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.

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.

HSC-Fräsen

Das High-Speed-Cutting, zu deutsch Hochgeschwindigkeitszerspanung (HGZ), bezeichnet die um ein vielfach erhöhten Schnittparameter beim Fräsen. Dazu zählen die Schnittgeschwindigkeit und die Vorchubgeschwindigkeit. Ziel ist es das Zeit-Span-Volumen zu erhöhen. Bereits 1925 zeigte Carl J. Salomon, dass die Temperatur nach Erreichen eines Scheitelpunktes der parabolischen Kurve der Schnittemperatur ab einer bestimmten Geschwindigkeit auch wieder fällt. Dadurch kann bei bis zu 60.000 U/min bei guter Oberflächengüte und geringem Werkzeugverschleiß das Zeit-Span-Volumen im Vergleich zu konventionellen Verfahren um den Faktor 240 übertroffen werden. Eingeschränkt wird das Verfahren durch den hohen Abschirmbedarf zum Schutz der Umwelt und die hohe Anforderung an die Auswuchtung der Werkzeuge. Das HSC-Fräsen kommt beim Schlichten zum Einsatz, zum Schruppen mit erhöhten Parametern kommt das HPC-Fräsen zum Einsatz.

HPC-Fräsen

Das High-Performance-Cutting, zu deutsch Hochleistungszuspanung (HLZ), setzt ebenfalls wie das HSC auf die vielfache Erhöhung von Prozessparametern. Der Unterschied liegt hierbei in der Oberflächengüte. Beim HPC-Fräsen werden Späne mit einer höheren Dicke erzeugt und Breite, was zu einer im Vergleich zum HSC verschlechterten Oberfläche führt. Der Fräser wird dabei auf fast der gesamten Schneidenlänge in das Material beziehungsweise Werkstück geführt. Daher wird dieses Verfahren zum Schruppen, also zur groben Bearbeitung eingesetzt.

CNC-Fräsen

Der Begriff CNC-Fräsen beschreibt das computergesteuerte Fräsen und damit den Automatisierungsgrad des Prozesses. Erst durch den das CNC-Fräsen war es möglich komplexe Formen herzustellen. Die mechanische Steuerung konventioneller Maschinen erlaubten lediglich einfache Konturen, wie Linien oder einfache Radien. Heutige CNC-gesteuerte Maschinen können zum Teil sogar Dreharbeiten übernehmen. In dem modernen Maschinenbau waren und sind viele Errungenschaften möglich geworden. Die Programmierung des Ablaufes übernimmt dabei ein Techniker oder Ingenieur an einem externen Rechner. Das Programm kann anschließend auf die Maschine überspielt werden.

Forschung

Der größte Schwerpunkt vieler Forschungsarbeiten, stellt vor allem das Fräsen von Hartmetallen dar. Folgende Forschungseinrichtungen und Lehrstühlen beschäftigen sich mit Fräsmaschinen, Werkzeugen und dem Fräsen als Prozess:

Hochschule Esslingen

Das Labor Umform- und Zerspanungstechnik der Hochschule Esslingen beschäftigt sich in mehreren Punkten mit den Themenschwerpunkten Fräsmaschinen und Fräsen. Dazu zählen die Entwicklung und Konstruktion von energie- und resourceneffizienten Werkzeugmaschinen, Untersuchungen der Prozesse beim Hartfräsen, die Entwicklung einer Werkzeug-Abdrückeinrichtung für Fräsmaschinen, Schnittdatenuntersuchungen zum Trochoidalfräsen, Vergleichsuntersuchungen von unterschiedlichen Frässtrategien, die Eigenfrequenzbestimmung und Schwingungsuntersuchungen an Werkzeugmaschinen. Dazu arbeitet das die Hochschule mit mehreren Unternehmen zusammen, wie EMAG. Website des Labores

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie

Unter dem Namen Procarbimill arbeitet das IPT an dem Wissensdefizit von dem Fräsen von hochharter Werkstoffe. Dabei befasste man sich zum einem mit den Werkzeugen und zum anderen mit der Prozesstechnik. Ziel war es die reproduzierbare Bearbeitung zu ermöglichen:

• Zwischenziele im Bereich Werkzeugtechnologie
  • Vollständige Ermittlung des thermo-mechanischen Belastungskollektiv sowie der Spanbildungsmechanismen bei Hartmetallen
  • Bestimmung des Einflusses der Schneidengeometrie auf die resultierenden Belastungen und Oberflächen
  • Wissensbasierte Auslegung/ Definition des Fräswerkzeugs für die Zerspanung von Hartmetall
• Zwischenziele im Bereich der Prozesstechnologie
  • Auslegung einer möglichst »sanften« Anschnittstrategie
  • Ermittlung der optimalen Frässtrategien und Prozessparameter zur Erzielung reproduzierbarer Standzeiten und Bauteiloberflächen
  • Implementierung des Prozesswissens in ein standardisiertes CAM-Modul

SKript des Profektes

TU München

Das Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften der TU München arbeitet ebenfalls an Lösungen für das Zerspanen hochfester Werkstoffe. Bis zum Oktober 2020 wird unter Dipl.-Ing. (Univ.) Philipp Rinck an wirtschaftlichen Prozessen für das Zerspanen von solchen Werkstoffen geforscht. Website zum Projekt

Nachweise und 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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