Fräsmaschine

Die Fräsmaschine ist eine Werkzeugmaschine, die zum Ausführen von spanenden Arbeiten verwendet wird. Mit ihrer Hilfe erhalten Werkstoffe aus Holz, Metall oder Kunststoff durch das gezielte Abtragen von Spänen eine bestimmte geometrische Form. Zu diesem Zweck wird das in der Regel mit mehreren Schneiden ausgestattete Fräswerkzeug in eine schnelle rotierende Bewegung versetzt und mit dem Werkstück zusammengebracht. In der Folge dringen die Schneiden in das Werkstück ein und tragen das unerwünschte Material in Form von Spänen ab. Da je nach Fräsmaschine wenigstens drei Vorschubrichtungen (X, Y, Z) zur Verfügung stehen können, ist es möglich, auch äußerst komplexe geometrische Körper herzustellen.

Aufbau

Auch wenn es nicht es verschiedenen Bauarten von Fräsmaschinen gibt, basieren die unterschiedlichen Typen doch auf einem grundsätzlich ähnlichen Aufbau.

Die Basis der Werkzeugmaschinen bildet ein Gestell, das die weiteren Komponenten des Geräts tragen muss. Deshalb werden vor allem schwere Maschinen auf einem Fundament aufgestellt. Bei kleineren bis mittleren Geräten wird häufig die Monoblockbauweise genutzt. Bei dieser bilden das Gestell und der Maschinenständer eine Einheit, wodurch die Fräsmaschine bei wenig Platzbedarf und hoher Bedienerfreundlichkeit über eine große dynamische Belastbarkeit verfügt. Größere Maschinen werden in der Regel aus Modulen zusammengebaut.

Ein wesentliches Element der Fräsmaschine ist der Fräskopf. Er trägt bei herkömmlichen Geräten in der Regel die senkrecht ausgeführte Hauptspindel und eine per Hand ausfahrbare Pinole. Bei CNC-Maschinen besitzen die Fräsköpfe unter anderem Systeme zum automatischen Werkzeugwechsel.

Zum Zerspanen leichter bis mittelschwerer Werkstücke dienen Maschinentische. Diese fahren über die Konsole in vertikaler und über den Querschieber in horizontaler Richtung in den Führungen des Maschinenständers. Zur Nutzung einer dritten Achse kann ein Kreuztisch ergänzt werden. Problematisch ist bei den Maschinentischen, dass Konsolen in den Endlagen zum Kippen neigen. Deshalb werden schwere und unhandliche Werkstücke auf Betten eingespannt, da diese über die komplette Fläche aufliegen.

Bauarten

Aufgrund der häufigen Werkzeugwechsel ist eine Fräsmaschine hohen statischen Beanspruchungen ausgesetzt. Hinzu kommen starke dynamische Belastungen, die auf die Unregelmäßigkeiten während des Betriebs zurückzuführen sind. Hierzu gehören unter anderem unregelmäßige Spanabnahmen, Spanunterbrechungen und Schwankungen in der Schnittkraft. Ziel ist es deshalb, die jeweilige Fräsmaschine optimal auf die Anforderungen des gewünschten Fertigungsverfahrens vorzubereiten.

Da bei den Anforderungen der verschiedenen Fertigungsverfahren sowohl große Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten vorliegen, gilt dies ebenfalls für die unterschiedlichen Maschinen. Aus diesem Grund ist es schwierig, eine Fräsmaschine eindeutig von einer anderen abzugrenzen. Eingebürgert hat es sich, die Fräsen nach der Lage der Hauptspindel in vertikale und horizontale Geräte sowie nach der Bauart in Konsol-, Bett- und Sonderfräsmaschinen einzuteilen. Im Weiteren werden die mechanische und numerische Betriebsweise unterschieden.

Konsolfräsmaschinen

Konsolfräsmaschinen haben sich in weiten Teilen zur Herstellung von Werkzeugen, der Bearbeitung kleiner bis mittlerer Werkstücken und vor allem für den Einsatz in kleinen Betrieben etabliert. Einteilen kann man diese Bauart nach der Lage der Hauptspindel in waagerechter und senkrechter Ausführung. Eine weitaus größere Flexibilität bietet sich allerdings an bei Verwendung von schwenkbaren Spindeln oder Schwenkköpfen, durch die Führung der Hauptspindelbaugruppe in einer axial verstellbaren Pinole und die Möglichkeit des Schwenken, Kippen und Rotieren des Werkstücktisches.

