Fräsen

CNC-Präzisionsfräsen

Das CNC-Fräsen ist ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren, das an einem auf einer Palette gespannten Werkstück mittels eines rotierenden Werkzeugs ausgeführt wird.
Im Gegensatz zum Drehen, bei dem sich das Werkstück dreht und daher nur zylindrische, konische oder kugelförmige Geometrien entstehen, ermöglicht das Fräsen die Herstellung nahezu jeder Geometrie. Es lassen sich Ebenen, Nuten und Taschen erzeugen und mit CNC-Maschinen auch Zylinder, Kegel und dreidimensionale Profile wie Schraubenlinien, Spiralen und komplexe Flächen.

Die Komplexität des herzustellenden Bauteils erfordert den Einsatz spezifischer Maschinen:

• 3 Achsen, wenn die Bearbeitung des Werkstücks in einer einzigen Aufspannung ausreicht
• 4 Achsen für radiale Bearbeitungen
• 5 oder 6 Achsen für komplexe Geometrien

Der Einsatz mehrachsiger Maschinen ermöglicht die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Flächen, wenn die Bezüge zwischen den Flächen wichtig sind, da die durch das Umspannen bei der Werkstückaufnahme verursachten Fehler eliminiert werden.

Die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Flächen bringt auch einen wirtschaftlichen Vorteil, da die Eingriffe des Bedieners reduziert werden.

Gerade um die Freiheit bei der Formgebung zu nutzen, stellen Bearbeitungszentren eine deutlich höhere Anzahl von Werkzeugen bereit als Drehmaschinen. In einigen Fällen kann es Maschinen mit Hunderten von Werkzeugen geben.

Die Zentren können mit mehreren Paletten ausgestattet werden, um Ziele hoher Produktivität oder Flexibilität zu erreichen. Der Einsatz einer großen Anzahl von Paletten in Kombination mit einem großen Werkzeugmagazin ermöglicht:

• eine große Anzahl unterschiedlicher Teilenummern eingerichtet zu halten
• die kontinuierliche, mannlose Produktion zur Maximierung der Produktivität.

Arten des Fräsens

Die wichtigsten auf einem CNC-Bearbeitungszentrum ausführbaren Operationen werden oft im selben Zyklus kombiniert.

• Das Planfräsen bearbeitet ebene Flächen mit Messerköpfen mit tangentialen Wendeschneidplatten und ist der Ausgangspunkt für Auflageflächen, Bezugsflächen und Montagebasen. Das Konturfräsen profiliert die äußere oder innere Kontur des Werkstücks auf 2D- oder 3D-Bahnen: Formen, Profile, O-Ring-Sitze.
• Taschen und Kavitäten werden durch das Ausräumen geschlossener Volumina mit trochoidalen oder spiralförmigen Strategien erzeugt, für Gewichtsreduzierung, Einsatzsitze und funktionale Kavitäten. Bohren, Gewindeschneiden und Ausspindeln vervollständigen den Zyklus mit Durchgangs- oder Sacklöchern, Innengewinden und Bohrungen mit Toleranz H6–H7 für Lagersitze und Führungen.
• Das kontinuierliche 5-Achsen-Fräsen ist die fortschrittlichste Bearbeitung: Die zwei zusätzlichen Drehachsen ermöglichen die Herstellung von Freiformflächen, Schaufeln, Schiffsschrauben, Formen und Werkzeughaltern in einer einzigen Aufspannung, wodurch mehrfaches Umspannen entfällt und die geometrische Gesamtgenauigkeit verbessert wird.

Bearbeitbare Werkstoffe

Die Wahl des Fräsers, der Beschichtung und der Strategie variiert je nach Werkstoff.

Präzision und Toleranzen

Die erreichbare Toleranz hängt von der Steifigkeit der Maschine, der Qualität des Werkzeugs und der thermischen Stabilität des Prozesses ab.

Industrielle Anwendungen

Gefräste Bauteile werden in Branchen eingesetzt, in denen geometrische Komplexität und Lagetoleranzen entscheidende Anforderungen sind.

