mini|Stirnfräsen mit Rotationsachse, die senkrecht zur erzeugten Oberfläche steht. mini|Charakteristische Bearbeitungsspuren beim Stirnfräsen. mini|Fräsvorgang mit Kühlschmiermittel mini|Fräsen eines Aluminiumteils mit Erklärung zu den jeweils angewendeten Verfahren mini|Ein halbfertiger Impeller
Das Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkstücken mit geometrisch bestimmter Gestalt. Wie bei allen spanenden Verfahren wird dabei von einem Rohteil Material in Form von Spänen entfernt. Das Fräsen zählt zur Gruppe Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, da die Geometrie der Schneiden an den Fräswerkzeugen 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 Vorschubbewegung senkrecht oder schräg zur Rotationsachse des Werkzeuges – beim Bohren dagegen erfolgt sie in Richtung der Rotationsachse und beim Drehen rotieren die Werkstücke um ihre eigene Achse, während das Werkzeug die Kontur abfährt.
Das Fräsen dient insbesondere zur Herstellung von ebenen Oberflächen. Dazu zählen Nuten oder Führungen für bewegte Maschinenteile. Vor 1840 wurden solche Formen vor allem durch Hobeln hergestellt, danach wurde es rasch vom deutlich schnelleren Fräsen verdrängt. Auf modernen Fräsmaschinen lassen sich jedoch auch komplizierte dreidimensionale Formen erzeugen wie Turbinenschaufeln oder Gesenke. Ein großer Teil aller Zahnräder wird durch das Wälzfräsen gefertigt, für das spezielle Wälzfräser benötigt werden. Außerdem sind auch Gewinde möglich. Sonderverfahren sind das Hartfräsen und Hochgeschwindigkeitsfräsen als Varianten des Hartzerspanens beziehungsweise Hochgeschwindigkeitszerspanens.
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 Zerspankraft, die auf das Werkzeug wirkt. Die Spanungsdicke 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 Vorschubrichtungswinkel, 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 Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vorschubbewegung bei.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 23 f.
Geschichte
mini|Die Fräsmaschine von Eli Whitney mini|Fräsmaschine von 1861
Das älteste Fräswerkzeug wird Jacques de Vaucanson nachgesagt und soll von 1760 stammen. Die älteste belegte Fräsmaschine dagegen stammt von 1818 und wurde von Eli Whitney 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 Drehmaschine und die Hobelmaschine während der industriellen Revolution 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 James Nasmyth baute um 1830 ein Exemplar.
Die Werkzeugmaschinen wurden ab dem frühen 20. Jahrhundert durch zwei technische Neuerungen verbessert, den Elektromotor und die elektrischen Steuerungen. Durch letztere wurde vor allem die Bedienung vereinfacht, da zahlreiche Funktionen automatisierbar waren. Außerdem wurde durch sie das Kopierfräsen ermöglicht, mit dem auch Werkstücke mit komplexer Form in mittleren Stückzahlen wirtschaftlich zu fertigen waren. Voraussetzung war jedoch der Einsatz von Elektromotoren als Antrieb.Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. Carl Hanser Verlag, München / Wien 1991, S. 344.
Einteilung
Unterscheidung nach der Laufrichtung mini|alt=Beim Gegenlauffräsen ändert sich die Vorschubrichtung, nicht die Drehrichtung.|Gegenlauffräsen 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 Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich entgegen der Vorschubrichtung des Werkstücks und bildet einen vom Eintrittspunkt zum Austrittspunkt der Schneide sich verdickenden Span (Kommaspan). Vor dem Eintreten der Schneide in den Werkstoff gleitet sie auf der Arbeitsfläche und verfestigt das vorhandene Gefüge. Dadurch entsteht erst eine hohe Reibung und anschließend muss die Schneide durch das verfestigte Material dringen. Infolge der zunehmenden Spandicke ist die Maschine unterschiedlich belastet und neigt zu Vibrationen (siehe hierzu auch: Regenerativeffekt). 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 Standzeit verringert. Aufgrund dieses Nachteils ist das Gegenlauffräsen nur dann ökonomisch sinnvoll, wenn Werkstücke harte (Gusshaut oder Zunder) und verschleißend wirkende Randzonen aufweisen (geringerer Verfestigungseffekt) oder wenn der Tischantrieb nicht ohne Spiel ist.Ulrich Fischer (Hrsg.): Fachkunde Metall. 53. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1999, S. 169. Die im Gegenlauf gefrästen Flächen besitzen zwar eine durch den Gleitvorgang der Schneide glatte, jedoch wellige Struktur. mini|Gleichlauffräsen
Zum spielbehafteten Tischantrieb, der in der Regel nur bei älteren oder defekten Fräs- oder Bohrwerken vorkommt, empfiehlt sich das Gegenlauffräsen, denn bei diesem drückt der Fräser den angetriebenen Werkstücktisch mit gleichmäßiger Flächenlastverteilung gegen die Antriebsgewindespindel. Auf diese Weise werden Spielfreiheit für den Vorschub erreicht und ungewollte Schlittenbewegungen ausgeschlossen.