Konsolfräsmaschinen verfügen in den meisten Fällen über eine automatisierte Konsolabsenkung. Durch das Absenken des Konsol um ca. 1 mm werden Werkstückoberfläche und Werkzeugschneide während des Eilrücklaufes geschützt. Konventionelle Konsolfräsmaschinen besitzen Nockengetriebe zur Steuerung zur Realisierung von häufig zu wiederholenden Abläufen. Bei NC-Maschinen ist diese Steuerung programmierbar und bedarf keiner mechanischen Steuerung.

Für die Bearbeitung von mittelschweren Werkstücken kommen Universal-Werkzeugfräsmaschinen in Konsolbauweise zum Einsatz. Grundlegender Unterschied zu herkömmlichen Konsolfräsmaschinen ist die hohe Präzision bei großer Anzahl an Einstellmöglichkeiten und mehr möglichen Bewegungen. Ebenfalls können viele zusätzliche Komponenten und Zusatzeinrichtungen für diese Maschinen verwendet werden. Eine Einrichtung zum automatischen Werkzeugwechsel oder ein Magazin für Werkstücke ist für die meisten Maschinen am Markt nicht vorgesehen. Sie können zwar mit Gelenkarmrobotern kombiniert werden, allerdings ist dies nicht wirtschaftlich effizient und es existieren andere Bauweisen, die dies ohne den Einsatz von Robotern zulassen.

Bettfräsmaschinen:

Bettfräsmaschinen werden in der Regel zur Bearbeitung von Gestellbauteilen und ähnlich großen Werkstücken eingesetzt. Aufgrund der großen Masse und den großen Abmessungen der Werkstücke wird meist jeglicher Vorschub werkzeugseitig ausgeführt und das Werkstück steht still. Aufgrund der stark veränderlichen notwendigen Abmessungen und relativ geringen Stückzahlen werden Bettfräsmaschinen oft modular angeboten, um sich an die Anforderungen anzupassen. Grundsätzlich lassen sich diese Maschinen noch in Ein- und Zweiständerbauweise einteilen.

• Einständer-Bettfräsmaschine: Bei dieser Variante können mehrere ortsfeste Werkstücktische verwendet werden, auf denen komplexe oder mehrere Werkstücke fixiert und bearbeitet werden können. Jedweder Vorschub wird werkzeugseitig realisiert, ebenso die einzelnen Einstellmöglichkeiten. Die Werkstücktische sind meist parallel, aber immer an nur einer Seite des Frässchlitten angebracht.

• Zweiständer-Bettfräsmaschine: Der Unterschied zur Ausführung mit Einständer befindet sich ein zweiter Schlitten auf der anderen Seite des Bettes und die Fräse ist portalisch aufgebaut. Daher nennt man sie auch Portalfräsen. Durch den Aufbau können mehr Positionen und Stellungen an dem Bauteil erreicht werden. Dabei können Tisch oder Bett den Vorschub in Z-Richtung realisieren. Im Falle eines beweglichen Bettes bedarf die Maschine allerdings großen Platz, da die Führung des Bettes um die volle Länge abfahren zu können doppelt so lang wie das Bett sein muss. Eine wichtige Kenngröße ist die Größe des Bettes, da diese die Dimension der zu Bearbeitenden Werkstücke begrenzt, anders als bei der Einständer-Variante.

