Schaftfräsen: Ein vollständiger technischer Leitfaden

In modernen CNC-Fertigungssystemen, Ausklinkfräsen ist an fast allen kritischen Formgebungsvorgängen von Struktur- und Funktionsteilen beteiligt. Ob es sich um Aluminiumkomponenten, mechanische Stahlteile oder komplexe Formhohlräume und 3D-Oberflächen handelt, das Schaftfräsen spielt eine unersetzliche Rolle. In der realen Produktion setzen jedoch viele Menschen das Schaftfräsen tagtäglich ein, ohne die Zerspanungsprinzipien, die Prozessgrenzen, die Parameterlogik und die tatsächliche technische Position in der Fertigung vollständig zu verstehen. Dieser Leitfaden erklärt das Schaftfräsen systematisch aus einer technischen Perspektive und hilft Ihnen, ein umfassendes und praktisches Verständnis für reale Produktionsentscheidungen zu entwickeln.

Was ist Schaftfräsen?

Vor der Erörterung von Zerspanungsstrategien und -parametern ist es notwendig, die grundlegende Definition und Rolle des Schaftfräsens in der CNC-Bearbeitungssysteme.

Definition von Schaftfräsen

Ausklinkfräsen ist ein CNC-Fräsverfahren, bei dem ein Schaftfräser als Schneidwerkzeug verwendet wird. Das Werkzeug kann sowohl axial als auch radial schneiden und ermöglicht so Tauch-, Seitenfräs-, Kontur- und Profilierarbeiten. Im Vergleich zu einseitigen Zerspanungsverfahren kann das Schaftfräsen den gesamten Arbeitsablauf vom Schruppen bis zum Schlichten abdecken.

Unterschied zwischen Schaftfräsen und anderen Bearbeitungsverfahren

Im Vergleich zum Planfräsen (hauptsächlich für ebene Flächen) oder Bohren (hauptsächlich für Löcher) liegt der Schwerpunkt beim Ausklinkfräsen mehr auf der Bearbeitung:

• Umformen komplexer Geometrien: Geeignet für Konturen, Taschen, Stufen, dünne Wände und 3D-Oberflächen.
• Fähigkeit zum Schneiden in mehreren Richtungen: Mehr Merkmale können in einer Einrichtung fertiggestellt werden, was Positionierungsfehler reduziert.
• Breite Prozessabdeckung: Die gleiche Werkzeugfamilie kann vom Schruppen bis zum Schlichten verwendet werden.

Warum das Schaftfräsen ein wichtiger CNC-Prozess ist

In der realen Produktion, 70%-90% der wichtigsten Merkmale von Strukturteilen werden durch Schaftfräsen hergestelltund nicht durch Drehen oder Bohren. Sie definiert im Wesentlichen die Grenze der Fertigungsmöglichkeiten einer Werkstatt.

Arbeitsprinzip und Schnittmodi beim Schaftfräsen

Um den technischen Wert des Schaftfräsens zu verstehen, müssen wir mit dem Schneidmechanismus selbst beginnen.

Mehrschneidiger Rotationsschneidemechanismus

Ein Schaftfräser trägt das Material durch Hochgeschwindigkeitsrotation ab, wobei mehrere Schneiden nacheinander in die Schneidzone eintreten. Im Vergleich zum Schneiden mit einer Schneide sorgt dies für eine stabilere Lastverteilung und eine bessere Oberflächenbeschaffenheit.

Kombination aus Axial- und Radialschnitt

• Axiales Schneiden: Wird zum Eintauchen, Auframmen, Öffnen von Taschen und Abwärtsschneiden verwendet.
• Radiales Schneiden: Wird für Seitenwände, Konturen und Profilbearbeitung verwendet.
• Kombiniertes Schneiden: Wird für komplexe Konturen und 3D-Flächen verwendet und ist die Grundlage für moderne CAM-Werkzeugwege.

Einfluss auf die Bearbeitungsstabilität

Unterschiedliche Zerspanungsmethoden wirken sich direkt auf die Belastungsrichtung des Werkzeugs, die Vibrationen der Maschine, die Verformung des Werkstücks, die Oberflächenqualität und die Lebensdauer des Werkzeugs aus. Für hochpräzise Teile oder Teile mit geringer Steifigkeit, Die Strategie des Werkzeugwegs ist oft wichtiger als die einfache Änderung von Parametern..

