Fräswerkzeug

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Ein Fräswerkzeug ist ein rotierendes Werkzeug zur materialabtragenden Bearbeitung von Werkstoffen durch das Fräsen, der in der Fachsprache kurz Fräser genannt wird. Er wird auf Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren eingesetzt. Je nach Ausführung wird zwischen Umfangs- und Stirnfräser unterschieden. Im Gegensatz zum Bohrer, der nur in einer Bearbeitungsrichtung eingesetzt werden kann, kann der Umfangsfräser in zwei, der Stirnfräser in drei Dimensionen einen Werkstoff zerspanen.

Schneidengeometrie[Bearbeiten]

Wendelgezahnte Schaftfräser wie in den beiden oberen Bildern sind die am häufigsten eingesetzten Fräser. Meist haben sie einen Rechtsdrall der Schneiden, um die Späne über die zwischen den Schneiden liegenden Spanräume nach oben vom Werkstück wegzuführen. Ein großer Drallwinkel gewährleistet, dass eine Schneide erst außer Eingriff geht, wenn die nächste Schneide bereits im Schnitt ist und dass die Schneide langsam in den Werkstoff eindringt. Dadurch wird die Schnittkraft der Schneiden gleichmäßiger, die Standzeit verlängert und die Maschine läuft deutlich ruhiger.

Siehe auch: Spindelsturz

Fräser können eine beliebige Anzahl an Schneiden besitzen, wobei einschneidige Fräser vorwiegend in der Kunststoffverarbeitung und manchmal auch in der Aluminiumverarbeitung Verwendung finden und auf hochtourig drehenden Fräsmaschinen (um 10'000 U/min) eingesetzt werden.

Fräswerkzeuge schneiden am Umfang (Umfangschneide) und oft auch an der Fräserstirn (Stirnschneide). Fräser, die zum Eintauchen in das Material geeignet sind, haben stirnseitig eine über die Drehachse verlängerte Schneide (Bohrnutenfräser), während alle anderen Schneiden kurz vorher aufhören und als Langloch- oder Schaftfräser bezeichnet werden. Beim Eintauchen muss jedoch mit verringertem Vorschub gearbeitet werden, da beim Fräser stirnseitig im Zentrum der Drehachse kein Schneiden stattfindet, sondern der Werkstoff dort gequetscht wird.

Schneidstoffe[Bearbeiten]

Da sich die Schneiden eines Fräsers nicht wie beim Drehen ständig im Schnitt befinden, sondern bei jeder Umdrehung in den Werkstoff eintauchen und wieder hinausfahren, muss der Schneidstoff eine hohe Zähigkeit bei schlagartiger Belastung und eine Unempfindlichkeit gegen extreme Temperaturschwankungen besitzen.

Schnellarbeitsstahl[Bearbeiten]

HSS-Schaftfräser 2-schneidig und 4-schneidig, unten ein Radiusschaftfräser

Schnellarbeitsstahl (HSS oder nach neuer Normung HS) besitzt gegenüber Hartmetall den oft entscheidenden Vorteil einer höheren Zähigkeit und Kantenfestigkeit, was größere Spanwinkel erlaubt. Ein größerer Spanwinkel bedeutet einen kleineren Keilwinkel wodurch die Schnittkraft sinkt und dünnere Späne möglich sind. Dünnwandige oder weiche Werkstücke lassen sich damit wesentlich besser bearbeiten. Wegen der guten Formgebungsmöglichkeiten des HSS lassen sich daraus nahezu alle erdenklichen Fräser anfertigen. Je nach Anwendungsfall können sie mit verschiedenen Hartstoffbeschichtungen versehen sein.

Hartmetall, Keramik und Cermet[Bearbeiten]

  • Vollfräser aus Hartmetall sind über pulvermetallurgisches Sintern hergestellte Werkzeuge für spezielle Fräsarbeiten an hochfesten Edelstählen oder gehärteten Stählen, bei denen sich der Einsatz von Wendeschneidplatten wegen fehlender Formgebungsmöglichkeiten verbietet. Moderne Fräser aus Hartmetall eignen sich zum High Speed Cutting oder High Performance Cutting.
  • Wendeschneidplatten aus Hartmetall oder Keramik erhöhen die Wirtschaftlichkeit beträchtlich, da bei Werkzeugschneidenverschleiß nicht das Werkzeug, meist ein Messerkopf, getauscht, sondern nur die einzelnen Schneidplatten gedreht bzw. gewechselt werden müssen.
  • Fräser aus Cermet sind zwar verschleißfest, haben sich aber aufgrund der geringen Biegebruchfestigkeit nicht durchgesetzt.

