Inhaltsverzeichnis: 1. Die Geschichte der modernen Werkzeugmaschinen 2. Allgemeines über Werkzeugmaschinen 3. Allgemeines übers Fräsen 4. Übersicht der Fräsverfahren 4.1 Fräsverfahren, die nach der Arbeitsweise des Fräsers benannt sind 4.2 Fräsverfahren, die nach der Form des Werkstückes benannt sind 4.3 Fräsverfahren, die nach der Vorschubrichtung des Fräsers benannt sind 5. Fräswerkzeuge 6. Winkel an der Frässchneide 7. Übersicht der Fräsmaschinen 7.1 Konsolfräsmaschinen 7.2 Bettfräsmaschine 7.3 Langfräsmaschine 7.4 Universalfräsmaschine 7.5 Waagrecht- Bohr- und Fräsmaschine 8. (Zusatz) Kräfte am Werkzeug 9. Quellennachweiß 1.Geschichtliches Allgemeines Die Geschichte der modernen Werkzeugmaschinen begann etwa 1775, als der englische Erfinder John Wilkinson eine Horizontalbohrmaschine für die Bearbeitung der Innenflächen von zylindrischen Teilen baute. Etwa 1794 entwickelte Henry Maudslay die erste Leitspindeldrehbank. Später beschleunigte Joseph Whitworth die weitere Verbreitung der Werkzeugmaschinen von Wilkinson und Maudslay dadurch, dass er 1830 Messinstrumente erfand, mit denen man auf einen Millionstel Zoll genau messen konnte. Seine Arbeit war deshalb so wertvoll, weil für die spätere Massenproduktion von Geräten mit austauschbaren Teilen genaue Messverfahren unerlässlich waren. Die frühesten Versuche, austauschbare Teile herzustellen, fanden fast gleichzeitig in Europa und den USA statt. Für diese Versuche wurden in erster Linie Koordinatenfeilanlagen eingesetzt, mit denen man per Hand Teile mit im Wesentlichen identischen Abmessungen herstellen konnte. Das erste tatsächliche Massenproduktionsverfahren geht aber auf den amerikanischen Erfinder Eli Whitney zurück, der 1798 einen Regierungsauftrag zur Produktion von 10 000 Armeegewehren, deren Teile austauschbar sein mussten, erhielt.
Während des 19. Jahrhunderts erreichte man mit gewöhnlichen Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen, Stoßmaschinen, Hobelmaschinen, Schleifmaschinen und Sägen sowie mit Fräs-, Räum- und Bohrmaschinen bereits eine vergleichsweise hohe Maßgenauigkeit. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden größere Werkzeugmaschinen gebaut und zudem ihre Genauigkeit erhöht. Nach 1920 spezialisierte sich der Anwendungsbereich einzelner Werkzeugmaschinen. Von 1930 bis 1950 baute man leistungsfähigere und stabilere Werkzeugmaschinen, um den inzwischen verfügbaren verbesserten Schneidstoffen Rechnung zu tragen. Diese spezialisierten Werkzeugmaschinen ermöglichten eine sehr kostengünstige Herstellung normierter Teile. Allerdings waren diese Maschinen wenig anpassungsfähig, und sie konnten nicht auf die Produktion verschiedenartiger Teile oder auf geänderte Normen umgestellt werden. Daher entwickelte man Werkzeugmaschinen, die äußerst flexibel und genau sind und an eine Steuerung mittels Computer angepasst wurden. Dadurch können auch komplex gestaltete Produkte kostengünstig hergestellt werden. Solche Maschinen sind inzwischen überall in Gebrauch. 2. Allgemein Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen sind fest installierte Arbeitsmaschinen mit Kraftantrieb, mit denen man Werkstücke aus festen Materialien (z. B. Metall) zu verschiedenen Produkten verarbeitet. Die Formgebung erfolgt, indem mit Hilfe eines auf der Maschine angebrachten Werkzeugs Material vom Werkstück abgetragen (z.b. Fräsen) oder es in die gewünschte Form gepresst wird. Entscheidend bei der Fertigung sind die gegenseitige Führung von Werkstück und Werkzeug( Richtung in der ich fräsen darf), sowie die Geschwindigkeit und die Richtung, mit der beide während der Bearbeitung zueinander bewegt werden (Winkel wie man fräsen darf). Werkzeugmaschinen bilden die Grundlage der modernen Industrie und werden zur Herstellung von Maschinenoder Werkzeugteilen eingesetzt. Es gibt verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen, wobei man nach den Fertigungsverfahren in umformende, in trennende und in fügende Maschinen unterscheidet. Mit spanenden Werkzeugmaschinen formt man beispielsweise Werkstücke, indem das überschüssige Material in Form von Spänen abgetragen wird (Fräsen). Bei Pressen gibt es eine Reihe unterschiedlicher Formungsverfahren, darunter Schubverformung, Pressen und Ziehen (Dehnen). Neuartige Werkzeugmaschinen verwenden Strahlungs-, elektrische, chemische und Schallenergie, überhitzte Gase und hochenergetische Teilchenstrahlen zur Bearbeitung von ungewöhnlichen Materialien und Legierungen. 3. Allgemeines übers Fräsen Fräsen ist ein Zerspanungsverfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Drehachse liegender Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück, unabhängig von der Vorschubbewegung, bei. Das Fräsen erfolgt mit mehrschneidigen Werkzeugen, und ist gekennzeichnet durch eine diskontinuierliche Spanabnahme (rhythmisch wiederkehrende Spanunterbrechung und Schnittkraftschwankung). Die rotierende Hauptbewegung wird vom Werkzeug ausgeführt.
