Trennen / Fräsen

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STEYR – Trennen / Fräsen
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Inhalt
Fräsen ......................................................................................................................................... 2
1. Grundlagen ...................................................................................................................... 2
1.1 Definition ..................................................................................................................... 2
1.2 Fräsverfahren/ Einteilung ............................................................................................. 2
2. Umfangsfräsen ................................................................................................................ 4
2.1 Gegenlauffräsen ....................................................................................................... 5
2.2 Gleichlauffräsen ........................................................................................................... 5
3. Stirnfräsen ....................................................................................................................... 6
3.1 Fräsen mit Spindelsturz ................................................................................................ 7
4. Fräswerkzeuge .................................................................................................................... 8
4.1 Zahnformen .................................................................................................................. 9
4.2 Fräserteilung ............................................................................................................... 10
4.3 Fräserdurchmesser und Schneidplattengeometrie ...................................................... 11
5. Schnittgrößen beim Fräsen ............................................................................................... 11
5.1 Eingriffswinkel ........................................................................................................... 13
5.2 Die mittlere Spanungsdicke hm .................................................................................. 16
5.3 Die spezifische Schnittkraft........................................................................................ 18
5.4 Hauptschnittkraft ........................................................................................................ 20
5.5 Schnittleistung ............................................................................................................ 20
5.6 Maschinenantriebsleistung ......................................................................................... 21
6. Hochgeschwindigkeitsfräsen ............................................................................................ 21
7. Besondere Fräsverfahren .................................................................................................. 22
7.1 Drehfräsen .................................................................................................................. 22
7.2 Wirbelfräsen ............................................................................................................... 23
8. Berechnungsbeispiel ......................................................................................................... 24
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Fräsen
1. Grundlagen
1.1 Definition
Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung mehrzahniger Schneidwerkzeuge zur
Herstellung von ebenen und gekrümmten Flächen. Nuten, Wendelnuten, Verzahnungen und
Gewinden.
Die Entwicklung der Schneidstoffe und der Maschinensteuerungen führt zu einer erheblichen
Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Fräsens gegenüber den Spanverfahren Hobeln und
Stoßen. Die Schnittbewegung ist kreisförmig, sie wird vom Fräswerkzeug ausgeführt. Die
Vorschub- und Zustellbewegung werden in den meisten Fällen vom Werkstück ausgeführt, in
Ausnahmefällen auch vom Werkzeug.
1.2 Fräsverfahren/ Einteilung
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2. Umfangsfräsen
Das Umfangsfräsen erfolgt im Gegen- oder Gleichlauf:
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2.1 Gegenlauffräsen
Beim Gegenlauffräsen verläuft die Drehbewegung des Fräsers im Eingriffsbereich
entgegengesetzt zur Vorschubrichtung.
Vor dem Spananschnitt gleitet und schabt die Schneide zunächst über die
Werkstückoberfläche und verfestigt sie. Dabei kommt es zu einer starken Verschleißbelastung
der Werkzeugfreifläche. Die Standzeit des Werkzeugs wird dadurch kürzer als beim
Gleichlauffräsen.
Die Schneide dringt mit kleinster Spandicke in den Werkstoff ein. Mit zunehmender
Spandicke steigt die Schnittkraft bis auf ihren Höchstwert und fällt dann beim Austritt der
Schneide aus dem Werkstoff auf null zurück.
Der nach unten gezogene Fräsdorn wird entlastet und das nach oben gezogene Werkstück gibt
elastisch nach. Dadurch können auf der Werkstückoberfläche Rattermarken entstehen.
2.2 Gleichlauffräsen
Beim Umfangsfräsen im Gleichlauf sind Vorschub- und Drehbewegungen in der
Fräserzahnstellung PE richtungsgleich. Der Vorschubrichtungswinkel  beträgt an dieser
Stelle 180°, der Wirkrichtungswinkel  = 0°.
Das Gleichlauffräsen ist häufig vorteilhafter und wirtschaftlicher als das Gegenlauffräsen. Der
geringere Schneidenverschleiß ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten und größere
Vorschübe. Die Oberfläche wird glatter.
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3. Stirnfräsen
Stirn-Umfangs-Planfräsen ist Spanen, bei dem die Hauptspanungsarbeit durch die
Umfangsschneiden (Hauptschneiden) erfolgt, gleichzeitig nehmen die Stirnschneiden
(Nebenschneiden) einen dünnen Span von der Werkstückoberfläche ab.