Technische Hauptmerkmale des Schaftfräsens

Aus technischer Sicht hat das Schaftfräsen mehrere entscheidende Vorteile:

• Fähigkeit zum Schneiden in mehreren Richtungen:
  Ein einziges Werkzeug kann eintauchen, seitenschneiden und konturieren, wodurch mehr Merkmale in einer Aufspannung bearbeitet werden können und die geometrische Genauigkeit verbessert wird.
• Hohe geometrische Freiheit:
  Sie kann Innen- und Außenkonturen, Taschen, Stufen, dünne Wände und komplexe 3D-Oberflächen bearbeiten. Im Wesentlichen wandelt CAM die CAD-Geometrie in flexible Werkzeugbewegungspfade um.
• Hochpräzise Umformbarkeit:
  Mit Werkzeugkompensation und schrittweiser Aufmaßkontrolle (Schruppen, Halbschlichten, Schlichten) kann eine stabile Maßkontrolle im Mikrometerbereich erreicht werden.
• Skalierbare Bearbeitungseffizienz:
  Mit adaptivem Abräumen, Werkzeugwegen mit konstanter Last und schraubenförmigem Eintritt kann die Abtragsleistung erhöht werden, ohne das Risiko wesentlich zu erhöhen.

Hauptanwendungsarten des Schaftfräsens

Aus der Sicht der Anwendung deckt das Schaftfräsen eine breite Palette von Bearbeitungsszenarien ab:

• Oberflächenfräsen:
  Wird für Referenzflächen, Montageflächen und funktionale Kontaktflächen verwendet, wobei der Schwerpunkt auf Ebenheit, Parallelität und Konsistenz liegt.
• Schlitzfräsen:
  Wird für Keilnuten, Führungsnuten und Montagenuten verwendet. Tiefe oder schmale Nuten sind aufgrund der Spanabfuhr und der Werkzeugdurchbiegung eine Herausforderung.
• Profilfräsen:
  Bestimmt die äußeren und inneren Begrenzungen von Teilen, wobei der Schwerpunkt auf der Geradheit der Wände und der Qualität der Ecken liegt.
• Taschenfräsen:
  In der Regel folgt eine Prozesskette aus Schruppen, Halbschlichten und Schlichten, die hohe Anforderungen an die Werkzeugwegstrategie stellt.
• 3D-Oberflächenfräsen:
  Häufig werden Kugelfräser verwendet, die das Über- und Untersetzen kontrollieren, um die Oberflächentextur zu steuern, die häufig bei Formen und optischen Teilen verwendet wird.
• Präzise Konturbearbeitung:
  Bei dünnwandigen und schlanken Strukturen sind Stabilität und Verformungskontrolle wichtiger als reine Geschwindigkeit.

Gängige Schaftfräsertypen und Anwendungen

Material Anwendbarkeit des Schaftfräsens

Verschiedene Werkstoffe verhalten sich sehr unterschiedlich in Bezug auf Schnittkraft, Wärmeleitung und Spanbildung.

• Aluminium und Nichteisenmetalle:
  Geeignet für hohe Geschwindigkeit und hohen Vorschub, aber anfällig für Aufbauschneiden. Scharfe Kanten, gute Spanabfuhr und stabile Kühlung sind entscheidend.
• Kohlenstoffstahl und legierter Stahl:
  Sehr gängige industrielle Werkstoffe. Zerspanungskraft und Hitze sind relativ hoch, so dass Werkzeugsteifigkeit und Verschleißfestigkeit sorgfältig abgewogen werden müssen.
• Rostfreier Stahl:
  Neigt zur Kaltverfestigung und Wärmeentwicklung. Eine geeignete Beschichtung, Kühlung und eine stabile Schneidstrategie sind erforderlich, um einen schnellen Werkzeugverschleiß und eine schlechte Oberflächengüte zu vermeiden.
• Titan und Superlegierungen:
  Schlechte Wärmeleitfähigkeit und hohe Temperaturen in der Schneidzone führen zu schnellem Werkzeugverschleiß. Das Ziel ist eher Stabilität und Vorhersagbarkeit als eine extreme Abtragsrate.
• Technik Kunststoffe und Verbundwerkstoffe:
  Die Hauptrisiken liegen in der Verformung, dem Schmelzen oder dem Reißen der Fasern. Werkzeuggeometrie, Vorschubstrategie und Vorrichtungen müssen optimiert werden.

