Planfräsen ist eine der grundlegendsten und wichtigsten Bearbeitungsoperationen in der CNC-Fertigung. Sie wird häufig zur Erzeugung von Referenzflächen, Montageflächen und großen ebenen Flächen an mechanischen Komponenten eingesetzt. Die Stabilität und Qualität einer Planfräsbearbeitung bestimmen nicht nur die Oberflächengüte des aktuellen Prozesses, sondern beeinflussen auch direkt die Maßhaltigkeit und Prozesssicherheit aller nachfolgenden Arbeitsgänge. Ein systematisches Verständnis der Prinzipien des Planfräsens, der Werkzeugsysteme, der werkstoffspezifischen Strategien und der Prozesssteuerungsmethoden ist für jede moderne Bearbeitung mit dem Ziel hoher Effizienz und gleichbleibender Qualität unerlässlich.
Was ist Planfräsen?
Definition und Grundkonzept des Planfräsens
Planfräsen ist ein Fräsverfahren, bei dem die Fräserachse senkrecht zur Werkstückoberfläche steht. Die Schneidkanten sowohl an der Stirnseite als auch am Umfang des Fräsers tragen das Material ab und erzeugen eine ebene Oberfläche. Verglichen mit der Verwendung von Schaftfräsern zum Abtragen von Oberflächen bietet das Planfräsen eine höhere Materialabtragsrate, eine bessere Oberflächenkonsistenz und eine stabilere Ebenheitskontrolle, was es zur bevorzugten Methode für die großflächige Planbearbeitung und die Erzeugung von Referenzflächen macht.
Grundlegendes Schneidprinzip des Planfräsens
Beim Planfräsen greifen mehrere Wendeplatten gleichzeitig in das Werkstück ein. Die Schnittkräfte werden zwischen axialer und radialer Richtung verteilt, was die Schnittstabilität und Produktivität verbessert. Da bei jeder Umdrehung mehrere Kanten schneiden, ist das Planfräsen hocheffizient, aber es reagiert auch empfindlich auf den Rundlauf des Fräsers, Schwankungen der Schneidplattenhöhe und die Maschinensteifigkeit. Ein gut ausbalanciertes Fräsersystem und stabile Prozessbedingungen sind für gleichbleibende Ergebnisse unerlässlich.
Haupttypen von Planfräsoperationen
Konventionelles Planfräsen: Wird für die allgemeine Bearbeitung von flachen Oberflächen verwendet, wobei der Schwerpunkt auf stabilen Schnittbedingungen, breiter Anwendbarkeit und zuverlässiger Oberflächenerzeugung bei den meisten mechanischen Komponenten liegt.
Planfräsen mit hohem Vorschub: Nutzt eine sehr geringe Schnitttiefe und eine extrem hohe Vorschubgeschwindigkeit, um eine hohe Produktivität zu erreichen, besonders geeignet für Schruppbearbeitungen in Formen und großen Hohlräumen.
Hochleistungs-Planfräsen: Entwickelt für das Abtragen großer Mengen an Guss- und Schmiedeteilen, mit besonderem Augenmerk auf Werkzeugfestigkeit, Systemsteifigkeit und stabiler Tragfähigkeit.
Endbearbeitung Planfräsen: Optimiert für Oberflächengüte und Ebenheit unter Verwendung schärferer Geometrien und präziserer Fräsersysteme, die häufig als letzter planer Bearbeitungsschritt eingesetzt werden.
Hochgeschwindigkeits-Planfräsen: Üblich in der Aluminium- und Formenbauindustrie, kombiniert mit hoher Spindeldrehzahl und leichten Schnittparametern, um sowohl Produktivität als auch gute Oberflächenqualität zu erreichen.
Typen von Planfräsern
Indexierbare Planfräser: Der am weitesten verbreitete Typ, der einen flexiblen Einsatzwechsel, gute Wirtschaftlichkeit und eine breite Materialanpassung bietet.
Vollhartmetall-Planfräser: Wird hauptsächlich für kleine Durchmesser, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder hochpräzise Endbearbeitung verwendet und bietet ausgezeichnete Steifigkeit und geringen Rundlauf.
