Alles, was Sie über Fräsmaschinen wissen müssen

Fräsmaschinen tragen Material mit rotierenden Fräsern ab. Ihre Produktivität hängt von Maschine, Werkzeugen, Werkstück und Prozess ab; Fräsen wird sowohl für Einzelteile als auch für die Serienfertigung eingesetzt.

Dieser Artikel erläutert Fräsmaschinen, ihre Bauteile, Bauarten, Bearbeitungsverfahren und Anwendungen.

Fräsmaschinen formen Werkstücke durch schrittweisen Materialabtrag mit rotierenden Schneidwerkzeugen und kontrolliertem Relativvorschub. Moderne Bauarten reichen von handbedienten Maschinen bis zu CNC-Bearbeitungszentren.

Das Werkstück wird auf einem Tisch oder in einer Vorrichtung gespannt, während der Fräser rotiert. Je nach Maschine bewegt der Vorschub das Werkzeug, das Werkstück oder beide. Mit geeigneten Werkzeugen lassen sich unter anderem folgende Werkstoffe bearbeiten:

• Metalle
• Kunststoff
• Verbundwerkstoffe
• Holz

Fräsmaschinen ermöglichen verschiedene Bearbeitungen an unterschiedlichen Werkstoffen. Dazu gehören Nuten, Zahnräder, Konturen und komplexe 3D-Formen mit vorgegebenen Maßen. Ein beherrschter Prozess kann enge Toleranzen erreichen. Die wichtigsten Baugruppen verdeutlichen die Funktionsweise.

Eine Fräsmaschine besteht aus mehreren Baugruppen. Im Folgenden werden die wichtigsten kurz erläutert:

Der Maschinenfuß trägt die Maschinenstruktur und unterstützt Steifigkeit und Schwingungsdämpfung. Viele Bauarten verwenden Gusseisen, wobei die Konstruktionswerkstoffe variieren. Seine Aufgabe ist es, die Struktur und die Bearbeitungslasten zu tragen.

Der Ständer ist senkrecht auf dem Maschinenfuß angeordnet und bildet die tragende Struktur der Fräsmaschine. Er stützt wichtige Baugruppen wie die Spindel und den Gegenhalterträger.

Die höhenverstellbare Konsole trägt den Sattel und den Arbeitstisch. Ihre Höhe lässt sich über einen Schraubmechanismus einstellen, um die Schnitttiefe und die Position des Werkstücks zum Werkzeug festzulegen.

Bei einer Konsolfräsmaschine trägt der Sattel den Tisch und ermöglicht üblicherweise die Querbewegung zum Ständer hin oder von ihm weg. Der Tisch übernimmt den Längsweg; die genaue Achsanordnung hängt von der Maschine ab.

Der Tisch trägt das Werkstück über geeignete Vorrichtungen oder Spannelemente. Sichern Sie es gegen Verrutschen relativ zur Vorrichtung; der Tisch selbst kann sich beim Vorschub bewegen. Verfügbare Tisch- und Spindelbewegungen hängen von der Maschinenbauart ab.

Die Spindel treibt das Schneidwerkzeug an. Ein geeigneter Halter oder Fräsdorn verbindet das Werkzeug mit der Spindel. Rundlauf, Lagerzustand, Halterqualität und Einrichtung beeinflussen die Bearbeitungsgenauigkeit.

Bei entsprechend ausgestatteten Horizontalfräsmaschinen trägt der obere Ausleger einen Gegenhalter. Dieser stützt das freie Ende eines langen Fräsdorns und begrenzt dessen Durchbiegung; Bewegungen unter Last werden dadurch nicht vollständig ausgeschlossen.

Ein Fräsdorn trägt Fräser, häufig an einer horizontalen Spindel. Ein äußerer Gegenhalter kann die Steifigkeit erhöhen. Für das Satzfräsen lassen sich mehrere Fräser montieren, sofern Maschine und Aufspannung dies zulassen.

