Fräsmaschine

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Die Fräsmaschine ist eine Werkzeugmaschine, die zum Ausführen von spanenden Arbeiten verwendet wird. Mit ihrer Hilfe erhalten Werkstoffe aus Holz, Metall oder Kunststoff durch das gezielte Abtragen von Spänen eine bestimmte geometrische Form. Zu diesem Zweck wird das in der Regel mit mehreren Schneiden ausgestattete Fräswerkzeug in eine schnelle rotierende Bewegung versetzt und mit dem Werkstück zusammengebracht. In der Folge dringen die Schneiden in das Werkstück ein und tragen das unerwünschte Material in Form von Spänen ab. Da je nach Fräsmaschine wenigstens drei Vorschubrichtungen (X, Y, Z) zur Verfügung stehen können, ist es möglich, auch äußerst komplexe geometrische Körper herzustellen.

Geschichte

Die Fräsmaschine ist eine der wichtigsten Erfindungen von Werkzeugmaschinen eines US-Amerikaners. Im Gegensatz zu den oftmals in Europa entwickelten Werkzeugmaschinen wurde die erste Fräsmaschine 1818 in den USA von Eli Whitney entwickelt. Der Grundkörper bestand größtenteils aus Holz. Gesteuert werden konnte der Frästisch von Hand oder durch ein Schneckengetriebe mit maschinellen Vorschub. Zur Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte ebenfalls in den USA der Ingenieur Francis Pratt die daraufhin auch in Europa bekannt gewordene Lincoln-Fräsmaschine. Auch im asiatischen Raum erfuhr diese Maschine eine weite Verbreitung. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts begannen Entwickler und Hersteller weltweit Fräsmaschinen für den spezialisierten Gebrauch zu realisieren. Antrieb war hierbei vor allem das effektive Herstellen von Verzahnungen, Gewinden und Nuten. Als um die Jahrhundertwende 1900 der US-amerikanische Fabrikant F.W. Taylor den ersten Schnellarbeitsstahl (HSS) erfand, wurden nicht nur die Fräswerkzeuge, sondern auch andere Werkzeuge maßgeblich verbessert.

Im Laufe des 20. Jahrhundert bis heute fokussiert sich die Weiterentwicklung von Fräsmaschinen auf höhere Genauigkeit, Automatisierung und Kombination mit anderes Bearbeitungsverfahren.

Fräsmaschinenarten

Aufgrund der häufigen Werkzeugwechsel ist eine Fräsmaschine hohen statischen Beanspruchungen ausgesetzt. Hinzu kommen starke dynamische Belastungen, die auf die Unregelmäßigkeiten während des Betriebs zurückzuführen sind. Hierzu gehören unter anderem unregelmäßige Spanabnahmen, Spanunterbrechungen und Schwankungen in der Schnittkraft. Ziel ist es deshalb, die jeweilige Fräsmaschine optimal auf die Anforderungen des gewünschten Fertigungsverfahrens vorzubereiten.

Da bei den Anforderungen der verschiedenen Fertigungsverfahren sowohl große Unterschiede als auch Gemeinsamkeiten vorliegen, gilt dies ebenfalls für die unterschiedlichen Maschinen. Aus diesem Grund ist es schwierig, eine Fräsmaschine eindeutig von einer anderen abzugrenzen. Eingebürgert hat es sich, die Fräsen nach der Lage der Hauptspindel in vertikale und horizontale Geräte sowie nach der Bauart in Konsol-, Bett- und Sonderfräsmaschinen einzuteilen. Im Weiteren werden die mechanische und numerische Betriebsweise unterschieden.

Konsolfräsmaschinen

Konsolfräsmaschinen haben sich in weiten Teilen zur Herstellung von Werkzeugen, der Bearbeitung kleiner bis mittlerer Werkstücken und vor allem für den Einsatz in kleinen Betrieben etabliert. Einteilen kann man diese Bauart nach der Lage der Hauptspindel in waagerechter und senkrechter Ausführung. Eine weitaus größere Flexibilität bietet sich allerdings an bei Verwendung von schwenkbaren Spindeln oder Schwenkköpfen, durch die Führung der Hauptspindelbaugruppe in einer axial verstellbaren Pinole und die Möglichkeit des Schwenken, Kippen und Rotieren des Werkstücktisches.

