Fertigungstechnik 1 Kapitel 8 Fertigungsverfahren Fräsen Sommersemester Bildquelle: VDW

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1 Kapitel 8 Fertigungsverfahren Fräsen Sommersemester 2016 Bildquelle: VDW

2 Vorlesungstermine Datum Inhalt Kapitel 1: Einführung Kapitel 2: Fertigungsmesstechnik und Werkstückqualität Kapitel 3: Schneide, Winkel und Bewegungen beim Zerspanen Kapitel 4: Zerspankraft, Leistung und Wirtschaftlichkeit beim Zerspanen Kapitel 5: Schneidstoffe, Beschichtungen und Kühlschmierung entfällt Kapitel 6: Fertigungsverfahren Drehen Kapitel 7: Fertigungsverfahren Bohren entfällt Kapitel 8: Fertigungsverfahren Fräsen Kapitel 9: Fertigungsverfahren Hobeln, Stoßen, Räumen Gastvortrag Daimler AG: Entwicklung eines Fertigungskonzeptes für ein Bauteil Kapitel 10: Fertigungsverfahren Schleifen, Honen, Läppen Kapitel 11: Fertigungsverfahren Erodieren, Abtragende Fertigungsverfahren

3 Inhalt des 8. Kapitels Fräsverfahren Fräswerkzeuge Fräsmaschinen NC-Programmierung von Fräsmaschinen Beispiel Fräsbearbeitung 3

4 Definition Fräsen A Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger, dem Werkzeug (meist mehrschneidig) zugeordneter, Schnittbewegung und mit senkrecht oder auch schräg zur Drehachse des Werkzeuges verlaufender Vorschubbewegung zur Erzeugung einer beliebigen Werkstückoberfläche. Vorschubbewegung (ausgeführt durch das Werkstück) Quelle: nach DIN ; Bildquelle: Sandvik, mod. Schnittbewegung (ausgeführt durch das Werkzeug) 4

5 Beispiel Fräsbearbeitung Quelle: Sandvik 5

6 Abgrenzung Drehen Bohren - Fräsen Längsdrehen Bohren Stirnfräsen A V c V c V f V f V c Schnittbewegung kreisförmig, durch das Werkstück kreisförmig, durch das Werkzeug Vorschubbewegung beliebig quer zur Drehachse des Werkstücks, durch das Werkzeug axial zur Drehachse des Werkzeugs, durch das Werkzeug senkrecht oder schräg zur Drehachse, durch das Werkzeug und / oder Werkstück Bildquelle: Sandvik 6

7 Unterscheidung der Fräsbearbeitung anhand der Lage der Schneiden A Fräsverfahren Umfangsfräsen Stirnfräsen Stirn-Umfangsfräsen Quelle: nach DIN ; Bildquelle: nach Paucksch, Zerspantechnik 7

8 Unterscheidung der Fräsbearbeitung anhand von Schnitt- und Vorschubbewegung A Gegenlauffräsen: Die Drehrichtung des Fräsers (Schnittbewegung) und die Werkstückbewegung (Vorschubbewegung) sind entgegen gerichtet Vor dem Eingriff gleitet die Schneide über das Werkstück Gleichlauffräsen: Die Drehrichtung des Fräsers (Schnittbewegung) und die Werkstückbewegung (Vorschubbewegung) sind gleichgerichtet Die Schneide dringt schlagartig in das Werkstück ein Vorschubbewegung Schnittbewegung Vorschubbewegung Schnittbewegung Quelle: nach DIN ; Bildquelle: Sandvik 8

9 A Unterteilung der Fräsverfahren nach DIN Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Hauptgruppe Trennen Fräsen Untergruppe 3: Fräsen Planfräsen Rundfräsen Schraubfräsen Wälzfräsen Profilfräsen Formfräsen vierte Stelle der Ordnungsnummer Merkmale der zu erzeugenden Flächengestalt fünfte Stelle der Ordnungsnummer Ordnungsgesichtspunkten Form der Vorschubbewegung Werkzeugmerkmale Quelle: DIN

10 A Planfräsverfahren nach DIN Planfräsen Fräsen mit geradliniger Vorschubbewegung zur Erzeugung ebener Flächen Flächengestalt Umfangs-Planfräsen Stirn-Planfräsen Stirn-Umfangs- Planfräsen Quelle: DIN