Fräsmaschinen sind heute in zahlreichen Bauarten für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben erhältlich. In diesem Abschnitt erläutern wir einige bekannte Arten von Fräsmaschinen. Nach der Ausrichtung der Spindel lassen sich folgende Bauarten unterscheiden.

Eine Vertikalfräsmaschine besitzt eine vertikal ausgerichtete Spindel. Mit geeigneten Werkzeugen kann sie fräsen und passende Bohroperationen ausführen; die Spindelausrichtung allein bestimmt weder erreichbare Tiefe noch Genauigkeit.

Wesentliche Merkmale

• Die vertikale Anordnung ermöglicht die Bearbeitung komplexer Formen.
• Sie eignet sich zum Fräsen von Nuten, Taschen und Konturen an ebenen Werkstücken.
• Mit einer Vertikalfräsmaschine lässt sich eine hohe Genauigkeit erreichen.

Eine Horizontalfräsmaschine besitzt eine horizontale Spindel. Geeignete Bauarten ermöglichen anspruchsvollen Materialabtrag und Fräser auf einem Fräsdorn. Die Spindelausrichtung bedeutet nicht, dass die Bearbeitung auf die X-Achse beschränkt ist.

Wesentliche Merkmale

• Sie eignet sich zum Schruppen mit hohem Materialabtrag pro Durchgang.
• Sie ermöglicht hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit und Genauigkeit.
• Auf dem Fräsdorn lassen sich mehrere Fräser nebeneinander montieren.

Bildquelle: kaast

Universalfräsmaschinen bieten verstellbare Einrichtungen wie einen schwenkbaren Tisch oder zusätzliche Fräsköpfe. Horizontale und vertikale Bearbeitungen hängen von der vorhandenen Ausstattung ab; nicht bei jedem Modell lässt sich die Spindelausrichtung wechseln.

Wesentliche Merkmale

• Sie ermöglicht präzises Fräsen unter festgelegten Winkeln.
• Sie ermöglicht unter anderem Planfräsen, Schaftfräsen und Umfangsfräsen.
• Eine Universalfräsmaschine lässt sich für verschiedene Bearbeitungsschritte in einer Aufspannung einsetzen.

Eine Konsolfräsmaschine trägt Tisch und Sattel auf einer vertikal verstellbaren Konsole. Die vertikale Richtung ist gewöhnlich Z, nicht X. Konsolfräsmaschinen können unterschiedliche Spindelausrichtungen sowie manuelle, motorische oder CNC-Steuerung besitzen.

Wesentliche Merkmale 

• Dank ihrer Vielseitigkeit eignet sie sich für verschiedene Bearbeitungsaufgaben.
• Die Komplexität hängt von der Maschinenkonfiguration und Steuerung ab; auch eine Konsolfräsmaschine kann CNC-gesteuert sein.
• Sie lässt sich zum Bohren, Ausdrehen, Nutenfräsen und Profilfräsen einsetzen.

Bildquelle: Haas

Eine CNC-Fräsmaschine arbeitet ein Programm über ihre numerische Steuerung ab. CAM-Software kann Werkzeugwege erzeugen; ein Postprozessor erstellt maschinenspezifischen Code. Nach Einrichtung und Prüfung führt die Maschinensteuerung die Bewegungen aus.

Wesentliche Merkmale

• Sie kann komplexe Bauteile fertigen, die sich manuell nur schwer herstellen lassen.
• Sie kann gleiche Bauteile in Hunderten oder Tausenden Exemplaren mit hoher Genauigkeit fertigen.
• Sie verringert den Bedarf an manuellen Eingriffen.

Fräsen verbindet ein rotierendes Schneidwerkzeug mit kontrolliertem Relativvorschub zwischen Werkzeug und Werkstück. Die folgenden Schritte skizzieren Einrichtung und Betrieb.

Spannen Sie das Werkstück mit einer geeigneten Vorrichtung und Spannmethode. Es darf während des Schnitts nicht relativ zur Vorrichtung verrutschen; Tisch oder Vorrichtung können sich dennoch als Teil des programmierten Vorschubs bewegen.

