Fräsen
Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem Material mithilfe eines rotierenden, mehrschneidigen Werkzeugs von einem Werkstück abgetragen wird. Es zählt nach DIN 8589 zur Hauptgruppe der Trennverfahren und dort zur Gruppe des Spanens mit geometrisch bestimmter Schneide. Fräsen gehört neben Drehen und Bohren zu den wichtigsten spanenden Verfahren in der industriellen Fertigung und findet sowohl in der Metall- als auch in der Holzbearbeitung breite Anwendung.
Definition und Verfahrensprinzip
Beim Fräsen erzeugt ein Werkzeug mit mehreren Schneiden (Fräser) durch eine kreisförmige Schnittbewegung in Kombination mit einer Vorschubbewegung des Werkstücks oder des Werkzeugs die gewünschte Form. Die Schnittbewegung – also die Rotation des Fräsers – wird von der Werkzeugmaschine erzeugt, während die Vorschubbewegung meist geradlinig, gelegentlich aber auch kreisförmig oder auf beliebigen Bahnen erfolgt. Durch das Zusammenwirken beider Bewegungen entsteht ein sogenannter Kommaspan: Jede einzelne Schneide hebt beim Durchlaufen des Eingriffsbereichs einen Span ab, dessen Dicke sich über den Eingriffswinkel kontinuierlich ändert.
Da mehrere Schneiden nacheinander in Eingriff kommen, handelt es sich beim Fräsen um einen intermittierenden, also unterbrochenen Schnitt. Dies unterscheidet das Verfahren grundlegend vom Drehen, bei dem eine einzelne Schneide kontinuierlich im Eingriff bleibt. Der unterbrochene Schnitt führt zu einer wechselnden thermischen und mechanischen Belastung der Schneiden, was bei der Werkzeugauswahl und der Wahl der Schnittparameter berücksichtigt werden muss.
Arten des Fräsens
Fräsverfahren lassen sich nach mehreren Kriterien unterscheiden: nach der Lage der wirksamen Schneiden am Werkzeug, nach der Bewegungsrichtung von Schneide und Vorschub sowie nach der Kinematik der erzeugten Fläche.
Umfangsfräsen und Stirnfräsen
Beim Umfangsfräsen (auch Walzfräsen genannt) liegen die Hauptschneiden am Umfang des zylindrischen Fräswerkzeugs, dessen Rotationsachse parallel zur bearbeiteten Fläche steht. Die Zerspanung erfolgt über die am Umfang verteilten Schneiden, während die Stirnfläche des Werkzeugs nicht im Eingriff ist. Typische Anwendung ist die Erzeugung ebener oder profilierter Flächen sowie das Formfräsen mit entsprechend geformten Fräsern.
Beim Stirnfräsen steht die Werkzeugachse dagegen senkrecht zur zu bearbeitenden Fläche, sodass sowohl die Stirnschneiden als auch – bei größerem Eingriff – die Umfangsschneiden am Zerspanungsprozess beteiligt sind. Stirnfräsen wird bevorzugt zum großflächigen Planfräsen eingesetzt, da hierbei hohe Zeitspanvolumina erreicht werden können und die Oberflächengüte durch die Geometrie der Schneidplatten gezielt beeinflussbar ist.
Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen
Eine weitere zentrale Unterscheidung betrifft die Richtung, in der sich Schneide und Werkstück relativ zueinander bewegen:
- Gleichlauffräsen: Die Drehrichtung des Fräsers und die Vorschubrichtung des Werkstücks zeigen an der Eingriffsstelle in dieselbe Richtung. Der Span beginnt dick und endet dünn (Null). Dadurch entstehen geringere Reibung, eine bessere Oberflächenqualität und ein tendenziell geringerer Werkzeugverschleiß. Allerdings können beim Gleichlauffräsen erhöhte Schwingungen und ein „Einziehen“ des Werkstücks auftreten, weshalb spielfreie Vorschubantriebe erforderlich sind.
