Fräsen
Das Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkstücken mit geometrisch bestimmter Gestalt. Wie bei allen spanenden Verfahren wird dabei von einem Rohteil Material in Form von Spänen entfernt. Das Fräsen zählt zur Gruppe Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, da die Geometrie der Schneiden an den Fräswerkzeugen bekannt ist. Beim Fräsen wird das Material entfernt, indem das Fräswerkzeug sich mit hoher Geschwindigkeit um seine eigene Achse dreht, während entweder das Werkzeug die herzustellende Kontur abfährt oder das Werkstück entsprechend bewegt wird. Beim Fräsen erfolgt diese Vorschubbewegung senkrecht oder schräg zur Rotationsachse des Werkzeuges – beim Bohren dagegen erfolgt sie in Richtung der Rotationsachse und beim Drehen rotieren die Werkstücke um ihre eigene Achse, während das Werkzeug die Kontur abfährt. ⓘ
Das Fräsen dient insbesondere zur Herstellung von ebenen Oberflächen. Dazu zählen Nuten oder Führungen für bewegte Maschinenteile. Vor 1840 wurden solche Formen vor allem durch Hobeln hergestellt, danach wurde es rasch vom deutlich schnelleren Fräsen verdrängt. Auf modernen Fräsmaschinen lassen sich jedoch auch komplizierte dreidimensionale Formen erzeugen wie Turbinenschaufeln oder Gesenke. Ein großer Teil aller Zahnräder wird durch das Wälzfräsen gefertigt, für das spezielle Wälzfräser benötigt werden. Außerdem sind auch Gewinde möglich. Sonderverfahren sind das Hartfräsen und Hochgeschwindigkeitsfräsen als Varianten des Hartzerspanens beziehungsweise Hochgeschwindigkeitszerspanens. ⓘ
Das Fräsen weist gegenüber anderen spanenden Fertigungsverfahren einige Besonderheiten auf. Zum einen ist es erst im 19. Jahrhundert zusammen mit den Fräsmaschinen entstanden, während fast alle anderen Verfahren bereits seit der Antike bekannt sind. Außerdem lässt es sich ausschließlich maschinell durchführen, während es sonst fast immer eine manuelle Variante gibt. Beim Fräsen haben die einzelnen Schneiden nicht ständig Kontakt mit dem Werkstück. Während einer Umdrehung dringen sie in den Werkstoff ein und tragen dabei Späne ab und lösen sich wieder vom Werkstück. Dieses Charakteristikum wird in der Fachliteratur als unterbrochener Schnitt bezeichnet. Dies führt zu einem stoßartigen, schwankenden Verlauf der Zerspankraft, die auf das Werkzeug wirkt. Die Spanungsdicke ändert sich während der Umdrehung und ist nicht konstant wie bei den meisten Verfahren. Außerdem ändert sich während einer Werkzeugumdrehung kontinuierlich der Winkel zwischen der Schnittbewegung und der Vorschubbewegung, der sogenannte Vorschubrichtungswinkel, was die Berechnung etwas aufwendiger gestaltet. Dafür können die Schneiden, während sie keinen Kontakt mit dem Werkstück haben, abkühlen und heizen sich dadurch nicht so stark auf. Außerdem entstehen durch den unterbrochenen Schnitt kurze kommaförmige Späne, die sich nicht in der Maschine verfangen können. Gesonderte Maßnahmen für einen Spanbruch sind daher nicht erforderlich. ⓘ
Fräsen ist ein Bearbeitungsprozess, bei dem rotierende Fräser verwendet werden, um Material zu entfernen, indem ein Fräser in ein Werkstück vorgeschoben wird. Dabei kann die Richtung in einer oder mehreren Achsen, die Geschwindigkeit des Fräskopfes und der Druck variiert werden. Das Fräsen umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Arbeitsgänge und Maschinen, die von kleinen Einzelteilen bis hin zu großen, schweren Gruppenfräsarbeiten reichen. Es ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren für die Bearbeitung kundenspezifischer Teile mit präzisen Toleranzen. ⓘ
Das Fräsen kann mit einer breiten Palette von Werkzeugmaschinen durchgeführt werden. Die ursprüngliche Klasse von Werkzeugmaschinen für das Fräsen war die Fräsmaschine (oft als Mühle bezeichnet). Nach dem Aufkommen der numerischen Computersteuerung (CNC) in den 1960er Jahren entwickelten sich die Fräsmaschinen zu Bearbeitungszentren: Fräsmaschinen, die durch automatische Werkzeugwechsler, Werkzeugmagazine oder Karussells, CNC-Funktionen, Kühlmittelsysteme und Einhausungen ergänzt wurden. Fräszentren werden im Allgemeinen als vertikale Bearbeitungszentren (VMCs) oder horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) klassifiziert. ⓘ
Die Integration der Fräsbearbeitung in die Drehbearbeitung und umgekehrt begann mit der Verwendung von angetriebenen Werkzeugen für Drehmaschinen und dem gelegentlichen Einsatz von Fräsern für Drehbearbeitungen. Dies führte zu einer neuen Klasse von Werkzeugmaschinen, den Multitasking-Maschinen (MTM), die speziell für das Fräsen und Drehen innerhalb desselben Arbeitsbereiches entwickelt wurden. ⓘ
Verfahren
Fräsen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem ein Fräser verwendet wird, um Material von der Oberfläche eines Werkstücks zu entfernen. Der Fräser ist ein rotierendes Schneidwerkzeug, oft mit mehreren Schneidspitzen. Im Gegensatz zum Bohren, bei dem das Werkzeug entlang seiner Rotationsachse bewegt wird, wird der Fräser beim Fräsen in der Regel senkrecht zu seiner Achse bewegt, so dass der Schnitt am Umfang des Fräsers erfolgt. Wenn der Fräser in das Werkstück eindringt, schneiden die Schneiden (Nuten oder Zähne) des Werkzeugs wiederholt in das Material und treten wieder aus, wobei bei jedem Durchgang Späne vom Werkstück abgeschabt werden (Späne). Die Schneidwirkung ist eine Scherverformung; das Material wird in winzigen Klumpen vom Werkstück abgestoßen, die mehr oder weniger stark (je nach Werkstoff) zusammenhängen und Späne bilden. Dadurch unterscheidet sich die Metallzerspanung (in ihrer Mechanik) etwas vom Schneiden weicherer Materialien mit einer Klinge. ⓘ
Beim Fräsen wird das Material durch viele einzelne, kleine Schnitte abgetragen. Dies geschieht durch die Verwendung eines Fräsers mit vielen Zähnen, durch das Drehen des Fräsers mit hoher Geschwindigkeit oder durch den langsamen Vorschub des Materials durch den Fräser; meistens ist es eine Kombination dieser drei Methoden. Die verwendeten Geschwindigkeiten und Vorschübe werden entsprechend einer Kombination von Variablen variiert. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkstück durch den Fräser bewegt, wird als Vorschubgeschwindigkeit oder einfach als Vorschub bezeichnet; sie wird meist als Weg pro Zeit (Zoll pro Minute [in/min oder ipm] oder Millimeter pro Minute [mm/min]) gemessen, obwohl manchmal auch der Weg pro Umdrehung oder pro Fräserzahn verwendet wird. ⓘ
Es gibt zwei Hauptklassen von Fräsprozessen:
- Beim Planfräsen erfolgt die Zerspanung hauptsächlich an den Stirnseiten des Fräsers. Das Planfräsen wird verwendet, um ebene Flächen (Stirnflächen) in das Werkstück zu schneiden oder um Hohlräume mit flachem Boden zu erzeugen.