11 Rundfräsverfahren nach DIN A Rundfräsen Fräsen mit kreisförmiger Vorschubbewegung zur Erzeugung kreiszylindrischer Flächen Flächengestalt Rundfräsen (außen) Rundfräsen (innen) Rundfräsen ( Profil innen) Quelle: DIN

12 B Schraubfräsverfahren nach DIN Schraubfräsen Fräsen mit wendelförmiger Vorschubbewegung zur Erzeugung von schraubenförmigen Flächen Flächengestalt Langgewindefräsen Kurzgewindefräsen Quelle: DIN einprofiliger Gewindefräser Achse in Richtung der Gewindesteigung geneigt Vorschub Gewindesteigung mehrprofiliger Gewindefräser Achse parallel zur Werkstückachse Vorschub Gewindesteigung 12

13 B Wälzfräsverfahren nach DIN Wälzfräsen Fräsen, bei dem ein Fräswerkzeug mit Bezugsprofil eine mit der Vorschubbewegung simultane Wälzbewegung ausführt Flächengestalt Wälzfräsen Quelle: DIN

14 B Profilfräsverfahren nach DIN Profilfräsen Fräsen bei dem sich das Profil des Fräsers auf dem Werkstück abbildet Flächengestalt Längs- Profilfräsen Rund- Profilfräsen Form- Profilfräsen Profilfräsen mit Fräskette Geradlinige Vorschubbewegung Erzeugung gerader Profilflächen Kreisförmiger Vorschubbewegung Erzeugung rotationssymmetrischer Profilflächen Gesteuerte Vorschubbewegung Erzeugung profilierter Löcher Quelle: DIN

15 A Formfräsverfahren nach DIN Formfräsen Fräsen mit gesteuerter Vorschubbewegung Flächengestalt Freiformfräsen Nachformfräsen Kinematisch- Formfräsen NC- Formfräsen Vorschubbewegung von Hand frei gesteuert Bsp.: Gravieren von Hand Quelle: DIN Vorschubbewegung wird über Bezugsformstück gesteuert Bsp.: Gravieren mit Schablonen Vorschubbewegung wird über mechanisches Getriebe gesteuert Vorschubbewegung wird durch Daten gesteuert 15

16 Beispiel für eine 5-Achs NC-Formfräsbearbeitung 16

17 Beispiel verschiedener Fräsbearbeitungen Planfräsen eines Aluminium- Zylinderdeckels: Umfangsfräsen Stirn-Umfangsfräsen Fräser zum Nutenfräsen und Abstechen Bildquelle: Sandvik 17

18 Hauptnutzungszeit beim Umfangfräsen A L d Umfangs-Planfräsen: L = l + l s + l a + l ü Hauptnutzungszeit L i L i t h = = n f v f a e Standweg l s Quelle: Fischer l ü l ü l l L (Schlichten) L (Schruppen) a e l a l a l s l s d Stirn-Umfangs-Planfräsen: Schruppen L = l + l s + l a + l ü Schlichten L = l + 2 l s + l a + l ü l s = d ae a 2 e L f = T vf L Vorschubweg l Werkstücklänge l a Anlauf l ü Überlauf l s Anschnitt I Anzahl der Schritte f Vorschub je Umdrehung n Drehzahl V f Vorschubgeschwindigkeit T Standzeit a e Werkstückbreite d Fräserdurchmesser 18

19 Hauptnutzungszeit beim Stirn-Planfräsen Stirn- Planfräsen mittig: L = l + 0,5 d + la + lü ls l s = 0, 5 d 2 a 2 e Hauptnutzungszeit L i L i t h = = n f v f A Bildquelle: Europa Rechenbuch Metall Nutenfräsen: Einseitig offene Nut L = l 0,5 d + lü Geschlossene Nut L = l d i = t + la a L Vorschubweg l Werkstücklänge l a Anlauf l ü Überlauf l s Anschnitt i Anzahl der Schritte f Vorschub je Umdrehung n Drehzahl v f Vorschubgeschwindigkeit t Nuttiefe a e Werkstückbreite a Spanungstiefe d Fräserdurchmesser 19

20 Inhalt des 8. Kapitels Fräsverfahren Fräswerkzeuge Fräsmaschinen NC-Programmierung von Fräsmaschinen Beispiel Fräsbearbeitung 20

21 Einteilung der Fräswerkzeuge A Fräswerkzeuge Walzen- & Walzenstirn- Fräser Scheibenfräser Profilfräser Schaftfräser Fräsköpfe Auch als Ausführung mit Wendeschneidplatten möglich Quelle: Walter Quelle: Wabeco Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik Quelle: WNT 21