Wählen Sie Werkzeuge für die jeweilige Bearbeitung, etwa Schaftfräser, Planfräser oder Bohrer. Montieren Sie sie in einem geeigneten Halter und prüfen Sie vor der Bearbeitung Spannung, Korrekturwerte, Verfahrwege und Freiräume.

Die Bedienperson legt wichtige Schnittparameter wie Drehzahl (RPM), Vorschub und Schnitttiefe fest.

• RPM: RPM gibt die Drehzahl des Fräsers in Umdrehungen pro Minute an.

• Vorschub: Die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück während des Schnitts.
• Schnitttiefe: Die für die Bearbeitung festgelegte Eingriffstiefe; sie bezeichnet nicht das insgesamt abgetragene Volumen.

Beim Fräsen trägt der rotierende Fräser Material in Form von Spänen ab. Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Eingriff und Spanabfuhr müssen zu Werkzeug, Werkstoff und Aufspannung passen.

Nach dem Materialabtrag wird das Werkstück für die gewünschte Oberflächengüte fertigbearbeitet. Anschließend wird das fertige Bauteil geprüft.

Fräsmaschinen werden in der Fertigung breit eingesetzt. Sie verwandeln Rohmaterial durch gezielten Materialabtrag in funktionsfähige Bauteile und können dabei komplexe Formen und Geometrien erzeugen.

Für unterschiedliche Aufgaben stehen verschiedene Fräsverfahren zur Verfügung. Dazu gehören das Planfräsen, Umfangsfräsen, Schaftfräsen, Seitenfräsen und Gewindefräsen. Diese Verfahren werden auf Fräsmaschinen mit jeweils geeigneten Werkzeugen und Aufspannungen ausgeführt.

Hier einige Anwendungen von Fräsmaschinen in wichtigen Branchen:

• Automobilindustrie: In der Automobilindustrie benötigen Motoren und Fahrzeugstrukturen präzise Metallbauteile. Typische Beispiele sind Motorblöcke, Zylinderköpfe, Getriebegehäuse und Bremskomponenten.

• Luft- und Raumfahrt: Die Luft- und Raumfahrtindustrie benötigt besonders präzise und leichte Bauteile. Fräsen wird zur Herstellung von Turbinenschaufeln, Strukturrahmen und Fahrwerkskomponenten eingesetzt.

• Elektronik: In der Elektronik wird Fräsen unter anderem zur Herstellung von Kühlkörpern, Elektronikgehäusen, Anschlussplatten und weiteren kleinen Bauteilen eingesetzt.

• Medizintechnikfertigung: Medizinprodukte wie chirurgische Instrumente, orthopädische Implantate, Zahnimplantate und Gelenkprothesen werden mithilfe von Fräsmaschinen hergestellt.
• Werkzeug- und Formenbau: Im Werkzeug- und Formenbau werden durch Fräsen unter anderem Gesenke, Formen, Stempel, Vorrichtungen und Spannmittel hergestellt.

Fräsmaschinen bieten in der modernen Fertigung mehrere Vorteile:

• Geschwindigkeit und Flexibilität: Geschwindigkeit und Flexibilität zählen zu den wichtigsten Vorteilen. Sowohl bei Einzelprototypen als auch bei Tausenden Bauteilen lassen sich große Materialmengen schnell abtragen. Zügige Werkzeug- und Einstellungswechsel können die Produktivität erhöhen.
• Verschiedene Werkstoffe: Geeignete Werkzeuge und Parameter ermöglichen das Fräsen von Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen. Die erreichbare Genauigkeit variiert mit Werkstoffverhalten, Spannung, Maschinenfähigkeit und Prozess.
• Genauigkeit und Oberflächengüte: Kontrollierte Bewegungen und wirksame Schneidwerkzeuge ermöglichen glatte Oberflächen und präzise Bauteile.
• Wirtschaftlichkeit: Langfristig können Fräsmaschinen wirtschaftlich sein. Ein gut geführter Fräsprozess verringert Fehler und Materialverluste; bei angemessener Wartung können Maschinen über Jahrzehnte eingesetzt werden.
• Höhere Effizienz: CNC kann programmierte Bewegungen und Werkzeugwechsel auf entsprechend ausgestatteten Maschinen automatisieren. Einrichtung, Überwachung, Wartung und Prozessprüfung bleiben erforderlich; unbeaufsichtigter Betrieb erfordert ein eigens bewertetes und geeignetes System.