- Beim Umfangsfräsen erfolgt die Zerspanung hauptsächlich entlang des Umfangs des Fräsers, so dass der Querschnitt der gefrästen Fläche am Ende die Form des Fräsers erhält. In diesem Fall können die Klingen des Fräsers als Schöpfer von Material aus dem Werkstück angesehen werden. Das Umfangsfräsen eignet sich gut für das Schneiden von tiefen Nuten, Gewinden und Verzahnungen. ⓘ
Fräswerkzeuge
Beim Fräsen werden viele verschiedene Arten von Schneidwerkzeugen verwendet. Fräswerkzeuge, wie z. B. Schaftfräser, können über ihre gesamte Stirnfläche schneidende Flächen haben, so dass sie in das Werkstück gebohrt werden können (Eintauchen). Fräswerkzeuge können auch erweiterte Schneidflächen an den Seiten haben, um Umfangsfräsen zu ermöglichen. Werkzeuge, die für das Planfräsen optimiert sind, haben in der Regel nur kleine Schneiden an ihren Endecken. ⓘ
Die Schneidflächen eines Fräsers bestehen im Allgemeinen aus einem harten und temperaturbeständigen Material, so dass sie sich langsam abnutzen. Ein preiswerter Fräser kann Oberflächen aus Schnellarbeitsstahl haben. Teurere, aber langsamer verschleißende Werkstoffe sind z. B. Sinterkarbid. Um die Reibung zu verringern oder die Härte weiter zu erhöhen, können dünne Beschichtungen aufgebracht werden. ⓘ
Es gibt Schneidwerkzeuge, die typischerweise in Fräsmaschinen oder Bearbeitungszentren für Fräsarbeiten eingesetzt werden (und gelegentlich auch in anderen Werkzeugmaschinen). Sie tragen Material durch ihre Bewegung in der Maschine (z. B. ein Kugelkopffräser) oder direkt durch die Form des Fräsers (z. B. ein Formwerkzeug wie ein Abwälzfräser) ab. ⓘ
Wenn das Material durch den Schneidbereich einer Fräsmaschine läuft, nehmen die Klingen des Fräsers in regelmäßigen Abständen Späne vom Material ab. Die von der Seite des Fräsers geschnittenen Oberflächen (wie beim Umfangsfräsen) enthalten daher immer regelmäßige Stege. Der Abstand zwischen den Stegen und die Höhe der Stege hängen von der Vorschubgeschwindigkeit, der Anzahl der Schnittflächen und dem Durchmesser des Fräsers ab. Bei einem schmalen Fräser und schnellem Vorschub können diese Umdrehungsstege zu erheblichen Abweichungen in der Oberflächengüte führen. ⓘ
Das Planfräsen kann im Prinzip sehr ebene Oberflächen erzeugen. In der Praxis zeigt das Ergebnis jedoch immer sichtbare trochoidale Spuren, die der Bewegung von Punkten auf der Stirnfläche des Fräsers folgen. Diese Umdrehungsspuren ergeben die charakteristische Oberfläche einer plangefrästen Fläche. Umdrehungsspuren können eine erhebliche Rauheit aufweisen, die von Faktoren wie der Ebenheit der Stirnfläche des Fräsers und dem Grad der Rechtwinkligkeit zwischen der Drehachse des Fräsers und der Vorschubrichtung abhängt. Oft wird ein letzter Durchgang mit einem langsamen Vorschub durchgeführt, um die Oberflächengüte zu verbessern, nachdem der Großteil des Materials entfernt wurde. Bei einer präzisen Planfräsbearbeitung sind die Umdrehungsspuren nur mikroskopisch kleine Kratzer, die auf Unregelmäßigkeiten an der Schneide zurückzuführen sind. ⓘ
Unter Gruppenfräsen versteht man die Verwendung von zwei oder mehr Fräsern, die in einer Horizontalfräseinrichtung auf demselben Dorn montiert sind (d. h. in einer Gruppe). Alle Fräser können die gleiche Art von Bearbeitung durchführen, oder jeder Fräser kann eine andere Art von Bearbeitung durchführen. Wenn z. B. mehrere Werkstücke einen Schlitz, eine ebene Fläche und eine winklige Nut benötigen, wäre eine gute Methode, diese zu fräsen (in einem Nicht-CNC-Kontext), das Gruppenfräsen. Alle gefertigten Werkstücke wären gleich, und die Fräszeit pro Stück würde minimiert. ⓘ
Das Gangfräsen war vor der CNC-Ära besonders wichtig, weil es bei der Herstellung von Doppelteilen eine erhebliche Effizienzsteigerung gegenüber dem manuellen Fräsen eines Merkmals in einem Arbeitsgang und dem anschließenden Wechsel der Maschine (oder der Umrüstung derselben Maschine) für die Bearbeitung des nächsten Teils darstellte. Heutzutage machen CNC-Fräsmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel und 4- oder 5-Achsen-Steuerung die Praxis des Gruppenfräsens weitgehend überflüssig. ⓘ
Ausrüstung
Das Fräsen erfolgt mit einem Fräser in verschiedenen Formen, der in einer Spannzange oder ähnlichem gehalten wird, die wiederum in der Spindel einer Fräsmaschine gehalten wird. ⓘ
Arten und Nomenklatur
Die Ausrichtung des Fräsers ist die wichtigste Klassifizierung für Fräsmaschinen. Die beiden Grundkonfigurationen sind vertikal und horizontal - sie beziehen sich auf die Ausrichtung der rotierenden Spindel, auf der der Fräser montiert ist. Es gibt jedoch auch andere Klassifizierungen, die sich auf die Art der Steuerung, die Größe, den Zweck und die Energiequelle beziehen. ⓘ
Ausrichtung der Maschine
Vertikal
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Bei der Vertikalfräsmaschine ist die Spindelachse vertikal ausgerichtet. Die Fräswerkzeuge werden in der Spindel gehalten und drehen sich um ihre Achse. Die Spindel kann im Allgemeinen abgesenkt werden (oder der Tisch kann angehoben werden, was den gleichen relativen Effekt hat, dass der Fräser näher oder tiefer in das Werkstück gebracht wird), was Eintauchschnitte und Bohrungen ermöglicht. Es gibt zwei Unterkategorien von Vertikalfräsen: Bettfräsen und Revolverfräsen. ⓘ
- Ein Revolverfräser hat eine feste Spindel, und der Tisch wird sowohl senkrecht als auch parallel zur Spindelachse bewegt, um die Bearbeitung durchzuführen. Einige Revolverfräsen haben eine Pinole, mit der der Fräser (oder ein Bohrer) ähnlich wie bei einer Bohrmaschine angehoben und abgesenkt werden kann. Damit stehen zwei Methoden zum Schneiden in vertikaler (Z-)Richtung zur Verfügung: durch Anheben oder Absenken der Pinole und durch Bewegen des Knies.
- Bei der Bettfräse hingegen bewegt sich der Tisch nur senkrecht zur Spindelachse, während sich die Spindel selbst parallel zu ihrer eigenen Achse bewegt. ⓘ
Revolverfräsen werden im Allgemeinen als die vielseitigere der beiden Bauformen angesehen. ⓘ
Es gibt noch einen dritten Typ, eine leichtere, vielseitigere Maschine, die Fräsbohrmaschine. Die Fräsbohrmaschine ist ein enger Verwandter der Vertikalfräse und in der Leichtindustrie und bei Hobbyisten sehr beliebt. Eine Fräsbohrmaschine ähnelt in ihrer Grundkonfiguration einer sehr schweren Bohrmaschine, ist jedoch mit einem X-Y-Tisch und einem viel größeren Ständer ausgestattet. Sie haben in der Regel auch leistungsstärkere Motoren als eine vergleichbar große Bohrmaschine, die meisten sind riemengetrieben, einige Modelle haben einen Getriebekopf oder eine elektronische Drehzahlregelung. Sie haben in der Regel recht robuste Spindellager, um die seitliche Belastung der Spindel beim Fräsen zu bewältigen. Ein Fräsbohrer hebt und senkt in der Regel auch den gesamten Kopf, einschließlich des Motors, oft auf einer schwalbenschwanzförmigen (manchmal auch runden mit Zahnstange und Ritzel) vertikalen Säule. Ein Fräsbohrer hat außerdem eine große Pinole, die im Allgemeinen während des Fräsens verriegelt und zum Bohren freigegeben wird. Weitere Unterschiede, die eine Fräsbohrmaschine von einer Bohrmaschine unterscheiden, sind eine Feineinstellung der Z-Achse, ein präziserer Tiefenanschlag, die Möglichkeit, die X-, Y- oder Z-Achse zu arretieren, und häufig ein System zum Kippen des Kopfes oder der gesamten vertikalen Säule und der Antriebskopfeinheit, um schräges Bohren zu ermöglichen. Abgesehen von der Größe besteht der Hauptunterschied zwischen diesen leichteren Maschinen und den größeren Vertikalfräsen darin, dass sich der X-Y-Tisch auf einer festen Höhe befindet; die Z-Achse wird durch Bewegen des Kopfes oder der Pinole nach unten in Richtung X,Y-Tisch gesteuert. Ein Fräsbohrer hat in der Regel einen Innenkonus in der Pinole zur Aufnahme eines Spannzangenfutters, Planfräsers oder eines Jacobs-Futters, ähnlich wie beim Vertikalfräser. ⓘ
Horizontal
1: Sockel
2: Säule
3: Knie
4 & 5: Tisch (x-Achsenschlitten ist integriert)
6: Oberarm
7: Aufspanndorn (an der Spindel befestigt) ⓘ
Eine Horizontalfräse hat die gleiche Art, aber die Fräser sind auf einer horizontalen Spindel (siehe Fräsen mit Dorn) quer über den Tisch montiert. Viele Horizontalfräsen haben auch einen eingebauten Drehtisch, der das Fräsen in verschiedenen Winkeln ermöglicht; dieses Merkmal wird als Universaltisch bezeichnet. Während Schaftfräser und andere Werkzeuge, die für Vertikalfräsen zur Verfügung stehen, auch in Horizontalfräsen verwendet werden können, liegt der eigentliche Vorteil in den auf einem Dorn montierten Fräsern, den so genannten Seiten- und Planfräsern, die einen ähnlichen Querschnitt wie eine Kreissäge haben, aber im Allgemeinen breiter und im Durchmesser kleiner sind. Da die Fräser eine gute Abstützung durch den Dorn haben und eine größere Querschnittsfläche als ein Schaftfräser aufweisen, können recht schwere Schnitte ausgeführt werden, die einen schnellen Materialabtrag ermöglichen. Sie werden zum Fräsen von Nuten und Schlitzen verwendet. Walzenstirnfräser werden zum Formen von ebenen Flächen verwendet. Zum Fräsen komplexer Formen von Nuten und Ebenen können mehrere Fräser auf dem Dorn aneinandergereiht werden. Spezialfräser können auch Nuten, Schrägen, Radien oder jeden beliebigen Querschnitt fräsen. Diese Spezialfräser sind in der Regel teuer. Simplexfräsen haben eine Spindel, Duplexfräsen zwei. Außerdem ist es einfacher, Zahnräder auf einer horizontalen Fräsmaschine zu fräsen. Einige Horizontalfräsmaschinen sind mit einer Zapfwellenvorrichtung am Tisch ausgestattet. Dadurch kann der Tischvorschub mit einer Drehvorrichtung synchronisiert werden, was das Fräsen von spiralförmigen Teilen wie Hypoidzahnrädern ermöglicht. ⓘ
