Fräswerkzeuge und Werkstückspannung: Ein umfassender Leitfaden

Ein Fräser ist ein nützliches Werkzeug für die Arbeit mit der Fräsmaschine. Er besitzt mehrere Schneidkanten (Zähne) und rotiert um eine Achse, um die Schneidbewegung auszuführen.

Klassifizierung von Fräsern nach der Zahnform

Spitzgezahnte Fräser (gefräste Zähne)

Diese Art von Zähnen zeichnet sich durch gerade Begrenzungsflächen aus. Sie schneiden mit Leichtigkeit, bieten eine gute Leistung und werden am häufigsten eingesetzt. Die Spanflächen werden durch Nachschleifen geschärft. Die Form der Schneide kann wie folgt sein:

• Gerade: Die Zähne verlaufen parallel zur Achse. Die gesamte Schneide greift gleichzeitig in das Werkstück ein, was im Vergleich zu anderen Formen einen Nachteil darstellen kann. Je mehr Zähne im Eingriff sind, desto besser arbeitet der Fräser.
• Helixförmig (spiralverzahnt): Die Schneide greift kontinuierlich über die gesamte Länge ein, was zu einem weicheren und leiseren Schnitt führt.

Hinterdrehte Fräser (hinterlaufene Zähne)

Sie besitzen eine Freifläche mit einer geschwungenen Form, wodurch sich ihr Profil beim Nachschleifen an der Spanfläche nicht verändert. Dies hat den Vorteil, dass auch komplexe Formen präzise bearbeitet werden können, was mit spitzgezahnten Fräsern unmöglich wäre. Sie werden verwendet, um Werkstücke exakt nach dem Profil des Fräsers zu formen.

Fräser mit eingesetzten Schneidplatten

Diese sind auch als Messerköpfe bekannt und bestehen aus einem Tragkörper, in den ein oder mehrere Messer (Schneidplatten) eingesetzt werden. Die Befestigung am Körper erfolgt durch Schweißen, Löten oder mechanische Klemmung.

Klassifizierung nach der Anwendung

Walzenfräser (einschneidig)

Die Zähne sind nur am Umfang des Werkzeugkörpers angeordnet. Sie dienen zum Fräsen von planen Oberflächen. Man unterscheidet zwischen tangentialem Fräsen (Umfangsfräsen) und Stirnfräsen.

Walzenstirnfräser (zweischneidig)

Er besitzt Schneidzähne am Umfang und an der Stirnseite. Er wird zum Fräsen von ebenen Flächen und rechtwinkligen Absätzen verwendet.

Schaftfräser

Sie besitzen Schneiden am Umfang und an der Stirnseite. Die Umfangsschneiden sind helixförmig ausgeführt, worüber der Großteil der Arbeit verrichtet wird. Die Helix kann rechts- oder linkssteigend sein. Sie besitzen einen Schaft, der konisch oder zylindrisch sein kann.

Zweischneidige Nutfräser

Bestehen aus zwei geraden oder schrägen Zähnen. Sie können axial in das Werkstück eindringen (wie ein Bohrer) durch eine Kombination aus Längs- und Vertikalbewegung. Sie besitzen einen zylindrischen oder konischen Schaft.

Scheibenfräser (dreischneidig)

Sie besitzen Zähne am Umfang und an beiden Stirnseiten (Flanken). Sie können wie folgt ausgeführt sein:

• Gerade Zähne: Die Umfangszähne sind gerade, während die Seitenzähne geneigt sein können. Sie werden für flache Nuten verwendet.
• Kreuzverzahnte Zähne: Die Zähne auf dem Umfang sind abwechselnd links und rechts geneigt. Sie eignen sich besonders für tiefe Nuten.

Schlitzfräser

Sie sind am Umfang verzahnt und haben in der Regel gerade Zähne. Sie werden ausschließlich zum Einstechen von schmalen Nuten verwendet.

Metallkreissägen

Diese scheibenförmigen Werkzeuge besitzen Zähne am Umfang. Sie werden für sehr schmale Schlitze und zum Ablängen (Abstechen) verwendet. Um Reibung mit dem Werkstück zu vermeiden, sind die Seitenflächen leicht hinterschliffen.

Winkelfräser

Sie werden für das Fräsen von Innenwinkeln, Schwalbenschwanznuten und geneigten Flächen verwendet. Sie können wie folgt ausgeführt sein:

• Einseitige Winkelfräser: Sie besitzen Schneiden am Umfang und auf einer Stirnseite. Sie werden mit bestimmten Winkeln hergestellt, wobei 60° am weitesten verbreitet ist.
• Doppelwinkelfräser: Die Schneiden verlaufen winklig zueinander auf dem Umfang. Sie können symmetrisch (gleichschenklige Winkelfräser) oder asymmetrisch sein.