PKD-Planfräser: Wird hauptsächlich für Aluminiumlegierungen, Nichteisenmetalle und einige Kunststoffe verwendet und bietet extrem lange Standzeiten und eine hervorragende Oberflächengüte.
CBN-Gesichtsfräsen: Wird vor allem für gehärtete Stähle und hochharte Werkstoffe in der Endbearbeitung eingesetzt, die eine hohe Maschinenstabilität erfordern.
45°-, 75°- und 90°-Planfräser: Unterschiedliche Eintrittswinkel wirken sich auf die Richtung der Schnittkraft, die Stabilität und die Schulterfähigkeit aus und sollten je nach Anwendung und Maschinenleistung ausgewählt werden.
Vorteile und Beschränkungen des Planfräsens
Vorteile
Planfräsen bietet eine hohe Abtragsleistung, eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit, eine gute Ebenheitskontrolle und günstige Kosten pro Teil in der Massenproduktion. Es ist die effizienteste Methode zur Erzeugung großer ebener Flächen und funktionaler Referenzflächen.
Beschränkungen
Das Planfräsen erfordert eine gute Maschinensteifigkeit, stabile Aufspannungen und präzise Fräsersysteme. Es ist nicht immer für sehr kleine, dünne oder hochflexible Teile geeignet, bei denen Verformung und Vibration zu kritischen Problemen werden können.
Auswahl von Werkzeugwerkstoffen für verschiedene Werkstoffe (Enzyklopädische Ausgabe)
Die Abstimmung von Material und Werkzeug ist das Kernstück des stabilen Planfräsens. Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Adhäsionsneigung und Elastizität des Werkstückmaterials bestimmen direkt die Wendeplattensorte, Beschichtung und Geometrie.
Aluminium-Legierungen: Aluminium ist anfällig für Kantenbildung und Spananhaftung. Der Fräser sollte scharfe, hochpolierte Schneidkanten mit großen positiven Spanwinkeln verwenden. Unbeschichtete Hartmetall- oder DLC-beschichtete Wendeplatten werden bevorzugt. Für die Großserienproduktion oder spiegelnde Oberflächen bieten PKD-Planfräser eine hervorragende Oberflächengüte und eine extrem lange Standzeit.
Rostfreier Stahl: Rostfreier Stahl härtet leicht aus und hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Bei den Einsätzen müssen Zähigkeit und Hitzebeständigkeit im Vordergrund stehen. Üblicherweise werden TiAlN- oder AlTiN-beschichtete Hartmetalleinsätze mit stabiler Kantenpräparation verwendet. Übermäßig scharfe Geometrien sollten vermieden werden, um Ausbrüche zu vermeiden.
Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl: Diese Materialien decken einen breiten Härtebereich ab. Beschichtete Hartmetalleinsätze für allgemeine Zwecke sind für die meisten Anwendungen geeignet. Weichere Stähle begünstigen die Verschleißfestigkeit, während härtere oder unterbrochene Schnitte zähere Sorten erfordern. Bei der Werkzeugauswahl sollten Produktivität und Standzeit im Gleichgewicht sein.
Titan-Legierungen: Titan erzeugt hohe Schnitttemperaturen und einen starken Materialrückprall. Für die Schneideinsätze sollten Substrate mit hoher Warmhärte und hitzebeständige Beschichtungen mit verstärkten Schneidkanten verwendet werden. Die Schnittparameter sollten konservativ sein, um den Wärmestau zu kontrollieren und eine plastische Verformung der Schneidkante zu vermeiden.
Messing: Messing lässt sich leicht bearbeiten, kann aber Grate und Oberflächenverschmierungen verursachen. Empfohlen werden scharfe Wendeschneidplatten mit hochpositiver Geometrie, in der Regel ohne starke Beschichtungen. Der Schwerpunkt sollte auf der Kantenqualität und der Rundlaufkontrolle liegen.
Bronze: Einige Bronze-Legierungen sind abrasiv. Im Vergleich zu Messing werden verschleißfestere Hartmetallsorten benötigt, die dennoch einigermaßen scharfe Kanten aufweisen, um Oberflächenrisse zu vermeiden.