22 Walzen- und Walzenstirnfräser B Anordnung der Schneiden am Umfang (Walzenfräser) und zusätzlich an der Stirnseite (Walzenstirnfräser). d1 Walzenstirnfräser: Spanfläche Hauptschneide Hauptschneide Hohlschliff der Spanfläche Stirn- oder Nebenschneide Anmerkung: Nebenschneide Genormte Durchmesser mm, für Fräsbreiten >250 mm sind Walzenfräser koppelbar Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: l. Europa Verlag; m. maerklen 22

23 B Scheibenfräser Anordnung der Schneiden am Umfang, geradverzahnt oder kreuzverzahnt. Scheibenfräser geradverzahnt: Hauptschneide Scheibenfräser kreuzverzahnt: Nebenschneide Nebenschneide Hauptschneide Erzeugen (durch Nebenschneiden mit positivem Spanwinkel) gute Oberflächen an den gefrästen Seiten Anmerkung: Genormte Durchmesser mm, häufig mit WSP ausgestattet. Zur Profil- Bearbeitung werden Scheibenfräser zu einem Satzfräser zusammengesetzt. Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: m. Europa Verlag; r. Sandvik 23

24 Profilfräser B Profilfräser sind scheiben- oder walzenförmig, die gewünschte Form ist am Fräser als Negativ abgebildet. Profil der Verzahnung (umlaufende Nut) Zahnflankenwälzfräser: Spanfläche Formfräser ( Halbrund- Profile, Prismen, Winkel ) Hauptschneide Stollen Spannut P Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: l. Europa Verlag; m. ofischer; r. WFL Freifläche 24

25 A Schaftfräser Schaftfräser werden anhand des Einsatzzwecks unterschieden. Bohrnutenfräser: Schneiden auf der Stirnseite bis zur Mitte ausgebildet, meist zweischneidig Schaftfräser: Vier bis acht Schneiden, ungeeignet zum Eintauchen, da Schneiden auf der Stirnseite nicht bis zur Mitte Gesenkfräser: Schlanke Form, um Vertiefungen und Hinterschnitte zu erreichen Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: Europa Verlag 25

26 Fräsköpfe B Fräsköpfe sind mit radial oder tangential angeordneten WSP ausgestattet und werden insbesondere zum Stirnfräsen eingesetzt. Planfräser zur Schruppbearbeitung Plan- und Eckfräser Planfräser Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: Sandvik 26

27 Eigenschaften des Stirnfräsens A Vorteile gegenüber Umfangsfräsen - Einsatz von Wendeschneidplatten - leicht auszuwechselnde Schneiden - kein Nachschleifen der Schneiden nötig - größeres Zeitspanvolumen möglich - bessere Kühlung - gleichmäßigerer Schnitt Nachteile gegenüber Umfangsfräsen - stabilere Werkzeuge und Spindeln nötig - stärkere Antriebe notwendig Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: Sandvik 27

28 Fräswerkzeuge mit Wendeschneidplatten Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik; Bildquelle: Europa Verlag 28

29 Überlagerung von Kräften bei Eingriff mehrerer Schneiden Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik 29

30 Überlagerung von Kräften bei Eingriff mehrerer Schneiden Schnittkraft Fc F c F cg F cgm F c Fc F c Schneiden im Eingriff ze z e = 2 z e = 1 z e = 2 z e = 2 z e = 1 Quelle: nach Paucksch, Zerspantechnik 30

31 Inhalt des 8. Kapitels Fräsverfahren Fräswerkzeuge Fräsmaschinen NC-Programmierung von Fräsmaschinen Beispiel Fräsbearbeitung 31

32 Fräsmaschinen A Universal Konsol-Fräsmaschine Bearbeitungszentrum d b a a e b Bildquelle: Milberg a: Ständer b: Schlitten c: Bett d: Tisch e: Grundplatte c d 32

33 Schematischer Aufbau einer Fräsmaschine 1. Maschinenbett 2. Maschinenständer (Z-Achse) 3. Hauptspindelmotor 4. Getriebe 5. Spindelträger (Y-Achse) 6. Rundschalttisch (X-Achse) 7. Palettenwechsler 8. Werkzeugwechsler und Magazin Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2 33