Konsolfräsmaschinen verfügen in den meisten Fällen über eine automatisierte Konsolabsenkung. Durch das Absenken des Konsol um ca. 1 mm werden Werkstückoberfläche und Werkzeugschneide während des Eilrücklaufes geschützt. Konventionelle Konsolfräsmaschinen besitzen Nockengetriebe zur Steuerung zur Realisierung von häufig zu wiederholenden Abläufen. Bei NC-Maschinen ist diese Steuerung programmierbar und bedarf keiner mechanischen Steuerung.

Für die Bearbeitung von mittelschweren Werkstücken kommen Universal-Werkzeugfräsmaschinen in Konsolbauweise zum Einsatz. Grundlegender Unterschied zu herkömmlichen Konsolfräsmaschinen ist die hohe Präzision bei großer Anzahl an Einstellmöglichkeiten und mehr möglichen Bewegungen. Ebenfalls können viele zusätzliche Komponenten und Zusatzeinrichtungen für diese Maschinen verwendet werden. Eine Einrichtung zum automatischen Werkzeugwechsel oder ein Magazin für Werkstücke ist für die meisten Maschinen am Markt nicht vorgesehen. Sie können zwar mit Gelenkarmrobotern kombiniert werden, allerdings ist dies nicht wirtschaftlich effizient und es existieren andere Bauweisen, die dies ohne den Einsatz von Robotern zulassen.

Stationäre Oberfräse

Stationäre Oberfräsen ähneln in ihrem Aufbau den einfachen Konsolfräsmaschinen oder einer Ständerbohrmaschine. Sie werden vor allem zum Kopieren von Formen und zum Einlassen von Beschlagsteilen aus Kunststoff, Holz und ähnlichen Werkstoffen verwendet. Zum Kopieren wird eine Negativform während des Fräsens durch einen Kopierstift geführt und die dabei ermittelte Form auf das Werkstück übertragen. Bei einigen Modellen lässt sich entweder der Fräskopf oder der Maschinentisch in beide Richtungen um 90° schwenken.

Kopierfräsmaschinen

Eine Kopierfräsmaschine überträgt eine bekannte Form durch Abtasten einer Vorlage auf ein Werkstück. Als Vorlage dient entweder ein Modell des gewünschten Körpers oder eine Schablone. Das beim Abtasten erfasste Bewegungsmuster wird an das Fräswerkzeug weitergegeben, welches damit aus dem Werkstück den zugrunde liegenden Körper nachformt. Diesem Prozess verdanken die Maschinen auch den Namen Nachformfräsen.

Bettfräsmaschinen:

Bettfräsmaschinen werden in der Regel zur Bearbeitung von Gestellbauteilen und ähnlich großen Werkstücken eingesetzt. Aufgrund der großen Masse und den großen Abmessungen der Werkstücke wird meist jeglicher Vorschub werkzeugseitig ausgeführt und das Werkstück steht still. Aufgrund der stark veränderlichen notwendigen Abmessungen und relativ geringen Stückzahlen werden Bettfräsmaschinen oft modular angeboten, um sich an die Anforderungen anzupassen. Grundsätzlich lassen sich diese Maschinen noch in Ein- und Zweiständerbauweise einteilen.

  • Einständer-Bettfräsmaschine: Bei dieser Variante können mehrere ortsfeste Werkstücktische verwendet werden, auf denen komplexe oder mehrere Werkstücke fixiert und bearbeitet werden können.

Portalfräsmaschine

Eine Portalfräsmaschine besteht aus einem Fräskopf, der mithilfe eines Querbalkens zwischen zwei waagerechten Ständern geführt wird. Diesem Aufbau verdankt die Portalfräsmaschine sowohl ihren Namen als auch ihre große Steifigkeit. In großindustriellem Maßstab werden Portalfräsmaschinen vor allem zum Fräsen großer ebener Platten genutzt. In kleinerem Maßstab finden sie sich häufig als CNC-gesteuerte Maschinen zur Bearbeitung von Holz, Kunststoff, NE-Metallen und Stein. Mit ihnen lassen sich unter anderem Gravuren erstellen, Oberflächen bearbeiten oder CNC-Schweißarbeiten durchführen.