Kunststoffe (ABS, POM, PEEK, PMMA, PA, PC, PET, PTFE): Kunststoffe sind empfindlich gegenüber Hitze, Schmieren und Verformung. Die wichtigsten Prinzipien sind extrem scharfe Kanten, polierte Spanflächen, geringe Reibung und eine effiziente Spanabfuhr.
Bei ABS liegt der Schwerpunkt auf der Verringerung der Reibungswärme; POM erfordert eine gute Spankontrolle; PEEK benötigt einen geringen Wärmeeintrag und eine stabile Zerspanung; PMMA erfordert hochglanzpolierte, ultrascharfe Werkzeuge; PA benötigt eine niedrige Schnittkraftgeometrie; PC erfordert reibungsarme, polierte Werkzeuge; PET benötigt eine saubere Spanabfuhr; PTFE erfordert ultrascharfe Werkzeuge und eine starke Werkstückunterstützung.
Planfräsen auf 3-Achsen-, 4-Achsen-, 5-Achsen-CNC- und manuellen Maschinen
3-Achsen-CNC: Die gebräuchlichste und kostengünstigste Lösung für flache Standardoberflächen, mit guter Stabilität und einfacher Programmierung, aber mit Einschränkungen für Teile mit mehreren Winkeln.
4-Achsen-CNC: Ermöglicht die Bearbeitung mehrerer Flächen oder abgewinkelter Ebenen in einer Aufspannung, wodurch das Umspannen reduziert und die geometrische Konsistenz verbessert wird.
5-Achsen-CNC: Optimiert die Werkzeugausrichtung für beste Schnittbedingungen, verbessert die Oberflächenqualität und die Werkzeugstandzeit bei komplexen Teilen, jedoch mit höherem Investitions- und Programmieraufwand.
Manuelles Fräsen: Geeignet vor allem für Reparaturarbeiten, Prototypen oder sehr kleine Serien mit begrenzter Effizienz und Wiederholbarkeit.
Berücksichtigung von Effizienz und Kosten: Maschinen mit höheren Achsen bieten mehr Flexibilität und weniger Umrüstungen, sind aber auch mit höheren Ausrüstungs- und Programmierkosten verbunden. Die Wahl sollte von der Komplexität der Teile und den Gesamtfertigungskosten abhängen.
Typische Bauteile und Strukturen beim Planfräsen
Maschinenstrukturelle Referenzoberflächen: Diese Flächen dienen als primärer Bezugspunkt für die nachfolgenden Bearbeitungsvorgänge, und ihre Ebenheit und Konsistenz bestimmen direkt die Maßhaltigkeit des gesamten Teils.
Formtrennflächen: Im Formenbau kontrolliert die Trennfläche die Ausrichtungsgenauigkeit und die Qualität der Abdichtung, und das Planfräsen bildet die Hauptreferenzebene vor dem Schlichten und Polieren.
Gerätebefestigungssockel: Diese Oberflächen erfordern eine gute Ebenheit und Kontaktfläche, um eine gleichmäßige Lastverteilung und langfristige Betriebsstabilität zu gewährleisten.
Grundplatten für Vorrichtungen und Lehren: Die Grundflächen der Vorrichtungen bestimmen die Wiederholbarkeit und Positioniergenauigkeit des gesamten Vorrichtungssystems.
Box-Type Komponenten: Gehäuse und Getriebe enthalten in der Regel mehrere zusammenhängende Ebenen, und durch Planfräsen werden einheitliche Bezugsflächen geschaffen, die Parallelität und Rechtwinkligkeit kontrollieren.
Große Plattenkomponenten: Große Platten neigen aufgrund von Eigenspannungen und Spannkräften zu Verformungen, und das Planfräsen spielt auch eine Rolle bei der Geometriestabilisierung.
Prozessparameter und Bearbeitungsstrategie beim Planfräsen
Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe: Diese drei Parameter müssen richtig aufeinander abgestimmt sein, damit ein gleichmäßiger Schnitt statt Reibung gewährleistet ist, andernfalls kommt es zu übermäßiger Hitzeentwicklung und instabilen Werkzeugstandzeiten.