T-Nutfräser

Sie haben einen kleinen Durchmesser und besitzen einen zylindrischen oder konischen Schaft. Sie können wie folgt ausgeführt sein:

• Dreischneidig: Schneiden am Umfang und an beiden Flanken. Sie werden zur Herstellung von T-Nuten verwendet.
• Einschneidig (Scheibenfederfräser): Sie werden für das Fräsen von Scheibenfedernuten (Sitz für Halbmondkeile) verwendet.

Formfräser

Sie werden verwendet, um das genaue Profil des Fräsers auf das Werkstück zu übertragen. Es handelt sich um hinterdrehte Fräser (ihr Profil ändert sich beim Schärfen nicht). Am häufigsten werden sie für halbrunde Profile verwendet.

Modulfräser

Dies sind Formfräser, die speziell zum Schneiden von Zahnrädern verwendet werden. Sie bilden die Lücke zwischen zwei Zähnen nach. Da sich die Zahnform mit der Zähnezahl des Rades ändert, benötigt man pro Modul einen Satz von meist 8 Fräsern (nummeriert von 1 bis 8).

Abwälzfräser

Dies sind Schneckenfräser mit einer Helix, die für die kontinuierliche Zahnradherstellung im Abwälzverfahren verwendet werden. Ihre Bewegung ist mit der Rotation des Werkstücks synchronisiert, als ob sie miteinander kämmen würden. Der Vorschub kann durch den Fräser oder das Werkstück erfolgen, jedoch nicht durch beide gleichzeitig.

Messerköpfe mit auswechselbaren Klingen

Sie bestehen aus einem Schaft, einem Tragkörper und den Schneidplatten (Messer).

• Aufnahmedorn (Spindel): Wird kegelförmig in der Hauptspindel der Maschine befestigt.
• Tragkörper: Zylindrisch oder scheibenförmig. Die Schneidplatten werden mechanisch mit Schrauben oder durch Klemmen fixiert.

Arbeitsbedingungen beim Fräsen

Neben dem Material und der Form des Werkstücks beeinflussen auch Faktoren wie die Leistung und der Zustand der Maschine den Fräsprozess. Bei der Festlegung der Schnittbedingungen müssen drei Hauptfaktoren berücksichtigt werden: Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe.

• Schnittgeschwindigkeit: Sie hängt von der Qualität des Fräsers, dem zu bearbeitenden Material sowie der Kühlung des Werkzeugs ab. Die Schnittgeschwindigkeiten sind beim Schruppen (Grobfräsen) geringer und beim Schlichten (Feinfräsen) höher.
• Vorschub und Schnitttiefe: Der Vorschub bezeichnet die Bewegung des Werkstücks in Richtung der Bearbeitung. Er wird in mm/min oder mm/Umdrehung angegeben. Die Schnitttiefe ist die Dicke des abgetragenen Materials pro Durchgang. Bei geringerer Schnitttiefe kann ein höherer Vorschub gewählt werden und umgekehrt.

Montage von Fräswerkzeugen

Das Montagesystem hängt von der Bauart des Fräsers und der Art der Arbeit ab. Die häufigsten Methoden sind:

• Langer Fräsdorn: Wird für Walzenfräser verwendet. Die Fräser werden auf dem Dorn positioniert und mit Zwischenringen in der gewünschten Position fixiert und am Ende mit einer Mutter gespannt. Eine Passfeder in der Längsnut sichert den Fräser gegen Verdrehen. Der Fräsdorn wird am freien Ende in einem Gegenlager am Gegenhalter (Brücke) der Maschine abgestützt. Der Fräser sollte so nah wie möglich am Spindelkopf montiert werden.
• Kurzer Fräsdorn (Aufsteckfräsdorn): Wird meist für die Montage von Walzenstirnfräsern verwendet. Die Befestigung des Fräsers erfolgt über eine Fräseranzugsschraube oder eine Spannmutter.
• Direktaufnahme: Wird für Fräswerkzeuge mit Steilkegel- oder Morsekegelschaft verwendet, die direkt in die Spindel der Maschine eingesetzt werden. Ist der Werkzeugkegel kleiner als die Spindelaufnahme, wird eine Reduzierhülse verwendet.
• Spannzangenfutter: Wird für Fräser mit Zylinderschaft verwendet (Schaftdurchmesser meist < 12 mm).
• Bohrfutter: Dieses Verfahren wird verwendet, um kleinere Werkzeuge wie Bohrer aufzunehmen. Alle diese Aufnahmen werden in der Spindel der Fräsmaschine gekoppelt und mittels einer Anzugsstange gesichert.

Werkzeugaufnahmen in der Fräsmaschine

• Morsekegel: Sie weisen eine geringe Kegelsteigung auf und sind selbsthemmend, weshalb sie schwer zu entfernen sind. Sie werden zunehmend durch Steilkegel ersetzt.
• Steilkegel (American Standard): Dies sind die am weitesten verbreiteten Aufnahmen in Fräsmaschinen. Der Mitnahmeeffekt wird durch zwei Mitnehmersteine an der Spindelnase gewährleistet. Sie lassen sich leicht montieren und demontieren.
• ISO-Steilkegel: Sie sind genormt und werden nach ihrer Größe bezeichnet. Sie besitzen ein Kegelverhältnis von 7:24 und einen Kegelwinkel von 16° 30'. Sie lassen sich ebenfalls sehr leicht montieren und demontieren.