Portal- und Gantry-Fräsmaschine

Fräsmaschine mit beweglichem oder festem Ständerportal. Das Maschinenkonzept ist für CNC-Vertikalbearbeitung ausgelegt. Die hängende Arbeitsspindel erreicht bei festliegendem Frästisch in den drei Hauptachsen jeden Raumpunkt durch Portal- oder Hochportal-Verschiebung über Quertraverse und Spindelstockschlitten. Bei Verwendung eines NC-gesteuerten Gabelfräskopfes ist 5-Achsbearbeitung möglich. In der Festständerausführung ist eine lineare Achsverschiebung für den Frästisch unter Portal vorgesehen.

Tischfräsmaschinen

Tischfräsmaschinen werden zur Kantenbesäumung von Werkstücken aus Holz eingesetzt. Zu diesem Zweck wird die gusseiserne Arbeitsplatte in der Mitte des seitlich angebrachten Anschlags von einer kreisrunden Öffnung unterbrochen, aus der eine Frässpindel ragt. Die Anpassung des Fräswerkzeugs erfolgt mithilfe von Distanzringen, die mit einer Schraubenmutter fixiert werden. Das Spezielle an Tischfräsmaschinen ist, dass der Vorschub des Werkstücks fast ausschließlich manuell entlang der im Vorfeld eingestellten Führungseinrichtungen erfolgt.

Bearbeitungszentren

Als Bearbeitungszentrum werden CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen bezeichnet, mit denen sich an einem Werkstück alle zu einem Arbeitsprozess nötigen Fräsarbeiten durchführen lassen. Dadurch entfallen zum einen Arbeiten wie das Umspannen der Werkstücke, zum anderen umfasst das Programm auch das automatische Wechseln der Werkzeuge und Entsorgen der anfallenden Späne. Es gibt zahlreiche Bauformen, von denen die mit einer senkrechten Spindel und einem schwenkbaren Tisch relativ häufig zu finden ist.

Langfräsmaschine

Ausführung als Einständer- und Zweiständer-Langfräsmaschine. Fräsmaschine und Langbett mit seitlicher Führung für die Bearbeitung langer Werkstücke mit beweglichem Einständeraufbau. Zweiständer-Fräsmaschine mit horizontaler Bettführung für Tisch und quer verstellbaren Ständern für die Bearbeitung mit einer oder mehreren Hauptspindeln.

Hochgeschwindigkeits-Fräszentrum (HSC)

Fräsmaschinen mit maschinenseitiger Regelung des Zeitspanvolumens gemäß werkstofftypischer Optimierungsvorgabe. Höhere Anforderungen an Drehzahl- und Rundlaufgenauigkeit der Werkzeuge sowie Werkstückspannung.

Passnuten-Fräsmaschine

Fräsmaschinen mit waagerechten Frässpindelstock.

Gewindefräsmaschine

Der Frässpindelkopf ist auf einem Längsschlitten aufgebaut, der Antrieb des Fräsers wird von einer Nutwelle abgeleitet. Schlittenvorschub über Leitspindel, die durch Wechselräder von der Werkstückspindel angetrieben wird. Werkstück hat Vorschubgeschwindigkeit. Beim Langgewindefräsen Einsatz von scheibenförmigen Gewindefräsern, beim Kurzgewindefräsen kommen walzenförmige Fräswerkzeuge zum Einsatz. Gewindeherstellungsmaschinen

Gravierfräsmaschine

Gravierfräsmaschine einfacher Bauweise für zweidimensionales Gravieren und Kopierfräsen mit Pantograph (Storchschnabel) und Schablonentisch. CNC-Maschinenausführungen mit Granittisch oder Dreh-, Schwenk-Achse und mit 3- bis 5-Achssteuerung werden in weiteren Bearbeitungsfeldern genutzt. Typische Anwendungen sind u.a. Prägewerkzeuge, Elektrodenfertigung, Prägestempel, Prägezylinder, Werkzeug- und Formenbau sowie Hartbearbeitung.

Schalttisch-Fräsmaschine

Fräsmaschine mit automatischem Werkstücktransfer durch Schalttisch.

Schalttrommel-Fräsmaschine

Fräsmaschine mit automatischem Werkstücktransfer durch Schalttrommel.

