Eine Fräsmaschine (umgangssprachlich auch Fräse) ist eine spanende Werkzeugmaschine. Mittels rotierender Schneidwerkzeuge trägt die Fräsmaschine Material von einem Werkstück zerspanend ab, um es in die gewünschte Form zu bringen. Dem Fräsen stehen mindestens drei Vorschubrichtungen zur Verfügung, wodurch auch komplexe räumliche Körper hergestellt werden können. Auf Fräsmaschinen können komplexe Teile wie ein Motorblock oder Zahnräder hergestellt werden, aber auch einfache Arbeiten wie Bohren oder Reiben präziser Bohrungen sind möglich.
Fräsmaschinen sind durch drei oder mehr Bewegungsachsen gekennzeichnet, die dem Werkzeug- oder Werkstückträger zugeordnet sind. Das meist mehrschneidige Fräswerkzeug fährt dabei durch das Werkstück und trägt Material durch Zerspanung ab. Einfache Fräsmaschinen für die Werkstatt bestehen aus einem manuell horizontal und vertikal verfahrbaren Maschinentisch sowie einem horizontal beweglichen Fräskopf, dessen Fräser außerdem manuell mit der Pinole ausgefahren werden kann. Modernen Maschinen sind die Bewegungsachsen jedoch recht unterschiedlich zugeordnet und sie verfügen oft auch über dreh- und schwenkbare Werkzeug- oder Werkstückaufnahmen.
Geschichte
mini|Die Fräsmaschine von Eli Whitney
Das erste Fräswerkzeug wird Jacques Vaucanson nachgesagt, die älteste noch erhaltene Fräsmaschine stammt von dem Amerikaner Eli Whitney aus Connecticut, der sie in der Waffenproduktion einsetzte. Von dem Amerikaner Joseph Brown stammt die erste automatische Universalfräsmaschine von 1860. Bis etwa 1900 waren auch Maschinen zum Fräsen von Zahnrädern technisch ausgereift.
Allgemeiner Aufbau Obwohl die Fräsmaschine an ein breites Spektrum von Bearbeitungsfällen angepasst wurde und sich die Modelle dadurch stark unterscheiden, lassen sich doch eine Vielzahl an Gemeinsamkeiten zusammenfassen. mini|Universalfräsmaschine in modifizierter Gantry-Bauweise mini|Typische Schaftfräser für Schruppbearbeitung; von links nach rechts: HSS, Titannitridbeschichtet, Hartmetall mini|Konventionelle Fräsmaschine älterer Bauart, in ähnlicher Form aber immer noch häufig in kleinen Handwerksbetrieben in Gebrauch
Gestell und Maschinenständer Als unterste Baugruppe trägt das Gestell alle weiteren Komponenten, es muss je nach Gewicht der Maschine auf einem speziellen Fundament aufgestellt und justiert werden. Bei den meisten Fräsmaschinen bilden Gestell und Maschinenständer eine Einheit, an der die Führungen befestigt sind. Dieser Maschinentyp ist auch unter der Bezeichnung Monoblockmaschinen bekannt und er kommt nur für kleine bis mittlere Baugrößen in Betracht. Die Monoblockbauweise bietet die Vorzüge hoher dynamischer Belastbarkeit, geringer Maschinenaufstellfläche und ergonomischer Bedienbarkeit, jedoch ist der Herstellungs- beziehungsweise Transportaufwand ab einer gewissen Größe wirtschaftlich nicht mehr zu rechtfertigen. Größere Maschinen bestehen aus geschweißten Stahlkonstruktionen oder werden modular am Einsatzort aufgebaut. Bei handbedienten Maschinen sind noch alle Motoren und Getriebe für Arbeitsspindel und Vorschub im Gestell integriert, während bei neueren Maschinen die Motoren mit Getriebe so nah wie möglich an das angetriebene Element gebaut werden. An vielen Bearbeitungszentren kann der Maschinenständer gar nicht mehr als eigenes Teil oder als Bestandteil des Gestells betrachtet werden, da das Gestell oft die kompletten Außenmaße der Maschine einnimmt und nur vorne eine Öffnung zur Beschickung freihält. Bei großen Maschinen fahren die Maschinenständer entlang des Werkstückes und sind manchmal durch eine Traverse zu einem Portal verbunden.