• Hydraulik: Ventilkörper, Verteilerblöcke, Verteiler mit gekreuzten Bohrungen und auf mehreren Flächen gefrästen Dichtsitzen.
• Ausrüstung für Werkzeugmaschinen: Schraubstöcke, Spindelkörper, Spannsysteme, Werkzeughalter mit engen Lagetoleranzen.
• Industriemaschinen: Grundplatten, Flansche, Halterungen, Gehäuse bis zu 1.000 mm aus C45, Ergal, Anticorodal.
• Medizin: Bauteile aus Titan und Edelstahl mit kontrollierten Oberflächen und ohne Grate.
• Marine: Schiffsschrauben aus Aluminiumbronze, 5-achsig gefräst.

Unterschied zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen

Der grundlegende Unterschied liegt in der Schnittkinematik. Beim Fräsen rotiert das Werkzeug und das Werkstück steht still: Der Prozess ist ideal für prismatische Formen, Nuten, Taschen und 3D-Profile. Beim Drehen rotiert das Werkstück und das Werkzeug bewegt sich linear: ideal für zylindrische Geometrien wie Wellen, Buchsen, Bolzen und Stangen.

Viele Bauteile erfordern beide Verfahren. Ein hydraulischer Ventilkörper wird beispielsweise an den Außendurchmessern und Hauptbohrungen gedreht und anschließend an den seitlichen Sitzen und Querbohrungen gefräst. Die Ausführung von Drehen und Fräsen im selben Werk gewährleistet die Kontrolle der Lagetoleranzen zwischen gedrehten und gefrästen Merkmalen.

Die Fräsabteilung von Gamba

Die Fräsabteilung von Gamba SRL verfügt über 15 vertikale Bearbeitungszentren ISO 40 von drei Herstellern (Doosan, Kitamura, Deckel Maho): 6 5-Achsen-Zentren mit Tischen bis zu 630 mm für komplexe Geometrien in einer Aufspannung, 4 Zentren mit Doppelpalette für die Serienfertigung mit automatischem Werkstückwechsel und 5 3/4-Achsen-Zentren mit Tischen bis zu 1.000 mm für mittelgroße bis große Teile.

Vorteile und Grenzen des CNC-Fräsens

Die wichtigsten Vorteile sind: komplexe Geometrien in einer einzigen Aufspannung (5-achsig), Wiederholgenauigkeit von Los zu Los, automatischer Werkzeugwechsel für Dutzende von Werkzeugen im selben Zyklus und hohe Produktivität mit Doppelpalettensystemen. Vom Prototyp bis zur Serie gewährleistet dasselbe Programm konstante Toleranzen.

Die wesentliche Grenze ist die Effizienz: Bei einfachen zylindrischen Teilen ist das Drehen schneller und günstiger. Sehr tiefe Kavitäten erfordern lange Werkzeuge mit reduzierten Geschwindigkeiten. Bei Werkstoffen über 60 HRC ist das Schleifen für die Endbearbeitung wirtschaftlicher. Die Kosten des CAM-Programms fallen bei sehr kleinen Losen (1–5 Stück) ins Gewicht.

Qualitätskontrolle

In der Maschine erfassen Messtaster die Position des Werkstücks nach dem Aufspannen und kompensieren Positionierfehler. Am Ende des Zyklus prüfen sie die kritischen Maße. Bei Bauteilen mit engen Toleranzen erfolgt die Endprüfung auf der Koordinatenmessmaschine (KMG) im temperierten Messraum.

Kompletter Zyklus: vom Fräsen zum fertigen Bauteil

Ein Bauteil, das Fräsen erfordert, durchläuft diesen intern verwalteten Ablauf:

1. CNC-Drehen: wenn das Werkstück zylindrische Merkmale aufweist
2. CNC-Fräsen: Nuten, Taschen, Querbohrungen, 3D-Profile
3. Wärmebehandlung: Härten, Einsatzhärten oder Nitrieren
4. Flachschleifen: Endbearbeitung von Ebenen mit Toleranzen < ±0,005 mm
5. Endkontrolle: Prüfung auf KMG und Zertifizierung

Die Integration im selben Werk eliminiert Transporte zwischen Lieferanten und gewährleistet die dimensionale Konsistenz zwischen gedrehten und gefrästen Merkmalen.