Bei Hartmetallschneidstoffen ist für Kühlung zu sorgen, da hier die Schneidfähigkeit des Werkstoffes bei hoher Temperatur stark abnimmt und der Verschleiß zunimmt. In der Praxis bedeutet dies, dass Kühlflüssigkeit mit bis zu 14 bar den Fräser abkühlt (Sattstrahlkühlung). In vielen Fällen kann eine ausreichende Versorgung mit Kühlflüssigkeit speziell beim Fräsen jedoch nicht gewährleistet werden und es kommt zu einer starken thermischen Wechselbelastung. Als Folge treten Kamm- und Querrisse im Hartmetall auf. Dies kann nur durch den Verzicht auf Kühl- und Schmiermittel verhindert werden.

Bei den sehr warmharten Schneidkeramiken, die extrem empfindlich auf Temperaturwechsel und Thermoschockbeanspruchung reagieren, wird bis auf seltene Sonderfälle immer auf eine Kühlung verzichtet. Bei den gekühlten Keramiken kommt hinzu, dass die Temperaturdifferenz zwischen ungekühlter Schneidenkante, bis zu der der Kühlschmierstoff nicht gelangt, und dem gekühlten Rest der Schneidplatte infolge Wärmespannung Haarrisse auftreten und damit die Standzeit wesentlich herabgesetzt wird.

Polykristalliner Diamant und Polykristallines kubisches Bornitrid[Bearbeiten]

  • Polykristalliner Diamant (PKD / engl. PCD) ist eine synthetisch hergestellte, extrem harte, untereinander verwachsene Masse von Diamantpartikeln mit Zufallorientierung in einer Metallmatrix. Es wird durch Zusammensintern von ausgewählten Diamantpartikeln bei hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt. PKD kommt zum Einsatz als Schneidstoff in Zerspanungswerkzeugen der Holz-, Kunststoff- und Nichteisenmetall- Bearbeitung. PKD-Schneiden bieten die höchste Standzeit und sind vor allem bei höheren Stückzahlen meist die wirtschaftlichste Lösung.
  • Polykristallines kubisches Bornitrid (PKB / engl. PCBN) ist ein synthetisch hergestellter Verbundwerkstoff aus kubischem Bornitrid (cBN) mit keramischer Binderphase. Zur Herstellung von PCBN werden cBN-Mikronkörnungen aus hexagonalem Bornitrid bei hohen Temperaturen und Drücken synthetisiert. Polykristallines kubisches Bornitrid wird weit verbreitet eingesetzt bei der Bearbeitung einer großen Vielfalt harter und/oder abrasiver FE-Werkstückmaterialien. PCBN ist bis zu hohen Temperaturen chemisch inert und reagiert, anders als PKD, nicht mit dem Eisen in eisenhaltigen Materialien.

Unterscheidung nach Art der Aufnahme[Bearbeiten]

Die Fräser werden nach der Art der Mitnahme (Aufsteck- oder Schaftfräswerkzeug), nach der Lage und Form der Schneiden (z. B. Walzenstirnfräswerkzeug) und dem Zweck (z. B. Nutenfräswerkzeug) unterscheiden. Aufsteckfräser weisen eine Bohrung auf, mit welcher sie zwischen Stellringen und abschließender Mutter auf einem Fräserdorn sitzen. Schaftfräser bieten unter Umständen mehr Präzision, da sie über Spannzange und Spannzangenfutter in der Maschinenspindel oder mittels Schrumpfen des Fräserdornes befestigt werden und damit gute Koaxialität zur Spindelachse gewährleistet ist.

Folgende Fräser sind allgemein in Gebrauch:

Schaftfräser[Bearbeiten]

Schaftfräser mit Schruppverzahnung, rechts mit TiAlN-Beschichtung, Mitte mit TiN-Beschichtung
  • Walzenfräser mit Spannschaft an jedem Ende, zum Fräsen von Planflächen
  • Langlochfräser, zum Fräsen von Keilnuten und Taschen
  • Schaftfräser, zum Fräsen tiefer Nuten, Konturen zum Anfasen und Gesenkfräsen
  • T-Nuten-Fräser, zum Fräsen von T-Nuten
  • Schlitzfräser, zum Fräsen von Scheibenfedernuten
  • Winkelfräser, zum Fräsen von Winkelführungen

Aufsteckfräser[Bearbeiten]

  • Walzenfräser, zum Fräsen von Planflächen
  • Walzenstirnfräser, zum Fräsen von Ecken und Planflächen
  • Prismenfräser, zum Fräsen von Prismenführungen
  • Halbrundprofilfräser, zum Fräsen von Halbrundführungen
  • Messerköpfe, zum Fräsen von Ecken und Planflächen (Fräsköpfe mit Wendeschneidplatten)
  • Scheibenfräser, zum Fräsen von Schlitzen, Nuten und zum Trennen

Unterscheidung nach Bearbeitungsart[Bearbeiten]

Man unterscheidet zwischen Schrupp- und Schlichtfräsern.

