Fräsen

Fräsen ist Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zur Herstellung von Ebenen und gekrümmten Flächen, Nuten, Wendelnuten, Verzahnungen und Gewinden sowie anspruchsvoller 3D-Konturen. Laut DIN 8589 wird das Verfahren folgendermaßen definiert: „Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger, einem meist mehrzahingen Werkzeug zugeordneter Schnittbewegung und mit senkrecht beziehungsweise schräg zur Drehachse des Werkzeugs verlaufender Vorschubbewegung.“ Charakteristisch für das Fräsverfahren ist, dass die speziellen Werkzeuge einer Fräsmaschine einzelne Späne vom Rohmaterial abtragen. Auf den Bearbeitungszentren werden unterschiedliche Werkstoffe (Metalle, Holz und Kunststoffe) bearbeitet. Es gehört zu den spanenden Fertigungsverfahren und kommt in verschieden Branchen zum Einsatz – Maschinenbau, Raum- und Luftfahrt sowie Medizintechnik.

Fräsen und andere spanenden Fertigungsverfahren im Überblick

Nach DIN 8589 werden die spanenden Fertigungsverfahren in zwei Gruppen unterteilt:

Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden

• Beim Fräsen bewegt sich der rotierende Fräskopf senkrecht oder schräg zum Werkstück – entweder wird das Werkstück bewegt oder der Fräskopf.
• Beim Drehen fährt das spanabhebende Werkzeug die Kontur des sich drehenden Werkstücks ab – das Werkzeug steht fest, das Werkstück dreht sich.
• Beim Bohren dreht sich das Werkezeug um seine Achse und wird gegen das Werkstück gepresst. An der Stirnseite des Bohrers wird das Material abgetragen und wird entlang der Drehachse des Bohrers bewegt – die Vorschubbewegung ist in Richtung der Rotationsachse.
• Das Senken ist eine spezielle Form des Bohrens, bei dem eine vorhandene Bohrung entgratet und / oder so erweitert wird, dass ein profilierter oder planer Absatz entsteht, in dem man zum Beispiel Schraubenköpfe versenken kann.
• Beim Reiben handelt es sich um eine spezielle Form des präzisen Bohrens, bei der eine bereits vorhandene Bohrung mit einer Reibahle auf Maß aufgebohrt wird – der Spanabhub erfolgt durch Reibung.
• Beim Hobeln erfolgt das Abheben des Materials, indem das einschneidige Zerspanungswerkzeug wiederholt und schrittweise eine Schnittbewegung durch das Material macht. Das Werkzeug ist fest eingespannt.
• Stoßen ähnelt dem Hobeln, nur dass das Werkzeug hierbei die Schnittbewegung ausführt.
• Beim Räumen wird ein Werkzeug mit mehreren Scheiden, die um die Spanungsdicke gestaffelt sind, entweder außen an dem Werkstück vorbei geführt oder durch eine vorhandene Bohrung gezogen. Anders als beim Fräsen wird ein mehrzahniges Werkzeug in einer geraden, schraubförmigen oder kreisförmigen Schnittbewegung an oder durch das Werkstück bewegt. Dabei wird durch die Staffelung der Schneidzähne die Vorschubbewegung des Werkzeuges ersetzt.
• Beim Sägen wird durch eine kreisförmige oder gerade Schnittbewegung des vielzahnigen Werkzeugs, welches senkrecht zum Werkstück steht, Material in einer geringen Schnittbreite abgetragen. Es dient zum Abtrennen oder Schlitzen von Werkstücken.
• Beim Feilen oder Raspeln wird durch ein Werkzeug, bei dem die Zähne in geringer Höhe dicht aufeinanderfolgen, mit wiederholten geradlinigen oder kreisförmigen Schnittbewegungen gearbeitet. Das Material wird in geringer Spanungsdicke abgetragen.
• Beim Schaben wird ein Schaber gegen das Werkstück gepresst und entlang der Materialoberfläche geführt. Der Abhub erfolgt nicht durch Rotation und nur in kleinen Spangrößen.
• Beim Meißeln wird ein Meißel in spitzem Winkel auf das Werkstück gesetzt. Dann wird durch Schlagen auf den Meißel der Meißel in das Material getrieben, sodass Späne abgehoben werden. Der Abhub erfolgt nicht durch Rotation.

Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden

• Beim Rotationsschleifen wird ein rotierendes Werkzeug mit hoher Schnittgeschwindigkeit gegen das Werkstück gepresst. Das Werkzeug besteht aus einem synthetischen oder natürlichen Schleifmittel, welches durch ein Bindemittel gebunden wird. Dadurch entsteht ein vielschneidiges Werkzeug mit geometrisch unbestimmten Schneiden.
• Der Unterschied zum Schleifen besteht beim Bandschleifen darin, dass das Schleifmittel auf einem Schleifband in Ringform aufgetragen wurde, welches über Rollen umgelenkt und gegen das Werkstück gepresst wird.
• Das Hubschleifen erfolgt wie das Schleifen, nur dass das Schleimittel (Schleifpapier) durch eine geradlinige Hin- und Herbewegung über das Werkstück geführt wird.
• Im Unterschied zum Schleifen ist das Werkzeug ist beim Honen selbstausrichtend.
• Beim Läppen ist das Schneidkorn ungebunden. Das Schleifmittelt besteht aus einer Paste oder mit Flüssigkeit verteiltem Korn.
• Beim Strahlspanen wird ein Strahlmittel (Sand, Korund etc.) im Druck- oder Schleuderverfahren mittels eines Energieträgers gegen das Werkstück gestrahlt.
• Beim Gleitspanen werden meist mehrere Werkstücke zusammen mit einem Schleifmittel in einer wässrigen oder öligen Lösung, in einen sich oszillierenden oder rotierenden Behälter, eingebracht.