Universal
Eine Fräsmaschine mit der Möglichkeit, entweder eine horizontale oder eine vertikale Spindel zu haben. Letztere befindet sich manchmal auf einem zweiachsigen Revolver, so dass die Spindel auf Wunsch in jede Richtung ausgerichtet werden kann. Die beiden Optionen können unabhängig voneinander oder von einem Motor über ein Getriebe angetrieben werden. Da das Werkstück in beiden Fällen im Allgemeinen an der gleichen Stelle platziert wird, wird der Mechanismus für die nicht verwendete Methode aus dem Weg geräumt. Bei kleineren Maschinen können die "Ersatzteile" abgehoben werden, während größere Maschinen ein System zum Einziehen der nicht benötigten Teile bieten. ⓘ
Vergleichende Vorzüge
Die Wahl zwischen vertikaler und horizontaler Spindelausrichtung bei der Konstruktion von Fräsmaschinen hängt in der Regel von der Form und Größe eines Werkstücks und der Anzahl der zu bearbeitenden Seiten des Werkstücks ab. Arbeiten, bei denen die axiale Bewegung der Spindel senkrecht zu einer Ebene verläuft und ein Schaftfräser als Fräser verwendet wird, eignen sich für eine Vertikalfräse, bei der der Bediener vor der Maschine stehen und die Zerspanung leicht von oben beobachten kann. Daher werden Vertikalfräsen vor allem für Senkerodierarbeiten (Bearbeitung einer Form in einen Metallblock) bevorzugt. Schwerere und längere Werkstücke eignen sich für die Platzierung auf dem Tisch eines horizontalen Fräsers. ⓘ
Vor der Einführung der numerischen Steuerung wurden zuerst die horizontalen Fräsmaschinen entwickelt, da diese durch die Anbringung von Frästischen unter drehbankähnlichen Spindelstöcken entstanden. In den folgenden Jahrzehnten kamen die Vertikalfräsen auf, und Zubehör in Form von Zusatzköpfen, mit denen die Horizontalfräsen in Vertikalfräsen (und später umgekehrt) umgewandelt werden konnten, wurde häufig verwendet. Auch im CNC-Zeitalter eignet sich ein schweres Werkstück, das von mehreren Seiten bearbeitet werden muss, für ein horizontales Bearbeitungszentrum, während sich ein Gesenk für ein vertikales Zentrum eignet. ⓘ
Alternative Klassifizierungen
Neben der Unterscheidung zwischen horizontal und vertikal sind auch andere Unterscheidungen wichtig:
| Kriterium | Beispiel für ein Klassifizierungsschema | Bemerkungen ⓘ |
|---|---|---|
| Ausrichtung der Spindelachse | Vertikal oder horizontal; Revolver vs. Nicht-Revolver |
Unter den Vertikalfräsern ist der "Bridgeport-Stil" eine ganze Klasse von Fräsern, die vom Bridgeport-Original inspiriert sind, so wie der IBM-PC die Industrie der IBM-kompatiblen PCs anderer Marken hervorgebracht hat. |
| Steuerung | Manuell; Mechanisch automatisiert über Kurvenscheiben; Digital automatisiert über NC/CNC |
In der CNC-Ära ist eine sehr grundlegende Unterscheidung manuell versus CNC. Bei den manuellen Maschinen lohnt sich die Unterscheidung zwischen nicht mit DRO ausgestatteten und mit DRO ausgestatteten Maschinen. |
| Steuerung (speziell bei CNC-Maschinen) | Anzahl der Achsen (z. B. 3-Achsen, 4-Achsen oder mehr) | Innerhalb dieses Schemas, auch:
|
| Zweck | Allzweckmaschine versus Sondermaschine oder Einzweckmaschine | |
| Zweck | Werkzeugmaschine versus Produktionsmaschine | Überschneidungen mit oben |
| Zweck | "Einfach" versus "universell" | Eine Unterscheidung, deren Bedeutung sich im Laufe der Jahrzehnte im Zuge des technologischen Fortschritts entwickelt hat und sich mit den anderen oben genannten Zweckklassifizierungen überschneidet. Nicht relevant für die heutigen CNC-Fräsen. Was die manuellen Mühlen betrifft, so waren "einfache" Mühlen Produktionsmaschinen mit weniger Achsen als "Universalmühlen"; während eine einfache Mühle beispielsweise keinen Teilapparat und einen nicht drehbaren Tisch hatte, verfügte eine Universalmühle über diese Merkmale. Damit war sie für den universellen Einsatz geeignet, d. h. für eine breitere Palette möglicher Werkzeugwege. Die Hersteller von Werkzeugmaschinen verwenden die Unterscheidung zwischen "Normal-" und "Universalfräser" nicht mehr. |
| Größe | Mikro, Mini, Tisch, stehend, groß, sehr groß, gigantisch | |
| Kraftquelle | Netzwellenantrieb versus Elektromotor-Einzelantrieb | Die meisten Maschinen mit Wellenantrieb, die zwischen 1880 und 1930 allgegenwärtig waren, wurden inzwischen verschrottet. |
| Handkurbelbetrieb versus Elektroantrieb | Handkurbelantrieb wird in der Industrie nicht verwendet, eignet sich aber für Hobby-Mikromühlen |
Varianten
- Bettfräse Dies bezieht sich auf jede Fräsmaschine, bei der die Spindel auf einem Pendel sitzt, das sich auf und ab bewegt, um den Fräser in das Werkstück zu bewegen, während der Tisch auf einem stabilen Bett auf dem Boden ruht. Diese Maschinen sind im Allgemeinen starrer als eine Kniefräse. Gantry-Fräsen können in diese Kategorie der Bettfräsen eingeordnet werden.
- Kastenfräse oder Säulenfräse Sehr einfache Tischfräsmaschinen für Bastler, bei denen der Kopf auf einer Säule oder einem Kasten auf und ab fährt.
- C-Rahmen-Fräse Dies sind größere, industrielle Produktionsfräsen. Sie verfügen über einen knieförmigen und festen Spindelkopf, der nur vertikal beweglich ist. Sie sind in der Regel viel leistungsfähiger als Revolverfräsen und verfügen über einen separaten Hydraulikmotor für integrierte hydraulische Vorschübe in alle Richtungen und einen Motor mit zwanzig bis fünfzig PS. Spielausgleichseinrichtungen gehören fast immer zur Standardausrüstung. Sie verwenden große NMTB 40- oder 50-Werkzeuge. Die Tische von C-Rahmen-Fräsmaschinen sind in der Regel 18" mal 68" oder größer, damit mehrere Teile gleichzeitig bearbeitet werden können.
- Bodenfräsen Diese Fräsmaschinen haben eine Reihe von Drehtischen und eine horizontale Pendelspindel, die auf einer Reihe von Schienen montiert ist, die parallel zur Tischreihe verläuft. Diese Fräsmaschinen sind überwiegend auf CNC umgerüstet worden, aber es gibt noch einige (wenn man überhaupt eine gebrauchte Maschine findet) mit manueller Steuerung. Der Spindelschlitten fährt zu jedem einzelnen Tisch, führt die Bearbeitungen durch und fährt zum nächsten Tisch, während der vorherige Tisch für die nächste Bearbeitung eingerichtet wird. Im Gegensatz zu anderen Fräsmaschinen haben Bodenfräsmaschinen bewegliche Bodeneinheiten. Ein Kran bringt massive Drehtische, X-Y-Tische usw. in die richtige Position für die Bearbeitung und ermöglicht so große und komplexe individuelle Fräsarbeiten.
- Gantry-Fräse Der Fräskopf läuft auf zwei Schienen (oft Stahlwellen), die auf beiden Seiten der Arbeitsfläche liegen. Aufgrund ihrer Bauweise haben sie in der Regel eine sehr kleine Stellfläche im Vergleich zur Größe des Maschinenverfahrwegs. Nachteilig ist, dass sie in der Regel nicht so steif sind wie z. B. C-Rahmen-Fräsen.
- Horizontalbohrwerk Große, präzise Bett-Horizontalfräsmaschinen, die viele Merkmale verschiedener Werkzeugmaschinen in sich vereinen. Sie werden vor allem zur Herstellung großer Fertigungsvorrichtungen oder zur Bearbeitung großer, hochpräziser Teile verwendet. Sie haben einen Spindelhub von mehreren (in der Regel zwischen vier und sechs) Fuß, und viele sind mit einem Reitstock ausgestattet, um sehr lange Bohrungen durchzuführen, ohne dass die Genauigkeit mit zunehmender Bohrungstiefe abnimmt. Ein typisches Bett hat einen X- und Y-Verfahrweg und ist mit einem Drehtisch zwischen drei und vier Fuß im Quadrat oder ein größeres Rechteck ohne Tisch. Das Pendelgerät bietet in der Regel zwischen vier und acht Fuß vertikale Bewegung. Einige Fräsmaschinen haben einen großen (30" oder mehr) integrierten Plandrehkopf. Für noch mehr Flexibilität sind rechtwinklige Drehtische und vertikale Fräsaufsätze erhältlich.
- Lehrenbohrer Vertikale Fräsmaschinen, die zum Bohren von Löchern und zum sehr leichten Schlitz- oder Planfräsen gebaut sind. Es handelt sich in der Regel um Bettfräsen mit einem langen Spindelweg. Die Betten sind genauer, und die Handräder sind bis auf 0,0001" genau abgestuft, um die Bohrungen präzise zu platzieren.
- Als Kniefräser oder Knieständerfräser wird jede Fräsmaschine bezeichnet, deren X-Y-Tisch auf einem vertikal verstellbaren Knie auf dem Ständer auf- und abbewegt wird. Dies schließt Bridgeports ein.
- Hobelmaschine (Plano Milling) Große Fräsmaschinen, die in der gleichen Konfiguration wie Hobelmaschinen gebaut werden, jedoch mit einer Frässpindel anstelle eines Hobelkopfes. Dieser Begriff ist zunehmend veraltet, da Hobelmaschinen selbst weitgehend der Vergangenheit angehören.
- Stößel-Fräser Dieser Begriff kann sich auf alle Fräsen beziehen, deren Fräskopf auf einem verschiebbaren Stößel montiert ist. Die Spindel kann entweder senkrecht oder waagerecht ausgerichtet sein. In der Praxis sind die meisten Fräsmaschinen mit Stößeln auch schwenkbar, unabhängig davon, ob sie als Revolver" bezeichnet werden oder nicht. Die Bridgeport-Konfiguration kann als Stößel-Fräsmaschine mit vertikalem Kopf klassifiziert werden. Van Norman war während des größten Teils des 20. Jahrhunderts auf Stößel-Fräsmaschinen spezialisiert. Seit der weiten Verbreitung von CNC-Maschinen werden Stößel-Fräsmaschinen immer noch in der Bridgeport-Konfiguration hergestellt (entweder mit manueller oder CNC-Steuerung), aber die weniger verbreiteten Varianten (wie sie von Van Norman, Index und anderen gebaut wurden) sind ausgestorben; ihre Arbeit wird jetzt entweder von Fräsmaschinen in Bridgeport-Form oder von Bearbeitungszentren erledigt.