Kreuztischfräsmaschine und Kreuzbettfräsmaschinen

Die vertikale Vorschubrichtung ist bei höheren Massen der Werkstücke seitens des Werkstückes unvorteilhaft und wird daher werzeugseitig angelegt. Dazu bedarf es eines Kreuztisches auf der Werkstückseite, welcher der Maschine den Namen Kreuztischfräsmaschine gibt. Der Ständer ist dabei in der Regel mit dem Bett verbunden und lagert den Antrieb als auch die Führung für die Hauptspindel. Die Hauptspindeln werden von frequenzgesteuerten Asynchronmotoren zur Steuerung der Drehzahlen angetrieben, welcher über Riemen die Kraft auf die Hauptspindel wirkt. Wird eine weitere Achse des kartesischen Koordinatensystemes auf die Werkzeugseite verlagert spricht man von einer Kreuztischbettfräsmaschine . Das Maschinenbett realisiert dabei alle drei Vorschubbewegungen. Stattet man die Maschinen dann noch mit einem NC-Schwenkkopf und einem NC-Drehtisch besitzt die Maschine 5 NC-Achsen. Werden dann noch ein Werkzeugspeicher und eine Werkzeugwechseleinrichtung verbaut spricht man von einem Fräszentrum bzw. einem Bearbeitungszentrum.

NC-Bearbeitungszentrum

Mit der Zeit wurden herkömmliche Fräsen weiterentwickelt zu Bearbeitungszentren für das Realisieren großer Stückzahlen. Diese zeichnen sich aus durch Werkzeugspeicher und Wechselsysteme zum automatischen Werkzeugwechsel. Dadurch ist es mögliche mehrere Arbeitsschritte in einem Bearbeitungslauf in der Maschine zu ermöglichen zu denen Fräsen, Bohren, Reiben, Senken und Gewindeschneiden zählen. Dazu werden die Bearbeitungszentren mit NC-Steuerung ausgestattet. Die Maschine kann damit nach dem Einsetzten des Werkstückes in die Maschine das Programm abfahren und am Ende das fertig gefräste Bauteil herausnehmen. Damit die Bearbeitung der Werkstücke, unter Betrachtung immer genauerer Toleranzen, auch hier Realisiert werden kann, werden meist Negativformen zur Führung verwendet. Um während des Prozesses die Sicherheit der Umwelt zu gewährleisten kann die Maschine nur arbeiten, wenn eine Schutztür geschlossen wird. Diese erkennt durch einen Kontaktschalter den Zustand der Tür und kann zusätzlich durch Lichtschranken unterstützt werden. Wenn die Maschine zusätzlich über ein Werkstückmagazin verfügt, welches ein vollautomatische Arbeiten ohne den Einfluss von Menschen ermöglicht spricht man von einer Fertigungszelle. Wichtige Kenngrößen sind die Span-zu-Span-Zeit und Palettenwechselzeit zur Beschreibung der Effizienz dieser Maschinen. Die Bauform eines Bearbeitungszentrum oder einer Fertigungszelle kann prinzipiell auf jeder herkömmlichen Bauform aufbauen, selbst Kombinationen einzelner Bauformen sind möglich.

Oberfräse

Eine Oberfräse ist eine von Hand geführte Fräse, meist zur Bearbeitung von Kunststoffen und Holz. Verwendung finden diese Arten von Fräsen zum Herstellen von Nuten, Fasen, Profilen, zum Schablonenfräsen und zum Freihandfräsen. Die Maschine wird dabei von oben auf das Werkstück geführt und von Hand bedient. Dabei ist es erforderlich, dass das Werkstück eine ebene Oberfläche besitzt, um die Maschine präzise führen zu können. Einige Hersteller bieten eine Erweiterung in Form eines Tisches an, in den die Oberfräse eingesetzt werden kann. In dieser Form nennt man die Kombination Tischfräse. Auf dem Tisch ist dabei ein verstellbarer Anschlag angebracht welcher das Werkstück führt. Damit ist die Dimension des und Form des Werkstückes als kubisch begrenzt. Das Arbeiten mit einer Oberfräse ist für den industriellen Einsatz nur bedingt sinnvoll. Eher sind sie bei privaten und handwerklichen Arbeiten anzutreffen. Der Aufbau dieser Maschine ist dabei linear, das heißt der Motor und die Spindel bilden eine Linie. senkrecht zu diese Linie ist eine Führungsplatte angebracht in deren Mitte sich ein Aussparung für den Fräser befindet. Die Durchmesser der Fräser sind einmal dadurch begrenzt und zum anderen dadurch, dass größere Fräser kaum noch vom Bediener sicher benutzt werden können, da die auftretenden Kräfte zu groß werden. Das Arbeiten mit einer Oberfräse bedarf viel Übung und Erfahrung.