- Gegenlauffräsen: Fräserdrehung und Vorschub sind an der Eingriffsstelle entgegengesetzt gerichtet. Der Span beginnt mit der Dicke null und wächst bis zum Austritt der Schneide an. Dies führt anfänglich zu einem Gleit- statt Schneidvorgang, was den Werkzeugverschleiß erhöhen kann, dafür aber unempfindlicher gegenüber Spiel in der Vorschubmechanik ist.
Die Wahl zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen hängt von Werkstoff, Maschinenausstattung, gewünschter Oberflächengüte und Werkzeugstandzeit ab.
Typische Maschinen
Fräsarbeiten werden auf einer Vielzahl von Maschinentypen ausgeführt:
- Konsolfräsmaschinen (Waagerecht- und Senkrechtfräsmaschinen) sind klassische, manuell oder halbautomatisch bediente Maschinen für Werkstattfertigung und Einzelteilbearbeitung.
- CNC-Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren ermöglichen die rechnergestützte, hochpräzise Fertigung komplexer dreidimensionaler Geometrien in Serie, häufig mit automatischem Werkzeugwechsel und mehreren simultan gesteuerten Achsen.
- Oberfräsen sind in der Holzbearbeitung verbreitete, meist handgeführte oder in einem Frästisch stationär eingebaute Maschinen mit senkrecht angeordneter Frässpindel. Sie dienen dem Herstellen von Nuten, Profilen, Kanten und Ausschnitten in Holz- und Kunststoffwerkstoffen.
- Daneben existieren Sonderformen wie Portalfräsmaschinen für großformatige Werkstücke sowie Fräs-Dreh-Zentren, die mehrere Bearbeitungsverfahren in einer Maschine kombinieren.
Werkstoffe
Gefräst werden nahezu alle festen Werkstoffe: Stähle und Gusseisen, Aluminium- und andere Nichteisenmetalle, Titan- und Nickelbasislegierungen im Bereich der Luft- und Raumfahrt, technische Kunststoffe sowie Voll- und Plattenwerkstoffe auf Holzbasis wie Massivholz, Spanplatte, MDF und Sperrholz. Die Werkstoffeigenschaften – insbesondere Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Faserstruktur – bestimmen maßgeblich Schneidstoffwahl, Schnittgeschwindigkeit und Kühl- beziehungsweise Schmierstrategie.
Entstehende Späne und Staub
Die beim Fräsen entstehenden Späne unterscheiden sich stark nach Werkstoff und Prozessparametern. Bei der Metallbearbeitung fallen je nach Vorschub und Schneidengeometrie Wendel-, Bröckel- oder Bandspäne an, die häufig scharfkantig und mit erhöhter Temperatur aus dem Schnittbereich geschleudert werden. Bei der Holzbearbeitung entstehen neben gröberen Spänen erhebliche Mengen an Feinstaub, insbesondere beim Bearbeiten von Plattenwerkstoffen mit Bindemittelanteilen oder bei hohen Drehzahlen der Frässpindel.
Relevanz für die Absaugtechnik
Die beim Fräsen freigesetzten Späne und Stäube stellen sowohl ein technisches als auch ein arbeitsschutzrechtliches Thema dar. Große Spanmengen können Führungen, Werkzeugaufnahmen und Sensorik von Maschinen verschmutzen und die Prozesssicherheit beeinträchtigen, weshalb eine gezielte Absaugung oder Spanabfuhr direkt am Zerspanungsort in vielen industriellen Anwendungen Standard ist.
Besondere gesundheitliche Bedeutung hat die Absaugung in der Holzbearbeitung: Feinstaub aus Hartholz gilt gemäß der Technischen Regel für Gefahrstoffe TRGS 553 als krebserzeugend, weshalb an ortsfesten Holzbearbeitungsmaschinen wirksame Erfassungseinrichtungen und Absauganlagen vorgeschrieben sind, die den Staub möglichst nah an der Entstehungsstelle erfassen. Auch beim Fräsen von kunststoff- oder mineralhaltigen Plattenwerkstoffen sowie bei der Bearbeitung bestimmter Metalle (etwa Magnesium oder Aluminium, bei denen feiner Staub eine Brand- oder Explosionsgefahr darstellen kann) ist eine geeignete Absaugung ein wesentlicher Bestandteil des Arbeitsschutzes und der Anlagensicherheit.