Kletterndes Fräsen vs. konventionelles Fräsen: Auf CNC-Maschinen wird im Allgemeinen das Gleichlauffräsen bevorzugt, da es die Schnittkräfte reduziert, die Oberflächenqualität verbessert und die Werkzeugstandzeit verlängert.
Einstiegs- und Ausstiegsstrategie: Glatte Rampen oder Bögen beim Ein- und Austritt verringern die Stoßbelastung und verhindern das Absplittern der Einsätze.
Rundlauf des Fräsers und Konsistenz der Einsatzhöhe: Selbst kleine Abweichungen führen zu ungleichmäßiger Lastverteilung, schlechter Oberflächengüte und beschleunigtem Werkzeugverschleiß.
Stabilität von Werkzeugen und Spannvorrichtungen: Eine schlechte Einspannung kann leicht zu Verformungen und Ebenheitsfehlern führen, insbesondere bei großen oder dünnen Teilen.
Räumung von Spänen und Schutz der Oberfläche: Eine unzureichende Spankontrolle kann zu Kratzern auf der Oberfläche und zu Sekundärzerspanung führen, weshalb das Kühlmittel- oder Luftmanagement wichtig ist.
Allgemeine Probleme beim Planfräsen und technische Lösungen
Oberflächenwelligkeit und Vibration: In der Regel verursacht durch unzureichende Steifigkeit, übermäßigen Werkzeugüberstand oder instabile Schnittbelastung.
Absplittern des Einsatzes oder vorzeitiges Versagen: Dies hängt oft mit der falschen Einlagequalität, übermäßiger thermischer Belastung oder einer ungeeigneten Eintrittsstrategie zusammen.
Ebenheits- und Parallelitätsfehler: Häufig verursacht durch Verformung der Teile, instabile Spannvorrichtungen oder schlechte Referenzplanung.
Oberflächenkratzer und Verschmierungen: Typischerweise verursacht durch schlechte Spanabfuhr oder beschädigte Schneidkanten.
Andere mit dem Planfräsen verwandte Fräsprozesse
Schaftfräsen: Wird in erster Linie für Seitenwände, Taschen und Profile und nicht für große ebene Flächen verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Erzeugung von Konturen und der Bearbeitung dreidimensionaler Formen liegt.
Seitenfräsen: Wird für die Bearbeitung von vertikalen Flächen und Stufen verwendet, wobei die Fähigkeit zum Schneiden von Seitenkanten hervorgehoben wird, und wird oft mit dem Planfräsen kombiniert, um mehrflächige Teile zu fertigen.
Schlitzfräsen: Speziell für die Bearbeitung von Keilnuten, Nuten und Schlitzen, die eine hohe Werkzeugsteifigkeit und eine effiziente Spanabfuhr erfordern.
Profilfräsen: Wird hauptsächlich für komplexe Außenkonturen verwendet, bei denen die Genauigkeit des Werkzeugwegs wichtiger ist als die Abtragsleistung.
Taschenfräsen: Wird für die Innenbearbeitung von Hohlräumen verwendet und kombiniert in der Regel Schrupp- und Schlichtstrategien.
Hochgeschwindigkeitsfräsen: Legt den Schwerpunkt auf geringe Schnitttiefe, hohe Spindeldrehzahl und hohen Vorschub, wird oft zusammen mit dem Planfräsen bei der Aluminium- und Formenbearbeitung eingesetzt.
Trochoidales Fräsen: Verwendet spezielle Werkzeugwege, um die Schnittbelastung und die Wärmekonzentration in schwierigen Werkstoffen zu verringern, typischerweise in Schruppphasen.
Schlussfolgerung: Aufbau eines hocheffizienten und hochstabilen Planfrässystems
Ein robustes Planfrässystem ist das Ergebnis einer systematischen Integration von Werkzeugsystemen, Materialeigenschaften, Werkzeugmaschinenfähigkeiten, Prozessstrategien und standardisierten Arbeitsmethoden. Nur wenn man das Planfräsen als technisches System und nicht als einfachen Vorgang betrachtet, können die Hersteller eine vorhersehbare Qualität, eine stabile Produktivität und eine langfristige Kostenkontrolle erreichen.Wenn Sie mehr Details wissen möchten, wenden Sie sich bitte an Kontakt mit uns.