Die fortlaufende Änderung der Schnittrichtung und des Vorschub-Richtungswinkels, die
Schnittbreite, die Schnitttiefe, die Flächen und Schneiden zeigt das Bild.
Der Vorschubrichtungswinkel  ist ein Winkel, der gebildet wird aus dem Vektor der
Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittgeschwindigkeit.
Die Schnitttiefe beim Stirnfräsen und die Schnitt- breite beim Umfangsfräsen sind das
Zustellmaß des Werkstückes. die Bezeichnung ist aP.
Der Arbeitseingriff ae ist das Zustellmaß senkrecht zur Vorschubrichtung, beim Stirnfräsen
die Breite der gefrästen Fläche.
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3.1 Fräsen mit Spindelsturz
Um die beim Fräsen durch den Nachschneideeffekt entstehenden Kreuzspuren auf der
Werkstückoberfläche zu vermeiden, wird die Frässpindel leicht geneigt (Sturz).
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4. Fräswerkzeuge
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4.1 Zahnformen
Spitzgezahnte Fräser besitzen die normale Zahnform. Sie werden als Walzen-, Walzenstirn-,
Schaft- und Scheibenfräser zur Fertigung ebener Flächen eingesetzt. Die Zahnlücken sind
gefräst, sie nehmen die abgetrennten Späne auf.
Das Scharfschleifen erfolgt an der Freifläche.
Hinterdrehte Fräser oder hinterschliffene Fräser sind Fräswerkzeuge zur Fertigung von
Profilen, Zahnrädern und Gewinden. Dabei werden auch hier die Zahnlücken vorgefräst. Das
hinterdrehte Profil der Freifläche entspricht einer logarithmischen Spirale.
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Kreuz- und Wendelzahnungen bewirken einen langsam zunehmenden Anschnitt, eine
gleichförmige Schnittkraft und einen ruhigeren Lauf der Maschine. Der seitliche Späneabfluss
und die Spanbrechernuten ergeben eine störungsfreie Späneentsorgung.
Wendelgezahnte Fräser mit Linksdrall müssen rechtsschneidend, mit Rechtsdrall
linksschneidend aufgespannt werden.
Paarweise aufgespannte Walzenfräser mit gegenläufigem Drall führen zu einer Entlastung des
Spindellagers.
4.2 Fräserteilung
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4.3 Fräserdurchmesser und Schneidplattengeometrie
Die Geometrie des Fräsers richtet sich
hauptsächlich
nach
der
Zerspanungsleistung
und
der
gewünschten Oberflächengüte. Beim
Schlichten darf der Vorschub pro
Umdrehung nicht größer sein als die
Planfasenlänge. Wiper WSP bringen
hier einen erheblichen Vorteil (gute
Oberfläche trotz großem Vorschub ->
hohe Produktivität)
Der Fräserduchmesser und die
Position des Fräsers über dem
Werkstück ist darauf abgestimmt,
dass bei Beginn des Eingriffs die
Werkstückkante auf die Spanfläche
auftrifft um die Schneidkante zu
schonen. (geringerer Verschleiß)
5. Schnittgrößen beim Fräsen
Die Schnittgeschwindigkeit vc in m/min ergibt sich aus dem Weg, den eine Schneide bei
einer ganzen Werkstückumdrehung zurücklegt, multipliziert mit der Anzahl von
Umdrehungen pro Minute:
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D Werkzeugdurchmesser in mm
n Drehzahl in min-1
1000 mm/m, Korrekturfaktor
Die relative Geschwindigkeit zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück wird durch die
Vorschubgeschwindigkeit vf in mm/min beschrieben:
(Tischvorschub)
f Vorschub in mm/Umdr.
fz Vorschub pro Zahn
z Zähnezahl des Werkzeugs
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Der Vorschub pro Zahn gibt bei mehrschneidigen Fräswerkzeugen den Weg des Fräsers beim
Eingriff eines Zahns in Vorschubrichtung an. Dieser Wert ist vom Fräsverfahren und vom
eingesetzten Schneidstoff abhängig und ist in entsprechenden Schnittwerttabellen dargestellt.