34 Einteilung von Fräsmaschinen A Fräsmaschinen werden anhand der Lage der Werkzeugspindel in horizontale und vertikale Fräsmaschinen unterschieden. Horizontale Fräsmaschine Vertikale Fräsmaschine Werkzeugspindel Quelle: nach Weck; Bildquelle: Starrag 34

35 Bauformen horizontaler Fräsmaschinen B Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2 35

36 Bauformen vertikaler Fräsmaschinen B Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2 36

37 Beispiel einer horizontalen Bettfräsmaschine (Kreuztischbauweise) Einsatzbereiche Schwere Werkstücke Vorteile hohe statische und dynamische Steifigkeit Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2; Bildquelle: Starrag 37

38 Beispiel einer vertikalen Bettfräsmaschine (Fahrständerbauweise) Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2; Bildquelle: Starrag 38

39 Beispiel einer vertikalen Portalfräsmaschine (Gantrybauweise) Einsatzbereiche für höhere Zerspanleistung bei großflächigen Werkstücken Vorteile Maschine muss nur so lang sein, wie das längste zu bearbeitende Werkstück bzw. die Aufspannplatte besonders stabil Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2; Bildquelle: Starrag 39

40 Beispiel einer horizontalen Bettfräsmaschine (Kreuzbettbauweise + Dreh- und Schwenktisch) Quelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2; Bildquelle: Starrag 40

41 Mehrspindelsysteme Doppelspindel-Fräsmaschine Merkmale: Parallelbearbeitung von zwei Werkstücken Einzelne Spindeln sind separat ansteuerbar Sehr gut seriengeeignet B Quelle: Scope-online Vergleich zu konventioneller Fräsmaschine: Betrieb teurer Höhere Produktivität (bis 2x) Geringere Genauigkeit Geringere Prozesssicherheit 41

42 Inhalt des 8. Kapitels Fräsverfahren Fräswerkzeuge Fräsmaschinen NC-Programmierung von Fräsmaschinen Beispiel Fräsbearbeitung 42

43 B Koordinatenachsen und Bezugspunkte beim Fräsen Vertikale Fräsmaschine in Konsolständerbauweise: Referenzpunkt R Y Werkzeugträger- Bezugspunkt T T Arbeitsraum W R Z Y + M Z + X + X Werkstücknullpunkt W Maschinennullpunkt M Bildquelle: nach Weck, Werkzeugmaschinen 2 43

44 Programm- und Satzaufbau eines CNC-Programms für Fräsmaschinen B Programmaufbau % N1 G90 M04 N2 G96 F0,2 S N100 M30 Programm-Anfang CNC-Sätze Programm-Ende Satzaufbau Weginformationen Technologische Informationen Quelle: nach Braun; DIN Satznummer Wegbedingung X-Koordinate des Zielpunktes Y-Koordinate des Zielpunktes Z- Koordinate des Zielpunktes Vorschub Drehzahl Werkzeugnummer Kühlmittel ein N 10 G 01 X 30 Y 20 Z -5 F 150 S 900 T 01 M 07 44

45 Adressbuchstaben und Befehle für CNC-Programme (Auswahl) Adressbuchstaben und Sonderzeichen Wegbedingungen Zusatzfunktionen D Werkzeugkorrekturspeicher G00 Positionieren im Eilgang M00 Programmierter Halt F Vorschub G01 Geraden-Interpolation M03 Spindel im Uhrzeigersinn G Wegbedingung G02 Kreis-Interp. im Uhrzeigersinn M04 Spindel entgegen Uhrzeiger I Interpolationsp. X-Achse G03 Kreis-Interp. gegen Uhrzeigersinn M05 Spindel halt J Interpolationsp. Y-Achse G17 Ebenenauswahl XY M06 Werkzeugwechsel K Interpolationsp. Z-Achse G18 Ebenenauswahl ZX M08 Kühlschmiermittel ein M Zusatzfunktionen G19 Ebenenauswahl YZ M09 Kühlschmiermittel aus N Satznummer G33 Gewindeschneiden M10 Werkstück klemmen S Spindeldrehzahl G41 Werkzeugbahnkorrektur, links M11 Werkstück lösen T Werkzeug G42 Werkzeugbahnkorrektur, rechts M19 Definierter Spindelhalt X Bewegung in X-Richtung G79 Zyklus aufrufen M30 Programmende und Rücksetzen Y Bewegung in Y-Richtung G90 absolute Maßangaben M34 Spanndruck normal Z Bewegung in Z- Richtung G91 inkrementale Maßangaben M35 Spanndruck reduziert % Programmanfang G98 Grafikfenster definieren M60 Werkstückwechsel Quelle: nach Fischer; DIN

