Das '''Fräsen''' ist ein zur Herstellung von en mit geometrisch bestimmter Gestalt. Wie bei allen spanenden Verfahren wird dabei von einem Rohteil Material in Form von entfernt. Das Fräsen zählt zur Gruppe , da die an den en 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 senkrecht oder schräg zur Rotationsachse des Werkzeuges ? beim dagegen erfolgt sie in Richtung der Rotationsachse und beim rotieren die Werkstücke um ihre eigene Achse, während das Werkzeug die Kontur abfährt.
Das Fräsen dient insbesondere zur Herstellung von ebenen Oberflächen. Dazu zählen oder für bewegte . Vor 1840 wurden solche Formen vor allem durch hergestellt, danach wurde es rasch vom deutlich schnelleren Fräsen verdrängt. Auf modernen n lassen sich jedoch auch komplizierte dreidimensionale Formen erzeugen wie Turbinenschaufeln oder e. Ein großer Teil aller Zahnräder wird durch das gefertigt, für das spezielle benötigt werden. Außerdem sind auch möglich. Sonderverfahren sind das und als Varianten des s beziehungsweise s.
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 , die auf das Werkzeug wirkt. Die 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 , 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.
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 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 und beliebiger . Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vorschubbewegung bei.''
Geschichte
Das älteste wird nachgesagt und soll von 1760 stammen. Die älteste belegte Fräsmaschine dagegen stammt von 1818 und wurde von gebaut, einem amerikanischen Ingenieur. Das Fräsen wurde vor allem in der Fertigung von Schusswaffen eingesetzt, zur Herstellung von Nuten. Während die meisten Werkzeugmaschinen wie die und die während der in England entstanden, waren die Fräsmaschine und das Fräsen vor allem eine amerikanische Entwicklung. Dort wurde sie in der Folgezeit immer weiter verbessert. Sie verbreitete sich auch in Europa. Der berühmte britische Werkzeugmaschinenbauer baute um 1830 ein Exemplar.
Die Werkzeugmaschinen wurden ab dem frühen 20. Jahrhundert durch zwei technische Neuerungen verbessert, den und die . Durch letztere wurde vor allem die Bedienung vereinfacht, da zahlreiche Funktionen automatisierbar waren. Außerdem wurde durch sie das ermöglicht, mit dem auch Werkstücke mit komplexer Form in mittleren Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen waren. Voraussetzung war jedoch der Einsatz von Elektromotoren als Antrieb.
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 ). 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 verringert. Aufgrund dieses Nachteils ist das Gegenlauffräsen nur dann ökonomisch sinnvoll, wenn Werkstücke harte ( oder ) und verschleißend wirkende Randzonen aufweisen (geringerer Verfestigungseffekt) oder wenn der Tischantrieb nicht ohne Spiel ist.
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.
- 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 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 .
Wälzfräsen
Das fertigbearbeitet.
Profilfräsen
Das mit der Ordnungsnummer 3.2.3.5 nutzt , 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 ''.
- 3.2.3.6.1 Beim ''Freiformfräsen'' wird die Bewegung manuell gesteuert.
- 3.2.3.6.2 Beim ''Nachformfräsen'' dient eine oder ein 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 zur Bewegungserzeugung. Dazu zählen n oder n. 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 n.
Unterscheidungen nach den zu bearbeitenden Werkstoffen
Holz wird ohne (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. e werden mit sehr hohen en (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 , werden aufgrund der Wirtschaftlichkeit alle Parameter optimal aufeinander abgestimmt, und es sind Schnittgeschwindigkeiten 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 . Der Anteil der KSS-Kosten an den Gesamtkosten eines gefrästen Werkstücks beträgt zwischen 10 und 20 %.
Die verwendeten Werkzeuge unterscheiden sich stark im und -form. Holz- und Kunststofffräser weisen im Gegensatz zu Metallfräsern immer einen positiven und größere n auf. In der Praxis werden für die Kunststoffbearbeitung ein- oder zweischneidige Schaftfräser verwendet.
Kräfteverteilung
{|
| | | |}
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 ielle Summe der Kräfte '''Fc''', '''FcN''' und '''Fp'''.Fräsparameter
Die Prozessparameter beim Fräsen ähneln sich denen anderer spanender Fertigungsverfahren. Dabei handelt es sich um aktive Parameter, wie:
'''Schnittgeschwindigkeit vc'''
Die Schnittgeschwindigkeit vc ist die Relativgeschwindigkeit zwischen der Werkzeugschneide und dem zu bearbeitenden Werkstück in Schnittrichtung. Sie wird meist in Meter pro Minute (m/min) angegeben und ist gemäß der Formel vc = n ? D ? ? von der Drehzahl n sowie dem Werkzeugdurchmesser abhängig.
'''Schnitttiefe ap'''
Die Schnitttiefe ap bezeichnet die Tiefe des Schneideingriffes und wird in mm angegeben.
'''Schnittbreite ae'''
Die Schnittbreite wird gemessen senkrecht zur Vorschubrichtung, in der Arbeitsebene.
'''Vorschubgeschwindigkeit vf'''
Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Einheit, die angibt welche Geschwindigkeit das Werkzeug in Vorschubrichtung hat, in mm/min.
'''Zahnvorschub fz'''
Der Zahnvorschub beschreibt den Vorschub in mm von einem Zahneingriff zum nächsten. Er kann abgeleitet werden aus der Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittgeschwindigkeit.
Siehe auch
{{Mehrspaltige Liste |liste=
}}
Quellen
Literatur
- Jürgen Eichardt: ''Fräsen für Modellbauer.'' Band 1 und 2, Verlag VTH, 2002, ISBN 3-88180-717-9 und ISBN 3-88180-718-7
- Jürgen Eichardt: ''Fräsen mit der Drehmaschine.'' Verlag VTH, 2. Auflage 2002, ISBN 3-88180-099-9
Weblinks
- (PDF; 876 kB)
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Fräsen aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Der Artikel kann hier bearbeitet werden.