Aufspannen der Werkstücke

Die am häufigsten verwendeten Spannmittel sind:

• Schraubstock: Wird zum Spannen kleinerer, prismatischer Teile verwendet. Der Antrieb kann manuell, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen. Die Schraubstöcke können starr oder drehbar sein.
  • Fester Schraubstock: Besitzt eine feste Grundplatte, die mit T-Nutenschrauben auf dem Frästisch befestigt wird.
  • Drehbarer Schraubstock: Ist auf einer drehbaren Grundplatte mit Gradskala montiert.
• Ausrichten der Spannbacken: Die Positionierung der Spannbacken kann auf verschiedene Weisen erfolgen:
  • Ausrichten mit dem Anschlagwinkel: Der Winkel wird an die vertikale Frässpindel angelegt und die feste Backe danach ausgerichtet.
  • Ausrichten mit dem Gradmesser: Verwendung der integrierten Winkelskala.
  • Ausrichten mit der Messuhr: Dies ist das präziseste Verfahren. Die Messuhr wird an der Spindel befestigt, der Tastbolzen an der festen Spannbacke angelegt und der Tisch verfahren. Die Backe wird so ausgerichtet, dass der Zeigerausschlag minimal bleibt.

Spannen von prismatischen Werkstücken

Hierfür werden gehärtete und geschliffene Parallelunterlagen aus Stahl verwendet. Wenn bereits eine Fläche bearbeitet ist und eine andere rechtwinklig dazu bearbeitet werden soll, verwendet man eine präzise geschliffene Rundstange (Niederzugrolle). Die Genauigkeit der Bearbeitung hängt von der Parallelität zwischen der Auflagefläche des Werkstücks und dem Frästisch ab.

Spannen von zylindrischen Werkstücken

Zylindrische Werkstücke werden im Schraubstock am besten unter Verwendung von Prismenbacken mit 90°-V-Nuten gespannt.

Aufspannen direkt auf dem Frästisch

Große und unregelmäßig geformte prismatische Teile werden direkt mit Spannschrauben und Spannpritschen (Spanneisen) auf dem Frästisch befestigt. Dabei gibt es zwei Szenarien:

• Bereits bearbeitete Auflagefläche: In diesem Fall liegt diese Fläche direkt auf dem Frästisch auf. Die Ausrichtung wird bei bereits bearbeiteten Flächen mit der Messuhr und bei rohen Flächen mit einer Anreißnadel oder Lehre überprüft.
• Ausschließlich rohe Oberflächen: In diesem Fall wird das Werkstück auf ein oder zwei Punkten direkt auf dem Tisch abgestützt. Zum Ausrichten werden Unterlegkeile oder verstellbare Unterlagen verwendet, bis das Werkstück waagerecht ausgerichtet ist.

Wichtige Hinweise beim Aufspannen

Folgende Punkte müssen beachtet werden:

• Die Spanneisen sollten auf den Teilen des Werkstücks aufliegen, die direkt auf dem Tisch oder Unterlagen abgestützt sind.
• Die Spannschrauben sollten so nah wie möglich am Werkstück platziert werden.
• Die Treppenböcke oder Unterlagen für die Spanneisen müssen die gleiche Höhe wie das Werkstück haben.
• Alle Spanneisen müssen gleichmäßig festgezogen werden.
• Bei bereits bearbeiteten Oberflächen, die nicht beschädigt werden dürfen, sollte eine dünne Beilage aus Messing, Kupfer oder einem anderen weichen Metall untergelegt werden.
• Es müssen Anschläge angebracht werden, um ein Verschieben des Werkstücks auf dem Tisch zu verhindern.
• Stellen Sie sicher, dass Spanneisen und Schrauben den Weg des Fräswerkzeugs und der Maschinenteile nicht behindern.

Zusätzliche Teilvorrichtungen

• Universal-Teilkopf: Eines der wichtigsten Zubehörteile der Fräsmaschine. Er wird für gleichmäßige Teilungen an Werkstücken (meist zylindrischen) verwendet. Bei langen Werkstücken wird das freie Ende durch einen Reitstock abgestützt. Der Antrieb erfolgt über eine Kurbel und ein Schneckengetriebe, das mit der Hauptspindel des Teilkopfs gekoppelt ist.
• Rundtisch (Drehteller): Dies ist ein Rundtisch mit vertikaler Drehachse. Das Werkstück wird darauf festgespannt, um kreisförmige Bewegungen oder Teilungen auszuführen.
• Sondervorrichtungen: Werden für die Serienfertigung von Werkstücken verwendet oder wenn die Standardspannverfahren nicht anwendbar sind.