqualität beim Fräsen wird durch die Endbearbeitungsstrategie bestimmt, nicht nur durch den einzelnen Arbeitsgang.: Um auf einer gefrästen Oberfläche einen Ra-Wert von 0,4–0,8 µm zu erreichen, ist ein spezieller Schlichtdurchgang mit reduziertem radialem Eingriff, verringertem Vorschub pro Zahn und Aufwärtsfräsen erforderlich – unabhängig davon, ob es sich um Stirnfräsen, Schaftfräsen oder Profilfräsen handelt.
- Das Gewindefräsen ist bei kritischen und teuren Bauteilen sicherer als das Gewindeschneiden.: Ein gebrochener Gewindebohrer an einer kritischen Stelle führt häufig zur Ausschussware; ein gebrochener Gewindefräser lässt sich in der Regel bergen, ohne dass das Werkstück verschrottet werden muss. Das Gewindefräsen ist bei Titan, Inconel, gehärtetem Stahl sowie bei tiefen Sacklöchern in teuren Werkstoffen zwingend erforderlich.
- Die Höhe der Fräsrillen beim Profilfräsen bestimmt die Oberflächenqualität und beeinflusst die Wahl des Frässchritts: h = ae²/(8R) quantifiziert den Zusammenhang zwischen Werkzeugschrittweite, Werkzeugradius und Oberflächenwelligkeit. Eine Halbierung der Schrittweite reduziert die Welligkeit um das Vierfache, was jedoch mit einer Verdopplung der Anzahl der Werkzeugbahn-Durchgänge einhergeht.
- Für Beschaffungs- und Entwicklungsteams von Erstausrüstern: Bei der Überprüfung oder Erstellung von Zeichnungen für bearbeitete Teile für die CNC-Fertigung sollten Oberflächen mit Angaben zur Ebenheit oder Oberflächenrauheit (Ra ≤ 1,6 µm, Ebenheit ≤ 0,020 mm) ausdrücklich als Bezugsebenen oder Dichtflächen gekennzeichnet werden. Dadurch wird dem Bearbeitungsdienstleister signalisiert, dass an dieser Oberfläche ein Endbearbeitungsschritt – ein spezieller Endbearbeitungsdurchgang, ein Wiper-Einsatz oder enge Vorschubparameter – erforderlich ist, wodurch eine Ein-Durchgang-Schruppstrategie verhindert wird, die zwar das Nennmaß erfüllt, aber die Anforderungen an die Oberflächenqualität nicht erfüllt.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Planfräsen und Stirnfräsen?
Beim Planfräsen wird ein Fräser mit großem Durchmesser (typischerweise Ø 50–200 mm mit Wendeplatten) verwendet, der ebene Flächen von oben in einem oder wenigen Durchgängen bearbeitet, wobei die Fräserachse senkrecht zur bearbeiteten Oberfläche steht. Es erzielt eine hohe Zerspanungsleistung und eine gleichmäßige Ebenheit (±0,010–0,025 mm) mit einer Oberflächenrauheit von Ra 0,4–3,2 µm, je nach Art des Durchgangs. Beim Schaftfräsen kommt ein kleinerer, vielseitigerer Fräser zum Einsatz, der in mehrere Richtungen – axial, seitlich und entlang von Konturen – bearbeiten kann, wodurch er Taschen, Wände, profilierte Merkmale und komplexe Geometrien erzeugen kann, die mit einem Planfräser nicht erreichbar sind. Die Auswahlregel lautet: Flache, offene Flächen werden mit einem Planfräser bearbeitet; geschlossene und in mehrere Richtungen verlaufende Merkmale werden mit einem Schaftfräser bearbeitet. Der Einsatz eines Schaftfräsers für eine Planfräsanwendung ist die häufigste Ursache für unnötigen Zeitaufwand beim CNC-Fräsen.
Wann sollte das Nutenfräsen anstelle der Interpolation einer Nut mit einem Schaftfräser verwendet werden?
Das Schlitzfräsen wird bevorzugt, wenn die Toleranz der Schlitzbreite ±0,020 mm oder enger ist, wenn der Schlitz über eine gesamte Produktionscharge hinweg einheitlich gefertigt werden muss und wenn es sich um eine Standardgeometrie (Keilnut, Sicherungsringnut, O-Ring-Nut) mit definierter Breite handelt. Ein Schlitzfräser mit der richtigen Breite fertigt beide Seitenwände des Schlitzes in einem einzigen Durchgang, wobei die Breite durch die Werkzeuggeometrie bestimmt wird. Das Fräsen desselben Schlitzes mit einem kleineren Schaftfräser erfordert mehrere Durchgänge, und die endgültige Schlitzbreite ergibt sich aus der Summe dieser Durchgänge sowie der Positionsgenauigkeit der Maschine bei jedem Durchgang – was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Breitenabweichungen führt. Speziell bei Passfedernuten entsprechen die Standardbreiten nach DIN 6885 und ANSI den Standardgrößen von Nutfräsern, wodurch sich das Nutfräsen als naheliegende Wahl ergibt.
Was ist Profilfräsen und wann ist es erforderlich?