Die Zustellung beim Fräsen erfolgt in axialer und in radialer Werkzeugrichtung. Abhängig
vom Fräsverfahren ergibt sich die Fräs- bzw. Zustelltiefe ap, beim Stirnplanfräsen und beim
Umfangsfräsen in axialer Richtung des Werkzeugs. Die radiale Überdeckung des Werkzeugs
mit dem Werkstück bzw. der Bearbeitungsebene bezeichnet man als Fräsbreite ae.
Aus der Fräsbreite ae, der Frästiefe ap und der Vorschubgeschwindigkeit vf lässt sich das
Zeitspanvolumen Q beim Fräsen bestimmen.
Q Zeitspanvolumen
ae Fräsbreite
ap Frästiefe
vf Vorschubgeschwindigkeit
5.1 Eingriffswinkel
Entsprechend der Eingriffslänge des Werkzeugs zwischen Schneideneintritt in das Werkstück
bis zum Schneidenaustritt ergibt sich der für die Bestimmung der Schnittkraft und der
Antriebsleistung notwendige Eingriffs- oder Umschlingungswinkel sdes Werkzeugs. Je
größer der Eingriffswinkel, desto mehr Zähne sind im Eingriff.
Für das Umfangsfräsen lässt sich der Eingriffswinkel s aus der Fräsbreite ae des Werkzeugs
und dem Fräserdurchmesser D bestimmen:
Beim Stirnplanfräsen ergibt sich abhängig von der Position der Werkzeugachse zur
Mittelachse der Bearbeitungsebene:

ein Vorschubrichtungswinkel am Schnittanfang A und

ein Vorschubrichtungswinkel am Schnittende E.
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Die Differenz zwischen E und A ergibt den Eingriffswinkel S des Werkzeugs:
Ist der Eingriffswinkel kleiner als 90° (S < 90°) erfolgt die Bearbeitung, je nach
Vorschubrichtung des Werkstücks, entweder im Gleichlaufverfahren oder im
Gegenlaufverfahren. Bei einem Eingriffswinkel S zwischen 90° und 180° (90° < S
< 180°) überwiegt je nach Vorschubrichtung des Werkstücks, bzw. je nach Position der
Werkzeugmitte zur Bearbeitungsebene, entweder der Gleichlaufanteil oder der
Gegenlaufanteil.
Um beim Stirnplanfräsen beim Eintritt und beim Austritt der Schneide günstige
Eingriffsverhältnisse zu erhalten, sollte der Fräserdurchmesser ca. 1,5 mal der Fräsbreite ae
entsprechen.
Ist das Verhältnis D/ae >2, liegt die Werkzeugmitte außerhalb der Bearbeitungsfläche und der
Eintrittswinkel am Schnittanfang ist positiv. Der erste Kontakt der Schneide mit dem
Werkstück findet in dem weniger stabilen, äußeren Schneidkantenbereich statt. Bei einem
negativen Eintrittswinkel am Schnittanfang ist das Verhältnis D/ae < 2 und die Werkzeugmitte
liegt innerhalb der Bearbeitungsfläche. Die schlagartige Belastung am Schneideneintritt wird
von dem massiven, mittleren Teil der Schneidplatte aufgenommen.
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Zur Beurteilung der Eingriffsverhältnisse beim Fräsen ist neben dem Eintrittswinkel auch der
Austrittswinkel bzw. die Fräseraustrittposition wichtig, die sich ebenfalls aus der Lage der
Werkzeugmitte zur Bearbeitungsfläche ergibt. Da die Spanungsdicke h beim Fräsen nicht
konstant ist, resultieren daraus betragsabhängige Zerspanungskräfte entlang der Eingriffslänge
der Schneide.
Tritt die Schneide bei einem Verhältnis D/ae = 2 mit maximaler Spanungsdicke hmax und
damit größter Schnittkraft aus dem Werkstoff aus, entsteht eine plastische
Werkstoffverformung, die zu ungünstigen Reibungsverhältnissen an der Schneidkante führt.
Sichtbar wird dies durch Gratbildungen am Werkstück, bzw. bei harten und spröden Gusswerkstoffen durch Kantenausbröckelung und durch einen erhöhten Werkzeugverschleiß. Tritt
der Schneidkeil in einem geringen Spandickenbereich aus dem Werkstück aus, stellen sich
günstigere Zerspanungsbedingungen ein.
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5.2 Die mittlere Spanungsdicke hm
Beim Umfangsfräsen und beim Stirnplanfräsen ändert sich über die Eingriffslänge des
Werkzeugs die Spanungsdicke h. Um mit dieser variablen Größe rechnen zu können, wird die
mittlere Spanungsdicke bzw. die Mittenspandicke hm bestimmt.