Gleichlauffräsen Beim Gleichlauffräsen bewegt sich die Schneide des rotierenden Werkzeugs im Eingriffsbereich in Richtung des Vektors der Werkstückvorschubrichtung. Baut sich beim Gegenlauffräsen die Kraft langsam auf, so ist sie beim Gleichlauffräsen unmittelbar bei Schneideneintritt am größten, nimmt dann aber kontinuierlich ab. Der Span wird zum Schneidenaustritt hin immer dünner und schließlich abgeschält, wodurch eine im Verhältnis zum Gegenlauffräsen glattere Oberfläche entsteht (auch hier ist der Span kommaförmig, nur wird in diesem Fall anfangs viel Material abgenommen und am Ende wenig).
Die kraftrichtungsbedingte Neigung des Fräsers, das Werkstück ruckartig in Vorschubrichtung zu reißen, begünstigt ungewollte Änderungen in der Schlitten- bzw. Werkstückposition. Deshalb muss die Vorschubeinrichtung des Schlittens der Werkzeugmaschine absolute Spielfreiheit bzw. hohe Steifigkeit aufweisen, wofür sich Kugelgewindetriebe eignen. Aufgrund der geringeren Ratterneigung sind die erreichbaren Oberflächengüten beim Gleichlauffräsen gegenüber dem Gegenlauffräsen unter sonst gleichen Zerspanungsbedingungen besser – vorausgesetzt, diese begünstigen nicht die Bildung von Aufbauschneiden.
Wegen des geringeren Schneiden- und Freiflächenverschleißes kann bei gleicher Standzeit gegenüber dem Gegenlauffräsen die Vorschubgeschwindigkeit um 50 % erhöht werden.Gerald Frömmer, Armin Steinmüller (Hrsg.): Zerspantechnik Fachbildung. Verlag Europa-Lehrmittel, 2000, S. 118.
Einteilung der Fräsverfahren nach DIN 8589 Die in der Fachliteratur häufig zitierte Einteilung des Fräsens erfolgt wie bei allen anderen spanenden Fertigungsverfahren nach der erzeugten Form in Plan-, Rund-, Schraub-, Wälz-, Profil- und Formfräsen. Das Plan- und Profilfräsen wird weiter unterteilt nach der Fläche am Werkzeug, die die Form erzeugt, in Stirn-, Umfangs- und Stirn-Umfangs(profil)fräsen. In der Reform der DIN 8589 im September 2003 erhielten alle Verfahren eine Ordnungsnummer. Beim Fräsen beginnen alle Verfahren mit der Folge 3.2.3 (3. Hauptgruppe: Trennen, 2. Gruppe: Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, 3. Fertigungsverfahren: Fräsen).Dirk Kammermeier: Übersicht über die Fräsverfahren in: Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. 2. Auflage. Hanser, München 2014, S. 401–403.
Planfräsen Das Planfräsen dient zur Herstellung ebener Flächen. Dazu zählen Absätze, Dichtungsflächen an Flanschen, Motor- oder Getriebegehäuse, Führungsbahnen an Werkzeugmaschinen, Revolverstirnflächen, Werkzeuggrundhalter und Dreibackenfutter-Stirnflächen. Das Planfräsen trägt die Ordnungsnummer 3.2.3.1.Dirk Kammermeier: Übersicht über die Fräsverfahren in: Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. 2. Auflage. Hanser, München 2014, S. 402.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 228. Das Planfräsen ist die am häufigsten angewendete Variante. In der Praxis erfolgt die weitere Unterteilung meist nach den verwendeten Werkzeugen in Walzenfräsen, Schaftfräsen, Scheibenfräsen und weitere.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. Springer, 8. Auflage, 2008, S. 430. 3.2.3.1.1 Beim Umfangs-Planfräsen wird die neu entstehende Fläche mit den Schneiden erzeugt, die am Umfang des Fräsers angebracht sind. Die Achse des Fräsers liegt parallel zur erzeugten Fläche.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 229.