Geschichte

Die Fräsmaschine ist eine der wichtigsten Erfindungen von Werkzeugmaschinen eines US-Amerikaners. Im Gegensatz zu den oftmals in Europa entwickelten Werkzeugmaschinen wurde die erste Fräsmaschine 1818 in den USA von Eli Whitney entwickelt. Der Grundkörper bestand größtenteils aus Holz. Gesteuert werden konnte der Frästisch von Hand oder durch ein Schneckengetriebe mit maschinellen Vorschub. Zur Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte ebenfalls in den USA der Ingenieur Francis Pratt die daraufhin auch in Europa bekannt gewordene Lincoln-Fräsmaschine. Auch im asiatischen Raum erfuhr diese Maschine eine weite Verbreitung. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begannen Entwickler und Hersteller weltweit Fräsmaschinen für den spezialisierten Gebrauch zu realisieren. Antrieb war hierbei vor allem das effektive Herstellen von Verzahnungen, Gewinden und Nuten. Als um die Jahrhundertwende 1900 der US-amerikanische Fabrikant F.W. Taylor den ersten Schnellarbeitsstahl (HSS) erfand, wurden nicht nur die Fräswerkzeuge, sondern auch andere Werkzeuge maßgeblich verbessert.

Im Laufe des 20. Jahrhundert bis heute fokussiert sich die Weiterentwicklung von Fräsmaschinen auf höhere Genauigkeit, Automatisierung und Kombination mit anderes Bearbeitungsverfahren.

Sicherheitsaspekte

Beim Betrieb einer Fräsmaschine können verschiedene Gefahren auftreten. Diese sollen durch die Wahl geeigneter Sicherheitsmaßnahmen möglichst vermieden werden. Zusätzlich müssen bei ihrem Auftreten die geeigneten Rettungsmaßnahmen bekannt sein. Aus diesem Grund dürfen nur Personen mit einer ausgewiesenen Fachkenntnis an einer Fräsmaschine eingesetzt werden.

Beim Fräsvorgang können wegfliegende Späne, gegebenenfalls auch Werkstücke oder Werkzeuge zu Verletzungen führen. Auch beim Entfernen der Werkstücke aus der Spannvorrichtung kann es zu gefährlichen Situationen kommen. Eine weitere Gefahrenquelle stellen nicht ausreichend geschützte bewegliche Maschinenteile dar, da diese Gliedmaßen oder die Kleidung einziehen können.

Zum Schutz der Augen ist beim Arbeiten an der Fräsmaschine immer eine Schutzbrille zu tragen. Weiterhin kann das Anbringen von Fangblechen zum Auffangen von Spänen sowie bei mehreren nebeneinanderliegenden Arbeitsplätzen das Aufstellen von Schutzwänden sinnvoll sein. Sollten bewegliche Maschinenteile vorhanden sein, sind diese mit einem Schutzgitter zu sichern. Wesentlich ist zu guter Letzt ein Not-Aus-Schalter, der im Gefahrfall die Stromzufuhr unterbricht.

Fräsmaschinenhersteller

Bekannte Hersteller von Fräsmaschinen sind unter anderem AXA, Böttcher und Renardy, Boschert, BULMAK, Bungard Elektronik, CNC-STEP, COSMA Berger, DMG MORI, Ehinger Werkzeugmaschinenfabrik, elumatec, erkat, Faber H&V, Fickert und Winterling, GK Werkzeugmaschinen, Götzinger, Habrama, HELLER, HEYLIGENSTAEDT, HOLZ-HER, HOMAG, Horn Maschinenbau, KERN Microtechnik, Kiesling Maschinentechnik, KRÄKU, MFK Maschinenbau, MIKROMAT, MillStep, PRESSTA – EISELE, Reckermann Maschinenbau, Reiter Maschinen, ROBEL, Röders, SAMAG, Schmoll Maschinen, Schüssler Technik, Schwäbische Werkzeugmaschinen, Schwamborn, SSB Maschinenbau, teco, vhf camfacture, WABECO, WaldrichSiegen, WEMAS, Ziersch.

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