Werkstücke fräsen: die passende Fräsmaschine für die Bearbeitung finden

Fräser: Von Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

Das spanende Fertigungsverfahren ist gekennzeichnet, dass ein Fräswerkzeug mit geometrisch bestimmten Schneiden in Rotation versetzt wird, um Material von einem Werkstück abzutragen.

Charakteristisch für das Fräsen ist, dass die Schneiden des Fräsers nicht über den kompletten Umfang im Eingriff sind, sondern mit jeder Umdrehung des Werkzeugs pro Schneide mindestens eine Schnittunterbrechung erfolgt. Der entsprechende Fachbegriff ist sprichwörtlich, denn es handelt sich um einen „unterbrochenen Schnitt“. Aus dem ständigen „rein und raus“ resultieren fortwährende thermische und mechanische Wechselbelastungen für die Schneiden. Die Belastungen, die von diesem dynamischen Wirksystem aus Werkstück, Werkzeug und Werkzeugmaschine adäquat aufgefangen werden müssen, sind immens und letztlich wettbewerbsentscheidend. In diesem dynamischen Kräftedreieck entscheiden sich die Präzision der Bauteile, die Qualität ihrer Oberflächen und die Wirtschaftlichkeit des Bearbeitungsprozesses. Und hier entsteht auch die Faszination des Fräsverfahrens, wenn Konturen von einfach bis komplex, Materialien von weich bis ultrahart und Oberflächen von grob bis glänzend aus einem Rohteil „wie Butter“ herausgearbeitet werden.

Diese Fräsverfahren sollten Sie kennen

Das Deutsche Institut für Normung e.V. (DIN) unterteilt Fräsverfahren anhand der Art der erzeugten Werkstückoberfläche, der Kinematik des Zerspanvorgangs und des Fräswerkzeug-Profils in:

• Planfräsen: Fräsen mit geradliniger Vorschubbewegung zur Erzeugung ebener Flächen. Differenziert sich in Stirn-, Umfangs- und Umfangs-Stirnfräsen.
• Schraubfräsen: Unter einer wendelförmigen Vorschubbewegung entstehen schraubenförmige Flächen am Werkstück z. B. Gewinde und Zylinderschnecken.
• Wälzfräsen: Ein Fräser mit Bezugsprofil führt eine – mit der Vorschubbewegung simultane – Wälzbewegung aus. 
• Profilfräsen: Nutzung eines Werkzeugs mit werkstückgebundener Form. Es dient zur Erzeugung gerader (geradlinige Vorschubbewegung), rotationssymmetrischer (kreisförmige Vorschubbewegung) und beliebig in einer Ebene gekrümmter Profilflächen (gesteuerte Vorschubbewegung).
• Formfräsen: Hier wird die Vorschubbewegung in einer Ebene oder räumlich gesteuert und erzeugt so die gewünschte Form des Werkstücks

Neben den verschiedenen Fräsverfahren wird zudem – in Abhängigkeit von Werkzeugdreh- und Vorschubrichtung – zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen unterschieden. 

• Gleichlauffräsen: Drehrichtung des Fräsers und Werkstückbewegung sind im Bereich des Werkzeugeingriffs gleichgerichtet.
• Gegenlauffräsen: Drehrichtung des Fräsers und Werkstückbewegung im Bereich des Werkzeugeingriffs sind einander entgegengerichtet. 

Im direkten Vergleich nimmt die Spanungsdicke beim Gleichlauffräsen zwischen dem Ein- und Austritt der Schneide zunehmend ab, wodurch sich auch die Schnittkraft verringert und sogenannte Auffederungseffekte vermieden werden können. Zudem treten keine Ratterschwingungen auf. Daraus resultieren in der Regel bessere Oberflächengüten, weshalb das Verfahren vorzugsweise für die Schlichtbearbeitung eingesetzt wird. 

Komplexe Geometrien: So funktioniert die Herstellung von Bauteilen

Seit Jahrzehnten ist das Fräsen deshalb in der Metallbearbeitung Mittel der Wahl, um aus Rohteilen geometrische Körper herzustellen. Dazu wird das Werkstück aufgespannt und mit den erforderlichen Fräswerkzeugen bearbeitet. Je nach Maschinentyp geschieht dies entweder horizontal – die Spindel mit dem Werkzeug wird seitlich herangeführt – oder vertikal. Hier kommt die Spindel von oben. Bei Maschinen mit Kinematik im Fräskopf, kann das Werkzeug in jeglicher Winkellage ans Werkstück herangeführt werden. Letztlich entscheidet das Bauteil, welche Ausrichtung die bessere ist. So ist etwa der Spänefall beim Horizontalfräsen deutlich besser, was bei der Bearbeitung von Bohrungen ein Vorteil ist.

3,4 oder 5-Achsen: Auf das Werkstück kommt es an

In ihrer einfachsten Konstruktion sind Fräsmaschinen auf die 3-achsige Bearbeitung ausgelegt: Das Werkzeug fährt in X-, Y- und Z-Richtung über das Werkstück. Bei 4-achsigen Maschinen kommt eine Rundachse – entweder als B-Achse im Spindelstock, im Tisch oder in Form eines aufgesetzten Teileapparats – hinzu. Dadurch lassen sich Werkzeuge schräg anstellen, ohne dass das Werkzeug zunächst umgespannt werden muss, wie beim 3-Achs-Fräsen. Mit einer zweiten Rundachse wird das 5-achsige Fräsen möglich. Hier ist eine nahezu beliebige Ausrichtung des Werkstücks möglich. Das Fräswerkzeug kann fünf Seiten erreichen und ein Bauteil fast komplett herstellen. Ein Umspannvorgang ist höchstens für die Bearbeitung der sechsten Seite erforderlich. Aus dem 5-achsigen Fräsen hat sich schließlich das 5-Achs-Simultanfräsen entwickelt, bei dem alle Achsen interpoliert werden. Ist die Kinematik im Tisch untergebracht, wird das Werkstück in diesem Fall kontinuierlich in alle Richtungen bewegt, während das Fräswerkzeug Material abträgt. Bei der Kopfkinematik ist auch die zweite Rundachse im Fräskopf. Daraus resultieren sogenannte Freiformflächen, wie sie zum Beispiel im Formenbau Gang und Gäbe sind.