Schruppen (Vorfräsen)[Bearbeiten]

Schruppfräser sind leicht am unterbrochenen Profil der Werkzeugschneide zu erkennen, die ein schnelles Brechen des Spanes ermöglicht und daher nicht für die Herstellung einer gleichmäßigen und hohen Oberflächengüte geeignet sind. Weiter gibt es oft auch eine Spanleitstufe auf der Spanfläche, über die der abgetragene Span fließt. Ziel ist jeweils ein kurzspanendes Verhalten des abgetragenen Materials zu erreichen, das zwar Vibrationen und damit schlechtere Oberflächengüten, aber dafür gegenüber einem langspanendem Verhalten viele Vorteile, im Besonderen die wesentlich bessere Spanabfuhr, ergibt. Aufgrund des guten Zeitspanungsvolumens eignen sich Schruppfräswerkzeuge hervorragend für Arbeitsgänge, bei denen es gilt, bis auf ein Schlichtaufmaß möglichst effektiv und schnell Material vor einem Arbeitsgang mit einem Schlichtfräswerkzeug abzunehmen und wenn eine besonders hohe Maßgenauigkeit und Oberflächengüte nicht erforderlich ist. Fräswerkzeuge, die besonders große Zeitspanvolumina realisieren, tragen die Bezeichnung HPC (High Performance Cutter).

Schlichten (Fertigfräsen)[Bearbeiten]

Schlichtfräser besitzen üblicherweise keine Profilierung der Schneide oder der Spanfläche, die ein kurzspanendes Verhalten besonders begünstigt. Aufgrund der Regelmäßigkeit der Werkzeugschneide, der hohen Drehzahl bei gleichzeitig niedriger Vorschubgeschwindigkeit des Fräswerkzeugs sowie des geringen Spanvolumens aufgrund des geringen Schlichtaufmaßes, je nach Anwendung von 1 bis 0,01 Millimeter, ergibt sich eine hohe Maßhaltigkeit und eine glatte Oberfläche. Das Gleichlauffräsen, das mit den praktisch spielfreien Vorschüben von CNC-Maschinen mit Kugelgewindetrieb möglich ist, verbessert das Ergebnis zusätzlich.

Ein gravierender Nachteil von Schlichtfräswerkzeugen ist die sehr schnelle Abnutzung der meist besonders scharfen Werkzeugschneiden.

Unterscheidung nach Verwendungszweck[Bearbeiten]

Fräser können für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke verwendet werden. Die bekanntesten Anwendungen für Fräser sind:

  • Planfräser zum Überfräsen planer Flächen
  • Fräser für Nuten
  • Gewindefräser
  • Gravierfräser

und Kugelfräser für den Formenbau

Unterscheidung nach Bauart[Bearbeiten]

Im Wesentlichen wird zwischen Vollfräswerkzeugen und Trägerwerkzeugen für Wendeschneidplatten unterschieden.

Vollfräswerkzeuge[Bearbeiten]

Unter einem Vollfräser versteht man ein Fräswerkzeug, das am Werkzeugkörper selbst die spanabhebenden Schneiden trägt. Sie können entweder aus HSS, Pulvermetall oder aus Hartmetall gefertigt sein. Verschlissene Schneiden an Vollfräsern können durch Werkzeugschleifen für den weiteren Gebrauch aufgearbeitet werden.

Trägerwerkzeuge[Bearbeiten]

Messerköpfe mit Wendeschneidplatten: Eckfräser (links), Plan- und Kopiermesserkopf (Mitte) und Planmesserkopf(rechts)

Trägerwerkzeuge sind meist aus mittelfesten unvergüteten Stählen hergestellte Aufnahmen für Wendeschneidplatten. Die Schneidplatten aus Hartmetall, Keramik oder Diamant (PKD) sind entweder einzeln angeschraubt oder geklemmt und können je nach Geometrie der Schneidplatte bis zu achtmal wiederverwendet werden. Bei Trägerwerkzeugen mit internem Kühlsystem versorgen Kühlmittelbohrungen jede Schneidplatte einzeln mit Kühlflüssigkeit. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise als Messerkopf. Diese Aufnahmen sind sehr langlebig, teuer und im Schadensfall lohnt eine Instandsetzung meist.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Fräswerkzeuge – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien