So wählen Sie den richtigen Schaftfräser für ein CNC-Projekt aus

Die Wahl des richtigen Schaftfräsers vor dem Drehen auf Ihrer CNC-Maschine kann eine ziemlich komplexe Aufgabe sein. Viele Variablen kommen ins Spiel, wie z. B. die Länge des Schaftfräsers, die Geometrie, der Profiltyp, das Material, während mehrere Kompromisse in Betracht gezogen werden müssen: Leistung, Kosten, Oberflächengüte,...

"Was ist eigentlich ein Schaftfräser, ist er wie ein Bohrer?"

Diese Frage wird häufig gestellt, da die Begriffe oft verwechselt werden, aber die Antwort lautet nein.

Ein Bohrer ist darauf ausgelegt, direkt in das Material einzutauchen und nur Löcher zu erzeugen, während ein Schaftfräser seitlich in das Material schneiden und Schlitze oder Profile erzeugen kann. Außerdem sind die meisten Schaftfräser so konstruiert, dass sie zentrumsschneidend sind, d. h. sie können auch in das Material eintauchen, was sie vielseitiger macht als Bohrer.

In diesem Artikel werden die Grundlagen der Schaftfräskunst erläutert und die einfache Frage beantwortet: Welchen Schaftfräser soll ich für meine CNC-Maschine verwenden?

Drei wichtige Faktoren werden Ihre Wahl beeinflussen:

• Welche Art von Formen wollen Sie fräsen (2D-Kontur, 3D-Form, Löcher,...)?
• Welche Art von Material möchten Sie fräsen?
• Welche Ziele verfolgen Sie in Bezug auf Leistung und Oberflächengüte, wobei die Kosten für Sie akzeptabel bleiben und die Möglichkeiten Ihrer CNC-Maschine nicht überschritten werden dürfen?

Die Beantwortung dieser Fragen hilft Ihnen bei der Bestimmung der gewünschten Werkzeuggeometrie auf der Grundlage Ihrer Projektart, des zu schneidenden Materials und der gewünschten Oberflächengüte. Lassen Sie uns also in die Theorie eintauchen und diese Fragen später mit einigen konkreten Beispielen beantworten.

Die wichtigsten Merkmale, die zur Beschreibung eines Schaftfräsers verwendet werden, sind unten dargestellt.

Zusätzlich zu diesen geometrischen Merkmalen werden Schaftfräser durch ihren Typ, die Anzahl der Spannuten, den Werkstoff (und die Beschichtung) charakterisiert. In einem klassischen Katalog würde der obige Schaftfräser also wie folgt beschrieben werden:

• Typ: Flachkopf
• Anzahl der Schneiden: 4
• Material: Vollhartmetall
• Schaftdurchmesser: 6mm
• Durchmesser des Fräsers: 6 mm
• Gesamtlänge: 50mm
• Länge der Spannut: 22 mm
• Schrägungswinkel: 45°

Jedes dieser Merkmale hat einen direkten Einfluss darauf, wie sich der Schaftfräser bei der Bearbeitung verhält und welche Zerspanungsmöglichkeiten in Bezug auf Leistung und Formgebung bestehen.

▶ Welche Schaftfräsergröße sollte ich verwenden?

Stellen Sie sich vor, Sie wollen eine sehr tiefe Tasche in ein hohes Teil fräsen. Sie benötigen ein langes Werkzeug, um den Boden bearbeiten zu können, ohne dass Ihr Spindeldorn mit dem Material kollidiert. Die Länge Ihres Schaftfräsers wirdalso dadurch bestimmt, wie tief er in das Material eindringen muss. Der Begriff, der mit dieser Beobachtung zusammenhängt, heißt "Stickout". Er ist definiert durch den Abstand zwischen dem Ende des Werkzeughalters und der Spitze des Schaftfräsers.

Denken Sie auch daran, dass die Schnitttiefe niemals die Länge der Spannuten Ihres Schaftfräsers überschreiten sollte. Wenn Sie tiefer als die Länge der Spannuten schneiden, können die Späne nicht richtig abtransportiert werden, es kommt zu einem Hitzestau und Sie riskieren eine Beschädigung Ihres Werkzeugs.

An diesem Punkt könnte es klug erscheinen, Schaftfräser zu kaufen, die so lang wie möglich sind, um die Flexibilität zu haben, sie in mehr Situationen zu verwenden, oder? Das ist jedoch nicht der Fall, denn je länger der Fräser ist, desto weniger steif ist er. Wenn es zu weit herausragt und Sie es zu stark beanspruchen, wird es sich durch die Schnittkräfte verbiegen, was als "Werkzeugdurchbiegung" bezeichnet wird.

Die Durchbiegung des Werkzeugs kann tatsächlich sehr problematisch sein, da sie zu

Kurz gesagt, kürzere Schaftfräser sind steifer und preiswerter. Sparen Sie also die extralangen Fräser für Arbeiten, bei denen sie wirklich benötigt werden.

▶ Schaft- und Fräserdurchmesser

Der Durchmesser Ihres Werkzeugs hat einen direkten Einfluss auf die Profile, die Sie schneiden können. Nehmen wir an, Sie möchten einen Kasten herstellen und ihn mit 90° ineinandergreifenden Verbindungen zusammensetzen.

Da Ihr Werkzeug ein Zylinder mit einem bestimmten Radius ist, ist es nicht möglich, dies als solches zu tun. Das Werkzeug hinterlässt in jeder inneren Ecke ein kreisförmiges Profil mit einem Radius, der der Hälfte seines Durchmessers entspricht. Je größer der Durchmesser Ihres Schaftfräsers ist, desto größer ist der Radius dieses kreisförmigen Profils. Um dieses Problem zu lösen, verwenden CNC-Fräser sogenannte "dogbones". Hundeknochen-Ecken beschreiben die Form einer Ecke, die über den Schnittbereich hinaus verlängert wird, um eine perfekte 90º-Ecke zu schaffen.

Andererseits bietet eine Vergrößerung des Werkzeugdurchmessers zwei wesentliche Vorteile.

Erstens wird Ihr Werkzeug steifer, wodurch Sie tiefere Schnitte machen können und die Durchbiegung des Werkzeugs minimiert wird. Viel steifer sogar, denn eine Erhöhung des Durchmessers um den Faktor 2 erhöht die Steifigkeit um das 16-fache.

Zweitens verbessert sich Ihre MMR (Materialabtragsrate), da der Schaftfräser mehr Material pro Zeiteinheit abtragen kann, wenn er sich im Material bewegt.

▶ Wie viele Spannuten sollte ich wählen?

Spannuten sind die tiefen spiralförmigen Nuten, die die Spanbildung und -abfuhr ermöglichen. Sie sind der Teil der Anatomie des Schaftfräsers, der die scharfen Schneidkanten (manchmal auch als "Zähne" bezeichnet) erzeugt.

Die Anzahl der Spannuten an Ihrem Schaftfräser ist ein entscheidender Parameter, der vor allem von dem Material abhängt, das Sie schneiden wollen, und von den Möglichkeiten Ihrer Maschine. Die Anzahl der Spannuten an Ihrem Schaftfräser wirkt sich nämlich auf:

• die Vorschubgeschwindigkeit Ihrer Maschine,
• die Oberflächengüte Ihres Werkstücks,
• und die Fähigkeit des Werkzeugs , Späne zu entfernen.

Die Vorschubgeschwindigkeit steht in der Tat in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Spannuten Ihres Schaftfräsers: Wenn Sie Spannuten hinzufügen, müssen Sie die Vorschubgeschwindigkeit erhöhen oder die Drehzahl Ihrer Spindel verringern, um eine konstante Spanmenge zu erhalten. Je nach den Drehzahlmöglichkeiten Ihrer CNC-Maschine und Ihrer Spindel müssen Sie also möglicherweise einen Schaftfräser mit weniger oder mehr Nuten wählen.

