Fräsmaschinen

Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren. Bei kreisförmiger Schnittbewegung und bei senkrecht oder auch schräg zur Drehachse gerichteter Vorschubbewegung können nahezu beliebig geformte Werkstückflächen erzeugt werden. Wesentliches Merkmal sind die sich ständig verändernden Eingriffsverhältnisse, die an das dynamische Verhalten des Systems Werkzeug und Maschine große Anforderungen stellen.

Grundaufbau einer Fräsmaschine

Konsolfräsmaschinen

Konsolfräsmaschinen haben einen kreuzbeweglichen Tisch und eine im Maschinengestell ortsfest angeordnete Spindel. Zu den typischen Bauarten der Konsolfräsmaschinen zählen die Horizontal- und Vertikalfräsmaschine sowie die Universalfräsmaschinen, welche im Folgenden kurz beschrieben werden.

Horizontal- und Vertikalfräsmaschine

Die Frässpindel ist ortsfest (waagrecht oder senkrecht) angeordnet. Die Horizontalbewegung des Werkstücks erfolgt über den Kreuztisch, die Vertikalbewegung durch eine verstellbare Konsole. Das Maschinengestell ist aus kastenförmigen, gut verrippten Einzelelementen zusammengesetzt. Ein Nachteil dieses Maschinentyps ist zweifelsohne der auf der Konsole längs- und querverschiebbare Tisch. Bei seitlich ausgefahrenem Tisch ist der Kraftangriff weit von der Konsolenführung entfernt. Dadurch entsteht an der Konsole ein starkes Kippmoment, welches zu einer gewissen Beeinträchtigung der Arbeitsgenauigkeit führt. Um diesen Nachteil zu umgehen, wurde die Bettfräsmaschine entwickelt.

Aufbau/Antrieb: Die Antriebsleistung einer herkömmlichen waagrechten Fräsmaschine liegt zwischen 4 – 16 kW und das Frässpindelgetriebe ist meist als 12-stufiges Schieberadgetriebe ausgebildet. Die Frässpindel läuft in einem vorgespannten Hochgenauigkeits-Schrägkugellager mit wartungsfreier Fettschmierung. Die Lager sind in unmittelbarer Nähe der Spindelnase angeordnet, damit sich Wärmeeinflüsse nicht als Längenänderung im Bereich der Werkstückaufnahme auswirken können. Der Vorschubantrieb wird von einem Gleichstrommotor abgeleitet.

Einsatzgebiet: Waagrecht- und Senkrechtfräsmaschinen werden in der Regel nur für Einzel- und Kleinserienfertigung und relativ einfache, lineare Fräsarbeiten verwendet.

Universalfräsmaschine

Die Universalfräsmaschine hat im Gegensatz zur Waagrechtfräsmaschine einen schwenkbaren oder austauschbaren Fräskopf. Außerdem ermöglicht eine Drehachse zwischen Längs- und Querschlitten eine Schrägstellung. Diese Bauweise ermöglicht Plan-, Profil-, Rund-, Walzen- und Stirnfräsen.

Aufbau/Antrieb: Das Gestell der Werkzeugmaschine besteht aus einer kastenförmigen, gut verrippten Konstruktion. Diese Ausführung ermöglicht es der Maschine, die auftretenden statischen und dynamischen Kräfte sowie die thermischen Beanspruchungen aufzunehmen und gibt ihr die erforderliche Steifigkeit. Der Senkrechtfräskopf ist um eine horizontale Achse schwenkbar. Hinter dem Vertikalkopf befindet sich die Horizontalspindel.

Die Antriebsleistung liegt in der Regel bei etwa 3 – 10 kW. Der Vorschub erfolgt über ein Verteilgetriebe und über Elektrozahnkupplungen zu einem regelbaren Gleichstrommotor. Die Schlittenbewegungen können nacheinander automatisch oder auch von Hand betätigt werden. Mit Hilfe des Gleichstromantriebes und des Getriebes können bis zu 12 verschiedene Spindeldrehzahlen im Bereich von 45 – 2000 U/min erzielt werden.

Fast alle neueren Fräsmaschinen sind mit einer Gleichlauffräseinrichtung ausgestattet. Beim Gleichlauffräsen werden die kommaförmigen Späne am dicken Ende angeschnitten, so dass die ins Material einlaufende Schneide sofort volle Trennarbeit leisten kann.
Bei Universalfräsmaschinen gibt es häufig noch Zusatzeinrichtungen wie

  • Verschiedene Tischformen (Vertikal-Aufspanntisch, Winkeltisch, Universalfrästisch), die z. B. die Ausrichtung schräger Bearbeitungspartien am Werkstück ermöglichen.
  • Feinbohrkopf (Wird zur Anfertigung genauer Bohrungen benötigt.)
  • Stoßkopf (Dient zum Ausarbeiten von scharfen Nuten, Innenkanten oder anderen, sonst durch Fräsen schwer zu erreichende, Werkstückpartien.

Einsatzbereich: Konsolfräsmaschinen haben einen breiten Anwendungsbereich in der Einzelteilfertigung vor allem im Werkzeug- und Maschinenbau. Leider können sie aber ebenfalls nur relativ gering dynamisch und statisch belastet werden.

Bettfräsmaschine

Bei den Bettfräsmaschinen werden die Bewegungen der drei Koordinatenrichtungen auf Tisch, Ständer und Fräseinheit aufgeteilt:

  • Tisch führt die Längsbewegungen aus.
  • Ständer führt die Querbewegungen aus.
  • Fräseinheit führt die Vertikalbewegungen aus.

Aufbau/Antrieb: Das verwindungssteife T-förmige Maschinengestell trägt die Längsführung für den Tisch und die Querführung für den Maschinenständer.
Der aus einem Stück gegossene Torständer enthält die zentral-symmetrische Führung für die Fräseinheit. In dem Ständer können entweder horizontale oder vertikale Fräseinheiten eingebaut werden. Durch eine große Bettlänge wird das Auskippen des Tisches verhindert und dadurch das Verschleißverhalten in x-Richtung extrem verbessert.

In der z-Achse wird im Gegensatz zur Konsolfräsmaschine ein Auskippen verhindert, weil der Schlitten mit der Fräseinheit in der Schwerpunktachse geführt wird. Durch den zusätzlichen Gewichtsausgleich kann kein Kippmoment entstehen.

Die Antriebsleistungen bewegen sich in der Regel zwischen 15 und 30 kW. Das Getriebe der Fräseinheit ist ein 18-stufiges Schaltgetriebe. Die Frässpindel ist vorne in zweireihigen, einstellbaren Zylinderrollenlagern und hinten in zwei spielfrei justierten Schrägkugellagern gelagert. Die stufenlos einstellbaren Vorschubgeschwindigkeiten liegen zwischen 5 und 3000 mm/min.

Für häufig wechselnde Programme und kleine Losgrößen werden häufig CNC-Steuerungen eingesetzt.
Einsatzbereich:Bettfräsmaschinen werden für dreidimensionale und lineare Fräsarbeiten mit hohen Genauigkeitsanforderungen, die eine hohe Zerspanleistung erfordern, eingesetzt und auch zur Bearbeitung von schweren, massiven Werkstücken sowie zur Serienfertigung verwendet.

Vorteile der Bettfräsmaschine gegenüber einer Konsolfräse:

  • höhere statische und dynamische Steifigkeit
  • bessere Aufnahme von Schnittkräften
  • einfachere Beschickung des Maschinentisches
  • größere Genauigkeit
  • weitere Verfahrwege und damit größerer Arbeitsraum