Vor allem für schwere Werkstücke kommt immer häufiger die Gantry-Bauweise in Betracht, bei der das Werkzeug alle notwendigen Bewegungen ausführt, wodurch geringere Belastungen auf die Maschine wirken. Für CNC-Fräszentren setzen immer mehr Hersteller auf modifizierte Gantry-Bauweisen mit schwenk- und drehbaren Tischen, da hier bei kleinen Maschinenabmaßen ein großer Arbeitsbereich zur Verfügung steht.
Maschinentisch und Bett Je nach Größe der Maschinen werden die Werkstücke auf einen Maschinentisch oder ein Bett gespannt. An konventionell aufgebauten Fräsen hängt der als Winkeltisch ausgeführte Maschinentisch an Querschieber und Konsole in den Führungen des Maschinenständers. Die Konsole verfährt dabei in vertikaler und der Querschieber in horizontaler Richtung. Um dem Tisch die Bewegung in einer dritten Achse zu verleihen, kann auch ein Kreuztisch montiert sein. Diese Variante findet sich häufiger an Waagerechtfräsmaschinen. Zur Rundumbearbeitung der Werkstücke verfügen die meisten Bearbeitungszentren heute über winkelgesteuerte Drehtische, die in seltenen Fällen sogar anspruchsvoller Drehbearbeitung genügen.
Schwere und sperrige Werkstücke werden auf Bettfräsmaschinen zerspant, da das Bett in der Regel in jeder Position an allen Eckpunkten aufliegt und somit einem Verbiegen entgegenwirkt. Konsolen kippen dagegen in den Endlagen seitwärts herunter und verursachen so geometrische Ungenauigkeiten.
Fräskopf mit Hauptspindel Im Fräskopf wird die Hauptspindel mit manchmal integrierter Pinole gelagert. Konventionelle Fräser besitzen üblicherweise eine senkrechte Arbeitsspindel mit einer manuell ausfahrbaren Pinole und einer Steilkegelaufnahme in einem um 90 Grad schwenkbaren Fräskopf. Zum Spannen der Werkzeuge muss mit einer Kurbel eine Schraube in den Fräsdorn eingedreht werden, um ihn so in den Steilkegel zu ziehen. Die Pinole kommt hauptsächlich bei Bohrarbeiten zum Einsatz, da hier eine exakte Tiefe meist nicht gefordert und sie aufgrund der fehlenden Steifigkeit für Fräsarbeiten in radialer Richtung ungeeignet ist. Dagegen verfügen CNC-Fräsmaschinen über Fräsköpfe mit hydraulischen Werkzeugspannsystemen und Hohl- oder Steilschaftkegel zum schnellen, sicheren und automatischen Wechsel der Werkzeuge. Auch in den Fräskopf integrierte Motoren mit Motorspindel sind bei den CNC-Maschinen anzutreffen. Nicht selten können bei Bearbeitungszentren mit fünf oder mehr Achsen die Fräsköpfe in zwei Achsen um 180 Grad schwenken.
Vorschub Die Vorschubbewegung der einzelnen Achsen wird entweder vom Hauptantrieb abgeleitet oder einzeln von Servomotoren erzeugt und mit Gewindetrieben auf die Schlitten übertragen, was bei numerisch gesteuerten Maschinen Standard ist. Bei CNC-Maschinen kommen i. d. R. dabei als Vorschubsantriebe Drehstrom-Synchronmotoren, Torque-Motoren oder auch Linearmotoren zum Einsatz. Dabei ist vor allem auf einen spielfreien Lauf der Triebe zu achten, damit das Werkstück beim Gleichlauffräsen nicht in das Werkzeug hineingezogen werden kann. An älteren Modellen kann zusätzlich zum maschinellen Antrieb auch jede Achse manuell über Kurbeln betätigt werden. Um Schwingungen zu dämpfen und die Nebenzeit zu verringern, setzen sich zunehmend auch hydrostatische Gewindetriebe und Linearantriebe mit wälzgelagerten Führungen durch.
Bauarten Nach Bauform und Verwendungszweck unterteilt man Fräsmaschinen in Konsolfräsmaschinen, Bettfräsmaschinen und Sonderfräsmaschinen. Nach der Lage der Frässpindel unterscheidet man zwischen Waagerecht- und Senkrechtfräsmaschinen. Nach der Art der Steuerung unterscheidet man zwischen mechanisch und numerisch gesteuerten Fräsmaschinen.
Konsolfräsmaschinen Das entscheidende Merkmal einer Konsolfräsmaschine ist der an einem Ständer oder Bett angebrachte, in verschiedenen Richtungen verfahrbare Maschinentisch. Sie eignen sich vorwiegend zur Bearbeitung kleiner bis mittelgroßer Werkstücke.