Beim Profilfräsen (auch Konturfräsen genannt) wird das Schneidwerkzeug entlang einer programmierten 2D- oder 3D-Bahn geführt, um gekrümmte Oberflächen, Übergänge und Freiformgeometrien zu erzeugen. Es ist erforderlich, wenn die Werkstückoberfläche nicht durch Z-Konstant-Bearbeitungen (flache Böden, senkrechte Wände) beschrieben werden kann – insbesondere bei Formkernen und -kavitäten, aerodynamischen Oberflächen, Nockenprofilen und strukturellen Bauteilen mit zusammengesetzten Krümmungen. Beim 3-Achsen-Profilfräsen folgt das Werkzeug der Kontur, während die Spindelachse vertikal bleibt; die erreichbare Oberflächengüte hängt vom Verhältnis von Schrittweite zu Werkzeugradius ab (Zackenhöhe = ae²/8R). Beim 5-axis-Profilfräsen neigt sich die Spindel, um der Oberflächennormalen zu folgen, was den Einsatz kürzerer Werkzeuge ermöglicht (verbesserte Steifigkeit) und die Bearbeitung von Oberflächen erlaubt, die beim 3-Achsen-Fräsen einen Zugang über Hinterschneidungen erfordern würden.
Welche Vorteile bietet das Gewindefräsen gegenüber dem Gewindeschneiden?
Das Gewindefräsen bietet gegenüber dem Gewindeschneiden drei praktische Vorteile. Erstens: Bricht ein Gewindefräser während des Gewindefräsens, so bricht er in der Regel im Freiraum am Boden der Bohrung und kann geborgen werden, während ein gebrochener Gewindebohrer fast immer eine EDM-Entfernung erfordert und häufig zur Ausschuss des Werkstücks führt. Zweitens kann ein einziger Gewindefräser durch Anpassung des Spiralradius im Werkzeugweg mehrere Gewindedurchmesser bearbeiten, was den Werkzeugbestand reduziert. Drittens erzeugt das Gewindefräsen eine saubere Gewindeform, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich der Gewindebohrer in kaltverfestigenden Werkstoffen wie Edelstahl und Titan festfrisst. Der Nachteil besteht darin, dass das Gewindefräsen pro Bohrung langsamer ist als das Gewindeschneiden und eine komplexere Programmierung erfordert. Das Gewindeschneiden bleibt für M8- und kleinere Gewinde in Aluminium und Kohlenstoffstahl bei Produktionsmengen wirtschaftlicher, bei denen die Materialkosten den durch das Gewindefräsen gewährten Schutz vor Werkzeugwechsel nicht rechtfertigen.
Inwiefern wirkt sich die Wahl der Fräsbearbeitung auf die Oberflächengüte aus?
Die Auswahl des Fräsvorgangs legt die Grundoberflächenbeschaffenheit fest, doch die Schlichtstrategie – insbesondere die Frage, ob ein spezieller leichter Schlichtdurchgang durchgeführt wird – hat einen größeren Einfluss auf den endgültigen Ra-Wert als die Wahl des Arbeitsgangs. Das Stirnfräsen im Schruppdurchgang ergibt einen Ra-Wert von 3,2–6,3 µm; derselbe Stirnfräser mit einem Schlichtdurchgang mit Wiper-Einsatz ergibt einen Ra-Wert von 0,4–0,8 µm. Das Schaftfräsen im Schruppdurchgang ergibt einen Ra-Wert von 3,2–6,3 µm; ein spezieller Seiten-Schlichtdurchgang mit 0,10–0,20 mm radialem Materialabtrag, Aufwärtsfräsen und reduziertem Vorschub pro Zahn ergibt an der Wand einen Ra-Wert von 0,4–1,6 µm. Die Oberflächenqualität beim Profilfräsen wird durch das Verhältnis von Schrittweite zu Radius (Formel für die Wellenhöhe) gesteuert. In allen Fällen lautet die empfohlene Vorgehensweise: Vorbearbeitung mit maximaler Zerspanungsleistung (unter Inkaufnahme einer rauen Oberfläche), anschließend ein spezieller Schlichtdurchgang mit optimierten Parametern. Der Versuch, die endgültige Oberflächenqualität bereits während des Vorbearbeitungsdurchgangs zu erreichen, verschwendet Zykluszeit bei nur geringfügiger Verbesserung.
Verfasst vom CMS-Entwicklungsteam mit über 15 Jahren Erfahrung im CNC-Fräsen bei der Herstellung von Bauteilen mittels Planfräsen, Taschenfräsen, Schlitzfräsen, Gewindefräsen, Profilfräsen und 5-axis-Konturfräsen für die Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik, Werkzeug- und Formenbau sowie in industriellen Fertigungsprogrammen. Technische Referenzen: Sandvik Coromant-Anwendungsleitfaden zum Fräsen, Kennametal-Fräshandbuch, Machinery’s Handbook (Auswahl und Anwendung von Fräsern), Altintas Y. – Fertigungsautomatisierung: Mechanik der Metallbearbeitung (Kapitel „Werkzeugbahn“ und „Eingriff“).
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