Auswahl von Schaftfräser-Werkstoff und Beschichtung

Beim Ausklinkfräsen ist die Wahl der Werkzeugmaterial und Beschichtung haben einen direkten Einfluss auf die Schnittstabilität, die Standzeit und die Oberflächenqualität. Verschiedene Werkstückmaterialien verhalten sich sehr unterschiedlich in Bezug auf Schnittkraft, Wärmeentwicklung und Spanbildung, so dass die Verwendung eines Universalwerkzeugs für alle Materialien nicht realistisch ist.

Grundsätze der Schnellauswahl

• Aluminium und Nichteisenmetalle:
  Leicht zu schneiden, aber anfällig für Aufbauschneiden. Bei der Auswahl der Werkzeuge sollte man auf scharfe Kanten, wenig haftende Oberflächen und einen reibungslosen Spanabtransport achten.
• Kohlenstoffstahl und legierter Stahl:
  Die Schnittbelastung und die Temperatur sind mäßig hoch, so dass das Werkzeug ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit und Kantenfestigkeit aufweisen muss.
• Rostfreier Stahl und Titanlegierungen:
  Diese Werkstoffe neigen zur Kaltverfestigung und Wärmekonzentration. Bei der Bearbeitungsstrategie sollte die Prozessstabilität Vorrang vor der maximalen Abtragsrate haben.
• Gehärteter Stahl:
  Wird in der Regel mit geringen Schnitttiefen bearbeitet und erfordert eine sehr hohe Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität.
• Kunststoffe und Verbundwerkstoffe:
  Anfällig für Verformung oder Schmelzen. Bei der Auswahl der Werkzeuge sollte auf scharfe Kanten und geringe Wärmeentwicklung geachtet werden.

Referenztabelle für empfohlene Werkzeugmaterialien und Beschichtungen

Schlüsselfaktoren, die die Qualität beim Schaftfräsen beeinflussen

In der realen Produktion wird die Bearbeitungsqualität durch die kombinierte Wirkung von Maschine, Werkzeug, Parametern und Kühlung bestimmt.

• Spindeldrehzahl:
  Bestimmt Schnittgeschwindigkeit und Temperatur. Ein zu hoher Wert führt zu übermäßigem Verschleiß und Hitze; ein zu niedriger Wert kann zu instabilem Schnitt führen.
• Vorschubgeschwindigkeit:
  Kontrolliert Spandicke und Schnittkraft. Ein falscher Vorschub führt oft zu Vibrationen und Oberflächenfehlern.
• Schnitttiefe:
  Einschließlich axialer und radialer Tiefe. Dies wirkt sich direkt auf die Anforderungen an Schnittkraft und Steifigkeit aus.
• Material und Beschichtung der Werkzeuge:
  Beeinflusst die Verschleißfestigkeit, die Kantenstärke und das thermische Verhalten. Bei schwierigen Materialien entscheidet oft die Wahl des Werkzeugs über die Machbarkeit.
• Kühlung und Späneabsaugung:
  Eine unzureichende Spanabfuhr führt häufig zu Sekundärzerspanung und schnellem Werkzeugversagen, insbesondere in tiefen Kavitäten.

Schlussfolgerung: Technische Position des Schaftfräsens

Das Schaftfräsen ist nicht nur ein einfacher Fräsvorgang, sondern ein kompletter Umformprozess vom Schruppen bis zum Schlichten. Er entscheidet darüber, ob komplexe Geometrien zuverlässig hergestellt werden können, und wirkt sich direkt auf die Maßgenauigkeit, die Oberflächenqualität und die Serienkonstanz aus. In der modernen CNC-Fertigung hängen die meisten kritischen Konturen und Kavitäten vom Schaftfräsen ab, und der Reifegrad des Prozesses spiegelt in hohem Maße die gesamte Konstruktions- und Fertigungskapazität eines Unternehmens wider.