Bettfräsmaschinen Bettfräsmaschinen haben gemeinsam, dass das Bett, der „Maschinentisch“, in jeder Position voll aufliegt und somit keine Kippmomente aufkommen. Entlang des Bettes können mehrere mit verschiedenen Werkzeugen ausgestattete Maschinenständer gleichzeitig die vorzugsweise schweren oder sperrigen Werkstücke bearbeiten.
Universal-Werkzeugfräs- und Bohrmaschine mini|Passive Digitanzeige zur Ausgabe der kartesischen Koordinaten miniatur|Werkzeugfräsmaschine mit einem Kastentisch und 3-Achsen-Digitalanzeige
Die Universal-Werkzeugfräs- und Bohrmaschine ist eine Universal-Konsolfräsmaschine und unter den Konsolfräsmaschinen die wohl häufigste Bauform in Einzelfertigung und Werkstatt, da sie eine senkrechte und eine waagerechte Frässpindel besitzt und sich in vielfacher Weise erweitern lässt. Die Konsole hängt dabei vorne am Maschinengestell in einer vertikalen Führung, deren Bewegungsachse als Z-Achse bezeichnet wird. Sie trägt weiterhin den Querschieber, mit dem der Maschinentisch in einer horizontalen Achse, der sogenannten X-Achse, verfahren wird. Bei der Universalfräse führt somit das Werkstück die Bewegungen in der X- und Z-Achse aus (also seitwärts und vertikal). Die Bewegung in der Y-Achse führt das Werkzeug aus. An der Oberseite des Gestells befindet sich eine waagerechte Schwalbenschwanzführung, auf welcher der Spindelstock mit Horizontalspindel, dem Getriebe und in manchen Fällen der Spindel-Antriebsmotor sowie der Fräskopf sitzen. Bei einer Bewegung auf der Y-Achse bewegt sich also diese ganze Baugruppe. Bei einigen Fräsmaschinen ist auf der Konsole auch ein Kreuztisch montiert, wodurch das Werkstück auch die Bewegung auf der Y-Achse ausführen kann. Die vertikale Bewegung kann auch manuell durch eine Pinole im Fräserkopf geschehen; jedoch ist der Verfahrweg auf etwa 200 mm begrenzt und eignet sich nur zum Bohren, da die Steifigkeit durch die weit ausgefahrene Pinole nachlässt.
Den Vorschub treibt der im Gestell untergebrachte Hauptmotor an. Über ein Wechselgetriebe lassen sich verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten einstellen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, jede Achse auch manuell über Kurbeln zu bewegen, was bei geringfügigen Bewegungen an mechanisch gesteuerten Fräsen ein Muss darstellt, da den automatischen Vorschüben kein mechanischer Endpunkt gesetzt werden kann. Die Ausnahme bildet der Endpunkt der Achse, der durch eine Sicherheitskupplung ausgelöst wird. Geübte Fräser schaffen es auch, durch manuelles Betätigen zweier Achsen gleichzeitig Rundungen zu fräsen.
An die Konsole passen verschiedene Maschinentische, wobei der Winkeltisch an der einfachen Universalfräse am häufigsten montiert ist. Hat die Fräsmaschine eine CNC-Steuerung, werden meistens schwenkbare Rundtische montiert, da dadurch eine weitere Achse zur Verfügung steht. Um schräge Flächen zu fräsen, kann entweder der Fräskopf in mehreren Richtungen um bis zu 90 Grad geschwenkt werden, oder es wird ein schwenkbarer Maschinentisch an die Konsole montiert, wodurch auch große Flächen bearbeitet werden können.
Portalfräsmaschine mini|Portalfräsmaschine 1930
Für große Werkstücke und gleichzeitig anspruchsvollste Arbeitsergebnisse hat sich die Portalfräsmaschine bewährt, da hier der Werkstücktisch plan aufliegt und die Maschine eine hohe Steifigkeit aufweist. Je nach Bauweise verfährt der Tisch in der Längsachse, bei kleinen Maschinen manchmal auch in der vertikalen Achse, und das Werkzeug in den restlichen Achsen. In der Gantry-Bauweise werden alle drei Bewegungsachsen dem Maschinenportal zugeordnet. Verfügt die Maschine über feste Ständer mit oben liegendem verfahrbarem Querbalken, spricht man von einer Brückengantry-Bauweise.
Ein- und Zweiständer-Bettfräsmaschinen