Für das Umfangsfräsen gilt:
Die Spanungsdicke h nimmt je nach Vorschubrichtung zu oder ab. Der Maximalwert hmax
entspricht dem Vorschub pro Zahn (hmax = fz) und wird beim Gleichlauffräsen beim
Schneideneintritt, bzw. beim Gegenlauffräsen beim Austritt der Schneide aus dem Werkstoff,
erreicht. Die Mittenspandicke wird beim halben Eingriffswinkel S /2 bestimmt:
Für das Stirnplanfräsen gilt:
Die Spanungsdicke h ist vom Einstellwinkel  des Fräsers abhängig. Der Einstellwinkel ergibt
sich aus der Lage der durch die Hauptschneide erzeugten Fläche zu der bearbeiteten
Werkstückfläche. Beträgt der Einstellwinkel, wie beim Umfangfräsen mit Scheibenfräser oder
mit Schaftfräser,  = 90°, entspricht die maximale Spanungsdicke hmax dem Vorschub pro
Zahn fz.
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Kleinere Einstellwinkel  <90° erzeugen über eine größere Schneidkantenlänge dünnere
Späne. Die maximale Spanungsdicke hmax lässt sich über den Sinus des Einstellwinkels und fz
bestimmen:
Die Mittenspandicke hm beim Stirnplanfräsen berechnet sich aus:
näherungsweise gilt:
Beim Stirnplanfräsen mit runden Wendeschneidplatten hängt die Mittenspandicke hm von der
Schnitttiefe ap und vom Durchmesser d der Schneidplatte ab. Im Gegensatz zu
Fräswerkzeugen mit konstantem Einstellwinkel ändert sich bei runden Schneidplatten der
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Einstellwinkel  je nach Schnitttiefe von Null bis max. 45°. Bei einem effektiven
Einstellwinkel von  = 45° entspricht die Schnitttiefe dem Radius r= d/2 der Schneidplatte
und damit der maximalen Schnitttiefe ap.
Die Berechnung der mittleren Spanungsdicke hm erfolgt mit folgender Formel:
5.3 Die spezifische Schnittkraft
Die Zerspanbarkeit des Werkstückwerkstoffs wird über die von der Spanungsdicke h und der
Schneidengeometrie abhängige spezifische Schnittkraft erfasst. Sie entspricht mit ihrem
Hauptwert kc1.1 der tangentialen Schnittkraft Fc, die erforderlich ist, um einen Span mit 1 mm 2
Spanungsquerschnitt bei einer Spanungsdicke h = 1 mm und einer Spanungsbreite b = 1 mm
abzuscheren. Nach Kienzle wird die von der Spanungsdicke abhängige spezifische
Schnittkraft wie folgt berechnet:
Die spezifische Schnittkraft ist neben der Spanungsdicke auch noch von:
- der Größe des Spanwinkels 
- der Spanstauchung,
- dem Verschleiß an der Werkzeugschneide und
- der Schnittgeschwindigkeit vc
abhängig.
Diese hier aufgeführten Einflussgrößen werden durch Korrekturfaktoren K in der Berechnung
berücksichtigt.
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Spanwinkel 
Spanstauchung
vor und nach dem Abscheren des Spanes kommt es zu einer Spanstauchung. Sie ist bei jedem
Arbeitsverfahren anders. Nachfolgend ein paar Richtwerte für die Korrekturfaktoren K:
• Außendrehen
• Innendrehen, Bohren, Fräsen
• Einstechen, Abstechen
• Hobeln, Stoßen, Räumen
Kst = 1,0
Kst = 1,2
Kst = 1,3
Kst = 1,1
Verschleiß an der Hauptschneide
Durch Verschleiß an der Hauptschneide kommt es zu einem Kraftanstieg. Er liegt je nach
Abstumpfung der Schneide, zwischen 30 und 50%.
Für die Berechnung kann man als Mittelwert einen Verschleißfaktor von Kver = 1,3 einsetzen.
Schnittgeschwindigkeit
Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit ist im Hartmetallbereich gering. Deshalb kann er
vernachlässigt werden. (Kv = 1,0)
Im Schnellstahlbereich setzt man Kv = 1,2.