Fräsmaschinen spielen bei der Herstellung präziser Bauteile aus Rohmaterial eine wichtige Rolle. Sie bearbeiten einfache Schnitte ebenso wie komplexe 2D- und 3D-Formen. Bei sachgerechtem Betrieb können sie über viele Jahre eine gleichbleibende Fertigungsqualität ermöglichen.

Welche Werkzeuge werden auf einer Fräsmaschine eingesetzt?

Eine Fräsmaschine verwendet unter anderem PKD-Schaftfräser (PCD),  Hartmetallfräser, Planfräser, Nutfräswerkzeuge, Kugelfräser, Schlagzahnfräser und Fasenwerkzeuge. Mit diesen Werkzeugen lassen sich Materialien bearbeiten und Konturen erzeugen.

Verbessern Mehrachsmaschinen die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte?

Mehrachsmaschinen können Umspannungen verringern und die Werkzeugzugänglichkeit verbessern. Genauigkeit und Oberflächengüte hängen weiterhin von Kalibrierung, Steifigkeit, Werkzeugausrichtung, Programmierung und Prozessführung ab; zusätzliche Achsen verbessern nicht automatisch jedes Ergebnis.

Was unterscheidet Fräsmaschinen mit 3, 4, 5 und 6 Achsen?

Eine 3-Achs-Maschine steuert drei Linearachsen. Eine 4-Achs-Anordnung ergänzt eine Rundachse; eine typische 5-Achs-Anordnung kombiniert drei Linear- mit zwei Rundachsen. Die Bezeichnung 6-Achs ist maschinenspezifisch: Prüfen Sie, welche Achsen gesteuert werden und ob sie sich simultan bewegen.

Wie viel kostet eine Fräsmaschine?

Maschinenpreise hängen von Größe, Ausstattung, Steuerung, Werkzeugen, Installation und Service ab. Holen Sie für die benötigte Spezifikation ein aktuelles Angebot ein; breite Preisspannen ohne Datum und definierte Ausstattung sind keine verlässliche Kaufgrundlage.

Was unterscheidet eine Fräsmaschine von einer Drehmaschine?

Beim Fräsen rotiert das Schneidwerkzeug und der Relativvorschub bewirkt den Materialabtrag. Beim konventionellen Drehen rotiert das Werkstück, während ein üblicherweise nicht rotierendes Werkzeug zugestellt wird. Dreh-Fräsmaschinen können diese Funktionen kombinieren.

Was unterscheidet eine Fräsmaschine von einer Routerfräse?

Viele Metallfräsmaschinen sind auf Steifigkeit und hohe Schnittkräfte ausgelegt; viele Routerfräsen hingegen auf große Arbeitsbereiche und hohe Spindeldrehzahlen für Plattenwerkstoffe. Die Einsatzbereiche überschneiden sich. Vergleichen Sie Maschine, Spindel, Werkzeuge und Spannung für den vorgesehenen Werkstoff.

Was unterscheidet eine Fräsmaschine von einem Bearbeitungszentrum?

Ein Bearbeitungszentrum kombiniert typischerweise CNC-Steuerung mit automatischem Werkzeugwechsel und ermöglicht mehrere Bearbeitungen in einer Aufspannung. Auch Fräsmaschinen können automatisiert sein; entscheidend ist die Maschinenkonfiguration, nicht eine allgemeine Trennung in manuell und automatisch.