Fräsverfahren werden nach DIN 8589, Teil 3, in Plan-, Rund-, Schraub-, Wälz-, Profil-, und Formfräsen unterteilt. Dies verdeutlicht auch das Bild 4-70 hervorragend. 4. Übersicht der Fräsverfahren Im Allgemeinen werden die Fräsverfahren wie folgt benannt: Fräsverfahren, die nach der Arbeitsweise des Fräsers benannt sind: - Walzenfräsen - Stirnfräsen - Formfräsen Fräsverfahren, die nach der Form des Werkstücks benannt sind: Fräsverfahren, die nach der Vorschubrichtung des Fräsers benannt sind: 4.1. Verfahren, die nach der Arbeitsweise des Fräsers benannt sind: a.) Walzfräsen (Abb. 3) Beim Walzfräsen liegt die Fräsachse parallel zur bearbeiteten Fläche des Werkstücks. Der Fräser arbeitet nur mit den Umfangsschneiden. Durch den ungleichmäßigen Span ist die Belastung von Werkzeug und Maschinen ebenfalls ungleichmäßig. b.) Stirnfräsen (Abb. 4) Abb. 3: Walzfräsen Beim Stirnfräsen steht die Fräserachse senkrecht zur bearbeiteten Fläche des Werkstücks. Die Schneiden des Fräsers befinden sich sowohl am Umfang, als auch auf der Stirnseite des Werkzeugs. Der Fräser zerspant den Werkstoff nur mit dem Umfangsschneiden, während die Stirnschneiden die bearbeitete Fläche glattschaben. Das Stirnfräsen wird zur Erzeugung ebener Flächen eingesetzt. Beim Stirnfräsen kommt es zum gleichzeitigen Gegen- und Gleichlauffräsen. Bei Abb. Werkzeug-Maschinen, 4: Stirnfräsen die nicht zum Gleichlauffräsen geeignet sind, muß der Gleichlaufwinkel α kleiner sein als der Gegenlaufwinkel β. (Abb. 5)
Abb. 5: Gleichzeitiges Gleich- und Gegenlauffräsen beim Stirnfräsen c.) Formfräsen Verfahren zur Herstellung spezieller Oberflächen a.) Satzfräsen zur gleichzeitigen Bearbeitung des Werkstücks an mehreren Flächen (wirtschaftliches Verfahren) (Abb. 6). Abb. 6: Satzfräser (6-teilig) 1 Zwischenringe 2 Umfangsfräser 3 kreuzverzahnter Scheibenfräser 4 Umfangsfräser 5 Winkelfräser 6 Fräsdorn b.) Profilfräsen zur Herstellung spezieller Profile (z. B. Führungen,..) (Abb. 7) Abb. 7: Profilfräser c.) Nutenfräsen: Tauchfräsen mit Schaftfräser (nur bei geringer Nuttiefe, ungenau, keine exakte gerade Nut). (Abb. 8) Schrittfräsen mit Schaftfräser (seitlich stufenförmige Oberfläche) (Abb. 9)
Walzenfräsen mit Scheibenfräser (Abb. 10) Abb. 8: Tauchfräsen Abb. 9: Schrittfräsen Abb. 10: Nutenfräsen d.) Drehfräsen: Keine aufwendige Steuerung notwendig; geeignet für robuste Werkzeug-Maschinen. Nach einer Werkstückumdrehung fertig. wirtschaftliches Verfahren. 4.2. Verfahren, die nach der Form des Werkstücks benannt sind: Erzeugen ebener Flächen Abb. 11: Erzeugen ebener Flächen 1.) Umfangstirnfräsen 2.)Umfangstirnplanfräsen Erzeugung von Schraubenflächen Die Schraubenfläche wird durch gleichzeitige Dreh- und Längsvorschubbewegung des Werkstücks erzeugt. Für die Erzeugung von Lang- oder Kurzgewinde können ein- oder mehrschneidige Fräser verwendet werden. Abb. 12: Erzeugen von Schraubenflächen A: mit Scheibenfräser B: mit Nutenfräser Nachformfräsen - Kopierfräsen
Außer einem zylindrischen Werkzeug kann auch ein profiliertes Werkzeug verwendet werden. Wichtig ist, daß der Durchmesser des Nachformfühlers dem mittleren Arbeitsdruchmesser des Werkzeugs entspricht. Abb. 13: Nachform - Raumfräsen 4.3. Fräsverfahren, die nach der Vorschubrichtung des Fräsers benannt sind: - Gegenlauffräsen: Vorschubrichtung des Werkstücks und Drehsinn des Fräsers sind entgegengerichtet. (Abb. 1) - Gleichlauffräsen Vorschub des Werkstücks und Drehsinn des Fräsers sind gleichgerichtet. (Abb. 2) Abb. 1: Gegenlauffräsen A
