CNC-Fräsen vs. CNC-Drehen – Der Unterschied
Kunden, die sich an uns wenden, fragen häufig nach unseren CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, wenn sie ein Metallteil mit komplexer Geometrie fertigen lassen…
Das CNC-Fräsen ist eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile. Warum komplex? Immer dann, wenn andere Fertigungsverfahren wie Laser- oder Plasmaschneiden zu den gleichen Ergebnissen führen können, sind diese in der Regel kostengünstiger. Allerdings bieten diese beiden Verfahren nicht annähernd die Möglichkeiten des CNC-Fräsens.
halb tauchen wir tiefer in das Fräsen ein und betrachten verschiedene Aspekte des Prozesses sowie die verwendeten Maschinen. Dies hilft Ihnen dabei zu entscheiden, ob Sie CNC-Fräsdienstleistungen zur Herstellung Ihrer Teile benötigen oder ob es eine kostengünstigere Alternative gibt.
Wir werden in den folgenden Abschnitten auf das Verfahren, die Maschinen usw. eingehen. Zunächst möchten wir jedoch klären, was CNC-Fräsen eigentlich bedeutet und einige der häufigsten Missverständnisse rund um diesen Begriff ausräumen.
Erstens fragen viele Kunden nach CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, wenn sie eigentlich Fräsen meinen. Der Begriff „Bearbeitung“ umfasst sowohl Fräsen als auch Drehen, wobei diese beiden Verfahren deutliche Unterschiede aufweisen. Bearbeitung ist eine mechanische Schneidtechnologie, bei der Material mittels physischem Kontakt durch eine Vielzahl von Werkzeugen abgetragen wird.
Zweitens: Nicht jede CNC-Maschine ist für die Bearbeitung gedacht, obwohl alle CNC-Bearbeitungen CNC-Maschinen nutzen. Hinter dem Kürzel CNC steckt die Computerized Numerical Control. Jede Maschine, die CNC verwendet, nutzt computergestützte Systeme zur Automatisierung des Schneidprozesses.
Daher zählen auch Laserschneider, Plasmaschneider, Abkantpressen usw. zu CNC-Maschinen.
CNC-Bearbeitung ist also eine Kombination dieser Begriffe und führt uns zur Beantwortung der Überschriftenfrage: CNC-Fräsen ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem computergesteuerte Systeme den Prozess automatisieren.
Wir könnten uns darauf beschränken, nur den Fertigungsprozess zu beschreiben, aber ein Überblick über den gesamten Ablauf vermittelt ein vollständigeres Bild.
Der Fräsprozess umfasst:
Der erste Schritt besteht darin, eine virtuelle Darstellung des Endprodukts in einer CAD-Software zu erstellen. Es gibt zahlreiche leistungsfähige CAD-CAM-Programme, mit denen der Anwender den benötigten G-Code für die Bearbeitung erzeugen kann.
Der Code kann überprüft und, falls nötig, angepasst werden, um den Fähigkeiten der Maschine zu entsprechen. Außerdem können Fertigungsingenieure mit dieser Software den gesamten Schneidprozess simulieren.
So lassen sich Konstruktionsfehler erkennen, bevor Modelle erstellt werden, die sich nicht fertigen lassen.
G-Code kann auch manuell geschrieben werden, wie es früher üblich war. Das verlängert jedoch den Gesamtprozess erheblich. Daher empfehlen wir, die Möglichkeiten moderner Konstruktionssoftware voll auszuschöpfen.
Obwohl CNC-Maschinen den Schneidvorgang automatisch ausführen, erfordern viele andere Aspekte des Prozesses die Hand des Maschinenbedieners. Zum Beispiel das Befestigen des Werkstücks auf dem Arbeitstisch sowie das Anbringen der Fräswerkzeuge an der Spindel der Maschine.
Manuelles Fräsen ist stark von den Fähigkeiten des Bedieners abhängig, während neuere Modelle über fortschrittlichere Automationssysteme verfügen. Moderne Fräszentren bieten zudem die Möglichkeit zum Werkzeugwechsel während des Fertigungsprozesses, was zu weniger Unterbrechungen führt – allerdings muss jemand die Werkzeuge im Vorfeld einrichten.
Nach Abschluss der Ersteinrichtung prüft der Bediener das Maschinenprogramm ein letztes Mal, bevor er den Startschuss gibt.
Beim Fräsen wird ein rotierendes Werkzeug verwendet, das mit dem Werkstück in Kontakt kommt und Späne abträgt. Das kontinuierliche Schneiden führt zur gewünschten Form.