- Revolverfräse Allgemeiner als Bridgeport-Fräsmaschinen bezeichnet. Die Spindel kann in vielen verschiedenen Positionen ausgerichtet werden, so dass eine sehr vielseitige, wenn auch etwas weniger steife Maschine entsteht. ⓘ
Alternative Terminologie
Eine Fräsmaschine wird von Maschinenbauern oft als Mühle bezeichnet. Im 19. und frühen 20. Jahrhundert war der archaische Begriff Müller üblich. ⓘ
Seit den 1960er Jahren hat sich eine Überschneidung der Begriffe Fräsmaschine und Bearbeitungszentrum entwickelt. Die NC/CNC-Bearbeitungszentren haben sich aus den Fräsmaschinen entwickelt, weshalb sich die Terminologie allmählich weiterentwickelt hat, wobei es zu erheblichen Überschneidungen gekommen ist, die noch immer bestehen. Die Unterscheidung besteht darin, dass es sich bei einem Bearbeitungszentrum um eine Fräsmaschine handelt, die über Funktionen verfügt, die vor der Einführung von CNC-Fräsmaschinen nicht vorhanden waren, insbesondere einen automatischen Werkzeugwechsler (ATC), der ein Werkzeugmagazin (Karussell) und manchmal einen automatischen Palettenwechsler (APC) umfasst. Im allgemeinen Sprachgebrauch sind alle Bearbeitungszentren Fräsmaschinen, aber nicht alle Fräsmaschinen sind Bearbeitungszentren; nur Fräsmaschinen mit ATCs sind Bearbeitungszentren. ⓘ
Numerische Computersteuerung
Die meisten CNC-Fräsmaschinen (auch Bearbeitungszentren genannt) sind computergesteuerte Vertikalfräsen mit der Möglichkeit, die Spindel vertikal entlang der Z-Achse zu bewegen. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad ermöglicht den Einsatz beim Senkerodieren, bei Gravuranwendungen und bei 2,5D-Oberflächen wie Reliefskulpturen. In Kombination mit konischen Werkzeugen oder einem Kugelfräser wird die Fräspräzision deutlich verbessert, ohne die Geschwindigkeit zu beeinträchtigen, was eine kosteneffiziente Alternative zu den meisten flachen Handgravurarbeiten darstellt. ⓘ
CNC-Maschinen können praktisch alle Formen manueller Maschinen, wie z. B. horizontale Fräsmaschinen, annehmen. Die fortschrittlichsten CNC-Fräsmaschinen, die Mehrachsenmaschinen, verfügen zusätzlich zu den drei normalen Achsen (XYZ) über zwei weitere Achsen. Horizontalfräsmaschinen verfügen auch über eine C- oder Q-Achse, mit der das horizontal montierte Werkstück gedreht werden kann, was im Wesentlichen asymmetrisches und exzentrisches Drehen ermöglicht. Die fünfte Achse (B-Achse) steuert die Neigung des Werkzeugs selbst. Wenn alle diese Achsen zusammen verwendet werden, lassen sich mit diesen Maschinen extrem komplizierte Geometrien, sogar organische Geometrien wie der Kopf eines Menschen, relativ einfach herstellen. Allerdings übersteigt die Fähigkeit, solche Geometrien zu programmieren, die Fähigkeiten der meisten Bediener. Deshalb werden 5-Achsen-Fräsmaschinen praktisch immer mit CAM programmiert. ⓘ
Das Betriebssystem solcher Maschinen ist ein geschlossener Regelkreis und funktioniert mit Rückkopplung. Diese Maschinen haben sich aus den grundlegenden NC-Maschinen (NUMERIC CONTROL) entwickelt. Eine computergestützte Form der NC-Maschinen wird als CNC-Maschinen bezeichnet. Ein Satz von Anweisungen (ein so genanntes Programm) wird verwendet, um die Maschine für die gewünschten Operationen zu steuern. Einige sehr häufig verwendete Codes, die im Programm verwendet werden, sind:
G00 - Eilgang
G01 - lineare Interpolation des Werkzeugs.
G21 - Abmessungen in metrischen Einheiten.
M03/M04 - Spindelstart (im/gegen den Uhrzeigersinn).
T01 M06 - automatischer Werkzeugwechsel zu Werkzeug 1
M30 - Programmende. ⓘ
Verschiedene andere Codes werden ebenfalls verwendet. Eine CNC-Maschine wird von einem einzigen Bediener, dem Programmierer, bedient. Diese Maschine ist in der Lage, verschiedene Operationen automatisch und wirtschaftlich auszuführen. ⓘ
Mit den sinkenden Preisen für Computer und Open-Source-CNC-Software sind die Einstiegspreise für CNC-Maschinen stark gesunken. ⓘ
Werkzeugausstattung
Das Zubehör und die Schneidwerkzeuge von Werkzeugmaschinen (einschließlich Fräsmaschinen) werden unter dem Sammelbegriff "Werkzeuge" zusammengefasst. Bei CNC-Fräsmaschinen sind die Werkzeuge in hohem Maße standardisiert, bei manuellen Fräsmaschinen in geringerem Maße. Um die Organisation der Werkzeuge in der CNC-Fertigung zu erleichtern, setzen viele Unternehmen eine Werkzeugverwaltung ein. ⓘ
Fräswerkzeuge für bestimmte Anwendungen werden in verschiedenen Werkzeugkonfigurationen gehalten. ⓘ
CNC-Fräsmaschinen verwenden fast immer SK- (oder ISO-), CAT-, BT- oder HSK-Werkzeuge. SK-Werkzeuge sind in Europa am weitesten verbreitet, während CAT-Werkzeuge, manchmal auch als V-Flansch-Werkzeuge bezeichnet, die älteste und in den USA wahrscheinlich am weitesten verbreitete Art sind. CAT-Werkzeuge wurden von Caterpillar Inc. in Peoria, Illinois, erfunden, um die für ihre Maschinen verwendeten Werkzeuge zu standardisieren. CAT-Werkzeuge gibt es in verschiedenen Größen, die als CAT-30, CAT-40, CAT-50 usw. bezeichnet werden. Die Nummer bezieht sich auf die Kegelgröße des Werkzeugs der Association for Manufacturing Technology (früher National Machine Tool Builders Association (NMTB)). ⓘ
Eine Verbesserung von CAT Tooling ist BT Tooling, das ähnlich aussieht und leicht mit CAT Tooling verwechselt werden kann. Wie CAT Tooling ist auch BT Tooling in verschiedenen Größen erhältlich und verwendet denselben NMTB-Körperkegel. Allerdings sind die BT-Werkzeuge im Gegensatz zu den CAT-Werkzeugen symmetrisch zur Spindelachse. Dies verleiht den BT-Werkzeugen eine größere Stabilität und Ausgewogenheit bei hohen Drehzahlen. Ein weiterer subtiler Unterschied zwischen diesen beiden Werkzeughaltern ist das Gewinde, das zur Aufnahme des Zugbolzens verwendet wird. CAT-Werkzeuge haben ausschließlich zöllige Gewinde, während BT-Werkzeuge ausschließlich metrische Gewinde haben. Dies betrifft jedoch nur den Zugbolzen und nicht das Werkzeug, das sie aufnehmen können. Beide Arten von Werkzeugen werden so verkauft, dass sie sowohl imperiale als auch metrische Werkzeuge aufnehmen können. ⓘ
SK- und HSK-Werkzeuge, die manchmal auch als "Hollow Shank Tooling" bezeichnet werden, sind in Europa, wo sie erfunden wurden, viel weiter verbreitet als in den Vereinigten Staaten. Es wird behauptet, dass HSK-Werkzeuge bei hohen Geschwindigkeiten sogar besser sind als BT-Werkzeuge. Der Haltemechanismus für HSK-Werkzeuge befindet sich im (hohlen) Körper des Werkzeugs und dehnt sich bei steigender Spindeldrehzahl aus, so dass das Werkzeug mit zunehmender Spindeldrehzahl fester gegriffen wird. Bei dieser Art von Werkzeugen gibt es keinen Zugbolzen. ⓘ
Für Handfräsmaschinen gibt es weniger Standardisierung, da eine größere Anzahl von ehemals konkurrierenden Standards existiert. Neuere und größere manuelle Maschinen verwenden in der Regel NMTB-Werkzeuge. Diese Werkzeuge ähneln in gewisser Weise den CAT-Werkzeugen, erfordern jedoch eine Zugstange in der Fräsmaschine. Außerdem gibt es bei NMTB-Werkzeugen eine Reihe von Varianten, die die Austauschbarkeit erschweren. Je älter eine Maschine ist, desto größer ist die Zahl der Normen, die Anwendung finden können (z. B. Morse, Jarno, Brown & Sharpe, Van Norman und andere weniger verbreitete herstellerspezifische Kegel). Zwei Standards, die besonders weit verbreitet sind, sind die Morse #2 und die R8, deren Verbreitung durch die Popularität der von Bridgeport Machines in Bridgeport, Connecticut, gebauten Mühlen bedingt war. Diese Fräsmaschinen beherrschten den Markt so lange, dass "Bridgeport" praktisch ein Synonym für "Handfräsmaschine" ist. Die meisten Maschinen, die Bridgeport zwischen 1938 und 1965 herstellte, verwendeten einen Morsekonus #2, und ab etwa 1965 verwendeten die meisten einen R8-Konus. ⓘ
Zubehör
- Dornstütze
- Anschlagblock ⓘ
CNC-Taschenfräsen
Das Taschenfräsen gilt als eines der am häufigsten verwendeten Verfahren in der Zerspanung. Sie wird in der Luft- und Raumfahrt und in der Werftindustrie in großem Umfang eingesetzt. Beim Taschenfräsen wird das Material innerhalb einer beliebig geschlossenen Begrenzung auf einer ebenen Fläche eines Werkstücks bis zu einer festgelegten Tiefe abgetragen. Im Allgemeinen werden für das Taschenfräsen Schaftfräser mit flachem Boden verwendet. Zuerst wird geschruppt, um den Großteil des Materials zu entfernen, und dann wird die Tasche mit einem Schlichtfräser fertiggestellt. Die meisten industriellen Fräsarbeiten können mit 2,5-Achsen-CNC-Fräsen durchgeführt werden. Mit dieser Art der Bahnsteuerung können bis zu 80 % aller mechanischen Teile bearbeitet werden. Da die Bedeutung des Taschenfräsens sehr groß ist, können effektive Taschenfräsmethoden zu einer Reduzierung der Bearbeitungszeit und der Kosten führen. Das NC-Taschenfräsen kann hauptsächlich mit zwei Werkzeugbahnen durchgeführt werden, nämlich mit einer linearen und einer nicht-linearen. ⓘ