5. Fräswerkzeuge Fräswerkzeuge sind nicht nach einheitlichen Gesichtspunkten unterteilt. Je nach konstruktions- und anwendungsbezogenen Merkmalen unterscheidet man unter anderen: - Walzenfräser - Walzenstirnfräser - Scheibenfräser - Prismenfräser - Winkelstirnfräser - Halbkreisfräser - Messerköpfe - Kreissägewerkzeuge - Schaftfräser - Langlochfräser - Schlitzfräser - T-Nutenfräser - Wälzfräser - Gewindefräser - Satzfräser Die Folie zeigt, dass grundsätzlich vier verschiedene Fräswerkzeugtypen definiert werden können. Demnach lassen sich die hauptsächlich angewendeten Fräswerkzeuge in - Umfangs-, - Stirn-, - Profil-, - Formfräser Unterscheiden/teilen. Außer den Fräswerkzeugen aus Schnellarbeitsstahl werden zunehmend Hartmetallwerkzeuge angewendet. Um Fräsen von Gusswerkstoffen werden inzwischen auch Wendeschneidplatten aus weiniger stoßempfindlichen Mischkeramiksorten häufiger eingesetzt. Bei der Bearbeitung von Nichteisenmetallen können Schneidplatten aus polykristallinem Diamant erfolgreich verwendet werden, während Schneidplatten aus polykistallinem Bornitrid beim fräsen von schwerzerspanbaren Eisenwerkstoffen eine wirtschaftliche Fertigungsalternative bieten. Während bereits seit Jahren die Anwendung der Walzen- und Scheibenfräser aus Werkzeugstahl in Folge des Einsatzes von Hartmetall- bestückten Messerköpfen wesentlich zurückgegangen ist, werden nun auch die Profilfräser mit gelötet und, zum Teil sogar geklemmt, Hartmetall-Wendeschneideplättchen bestückt höhere Standzeit, kein Nachschleifen. 6. Winkel an der Fräserschneide Wie bei den anderen Werkzeugen in der spanenden Bearbeitung, kann auch beim Fräsen zwischen Frei-, Keil- und Spanwinkel unterschieden werden. Die Größe der Winkel hängt von der jeweiligen Werkzeug/Werkstück-Kombination ab. (Abb. 14)
Abb. 14: Winkel am Fräser α (Freiwinkel) β (Keilwinkel) γ (Spanwinkel) 7. Übersicht der Fräsmaschinen Fräsmaschinen dienen der spanenden Bearbeitung mit umlaufenden, ein- oder mehrschneidigen Werkzeugen. Durch die Zahneingriffverhältnisse entstehen nach Größe und Richtung sich fortwährend ändernde Zerspankräfte. Daher sind Fräsmaschinen hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt. Das schwächste Element im Kraftfluß zwischen Maschine, Werkzeug, Werkstück und Spannvorrichtung bestimmt die bei der Bearbeitung eines Werkstückes anwendbaren Zerspanbedingungen. Die Erzeugung winkeliger, ebener und formtreu gewölbter Schnittflächen, sowie eine gute Wiederholgenauigkeit beim Positionieren erfordern hohe geometrische Genauigkeit und Spielfreiheit der Führungen und Vorschubantriebe. Wegen der Vielfältigkeit der Bearbeitungsaufgaben gibt es viele unterschiedliche Bauarten von Fräsmaschinen. Je nach Bauformen gibt es: Konsolfräsmaschinen Bettfräsmaschinen Langfräsmaschinen, Bohr- und Fräswerke, Planfräsmaschinen Universalfräsmaschinen Rundtisch-Fräsmaschinen Nachformfräsmaschinen NC-Fräsmaschinen Vielspindelige Fräsmaschinen Sonderfräsmaschinen
8. Kräfte am Werkzeug Die am Fräser wirksamen Kräfte setzen sich aus den Einzelkräften, der mit dem Werkstück im Eingriff befindlichen Zähne zusammen. Sie sind weder nach der Größe, noch nach der Richtung konstant, sondern pulsieren zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert. Mittlere Zerspankraft eines Fräserzahnes: F1mz F1ms = b. hm. ks. K Anzahl der Zähne im Eingriff: z e ϕs[ rad] ϕs [ grad] =. z =. z 2p 360 Mittlere Zerspankraft des Fräsers: ϕs mz mz E m s F = F1. z = b. h. k.. 2p z. K mit K = Kγ. K v. K st. Kver 9. Quellennachweiß 1.Buch: Fertigungstechnik 5. Auflage Springer Verlag A.Herbert, Günter Schulze (Hrsg.) 2. Buch Fachkunde Metall 51. Auflage Europa Lehrmittel 3.Grundkenntnisse Metall 2. Auflage Handwerk und Technik Hamburg 4. Internet Suchbegriff bei Google