46 Beispiel für ein NC-Fräsprogramm Quelle: nach Heisel, Handbuch Spanen 46

47 I20 J20 Beispiel für ein NC-Fräsprogramm Fahrweg bezogen auf Fräsermittelpunkt P5 P4 P3 P1 P2 Z + 10 P1 P2 P3 Fräser Ø20 mm I10 Y + X + Quelle: nach Heisel, Handbuch Spanen P4 P5 P1 G42: Werkzeugbahnkor. rechts G90: absolute Bemaßung G91: inkrementelle Bemaßung 47

48 Inhalt des 8. Kapitels Fräsverfahren Fräswerkzeuge Fräsmaschinen NC-Programmierung von Fräsmaschinen Beispiel Fräsbearbeitung 48

49 Beispiel-Werkstück : Stirn-Planfräsen 2: Stirn-Planfräsen 3: Längs-Profilfräsen 4: Stirnumfangs-Planfräsen 5: NC-Formfräsen 6: Längs-Profilfräsen 7: NC-Formfräsen Rohteil- Kontur Quelle: nach Schönherr 49

50 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 1: Stirn-Planfräsen mittels Fräskopf (Planfräser) Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 50

51 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 2: Stirn-Planfräsen mittels Fräskopf (Plan- und Eckfräser) Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 51

52 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 3: Längs-Profilfräsen mittels Scheibenfräser (schrägverzahnt) Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 52

53 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 4: Stirnumfangs-Planfräsen mittels Schaftfräser (Bohrnutenfräser) Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 53

54 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 5: NC-Formfräsen mittels Radiusfräser Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 54

55 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 6: Längs-Profilfräsen mittels Fasenfräser Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 55

56 Beispiel-Werkstück Bearbeitungsschritt 7: NC-Formfräsen mittels Walzenstirnfräser Schraubstock Einspannung Quelle: nach Schönherr 56

57 Lernziele des Kapitels Sie können die Verfahren Drehen, Bohren und Fräsen von einander abgrenzen. Sie kennen die Unterscheidung / Einteilung der Fräsverfahren und können Vertreter der einzelnen Hauptgruppen nennen. Sie kennen die verschiedenen Bauarten von Fräswerkzeugen und deren Anwendungsspektrum. Die kennen die verschiedenen Fräsmaschinenarten, deren wichtigste Komponenten und können Einsatzbereiche / Vorteile benennen. 57

58 Übungsaufgabe 1: Stirn-Umfangs-Planfräsen Führungsleiste: Der Absatz 50x8 mm wird in einem Schnitt geschlichtet. Der eingesetzte Fräser hat einen Durchmesser von d= 80 mm und z= 8 Schneiden. Berechnen Sie bei einer Schnittgeschwindigkeit v c = 25 m/min und einem Vorschub f z = 0,08 mm je Schneide a) die Drehzahl n bei stufenloser Drehzahleinstellung b) die Vorschubgeschwindigkeit v f c) den Vorschubweg L bei l a =l ü = 1,2 mm d) die Hauptnutzungszeit t h für 15 Führungsleisten Lösungen: a) Drehzahl n= 99,5 1/min b) Vorschubgeschwindigkeit v f = 63,68 mm/min c) Vorschubweg L= 339,86 mm d) Hauptnutzungszeit t h = 80,05 min 58

59 Übungsaufgabe 2: Stirnfräsen mittig Maschinentisch: Die Aufspannfläche einer Fräsmaschine aus GJL-200 wird mit einem Schnitt gefräst. Der verwendete Planfräser hat einen Durchmesser von d= 315 mm und z= 20 Schneiden. Berechnen Sie bei einer Schnittgeschwindigkeit v c = 80 m/min und einem Vorschub f z = 0,15 mm je Schneide a) die Drehzahl n bei stufenloser Drehzahleinstellung b) die Vorschubgeschwindigkeit v f c) den Vorschubweg L bei l a +l ü = 2,5 mm d) die Hauptnutzungszeit t h Lösungen: a) Drehzahl n= 81 1/min b) Vorschubgeschwindigkeit v f = 243 mm/min c) Vorschubweg L= 1094,9 mm d) Hauptnutzungszeit t h = 4,51 min 59