Linearer Werkzeugweg
Bei diesem Ansatz ist die Werkzeugbewegung unidirektional. Zick-Zack- und Zig-Werkzeugwege sind Beispiele für lineare Werkzeugwege. ⓘ
Zickzack
Beim Zick-Zack-Fräsen wird das Material sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung abgetragen. In diesem Fall erfolgt die Zerspanung sowohl mit als auch gegen die Spindeldrehung. Dies verkürzt die Bearbeitungszeit, erhöht jedoch das Rütteln der Maschine und den Werkzeugverschleiß. ⓘ
Zickzack
Beim Zickzackfräsen bewegt sich das Werkzeug nur in eine Richtung. Das Werkzeug muss nach jedem Schnitt angehoben und zurückgezogen werden, wodurch sich die Bearbeitungszeit erhöht. Allerdings ist die Oberflächenqualität beim Zickzackfräsen besser. ⓘ
Nichtlinearer Werkzeugweg
Bei diesem Ansatz ist die Werkzeugbewegung multidirektional. Ein Beispiel für eine nichtlineare Werkzeugbahn ist die konturparallele Werkzeugbahn. ⓘ
Konturparallel
Bei diesem Ansatz wird die erforderliche Taschenbegrenzung zur Ableitung der Werkzeugbahn verwendet. In diesem Fall ist der Fräser immer in Kontakt mit dem Werkstückmaterial. Dadurch wird die Leerlaufzeit für das Positionieren und Zurückziehen des Werkzeugs vermieden. Für den großflächigen Materialabtrag ist die konturparallele Werkzeugbahn weit verbreitet, da sie während des gesamten Prozesses durchgängig mit dem Aufwärts- oder Abwärtsschnittverfahren verwendet werden kann. Es gibt drei verschiedene Ansätze, die in die Kategorie der konturparallelen Werkzeugbahngenerierung fallen. Sie sind:
- Paarweiser Schnittpunktansatz: Beim paarweisen Schnittpunktansatz wird die Begrenzung der Tasche schrittweise nach innen verlegt, wobei sich die versetzten Segmente an konkaven Ecken schneiden. Um die gewünschte Kontur zu erhalten, müssen diese Überschneidungen abgeschnitten werden. Bei konvexen Ecken hingegen werden die versetzten Segmente verlängert und so verbunden, dass die Kontur entsteht. Diese Operationen, d.h. Versatz, Trimmen und Erweitern, werden wiederholt durchgeführt, um das gesamte Bearbeitungsvolumen mit einer ausreichenden Schicht von Profilen abzudecken.
- Voronoi-Diagramm-Ansatz: Beim Voronoi-Diagramm-Ansatz wird die Taschenbegrenzung segmentiert und ein Voronoi-Diagramm für die gesamte Taschenbegrenzung erstellt. Diese Voronoi-Diagramme werden zur Erzeugung der Werkzeugbahn für die Bearbeitung verwendet. Diese Methode wird als effizienter und robuster angesehen. Darüber hinaus vermeidet sie topologische Probleme, die mit traditionellen Versatzalgorithmen verbunden sind. ⓘ
Krummlinig
Bei diesem Ansatz bewegt sich das Werkzeug entlang einer sich allmählich entwickelnden spiralförmigen Bahn. Die Spirale beginnt in der Mitte der zu bearbeitenden Tasche und das Werkzeug bewegt sich allmählich in Richtung der Taschenbegrenzung. Die Richtung der Werkzeugbahn ändert sich allmählich, und die lokale Beschleunigung und Abbremsung des Werkzeugs wird minimiert. Dadurch wird der Werkzeugverschleiß reduziert. ⓘ
Zick-Zack-Werkzeugbahn
Zig-Werkzeugbahn
Konturparallele Werkzeugbahn
Krummlinige Werkzeugbahn ⓘ
Geschichte
1780-1810
Fräsmaschinen haben sich aus der Praxis des Drehfeilens entwickelt, d. h. aus dem Einsatz eines kreisförmigen Fräsers mit feilenähnlichen Zähnen im Spindelstock einer Drehmaschine. Das Drehfeilen und später das echte Fräsen wurden entwickelt, um den Zeit- und Arbeitsaufwand für das Feilen von Hand zu verringern. Die vollständige Geschichte der Entwicklung von Fräsmaschinen wird vielleicht nie bekannt werden, da viele frühe Entwicklungen in einzelnen Werkstätten stattfanden, in denen nur wenige Aufzeichnungen für die Nachwelt aufbewahrt wurden. Die groben Umrisse sind jedoch bekannt, wie im Folgenden zusammengefasst wird. Aus technikgeschichtlicher Sicht ist es klar, dass die Benennung dieser neuen Art der Bearbeitung mit dem Begriff "Fräsen" eine Erweiterung der früheren Bedeutung dieses Wortes für die Bearbeitung von Materialien durch Abschleifen (Schneiden, Schleifen, Zerkleinern usw.) war. Das Drehfeilen war lange vor dem Fräsen entstanden. Bekannt ist eine Drehfeile von Jacques de Vaucanson aus der Zeit um 1760. ⓘ
Im Jahr 1783 erfand Samuel Rehe eine echte Fräsmaschine. 1795 begann Eli Terry in Plymouth, Connecticut, eine Fräsmaschine für die Herstellung von Standuhren einzusetzen. Mit dem Einsatz seiner Fräsmaschine war Terry der erste, der in der Uhrenindustrie austauschbare Teile herstellte. Das Fräsen von Holzteilen war zwar effizient, wenn es um austauschbare Teile ging, aber ineffizient, wenn es um hohe Erträge ging. Das Fräsen von Holzrohlingen führte zu einer geringen Ausbeute an Teilen, da die einzelne Klinge der Maschine zum Verlust von Zähnen führte, wenn der Fräser auf parallele Maserungen im Holz traf. Später erfand Terry 1807 eine Spindelschneidemaschine zur Massenproduktion von Teilen. Andere Uhrmacher aus Connecticut wie James Harrison aus Waterbury, Thomas Barnes aus Litchfield und Gideon Roberts aus Bristol verwendeten ebenfalls Fräsmaschinen zur Herstellung ihrer Uhren. ⓘ
1810er-1830er Jahre
Es ist klar, dass Fräsmaschinen als eigene Klasse von Werkzeugmaschinen (getrennt von Drehbänken mit Drehfeilen) erstmals zwischen 1814 und 1818 auftauchten. Die Zentren der frühesten Entwicklung echter Fräsmaschinen waren zwei Bundeswaffenarsenale der USA (Springfield und Harpers Ferry) sowie die verschiedenen privaten Waffenarsenale und internen Auftragnehmer, die sich die Fluktuation von Facharbeitern mit ihnen teilten. Zwischen 1912 und 1916 schrieb Joseph W. Roe, ein angesehener Gründervater der Werkzeugmaschinenhistoriker, Eli Whitney (einem der oben genannten privaten Waffenhersteller) die Herstellung der ersten echten Fräsmaschine zu. 1918 war er der Meinung, dass sie "wahrscheinlich die erste Fräsmaschine ist, die jemals gebaut wurde - und mit Sicherheit die älteste, die heute noch existiert [...]". Spätere Wissenschaftler, darunter Robert S. Woodbury und andere, haben jedoch Roes frühe Version der Geschichte verbessert und sind der Ansicht, dass verschiedenen anderen Erfindern, darunter Robert Johnson aus Middletown, Connecticut, Captain John H. Hall von der Harpers Ferry Armour, ein ebenso großer Verdienst zukommt - wahrscheinlich sogar mehr. Hall von der Waffenkammer in Harpers Ferry; Simeon North von der Staddle Hill Fabrik in Middletown; Roswell Lee von der Waffenkammer in Springfield; und Thomas Blanchard. (Mehrere der oben genannten Männer werden im Internet manchmal als "Erfinder der ersten Fräsmaschine" oder "Erfinder der austauschbaren Teile" bezeichnet. Solche Behauptungen sind stark vereinfacht, da diese Technologien im Laufe der Zeit von vielen Menschen entwickelt wurden). ⓘ
Peter Baida zitiert Edward A. Battisons Artikel "Eli Whitney and the Milling Machine" (Eli Whitney und die Fräsmaschine), der 1966 im Smithsonian Journal of History veröffentlicht wurde und ein Beispiel dafür ist, wie Technikhistoriker in den 1950er und 1960er Jahren das Bild des "großen Mannes" von Whitney zerstörten. Er zitiert Battison, der zu dem Schluss kommt: "Es gibt keine Beweise dafür, dass Whitney eine echte Fräsmaschine entwickelt oder benutzt hat." Baida sagt: "Die so genannte Whitney-Maschine von 1818 scheint tatsächlich erst nach Whitneys Tod im Jahr 1825 hergestellt worden zu sein." Baida zitiert die Vermutung von Battison, dass die erste echte Fräsmaschine nicht von Whitney, sondern von Robert Johnson aus Middletown hergestellt wurde. ⓘ
Die späten Teenager-Jahre des 19. Jahrhunderts waren eine entscheidende Zeit in der Geschichte der Werkzeugmaschinen, denn der Zeitraum von 1814 bis 1818 ist auch der Zeitraum, in dem mehrere zeitgenössische Pioniere (Fox, Murray und Roberts) die Hobelmaschine entwickelten, und wie bei der Fräsmaschine war die Arbeit in verschiedenen Werkstätten aus verschiedenen Gründen nicht dokumentiert (teilweise wegen der Geheimhaltung von Eigentumsrechten, aber auch einfach, weil niemand Aufzeichnungen für die Nachwelt machte). ⓘ
James Nasmyth baute zwischen 1829 und 1831 eine für ihre Zeit sehr fortschrittliche Fräsmaschine. Sie war für das Fräsen der sechs Seiten einer Sechskantmutter ausgelegt, die in einer Sechsfach-Indexiervorrichtung montiert war. ⓘ