Dabei gibt es verschiedene Arten des Schneidens:
Wie der Name schon sagt, war das konventionelle Fräsen früher die gebräuchlichste Methode. Die Technik des konventionellen Fräsens:
Moderne CNC-Fräsen setzen stattdessen auf das Gleichlauffräsen. Die Merkmale des Gleichlauffräsens sind:
Der Fräsprozess umfasst in der Regel mehrere Arbeitsschritte, abhängig von der Form des Endprodukts und dem Ausgangsmaterial. Das Fräsen dient oft dazu, eine präzise Oberfläche zu erzeugen und Merkmale wie Nuten oder Gewindebohrungen hinzuzufügen.
Ebenso eignet es sich, aus einem Rohblock ein fertiges Bauteil herzustellen. Die ersten Bearbeitungsschritte erfolgen mit größeren Werkzeugen, um schnell Material zu entfernen und eine grobe Form zu erzeugen.
Für hochpräzise Bauteile ist ein Werkzeugwechsel erforderlich. Die für das Fräsen typische hohe Präzision wird im letzten Arbeitsschritt erreicht, wobei technische Toleranzen und Oberflächengüten erzielt werden, die andere Fertigungsverfahren kaum erreichen.
Schauen wir uns nun den Aufbau einer Fräsmaschine an. Während moderne Fräszentren zahlreiche Bearbeitungsarten ermöglichen, sind sie auch komplexer. Daher konzentrieren wir uns hier auf die traditionellen Maschinen, um einen Überblick über die Komponenten zu geben.
Horizontale Fräsmaschinen verdanken ihren Namen der horizontalen Ausrichtung der Werkzeugachse. Die Abbildung oben zeigt das sogenannte Planfräsen – horizontale Maschinen eignen sich jedoch auch für das Stirnfräsen.
Der Aufbau einer horizontalen Fräsmaschine ist relativ einfach. Das Schneidwerkzeug wird auf der Fräseraufnahme (Arbor) befestigt. Bei einem Werkzeugwechsel können die Werkzeugaufnahme und die Abstandshalter entfernt werden.
Das Werkstück wird mit einem Schraubstock auf dem Arbeitstisch fixiert. Über die Verfahrwege in X-, Y- und Z-Richtung kann das Werkstück bewegt werden.
Moderne Maschinen unterscheiden sich im Aussehen, sind aber für die Automatisierung ausgelegt. Horizontale Fräszentren verfügen über mehrere Spindeln mit verschiedenen Werkzeugen für kürzere Durchlaufzeiten. Außerdem können Tisch und Werkzeuge in mehrere Richtungen bewegt werden, einschließlich Rotationsachsen.
Dennoch bleibt das Grundprinzip gleich, und das Verständnis der traditionellen Maschinen hilft, die modernen zu begreifen.
Vorteile des horizontalen Fräsens:
Auch bei der vertikalen Fräsmaschine ergibt sich der Name aus der vertikalen Ausrichtung der Werkzeugachse. Dadurch eignet sie sich besonders für das Stirnfräsen.
Es gibt einige Unterschiede zwischen horizontalen und vertikalen Fräsmaschinen, aber die Hauptkomponenten ähneln sich. Der Maschinenkopf befindet sich am Ende eines Auslegers, und die Werkzeugspindel ist am Kopf befestigt.
Die Positionierung des Tisches erfolgt wie bei der Horizontalfräse in drei Richtungen.
Moderne 5-Achs-Vertikalfräsen ermöglichen die Rotation des Werkstücks für besseren Zugang und schnellere Durchlaufzeiten. Die Automatisierung aller Bewegungen sorgt für höhere Genauigkeit, kürzere Lieferzeiten und nahezu identische Serienteile.
Vorteile des vertikalen Fräsens:
Auf dem heutigen Markt gibt es eine große Vielfalt an Fräsmaschinen. Es existieren verschiedene Klassifizierungsmöglichkeiten. Die Grundprinzipien sind überall ähnlich, mit einigen Modifikationen, die neue Möglichkeiten und damit weitere Maschinentypen eröffnen.
Hier sind die gängigsten Fräsmaschinentypen:
Bettfräsmaschinen verfügen über ein stabiles Maschinenbett. Während große und schwere Teile bei Konsolmaschinen zu Instabilität führen können, sorgen Bettfräsmaschinen für einen festen Stand. Das lange Maschinenbett ermöglicht die Befestigung mehrerer Teile gleichzeitig und steigert so die Effizienz und reduziert Leerlaufzeiten.