Aufbau einer Fräsmaschine

Auch wenn es nicht „die“ Fräsmaschine gibt, basieren die unterschiedlichen Typen doch auf einem grundsätzlich ähnlichen Aufbau.

Die Basis der Werkzeugmaschinen bildet ein Gestell, das die weiteren Komponenten des Geräts tragen muss. Deshalb werden vor allem schwere Maschinen auf einem Fundament aufgestellt. Bei kleineren bis mittleren Geräten wird häufig die Monoblockbauweise genutzt. Bei dieser bilden das Gestell und der Maschinenständer eine Einheit, wodurch die Fräsmaschine bei wenig Platzbedarf und hoher Bedienerfreundlichkeit über eine große dynamische Belastbarkeit verfügt. Größere Maschinen werden in der Regel aus Modulen zusammengebaut.

Ein wesentliches Element der Fräsmaschine ist der Fräskopf. Er trägt bei herkömmlichen Geräten in der Regel die senkrecht ausgeführte Hauptspindel und eine per Hand ausfahrbare Pinole. Bei CNC-Maschinen besitzen die Fräsköpfe unter anderem Systeme zum automatischen Werkzeugwechsel.

Zum Zerspanen leichter bis mittelschwerer Werkstücke dienen Maschinentische. Diese fahren über die Konsole in vertikaler und über den Querschieber in horizontaler Richtung in den Führungen des Maschinenständers. Zur Nutzung einer dritten Achse kann ein Kreuztisch ergänzt werden. Problematisch ist bei den Maschinentischen, dass Konsolen in den Endlagen zum Kippen neigen. Deshalb werden schwere und unhandliche Werkstücke auf Betten eingespannt, da diese über die komplette Fläche aufliegen.

Sicherheit im Umgang mit einer Fräsmaschine

Beim Betrieb einer Fräsmaschine können verschiedene Gefahren auftreten. Diese sollen durch die Wahl geeigneter Sicherheitsmaßnahmen möglichst vermieden werden. Zusätzlich müssen bei ihrem Auftreten die geeigneten Rettungsmaßnahmen bekannt sein. Aus diesem Grund dürfen nur Personen mit einer ausgewiesenen Fachkenntnis an einer Fräsmaschine eingesetzt werden.

Beim Fräsvorgang können wegfliegende Späne, gegebenenfalls auch Werkstücke oder Werkzeuge zu Verletzungen führen. Auch beim Entfernen der Werkstücke aus der Spannvorrichtung kann es zu gefährlichen Situationen kommen. Eine weitere Gefahrenquelle stellen nicht ausreichend geschützte bewegliche Maschinenteile dar, da diese Gliedmaßen oder die Kleidung einziehen können.

Zum Schutz der Augen ist beim Arbeiten an der Fräsmaschine immer eine Schutzbrille zu tragen. Weiterhin kann das Anbringen von Fangblechen zum Auffangen von Spänen sowie bei mehreren nebeneinanderliegenden Arbeitsplätzen das Aufstellen von Schutzwänden sinnvoll sein. Sollten bewegliche Maschinenteile vorhanden sein, sind diese mit einem Schutzgitter zu sichern. Wesentlich ist zu guter Letzt ein Not-Aus-Schalter, der im Gefahrfall die Stromzufuhr unterbricht.

Fräsmaschinenhersteller

Bekannte Hersteller von Fräsmaschinen sind unter anderem AXA, Böttcher und Renardy, Boschert, BULMAK, Bungard Elektronik, CNC-STEP, COSMA Berger, DMG MORI, Ehinger Werkzeugmaschinenfabrik, elumatec, erkat, Faber H&V, Fickert und Winterling, GK Werkzeugmaschinen, Götzinger, Habrama, HELLER, HEYLIGENSTAEDT, HOLZ-HER, HOMAG, Horn Maschinenbau, KERN Microtechnik, Kiesling Maschinentechnik, KRÄKU, MFK Maschinenbau, MIKROMAT, MillStep, PRESSTA – EISELE, Reckermann Maschinenbau, Reiter Maschinen, ROBEL, Röders, SAMAG, Schmoll Maschinen, Schüssler Technik, Schwäbische Werkzeugmaschinen, Schwamborn, SSB Maschinenbau, teco, vhf camfacture, WABECO, WaldrichSiegen, WEMAS, Ziersch.

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