Einteilung der Fräsverfahren

Laufrichtung der Fräse

• Beim Gleichlauffräsen rotiert das Werkzeug in die Vorschubrichtung. Die Kraft ist beim Schneideneintritt maximal und nimmt dann ab, hierdurch ist die Neigung der Maschine zum Rattern geringer, sofern der Vorschubantrieb spielfrei ist. Dies bedingt eine sehr viel höhere Oberflächengüte.
• Beim Gegenlauffräsen rotiert das Werkzeug entgegen der Vorschubrichtung, dadurch baut sich die Kraft kontinuierlich auf. Auf diese Weise wird der Span allmählich komprimiert und verfestigt, so dass der Span zum Schluss gegen die maximale Kraft abgetrennt werden muss. Dies führt zu Vibrationen und zu einer schlechteren Oberflächengüte. Auch erhöht sich der Verschleiß deutlich.

Verfahren nach der erzeugten Form

• Durch das Planfräsen werden ebene Flächen hergestellt. Immer wenn es gilt, eine gleichmäßige, ebene Fläche herzustellen, ist das Planfräsen die Methode der Wahl. Man unterscheidet das Planfräsverfahren weiter nach den eingesetzten Werkzeugen.
• Beim Umfangs-Planfräsen rotiert das Werkzeug um seine Achse, die parallel zum Werkstück liegt, so dass der Umfang des runden Fräswerkzeugs auf dem Werkstück aufliegt wie ein Autoreifen auf der Straße. Dort erfolgt der Materialabtrag.
• Beim Stirn-Planfräsen rotiert das Werkzeug um seine Achse, die senkrecht zum Werkstück liegt, so dass nicht der Umfang des Werkzeugs aufliegt, sondern die Stirnseite. Allerdings erfolgt der Großteil des Materialabhubs an dem Übergang zwischen Stirnseite und Umfang, die Stirnseite glättet jedoch die Stellen, an denen Material abgetragen worden ist, was zu einer Oberfläche mit hoher Güte führt.
• Durch das Schraubfräsen werden schraubige Formen hergestellt (Gewinde, Spindeln, Zylinderschnecken).
• Beim Wälzfräsen erzeugt der Fräser erzeugt Wälzflächen (Verzahnungen von Zahnrädern, Zahnstangen) durch eine Walzfräse, deren Profil dem der herzustellenden Werkstücke entspricht.
• Mit der Fräse werden beim Profilfräsen Werkstücke mit einem Profil hergestellt (T-Nuten, Schwalbenschwanznuten, Span-Nuten). Das Fräswerkzeug hat dabei in negativer Form die Form der herzustellenden Nut. Je nach Vorschubbewegung unterscheidet man Längs-Profilfräsen (geradlinige Vorschubbewegung) und Rund-Profilfräsen (kreisförmige Vorschubbewegung).
• Mit dem Formfräsen können verschiedene Formen hergestellt werden, da sie die zu erzeugende Form nicht in sich tragen, sondern durch die Steuerung der Vorschubbewegung beliebig gesteuert werden können. Dies geschieht entweder manuell oder neuerdings beim NC-Formfräsen durch eine numerische Steuerung. Die NC-Fräsen stellen den aktuellen Stand der Technik dar, da sie sehr flexibel eingesetzt werden können und zugleich sehr hohe Passgenauigkeit bei hochkomplexen dreidimensionalen Formen möglich sind. Eine weitere Steigerung der Produktivität bei der Bearbeitung gerade von Titan- und Stahllegierungen verspricht der neueste Forschungsansatz, der eine Schmierung und Kühlung beim Zerspanprozess durch kryogene Medien (CO2 oder LN2) vorsieht.

Forschungsinstitute

• Forschungsvorhaben „InKryo“ (IGF 19122 N)
• Werkzeugmaschinenlabor der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen
• Cluster Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden
• Technische Universität Chemnitz
• MFD – Kunststofftech GmbH

Literatur

• Fritz, A. H., Schulze, G. (Hrsg.) 2010: Fertigungstechnik. Springer Verlag.
• Heisel, U. et al. (Hrsg.) 2014: Handbuch Spanen. Hanser Verlag.
• Übersicht über die Fräsverfahren, in: Heisel, U. et al. (Hrsg.) 2014: Handbuch Spanen. Hanser Verlag.
• Klocke, F., König, W. 2008: Fertigungsverfahren Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. Springer Verlag.
• Schönherr, H. 2002: Spanende Fertigung. Oldenbourg Verlag.
• Tschätsch, H. 2014: Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung. Springer Vieweg Verlag.

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