Eine Fräsmaschine, die in den 1830er Jahren in der Werkstatt von Gay & Silver (auch bekannt als Gay, Silver & Co) gebaut und verwendet wurde, war einflussreich, da sie eine bessere Methode zur vertikalen Positionierung verwendete als frühere Maschinen. Die Maschine von Whitney (die Roe als die allererste betrachtete) und andere Maschinen sahen zum Beispiel keine vertikale Bewegung des Knies vor. Offensichtlich ging man davon aus, dass die Maschine mit Unterlegscheiben, Schraubstock usw. für ein bestimmtes Werkstückdesign eingerichtet wurde und nachfolgende Teile keine vertikale Einstellung erforderten (oder höchstens eine Unterlegscheibe). Dies deutet darauf hin, dass die ersten Fräsmaschinen für die Produktion und nicht für den Werkzeugbau gedacht waren. ⓘ
In diesen frühen Jahren wurde das Fräsen oft nur als Schruppbearbeitung angesehen, auf die das Schlichten mit einer Handfeile folgte. Die Idee, das Feilen von Hand zu reduzieren, war wichtiger als es zu ersetzen. ⓘ
1840s-1860
Einige der wichtigsten Männer in der Entwicklung von Fräsmaschinen während dieser Zeit waren Frederick W. Howe, Francis A. Pratt, Elisha K. Root und andere. (Dieselben Männer waren in dieser Zeit auch damit beschäftigt, den neuesten Stand der Technik bei Revolverdrehbänken zu entwickeln. Howes Erfahrungen bei Gay & Silver in den 1840er Jahren machten ihn mit frühen Versionen beider Werkzeugmaschinen vertraut. Seine Werkzeugmaschinenkonstruktionen wurden später bei Robbins & Lawrence, der Providence Tool Company und Brown & Sharpe gebaut). Der erfolgreichste Entwurf einer Fräsmaschine aus dieser Zeit war die Lincoln-Fräse, bei der es sich nicht um eine bestimmte Marke und ein bestimmtes Modell einer Werkzeugmaschine handelt, sondern um eine Familie von Maschinen, die von verschiedenen Unternehmen über mehrere Jahrzehnte hinweg in einer gemeinsamen Konfiguration gebaut wurden. Sie erhielt ihren Namen von der ersten Firma, die eine solche Maschine auf den Markt brachte, George S. Lincoln & Company (ehemals Phoenix Iron Works), deren erste Maschine 1855 für die Waffenfabrik Colt gebaut wurde. ⓘ
In dieser Ära gab es weiterhin einen blinden Fleck in der Konstruktion von Fräsmaschinen, da verschiedene Konstrukteure es versäumten, ein wirklich einfaches und effektives Mittel zu entwickeln, um den Schlitten in allen drei archetypischen Fräsachsen (X, Y und Z - oder, wie sie in der Vergangenheit genannt wurden, in Längs-, Quer- und Vertikalrichtung) zu bewegen. Ideen zur vertikalen Positionierung waren entweder nicht vorhanden oder unterentwickelt. Die Spindel der Lincoln-Fräse konnte angehoben und abgesenkt werden, aber der ursprüngliche Gedanke hinter ihrer Positionierung war, dass sie in einer Position eingerichtet und dann betrieben werden sollte, anstatt während des Betriebs häufig bewegt zu werden. Wie eine Revolverdrehbank war sie eine Maschine für die Wiederholungsproduktion, bei der auf jede fachmännische Einrichtung ein umfangreicher, wenig anspruchsvoller Betrieb folgte. ⓘ
1860s
1861 fragte Frederick W. Howe, der für die Providence Tool Company arbeitete, Joseph R. Brown von Brown & Sharpe nach einer Lösung für das Problem des Fräsens von Spiralen, wie z. B. den Spannuten von Spiralbohrern. Diese wurden damals üblicherweise von Hand gefeilt. (Brown entwarf eine "Universalfräsmaschine", die ab ihrem ersten Verkauf im März 1862 ein großer Erfolg wurde. Sie löste das Problem des 3-Achsen-Verfahrens (d. h. der Achsen, die wir heute als XYZ bezeichnen) wesentlich eleganter, als dies in der Vergangenheit der Fall war, und ermöglichte das Fräsen von Spiralen mit Hilfe eines Indexierkopfes, der in Koordination mit dem Tischvorschub zugeführt wurde. Sie wurde als "universell" bezeichnet, weil sie für jede Art von Arbeit geeignet war, auch für Arbeiten im Werkzeugbau, und weil sie nicht so eingeschränkt war wie frühere Konstruktionen. (Howe hatte 1852 eine "Universalfräse" entworfen, aber Browns Konstruktion von 1861 gilt als bahnbrechender Erfolg.) ⓘ
Brown entwickelte und patentierte (1864) auch die Konstruktion von Formfräsern, bei denen das aufeinanderfolgende Schärfen der Zähne die Geometrie der Form nicht stört. ⓘ
Die Fortschritte der 1860er Jahre öffneten die Schleusen und leiteten die moderne Fräspraxis ein. ⓘ
1870er Jahre bis zum Ersten Weltkrieg
In diesen Jahrzehnten dominierten Brown & Sharpe und die Cincinnati Milling Machine Company den amerikanischen Fräsmaschinenmarkt. Aber auch Hunderte von anderen Firmen bauten zu dieser Zeit Fräsmaschinen, und viele von ihnen waren in verschiedener Hinsicht von Bedeutung. Neben einer Vielzahl spezialisierter Produktionsmaschinen war die archetypische Mehrzweckfräsmaschine des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts eine schwere Horizontalspindelkonstruktion mit Kniehebel und Säule, die über einen angetriebenen Tischvorschub, einen Indexierkopf und einen kräftigen Oberarm zur Unterstützung des Dorns verfügte. Die Entwicklung des Maschinendesigns wurde nicht nur durch den Erfindergeist vorangetrieben, sondern auch durch die ständige Weiterentwicklung der Fräser, die von 1860 bis zum Ersten Weltkrieg einen Meilenstein nach dem anderen setzten. ⓘ
Erster Weltkrieg und Zwischenkriegszeit
Gegen Ende des Ersten Weltkriegs wurde die Steuerung von Werkzeugmaschinen auf verschiedene Weise weiterentwickelt, was den Grundstein für die spätere CNC-Technologie legte. Die Lehrenbohrmaschine machte die Ideen der Koordinatenbemaßung (Bemaßung aller Stellen auf dem Teil von einem einzigen Bezugspunkt aus), des routinemäßigen Arbeitens in "Zehnteln" (Zehntausendstel Zoll, 0,0001") als alltägliche Maschinenfähigkeit und des Einsatzes der Steuerung, um direkt von der Zeichnung zum Teil zu gelangen und so den Lehrenbau zu umgehen, populär. 1920 wurde die neue Taster-Konstruktion von J.C. Shaw auf den Keller-Tasterfräsmaschinen zum Senkerodieren durch dreidimensionales Kopieren einer Schablone eingesetzt. Dies machte das Gesenkfräsen schneller und einfacher, gerade als die Nachfrage nach Gesenken größer war als je zuvor, und war sehr hilfreich für große Stahlgesenke, wie sie zum Stanzen von Blechen im Automobilbau verwendet werden. Solche Maschinen übersetzten die Bewegungen der Taster in Eingaben für Servos, die die Spindeln oder die Hydraulik der Maschine antrieben. Sie gaben auch den Anstoß zur Entwicklung von spielfreien Spindelmuttern. Alle oben genannten Konzepte waren in den 1920er Jahren neu, wurden aber in der NC/CNC-Ära zur Routine. In den 1930er Jahren gab es unglaublich große und fortschrittliche Fräsmaschinen wie die Cincinnati Hydro-Tel, die die heutigen CNC-Fräsmaschinen in jeder Hinsicht vorwegnahmen, mit Ausnahme der CNC-Steuerung selbst. ⓘ
Bridgeport-Fräsmaschine
1936 hatte Rudolph Bannow (1897-1962) die Idee zu einer grundlegenden Verbesserung der Fräsmaschine. Sein Unternehmen begann 1938 mit der Herstellung einer neuen Vertikalfräse mit Kniehebel und Säule. Es handelte sich dabei um die Bridgeport-Fräsmaschine, die oft auch als Stößel- oder Revolverfräse bezeichnet wird, weil ihr Kopf eine Gleitstößel- und Revolveraufhängung hat. Die Maschine wurde so populär, dass viele andere Hersteller Kopien und Varianten anfertigten. Außerdem wurde der Name der Maschine zum Synonym für jede dieser Varianten. Die Bridgeport bot dauerhafte Vorteile gegenüber früheren Modellen. Sie war klein genug, leicht genug und erschwinglich genug, um selbst für die kleinsten Maschinenbaubetriebe eine praktische Anschaffung zu sein, aber sie war auch intelligent konstruiert, vielseitig, gut gebaut und stabil. Die verschiedenen Richtungen der Gleit- und Schwenkbewegung ermöglichten es dem Kopf, sich dem Werkstück aus jedem Winkel zu nähern. Das Design der Bridgeport wurde zur vorherrschenden Form für manuelle Fräsmaschinen, die von mehreren Generationen kleiner und mittlerer Unternehmen verwendet wurden. Bis in die 1980er Jahre wurde schätzungsweise eine Viertelmillion Bridgeport-Fräsmaschinen gebaut, und sie (und ihre Nachbauten) werden auch heute noch hergestellt. ⓘ
1940er-1970er Jahre