Der Arbeitstisch ist direkt am Maschinenbett befestigt und kann sich in zwei Richtungen bewegen. Der Spindelkopf kann axial verfahren werden, um die Schnitttiefe zu bestimmen. Die Achsposition hängt vom Maschinentyp ab – es gibt horizontale, vertikale und Universal-Bettfräsmaschinen. Alle können auch mit CNC automatisiert werden.
Am weitesten verbreitet ist die CNC-Universalfräsmaschine. Während horizontale und vertikale Fräsen gewisse Einschränkungen aufweisen, bieten diese Maschinen mehr Flexibilität.
Eine weitere Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung ist die Verwendung eines Doppelmaschinenständers. Hier können mehrere Teile gleichzeitig oder ein großes Teil ohne Umspannen bearbeitet werden. Dabei besteht jedoch Kollisionsgefahr, die durch ein korrektes CNC-Programm verhindert werden kann.
Diese Maschinen eignen sich für kleine bis mittelgroße Bauteile. Die Einschränkung liegt in der geringeren Stabilität gegenüber Bettfräsmaschinen und der begrenzten Bauteilgröße durch den Rahmen.
Die klassische Konsolfräsmaschine ist ideal für Einzelteile, Wartungsarbeiten und Vorbereitungsaufgaben. Die unidirektionale Bewegung des Schneidkopfes verringert die Unfallgefahr. Häufig werden sie eingesetzt, um Werkstücke für die spätere Bearbeitung auf einer CNC-Anlage vorzubereiten.
Nach jedem Bearbeitungsschritt ist ein manueller Werkzeugwechsel erforderlich, was den Prozess etwas verlangsamt. Dennoch verfügen moderne CNC-Bearbeitungszentren über die Funktionen der Konsolfräsmaschinen.
Bei der Auslegerfräsmaschine ist der Fräskopf auf einem beweglichen Ausleger (Ram) montiert, der sich vor- und zurückbewegen lässt. Dadurch sind Werkzeugbewegungen in zwei Achsen – X und Y – möglich. Es gibt sowohl horizontale als auch vertikale Varianten, viele Modelle erlauben zudem das Schwenken des Kopfes.
Plattenfräsmaschinen ähneln stark den Bettfräsmaschinen. Beide Typen haben große Arbeitstische und Spindeln, die sich in drei Richtungen bewegen lassen. Der Hauptunterschied liegt in der Möglichkeit, bei Plattenfräsmaschinen mehrere Fräswerkzeuge gleichzeitig einzusetzen – meist bis zu vier.
Diese zusätzliche Flexibilität steigert die Effizienz und reduziert Werkzeugwechselzeiten deutlich.
Wir haben die verschiedenen Achsen bereits erwähnt, möchten aber hier noch einmal klarstellen, was sie bedeuten.
Eine 3-Achs-Vertikalfräsmaschine ermöglicht die Bewegung des Tisches in zwei Richtungen – X und Y – und damit die Positionierung des Werkstücks relativ zum Werkzeug. Die dritte Achse, Z, wird durch das Absenken des Werkzeugs ergänzt.
CNC-Steuerungen erlauben die gleichzeitige Bewegung aller drei Achsen und bieten so die nötige Flexibilität für die meisten Bearbeitungsaufgaben.
Eine 4-Achs-Fräse vereint die drei Achsen der 3-Achs-Fräse und ergänzt diese um die A-Achse, d. h. der Tisch kann um die X-Achse rotieren. Dadurch ist das Fräsen der Seiten möglich, ohne das Werkstück neu zu positionieren.
Alle Eigenschaften der 4-Achs-Fräse gelten auch für die 5-Achs-Variante. Zusätzlich kommt die B-Achse hinzu, die eine Rotation um die Y-Achse ermöglicht.
5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren sind deutlich teurer als die anderen Optionen, ermöglichen jedoch die Herstellung sehr komplexer Teile in einem Arbeitsgang. Zusätzliche Rüstvorgänge entfallen, und die Werkzeugstandzeit erhöht sich durch optimale Positionierung.
6-Achs-CNC-Fräszentren sind aufgrund ihres hohen Preises selten. Sie arbeiten bis zu 75 % schneller als 5-Achs-Maschinen, die Notwendigkeit solcher Kapazitäten ist jedoch selten und rechtfertigt die Investition nur in Ausnahmefällen. Das oben verlinkte Video zeigt auch den Vergleich zwischen einer 5- und einer 6-Achs-Maschine.