Mit Hilfe dieser Korrekturfaktoren kann man nun die spezifische Schnittkraft kc wie
folgt bestimmen:
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5.4 Hauptschnittkraft
Die Hauptschnittkraft Fc kann man nun aus der spezifische Schnittkraft kc und dem
Spanungsquerschnitt A bestimmen:
Spanungsquerschnitt A
Schneiden im Eingriff
5.5 Schnittleistung
Die Schnittleistung Pc ist die beim Zerspanungsvorgang erforderliche Leistung:
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5.6 Maschinenantriebsleistung
Unter Berücksichtigung des Maschinenwirkungsgrades  ergibt sich die erforderliche
Maschinenantriebsleistung:
6. Hochgeschwindigkeitsfräsen
Von Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC ... High Speed Cutting) spricht man wenn die
Schnittgeschwindigkeit gegen über dem herkömmlichen Fräsen um ein mehrfaches erhöht
wird. (z.B. 8000m/min bei Leichtmetallen)
Je schneller die Zerspanung erfolgt,
desto mehr Wärme wird mit dem
Span
abgeführt,
da
die
Wärmeleitung in das Werkstück
hinein Zeit benötigt.
Beim HSC Fräsen wird über 90%
der anfallenden Zerspanungswärme
(zufolge der Reibung) wird mit den
Spänen abgeführt. Dadurch entsteht
bei
Präzisionsteilen
und
bei
dünnwandigen Teilen ein geringerer
Wärmeverzug. Die Genauigkeit der
Teile wird dadurch erhöht. Es
können Form und Maßgenauigkeiten
von 15µm erzielt werden.
Anwendung:



Werkzeug und Formenbau
(Hohe Oberflächengüte und
hohe Genauigkeit bei geringer
Bearbeitungszeit)
Präzisionsteile für (Motorenbau,
optische Industrie)
Als Alternative zum Erodieren
sofern die Geometrie prinzipiell
durch Fräsen herstellbar ist.
(kürzere Bearbeitungszeit)
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Anforderungen an die Maschine
HSC-Fräsen stellt eine sehr hohe Anforderung an die Maschinen. Um die nötigen
Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen, sind sehr hohe Spindeldrehzahlen nötig. (bis zu
40000U/min). Die Rundlaufgenauigkeit muss ebenfalls sehr hoch sein. Dies wird durch
„Einschrumpfen“
des
Fräserschafts
in
die
Werkzeugaufnahme
erreicht.
Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 20000mm/min in allen 3 Achsen können programmiert
werden.
Anforderungen an das Werkzeug
HSC-Werkzeuge müssen auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten verschleißfest sein. In
Frage kommen beschichtete HM-Schaftfräser , PKD oder PKB.
7. Besondere Fräsverfahren
7.1 Drehfräsen
Um an nicht symmetrischen Werkstücken mit ungleicher Massenverteilung zylindrische
Außen- und Innengeometrien herzustellen, ist das Drehen wegen der zu erwartenden Unwucht
häufig nicht das geeignete Bearbeitungsverfahren. Durch die großen Massenkräfte der meist
geschmiedeten oder gegossenen Rohlinge entstehen Schwingungen, die nur eine Bearbeitung
mit geringen Werkstückdrehzahlen zulassen.
Beim Drehfräsen erfolgt durch die Überlagerung einer langsamen Drehbewegung des
Werkstückes mit der rotierenden Hauptschnittbewegung des Fräswerkzeuges und der vom
Werkzeug ausgeführten Vorschubbewegung die formgebende Spanabnahme. Je nach
Fräsverfahren und Position des Werkzeugs zum Werkstück wird die Vorschubbewegung
entweder achsparallel, orthogonal oder schraubenförmig, d.h. zirkular zur Werkstückachse
ausgeführt.
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7.2 Wirbelfräsen
Beim Wirbelfräsen können mit einem ringförmigen Werkzeugträger mit innenliegenden
Schneideneinsätzen rotationssymmetrische Geometrien durch Drehfräsen hergestellt werden.
Die außerrmittige Werkstückposition ergibt bei Überlagerung der hohen Rotationsfrequenz
des Werkzeugs langsamer Werkstückrotation durch den Flugkreis der Schneiden eine
zylindrische Werkstückgeometrie.
Dieses Verfahren wird mit entsprechenden Schneidplatten auch zur Herstellung von
Gewindespindeln und Extruderschnecken eingesetzt.
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8. Berechnungsbeispiel
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