Um 1940 war die Automatisierung mit Hilfe von Kurvenscheiben, z. B. in Schraubenmaschinen und automatischen Spannvorrichtungen, bereits seit Jahrzehnten sehr weit entwickelt. Seit den 1930er Jahren gab es bereits Ideen für Servomechanismen, die jedoch vor allem während und unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg aufkeimten (siehe auch Numerische Steuerung > Geschichte). Diese wurden bald mit der aufkommenden Technologie der digitalen Computer kombiniert. Dieses technologische Entwicklungsmilieu, das sich von der unmittelbaren Zeit vor dem Zweiten Weltkrieg bis in die 1950er Jahre erstreckte, wurde durch die militärischen Investitionen angetrieben, die den zeitgenössischen Fortschritten bei der Steuerung von Geschützen und Raketen sowie bei der Lenkung von Flugkörpern dienten - andere Anwendungen, bei denen der Mensch die Kinematik/Dynamik großer Maschinen schnell, präzise und automatisch steuern wollte. Ausreichende F&E-Ausgaben wären in der Werkzeugmaschinenindustrie allein wahrscheinlich nicht getätigt worden; aber gerade für die letztgenannten Anwendungen waren der Wille und die Fähigkeit zu Ausgaben vorhanden. Sobald die Entwicklung im Gange war, wurde sie in einem der vielen Fälle von Technologietransfer nach dem Zweiten Weltkrieg eifrig auf die Werkzeugmaschinensteuerung angewendet. ⓘ
Im Jahr 1952 erreichte die numerische Steuerung das Entwicklungsstadium der Laborrealität. Die erste NC-Werkzeugmaschine war eine Cincinnati Hydrotel-Fräsmaschine, die mit einer selbstgebauten NC-Steuerung nachgerüstet wurde. Über sie wurde im Scientific American berichtet, ebenso wie über eine andere bahnbrechende Fräsmaschine, die Brown & Sharpe Universal, im Jahr 1862. ⓘ
In den 1950er Jahren kam die numerische Steuerung langsam aus dem Labor in den kommerziellen Einsatz. In den ersten zehn Jahren war ihr Einfluss außerhalb der Luft- und Raumfahrt eher gering. Doch in den 1960er und 1970er Jahren entwickelte sich die NC zur CNC, die Datenspeicherung und die Eingabemedien wurden weiterentwickelt, die Rechenleistung und die Speicherkapazität der Computer nahmen stetig zu, und die NC- und CNC-Werkzeugmaschinen verbreiteten sich allmählich von einem Umfeld großer Unternehmen und hauptsächlich der Luft- und Raumfahrt auf die Ebene mittelgroßer Unternehmen und eine breite Palette von Produkten. Die drastische Weiterentwicklung der NC- und CNC-Steuerung von Werkzeugmaschinen hat die Kultur der Fertigung tiefgreifend verändert. Die Details (die den Rahmen dieses Artikels sprengen würden) haben sich mit jedem Jahrzehnt immens weiterentwickelt. ⓘ
1980-Gegenwart
Computer und CNC-Werkzeugmaschinen entwickeln sich rasant weiter. Die Revolution der Personal Computer hat einen großen Einfluss auf diese Entwicklung. In den späten 1980er Jahren verfügten kleine Werkstätten über Desktop-Computer und CNC-Werkzeugmaschinen. Bald darauf begannen Hobbybastler, Künstler und Designer, sich CNC-Fräsen und -Drehmaschinen anzuschaffen. Die Hersteller haben begonnen, preiswerte CNC-Maschinen zu produzieren, die klein genug sind, um auf einem Schreibtisch Platz zu finden, und die mit hoher Auflösung Materialien schneiden können, die weicher sind als Edelstahl. Sie können zur Herstellung von Schmuck, Leiterplatten, Waffenteilen und sogar von Kunstwerken verwendet werden. ⓘ
Normen
Nationale und internationale Normen werden verwendet, um die Definitionen, Umweltanforderungen und Prüfverfahren für das Fräsen zu standardisieren. Die Auswahl der zu verwendenden Norm ist eine Vereinbarung zwischen dem Lieferanten und dem Anwender und hat eine gewisse Bedeutung für die Konstruktion der Mühle. In den Vereinigten Staaten hat die ASME die Normen B5.45-1972 Milling Machines und B94.19-1997 Milling Cutters and End Mills entwickelt. ⓘ
Die allgemeinen Toleranzen umfassen: +/-0,005" für lokale Toleranzen bei den meisten Geometrien, +/-0,010" für Kunststoffe mit Abweichungen je nach Größe des Teils, 0,030" Mindestwandstärke für Metalle und 0,060" Mindestwandstärke für Kunststoffe. ⓘ
Definition
Das Fräsen wird häufig als ein spanendes Fertigungsverfahren definiert, bei dem das Werkzeug rotiert. Dies ist vor allem als Abgrenzung zum Drehen zu verstehen, einem weiteren wichtigen Fertigungsverfahren, bei dem die Werkstücke sich um die eigene Achse drehen. In der DIN 8589, die für die Einteilung und Definition der spanenden Fertigungsverfahren wichtig ist und häufig in der Fachliteratur zitiert wird, wird das Fräsen folgendermaßen definiert: Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger, dem Werkzeug zugeordneter Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vorschubbewegung bei. ⓘ
Einteilung
Unterscheidung nach der Laufrichtung
Beim Fräsen ist zu beachten, wie sich die Werkzeugumlaufrichtung zur Vorschublaufrichtung beim Schnitt der Werkzeugschneide im Werkstück verhält. Da die Einschnittbreite im Regelfall höchstens 2/3 des Werkzeugdurchmessers betragen soll, ist die Laufrichtung eindeutig. ⓘ
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 (Kommaspan). Vor dem Eintreten der Schneide in den Werkstoff gleitet sie auf der Arbeitsfläche und verfestigt das vorhandene Gefüge. Dadurch entsteht erst eine hohe Reibung und anschließend muss die Schneide durch das verfestigte Material dringen. Infolge der zunehmenden Spandicke ist die Maschine unterschiedlich belastet und neigt zu Vibrationen (siehe hierzu auch: Regenerativeffekt). Auch ist dadurch bedingt der Kraftaufwand langsam ansteigend. Bei Schneideneintritt ist er gering, weil noch wenig Material abgenommen werden muss, wächst aber dann während des Fräsvorgangs an und erreicht kurz vor Schneidenaustritt seinen maximalen Wert, bevor der Kommaspan schließlich abgetrennt wird. ⓘ
Der während des Fräsvorgangs durch die Verdichtung entstehende hohe Druck verursacht einen starken Verschleiß der Freiflächen an den Schneiden, wodurch sich die Standzeit verringert. Aufgrund dieses Nachteils ist das Gegenlauffräsen nur dann ökonomisch sinnvoll, wenn Werkstücke harte (Gusshaut oder Zunder) und verschleißend wirkende Randzonen aufweisen (geringerer Verfestigungseffekt) oder wenn der Tischantrieb nicht ohne Spiel ist. Die im Gegenlauf gefrästen Flächen besitzen zwar eine durch den Gleitvorgang der Schneide glatte, jedoch wellige Struktur. ⓘ
Zum spielbehafteten Tischantrieb, der in der Regel nur bei älteren oder defekten Fräs- oder Bohrwerken vorkommt, empfiehlt sich das Gegenlauffräsen, denn bei diesem drückt der Fräser den angetriebenen Werkstücktisch mit gleichmäßiger Flächenlastverteilung gegen die Antriebsgewindespindel. Auf diese Weise werden Spielfreiheit für den Vorschub erreicht und ungewollte Schlittenbewegungen ausgeschlossen. ⓘ
Werkstücke aus Holz sind grundsätzlich im Gegenlauf zu fräsen. ⓘ
Gleichlauffräsen
Beim Gleichlauffräsen bewegt sich die Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich in Richtung des Vektors der Werkstückvorschubrichtung. Baut sich beim Gegenlauffräsen die Kraft langsam auf, so ist sie beim Gleichlauffräsen unmittelbar bei Schneideneintritt am größten, nimmt dann aber kontinuierlich ab. Der Span wird zum Schneidenaustritt hin immer dünner und schließlich abgeschält, wodurch eine im Verhältnis zum Gegenlauffräsen glattere Oberfläche entsteht (auch hier ist der Span kommaförmig, nur wird in diesem Fall anfangs viel Material abgenommen und am Ende wenig). ⓘ
Die kraftrichtungsbedingte Neigung des Fräsers, das Werkstück ruckartig in Vorschubrichtung zu reißen, begünstigt ungewollte Änderungen in der Schlitten- bzw. Werkstückposition. Deshalb muss die Vorschubeinrichtung des Schlittens der Werkzeugmaschine absolute Spielfreiheit bzw. hohe Steifigkeit aufweisen, wofür sich Kugelgewindetriebe eignen. Aufgrund der geringeren Ratterneigung sind die erreichbaren Oberflächengüten beim Gleichlauffräsen gegenüber dem Gegenlauffräsen unter sonst gleichen Zerspanungsbedingungen besser – vorausgesetzt, diese begünstigen nicht die Bildung von Aufbauschneiden. ⓘ
Wegen des geringeren Schneiden- und Freiflächenverschleißes kann bei gleicher Standzeit gegenüber dem Gegenlauffräsen die Vorschubgeschwindigkeit um 50 % erhöht werden. ⓘ
Einteilung der Fräsverfahren nach DIN 8589
Die in der Fachliteratur häufig zitierte Einteilung des Fräsens erfolgt wie bei allen anderen spanenden Fertigungsverfahren nach der erzeugten Form in Plan-, Rund-, Schraub-, Wälz-, Profil- und Formfräsen. Das Plan- und Profilfräsen wird weiter unterteilt nach der Fläche am Werkzeug, die die Form erzeugt, in Stirn-, Umfangs- und Stirn-Umfangs(profil)fräsen. In der Reform der DIN 8589 im September 2003 erhielten alle Verfahren eine Ordnungsnummer. Beim Fräsen beginnen alle Verfahren mit der Folge 3.2.3 (3. Hauptgruppe: Trennen, 2. Gruppe: Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, 3. Fertigungsverfahren: Fräsen). ⓘ
Rundfräsen
Beim Rundfräsen werden kreiszylindrische Außen- oder Innenflächen erzeugt. Die ebenfalls kreisförmige Vorschubbewegung kann vom Werkzeug oder vom Werkstück erzeugt werden. Das Rundfräsen trägt die Ordnungsnummer 3.2.3.2.