Die 6-Achs-Fräse verfügt über einen feststehenden Arbeitstisch, während sämtliche Bewegungsfreiheit auf den Fräskopf entfällt. Dieser kann sich in drei Richtungen bewegen und um alle Achsen rotieren.
Das Fräsen eignet sich für zahlreiche Bearbeitungen wie Gewindeschneiden, Fasen, Nuten usw. Dadurch lassen sich komplexe Geometrien mit hervorragender Präzision auf einem einzigen CNC-Fräszentrum realisieren. Die Toleranzen beim CNC-Fräsen liegen typischerweise bei +/- 0,1 mm.
Die Herstellung der genannten Merkmale erfordert verschiedene Fräsoperationen:
Das Planfräsen wird auch als Flachfräsen bezeichnet. Hierbei wird eine horizontale Fräsmaschine eingesetzt, wobei die Rotationsachse des Werkzeugs parallel zur Bearbeitungsfläche verläuft.
Es können unterschiedliche Fräswerkzeuge verwendet werden, je nachdem, welche Ergebnisse erzielt werden sollen. Ein breites Werkzeug ermöglicht schnellen Materialabtrag bei niedriger Schnittgeschwindigkeit, hoher Vorschubrate und grober Zahnung. Die Oberflächengüte kann dabei jedoch unzureichend sein.
Deshalb folgt oft ein zweiter Schritt mit feineren Werkzeugen, erhöhter Schnittgeschwindigkeit und reduziertem Vorschub, um eine bessere Oberfläche zu erzielen. Diese Kombination ist wirtschaftlich sinnvoll.
Beim Stirnfräsen kommt ein Werkzeug mit Zähnen an den Seiten und an der Stirnseite zum Einsatz. Die Werkzeugachse steht senkrecht zur bearbeiteten Fläche.
Stirnfräsen folgt oft auf das Planfräsen, da es komplexe Konturen erzeugen und eine glatte Oberfläche hinterlassen kann. Die Seitenzähne übernehmen den Hauptschnitt, während die Stirnzähne das Finish verbessern.
Mit dieser Fräsoperation lassen sich Fasen, Nuten und ähnliche Merkmale erzeugen. Es gibt verschiedene Herangehensweisen.
Bei einer klassischen 3-Achs-Fräse empfiehlt sich der Einsatz spezieller Fräswerkzeuge wie Nutfräser für schräge Nuten oder Fräser mit konischer Schneide für Fasen. Diese beiden Werkzeugtypen sind praktisch Gegensätze.
Die Achse des Werkzeugs kann senkrecht oder parallel zur Oberfläche verlaufen.
Beim Formfräsen werden spezielle Werkzeuge für komplexe Oberflächenformen verwendet. Zu den Werkzeugen zählen konvexe und konkave Fräser.
Formfräsen ermöglicht die Herstellung dieser Oberflächen in einem einzigen Schnitt. Die Werkzeuge müssen dafür exakt auf die gewünschte Geometrie abgestimmt sein.
Gangfräsen ist eine Unterkategorie, bei der mehrere Werkzeuge gleichzeitig eingesetzt werden, um bestimmte Muster zu erzeugen.
Eine gängige Fräsoperation zur Herstellung konvexer und konkaver Bauteile. Der Prozess erfolgt in drei Schritten: Schruppen, Vorschlichten und Schlichten.
Beim Schruppen werden runde Einsätze für den schnellen Materialabtrag verwendet. Kugelfräser sind ideal für das Vorschlichten und Schlichten.
Insbesondere das CNC-Fräsen mit 4- oder 5-Achsen-Technologie beschleunigt diese Arbeitsschritte und verbessert die Qualität.
Auch Zahnräder lassen sich durch Fräsen herstellen. Der Prozess umfasst zwei Arbeitsschritte.
Zunächst werden die Zahnräder gefräst, solange das Material noch weich ist, um hohe Toleranzen zu erreichen. Anschließend erfolgt die Wärmebehandlung zur Oberflächenhärtung. Danach übernimmt das CNC-Drehen den letzten Feinschliff.
CNC-Fräsen kann bei einer Vielzahl von Materialien eingesetzt werden. Die Auswahl richtet sich nach den Anforderungen. Der Auswahlprozess umfasst folgende Schritte:
Beim letzten Punkt können wir helfen.
Geeignete Metalle für das CNC-Fräsen:
Kunststoffe, die sich für das Fräsen eignen:
