Planfräsen Vs. Schulterfräsen Vs. Profilfräsen Vs. Eilgangfräsen: Ein umfassender Vergleich und Werkzeugleitfaden

Einführung

Fräsen ist ein Eckpfeiler der Metallbearbeitung und ermöglicht die Herstellung präziser Komponenten in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Formenbau. Dieser Artikel vergleicht vier gängige Frästechniken -Stirnfräsen, Schulterfräsung, Profilfräsenund Fräsen mit schnellem Vorschub-Der Schwerpunkt liegt auf ihren Eigenschaften, Anwendungen, Bearbeitungsparametern und geeigneten Werkzeugen. Durch die Untersuchung der spezifischen Parameter und der auf dem Markt erhältlichen Werkzeuge soll dieser Leitfaden Fachleuten bei der Auswahl der optimalen Frässtrategie für ihre Bedürfnisse helfen.

Planfräsen

Definition und Grundsätze

Planfräsen wird ein Vielzahn-Planfräser verwendet, um ebene Flächen zu erzeugen, wobei die Drehachse des Fräsers senkrecht zum Werkstück steht. Es zeichnet sich durch die Herstellung großer, glatter Flächen mit hoher Effizienz aus.

Technische Merkmale

• Schnittrichtung: Senkrecht zur Werkstückoberfläche, wobei die Schnittkräfte hauptsächlich in der Z-Achse wirken.
• Effizienz bei der Bearbeitung: Hohe Zerspanungsleistung (MRR) durch große Durchmesser und Vielzahnfräser.
• Qualität der Oberfläche: Erzielt eine niedrige Oberflächenrauheit (Ra 0,8-3,2 μm), ideal für das Vorschlichten und Schlichten.
• Werkzeug-Typen: Planfräser mit großem Durchmesser und Fräseinsätze.

Typische Bearbeitungsparameter

Hinweis: Die Parameter gehen von einem Fräser mit 50 mm Durchmesser und 4-6 Zähnen aus, der im Nassschnitt eingesetzt wird.

Gemeinsame Werkzeuge

• Wendeschneidplatten:
  • Sandvik Coromant: R245-12T3 (45° Steigungswinkel, vielseitig für Stahl und Gusseisen).
  • Kennametal: SEKN1203AFTN (quadratischer Einsatz, robust für Edelstahl).
  • MAPAL: SPKN1204EDR (mit Abstreifkante, hervorragende Oberflächengüte für Aluminium).
• Vollhartmetall/Werkzeuge aus Vollmaterial:
  • Kennametal: KSSM 45° Planfräser (unterstützt APKT1604-Wendeplatten, ideal zum Schruppen).
  • Tormach: 38mm Shell Mill (wirtschaftlich, geeignet für Stahl und Aluminium).
• Werkzeug-Merkmale: Mehrzahnkonstruktion für gleichmäßige Schnittkräfte, unterstützt hohe Vorschubgeschwindigkeiten (fz 0,08-0,3 mm/z).

Anwendungen

• Oberflächenglättung von Guss- und Schmiedeteilen (z. B. Werkzeugmaschinenbetten).
• Große ebene Flächen in Windkraftanlagen oder Schiffskomponenten.
• Teile, die eine hohe Ebenheit und Oberflächengüte erfordern.

Vorteile und Benachteiligungen

• Vorteile: Hoher Wirkungsgrad, hervorragende Oberflächenqualität, geeignet für Großserienproduktion.
• Benachteiligungen: Begrenzte Anpassungsfähigkeit für komplexe Geometrien.

Schulterfräsen

Definition und Grundsätze

Schultern fräsen verwendet Schaftfräser oder Planfräser zur Bearbeitung von vertikalen Wänden und horizontalen Böden und formt rechtwinklige oder nahezu rechtwinklige Merkmale mit hoher Präzision.

Technische Merkmale

• Schnittrichtung: Multiaxial (X, Y, Z), geeignet für rechtwinklige Geometrien.
• Präzision in der Bearbeitung: Enge Toleranzen (±0,01 mm) für rechtwinklige Merkmale.
• Anforderungen an die Werkzeugsteifigkeit: Hoch aufgrund der hohen Schnittkräfte.
• Werkzeug-Typen: Schaftfräser mit quadratischem Querschnitt oder Wendeplattenfräser.

Typische Bearbeitungsparameter

Hinweis: Die Parameter gehen von einem Fräser mit 20 mm Durchmesser und 4 Zähnen aus, trocken oder mit Minimalmengenschmierung (MMS).

Gemeinsame Werkzeuge

• Wendeschneidplatten:
  • Sandvik Coromant: R390-11T308 (90° Steigungswinkel, ideal für Stahl und Edelstahl).
  • Kennametal: APKT11T308 (vielseitig für Aluminium und Stahl).
  • Ingersoll: LNMT110408 (hochfest für Werkzeugstahl).
• Vollhartmetall-Schaftfräser:
  • Kennametal: HARVI I TE (4-6 Schneiden, leistungsstark für Edelstahl und Titan).
  • MAPAL: OptiMill-Schulter (3-5 Schneiden, geeignet für Stahl und Gusseisen).
• Werkzeug-Merkmale: 90° Schnittwinkel, geringe Schnittbreite (ae 0,2-2 mm), robust für hochpräzise Merkmale.

Anwendungen

• Kavitäten mit rechtwinkligen Merkmalen.
• Schlitze, Stufen oder Seitenwände in mechanischen Bauteilen.
• Getriebegehäuse, die präzise rechtwinklige Strukturen erfordern.

Vorteile und Benachteiligungen

• Vorteile: Hohe Präzision, geeignet für komplexe rechtwinklige Geometrien.
• Benachteiligungen: Hohe Schnittkräfte, schneller Werkzeugverschleiß, mäßiger Wirkungsgrad.

Profilfräsen

Definition und Grundsätze

Profilfräsen fräst entlang der Außen- oder Innenkonturen eines Werkstücks, ideal für komplexe 3D-Oberflächen oder Profile. Die CNC-Programmierung sorgt für präzise Werkzeugwege.

Technische Merkmale

• Schneidepfad: Komplex, erfordert CAM-Software für genaue CNC-Programme.
• Präzision in der Bearbeitung: Hohe geometrische Genauigkeit (±0,005 mm), geeignet für komplizierte Oberflächen.
• Effizienz bei der Bearbeitung: Geringer aufgrund komplexer Pfade, ideal für Kleinserienproduktion.
• Werkzeug-Typen: Kugelfräser oder Radiusfräser, runde Wendeschneidplatten.

Typische Bearbeitungsparameter

Hinweis: Die Parameter gehen von einem 10-mm-Kugelfräser mit 2-4 Schneiden aus, Nassschnitt, hochpräzise CNC.

Gemeinsame Werkzeuge

• Wendeschneidplatten:
  • Sandvik Coromant: RCMT10T3MO (runde Wendeschneidplatte, geeignet zum Schruppen von gekrümmten Oberflächen).
  • Kennametal: RDMT1204MO (vielseitig für Stahl und Titan).
  • MAPAL: RDMX1003 (hohe Präzision für Materialien der Luft- und Raumfahrt).
• Vollhartmetall-Schaftfräser:
  • Kennametal: HARVI III Ball Nose (2-4 Schneiden, ideal für Titan und Verbundwerkstoffe).
  • Sandvik Coromant: CoroMill Plura Ball Nose (hohe Präzision für Formoberflächen).
• Werkzeug-Merkmale: Runde oder kugelförmige Schneiden reduzieren die Schnittkräfte, geeignet für die mehrachsige Bearbeitung.

Anwendungen

• Bauteile für die Luft- und Raumfahrt (z. B. Turbinenschaufeln).
• Komplexe Formhohlräume und gekrümmte Oberflächen.
• Medizinische Implantate (z. B. orthopädische Komponenten).

Vorteile und Benachteiligungen

• Vorteile: Hohe Flexibilität für komplexe 3D-Formen, hervorragende Präzision.
• Benachteiligungen: Komplexe Programmierung, geringere Effizienz, hohe Anforderungen an Werkzeuge und Maschinen.

Schnelles Vorschubfräsen

Definition und Grundsätze

Fräsen mit schnellem Vorschub (auch bekannt als Hochvorschubfräsen) verwendet hohe Vorschubgeschwindigkeiten und geringe Schnitttiefen, um den Materialabtrag zu maximieren, ideal zum Schruppen harter Materialien.

Technische Merkmale

• Schnittparameter: Hohe Vorschubgeschwindigkeiten (Vf 4000-12000 mm/min), geringe Tiefen (ap <1 mm).
• Effizienz bei der Bearbeitung: Extrem hohe MRR (>100 cm³/min), geeignet für das Schruppen von großen Mengen.
• Lebensdauer der Werkzeuge: Erweitert durch geringe Schnittkräfte und optimierte Wärmeverteilung.
• Werkzeug-Typen: Spezielle Hochvorschubfräser mit speziellen Wendeplattengeometrien.

Typische Bearbeitungsparameter

Hinweis: Die Parameter gehen von einem Fräser mit 25 mm Durchmesser und 4 Zähnen, trocken oder MMS, Hochleistungsspindel aus.

Gemeinsame Werkzeuge

• Wendeschneidplatten:
  • Sandvik Coromant: HNGX06 (kleiner Steigungswinkel, optimiert für hohen Vorschub).
  • Kennametal: SDMT1204 (robust für Werkzeugstahl).
  • Ingersoll: HNGJ0905 (geringe Schnittkräfte für Titan).
• Vollhartmetall-Schaftfräser:
  • Kennametal: Fräser 4-11 High Feed (4 Schneiden, geeignet für Stahl und rostfreien Stahl).
  • MAPAL: OptiMill-HighFeed (3-5 Schneiden, ideal für harte Materialien).
• Werkzeug-Merkmale: Kleine Steigungswinkel (10-15°), Spanverdünnungseffekt, unterstützt hohe Vorschübe (fz 0,4-1,5 mm/z).

Anwendungen

• Schruppen von Werkzeugstahl oder Titanlegierungen.
• Schneller Materialabtrag in Automobilformen oder Strukturen der Luft- und Raumfahrt.
• Hocheffizientes Schruppen vor der Schlichtbearbeitung.

Vorteile und Benachteiligungen

• Vorteile: Außergewöhnliche Effizienz, lange Standzeiten, ideal für harte Materialien.
• Benachteiligungen: Schlechte Oberflächenqualität (Ra 6,3-12,5 μm), erfordert Nachbearbeitung.

Vergleichende Analyse

Technische Parameter

Effizienz bei der Bearbeitung

• Materialabtragsrate: An erster Stelle steht das Fräsen mit schnellem Vorschub (>100 cm³/min), gefolgt vom Planfräsen und darunter das Schulter- und Profilfräsen.
• Bearbeitungszeit: Eilgangfräsen ist am schnellsten, Profilfräsen am langsamsten.

Oberflächenqualität und Präzision

• Oberflächenrauhigkeit: Planfräsen am besten (Ra 0,8-3,2 μm), Schulterfräsen am nächsten, Profilfräsen variiert, Fräsen im Eilgang am schlechtesten.
• Präzision: Profil- und Schulterfräsen hoch, Planfräsen mäßig, Schruppfräsen im Eilgang.

Geeignetes Material und geeignete Geometrie

• Materialien:
  • Planfräsen: Aluminium, Stahl, Gusseisen.
  • Schulterfräsen: Stahl, rostfreier Stahl, Werkzeugstahl.
  • Profilfräsen: Titan, Verbundwerkstoffe, rostfreier Stahl.
  • Schnellvorschubfräsen: Werkzeugstahl, Titan, Gusseisen.
• Geometrien:
  • Planfräsen: Große Hobel.
  • Schulterfräsen: Rechtwinklige Merkmale, Schlitze.
  • Profilfräsen: Komplexe Konturen, 3D-Oberflächen.
  • Eilgangfräsen: Jede Form zum Schruppen.

Kosten und Ausrüstungsanforderungen

• Werkzeugkosten: Schnellvorschubeinsätze sind teuer, aber langlebig, Profilfräswerkzeuge verschleißen schnell, Plan- und Schulterfräsen mäßig.
• Ausrüstung: Das Profilfräsen erfordert eine hochpräzise CNC-Steuerung, das Fräsen mit schnellem Vorschub erfordert leistungsstarke Spindeln, das Plan- und Schulterfräsen ist weniger anspruchsvoll.

Leitfaden zur Werkzeugauswahl

• Einsätze: Kostengünstig, wendbar, ideal für die Großserienproduktion, vielseitig einsetzbar für verschiedene Materialien.
• Vollhartmetall-Schaftfräser: Hohe Präzision, geeignet für kleine Durchmesser oder komplexe Geometrien, die in der Endbearbeitung üblich sind.
• Überlegungen:
  • Prüfen Sie die Wendeplatten alle 500-1000 Minuten auf Verschleiß.
  • Verwenden Sie starre Werkzeughalter für massive Schaftfräser, um Vibrationen zu minimieren.
  • Wählen Sie Beschichtungen je nach Material (z. B. TiAlN für Hochtemperaturlegierungen, TiCN für Stahl).

Praktische Auswahlrichtlinien

• Große ebene Flächen: Verwenden Sie Planfräsen (Vc 150-600 m/min, ap 2-6 mm) mit Werkzeugen wie R245-12T3 oder KSSM-Planfräsern für Effizienz und Oberflächenqualität.
• Rechtwinklige Merkmale: Entscheiden Sie sich für das Schulterfräsen (fz 0,05-0,2 mm/z, ap 2-10 mm) mit Wendeschneidplatten R390-11T308 oder HARVI I TE-Fräsern für Präzision.
• Komplexe Konturen: Wählen Sie das Profilfräsen (Vc 40-300 m/min, ae 0,05-0,5 mm) mit RCMT10T3MO-Wendeplatten oder CoroMill Plura-Kugelfräsern für mehr Flexibilität.
• Hocheffizientes Schruppen: Wählen Sie Schnellvorschubfräsen (Vf 4000-12000 mm/min, ap 0,2-1 mm) mit HNGX06-Wendeplatten oder Fräser 4-11 mit hohem Vorschub für harte Materialien.

Fallstudien

• Fall 1: Ein Automobilwerk, das große Formflächen bearbeitet, verwendet Planfräsen (Vc 200 m/min, fz 0,15 mm/z, ap 4 mm) mit R245-12T3-Wendeschneidplatten und erreicht damit hohe Effizienz und Ebenheit.
• Fall 2: In einem Luft- und Raumfahrtunternehmen, das die Konturen von Turbinenschaufeln bearbeitet, wurde das Profilfräsen (Vc 60 m/min, fz 0,05 mm/z, ae 0,1 mm) mit HARVI III-Kugelfräsern eingesetzt, die eine hohe Präzision gewährleisten.
• Fall 3: Beim Schruppen von Werkzeugstahlformen wurde mit HNGX06-Wendeschneidplatten im Eilgang gefräst (Vf 8000 mm/min, ap 0,5 mm), gefolgt vom Schulterfräsen mit R390-11T308 zum Schlichten.

Schlussfolgerung

Planfräsen zeichnet sich durch Effizienz und Oberflächenqualität bei ebenen Flächen aus, Schulterfräsen bietet Präzision bei rechtwinkligen Merkmalen, Profilfräsen bietet Flexibilität bei komplexen Konturen und Fräsen mit schnellem Vorschub maximiert die Effizienz beim Schruppen. Die Werkzeugauswahl - ob Wendeschneidplatten (z.B. R245-12T3, HNGX06) oder Vollhartmetallfräser (z.B. HARVI III, Fräser 4-11) - muss auf Material, Geometrie und Maschinenfähigkeiten abgestimmt sein. Die Optimierung der Bearbeitungsparameter verbessert die Leistung und die Kosteneffizienz. Mit den Fortschritten der intelligenten und hybriden Bearbeitungstechnologien werden sich diese Frästechniken weiterentwickeln und den Anforderungen nach höherer Präzision und Produktivität gerecht werden.

Referenzen

• Sandvik Coromant. (2023). Handbuch Frästechnik.
• Kennametal. (2023). Katalog Vollhartmetall-Schaftfräsen.
• MAPAL. (2023). NeoMill-Fräsprogramm.
• ISO 13399: Darstellung und Austausch von Schneidwerkzeugdaten.
• Sandvik Coromant Fräsen Wissen