- 3.2.3.2.1 Das Umfangs-Rundfräsen zeichnet sich dadurch aus, dass die Werkzeugachse parallel zur Rotationsachse des erzeugten Zylinders ist. Diese Variante wird auch als Orbitalfräsen oder Zirkularfräsen bezeichnet und dient zur Fertigung von Bohrungen. Gegenüber dem Bohren hat es den Vorteil, dass der Durchmesser der Bohrung nicht im Werkzeug enthalten ist. Mit einem Fräswerkzeug können also verschiedene Durchmesser erzeugt werden. Dafür ist jedoch eine aufwendige CNC-Steuerung nötig.
- 3.2.3.2.2 Beim Stirn-Rundfräsen steht die Werkzeugachse senkrecht auf der Achse des erzeugten Zylinders. Es wird auch als Dreh-Fräsen bezeichnet.
- 3.2.3.2.3 Beim Stirn-Umfangs-Rundfräsen kann die Werkzeugachse senkrecht oder parallel zum erzeugten Zylinder stehen. Es sind Schneiden am Umfang und auf der Stirnseite im Eingriff. Diese Variante wird ebenfalls als Dreh-Fräsen bezeichnet. ⓘ
Schraubfräsen
Das Schraubfräsen mit der Ordnungsnummer 3.2.3.3 dient zur Herstellung schraubiger Formen, wozu insbesondere Gewinde zählen sowie Spindeln oder Zylinderschnecken.
- 3.2.3.3.1 Beim Langgewinde-Schraubfräsen wird ein einprofiliger Gewindefräser benutzt. Der Vorschub entspricht dabei dem der Gewindesteigung. Die Werkzeugachse ist dabei leicht gegenüber dem Gewinde geneigt. Es ähnelt dem Gewindedrehen.
- 3.2.3.3.2 Das Kurzgewinde-Schraubfräsen verwendet ein mehrprofiliges Werkzeug, das nicht gegenüber dem Gewinde geneigt ist. Auch hier entspricht der Vorschub dem der Gewindesteigung. Es ist jedoch nur etwas mehr als eine Werkstückumdrehung nötig, um das Gewinde zu fertigen. Es ähnelt dem Gewindestrehlen. ⓘ
Wälzfräsen
Das Wälzfräsen mit der Ordnungsnummer 3.2.3.4 dient der Erzeugung von Wälzflächen. Dazu zählen vor allem Verzahnungen an Zahnrädern und Zahnstangen. Diese können grundsätzlich auch durch Wälzhobeln und Wälzstoßen oder Gesenkschmieden hergestellt werden, das Wälzfräsen ist jedoch das bedeutendste Verfahren. Die dabei genutzten Wälzfräser haben ein Profil, das dem der herzustellenden Zähne entspricht. Die Rotation des Fräsers, der Vorschub und die Rotation des herzustellenden Zahnrades sind dabei aufeinander abgestimmt. Im Anschluss werden die Verzahnungen meist durch Wälzschleifen fertigbearbeitet. ⓘ
Profilfräsen
Das Profilfräsen mit der Ordnungsnummer 3.2.3.5 nutzt Profilfräser, in denen die herzustellende Form als Negativ enthalten ist, um Profile herzustellen. Dazu zählen T-Nuten, Schwalbenschwanznuten oder die Span-Nuten an großen Fräsern. Bei Werkstücken, die um ihre eigene Achse rotieren, können auch umlaufende Nuten erzeugt werden. Je nach Vorschubbewegung können runde, gerade oder beliebige Formen erzeugt werden. Zahlreiche Formelemente an Werkstücken wie Radien und Schrägen sind genormt. Daher gibt es auch entsprechende genormte Profilfräser.
- 3.2.3.5.1 Das Längs-Profilfräsen wird mit geradliniger Vorschubbewegung durchgeführt.
- 3.2.3.5.2 Das Rund-Profilfräsen dagegen mit kreisförmiger Vorschubbewegung.
- 3.2.3.5.3 Das Form-Profilfräsen wird mit beliebiger Vorschubbewegung durchgeführt.
- 3.2.3.5.4 ist das Profilfräsen mit Fräskette. ⓘ
Formfräsen
Beim Formfräsen werden Werkzeuge verwendet, die nicht die zu erzeugende Form in sich tragen. Durch die Steuerung der Vorschubbewegung lassen sich beliebige dreidimensionale Formen erzeugen. Das Formfräsen trägt die Ordnungsnummer 3.2.3.6 und wird nach der Art der Steuerung eingeteilt.
- 3.2.3.6.1 Beim Freiformfräsen wird die Bewegung manuell gesteuert.
- 3.2.3.6.2 Beim Nachformfräsen dient eine Schablone oder ein Meisterstück als Vorlage. Deren/dessen Form wird abgetastet und an die Vorschubantriebe der Maschine weitergereicht. Die Variante wird auch als Kopierfräsen bezeichnet und ist seit Einführung der CNC-Steuerungen kaum noch gebräuchlich.
- 3.2.3.6.3 Beim kinematischen Formfräsen dienen Getriebe zur Bewegungserzeugung. Dazu zählen Kurvenscheiben oder Trommelkurven. Es wurde zur Herstellung von großen Serien identischer Werkstücke eingesetzt, ist aber heute kaum noch gebräuchlich.
- 3.2.3.6.4 Das NC-Formfräsen nutzt eine Numerische Steuerung (englisch: numerical control), heute meist in Form einer CNC-Steuerung (computerized numerical control). Damit können neben den drei Bewegungen in jeder Achsenrichtung auch die Werkzeuge um zwei Achsen geschwenkt werden, um auch komplexe Formen zu erzeugen. (Die dritte Achse ist die Rotationsachse des Werkzeuges und ändert somit nicht die erzeugte Form.) Dieses Verfahren wird angewandt zur Fertigung von Gesenken im Formenbau, zur Herstellung von Gussformen (direktes Formstofffräsen) oder für Turbinenschaufeln. ⓘ
Unterscheidungen nach den zu bearbeitenden Werkstoffen
Holz wird ohne Kühlschmierstoff (KSS) und mit hoher Schnittgeschwindigkeit gefräst. Da Holz ein schlechter Wärmeleiter ist, treten an den Werkzeugoberflächen hohe Temperaturen auf. Deshalb müssen Vorschub und Frästiefe so gewählt werden, dass die Oberfläche keine Brandspuren aufweist. Kunststoffe werden mit sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten (200–3000 m/min) bearbeitet. Je nach Art des Materials (Härte und plastischem Verhalten) wird Wasser, Alkohol, Luft oder Öl zum Kühlen verwendet. ⓘ
Die Schnittgeschwindigkeit für Metalle umfasst je nach Art (spröde oder zäh) ein breites Spektrum. An Maschinen, wie sie in Werkstätten oder Ausbildungseinrichtungen zu finden sind, wird mit Schnittgeschwindigkeiten von etwa 15–500 m/min gearbeitet. In der Serienfertigung oder bei fräsintensiven Werkstücken, zum Beispiel bei Peltonturbinen, werden aufgrund der Wirtschaftlichkeit alle Parameter optimal aufeinander abgestimmt, und es sind Geschwindigkeiten bis 10.000 m/min möglich. In den meisten Fällen kommen dabei Kühlschmierstoffe (KSS) zum Einsatz, doch besteht eine eindeutige Tendenz hin zu trockener Bearbeitung und Mindestmengen-Schmierung. Der Anteil der KSS-Kosten an den Gesamtkosten eines gefrästen Werkstücks beträgt zwischen 10 und 20 %. ⓘ
Die verwendeten Werkzeuge unterscheiden sich stark im Schneidstoff und -form. Holz- und Kunststofffräser weisen im Gegensatz zu Metallfräsern immer einen positiven Spanwinkel und größere Spankammern auf. In der Praxis werden für die Kunststoffbearbeitung ein- oder zweischneidige Schaftfräser verwendet. ⓘ
Kräfteverteilung
 Kräfte beim Gegenlauf-Fräsen ⓘ |
Jede Schneide des Fräswerkzeugs übt auf das Werkstück die Zerspankraft Fges aus. Sie setzt sich aus der Hauptschnittkraft Fc (cutting force) in Richtung der Schnittbewegung (also tangential), der Schnittnormalkraft FcN in Richtung normal zur Schnittbewegung und der Passivkraft Fp in Richtung der Drehachse des Werkzeugs zusammen. Die Zerspankraft Fges ist die vektorielle Summe der Kräfte Fc, FcN und Fp. ⓘ