Wenn Sie mit diesen Begriffen nicht vertraut sind, empfehlen wir Ihnen, einen Blick auf unseren Artikel über Vorschübe und Drehzahlen zu werfen.

Zweitens führt eine größere Anzahl von Spannuten auf einem Werkzeug zu glatteren Schnitten, aber es bleibt auch weniger Platz für Späne, die abtransportiert werden müssen. Beim Schneiden weicher Materialien kann man darüber hinwegsehen, beim Schneiden von Aluminium zum Beispiel überhaupt nicht. Der Grund dafür ist, dass Aluminium im Vergleich zu anderen Werkstoffen sehr große Späne erzeugt. Wenn der Schaftfräser also in ein Loch oder einen Schlitz fräst, bieten seine Spannuten einen wichtigen Weg für die Späne, um zu entweichen.

Aus diesem Grund wird bei Aluminium die Verwendung von Schaftfräsern mit 1 oder 2 Schneiden empfohlen, da sie mehr Späne abführen können als ein Schaftfräser mit 4 Schneiden, bei dem sich die Späne nach und nach stauen und die Schneiden des Werkzeugs überlappen, so dass es schließlich bricht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass weniger Spannuten am besten für die Spanabfuhr sind, während mehr Spannuten eine glattere Oberfläche erzeugen.

▶ Sollte mein Spiralwinkel hoch oder niedrig sein?

Allzweckfräser haben in der Regel einen Spiralwinkel von etwa 30°. Eine Vergrößerung des Schrägungswinkels verringert die Schnittkräfte sowie die beim Fräsen entstehende Wärme und Vibration. Daher erzeugen Schaftfräser mit einem höheren Schrägungswinkel in der Regel eine bessere Oberflächengüte auf dem Werkstück.

Leider ist dies mit einem Nachteil verbunden. Der Schaftfräser ist schwächer und verträgt keine großen Schnitttiefen bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Fräser mit geringerem Schrägungswinkel sind also stärker, ergeben aber eine weniger glatte Oberfläche.

Es gibt so viele verschiedene Arten von Schaftfräsern wie es mögliche Zerspanungsoperationen gibt: Profilieren, Konturieren, Schlitzen, Senkbohren, Bohren,... Hier ist ein kurzer Überblick über die wichtigsten Arten.

• Vierkantfräser sind die gebräuchlichsten und können für viele Fräsanwendungen verwendet werden, einschließlich Nutenfräsen, Profilieren und Einstechen.
• Eckradiusfräser haben leicht abgerundete Ecken, die dazu beitragen, die Schnittkräfte gleichmäßig zu verteilen, um Schäden am Fräser zu vermeiden und seine Lebensdauer zu verlängern. Sie können Nuten mit flachem Boden und leicht abgerundeten Innenecken erzeugen.
• Schruppfräser werden eingesetzt, um bei schweren Arbeiten schnell große Materialmengen zu entfernen. Ihre Konstruktion ermöglicht geringe bis keine Vibrationen, hinterlässt aber eine rauere Oberfläche.
• Kegelfräser sind zentrumsschneidende Werkzeuge, die zum Eintauchen verwendet werden können und für die Bearbeitung von schrägen Nuten konzipiert sind. Sie werden in der Regel im Druckguss- und Formenbau eingesetzt.
• Kugelkopffräser haben abgerundete Spitzen und werden zum Fräsen von 3D-Formen oder abgerundeten Nuten verwendet.
• Mit T-Nut-Fräsern lassen sich leicht präzise Keilnuten und T-Nuten zur Herstellung von Arbeitstischen oder anderen ähnlichen Anwendungen fräsen.
• Geradgenutete Schaftfräser haben eine Null-Grad-Spirale und eignen sich gut für Materialien, bei denen der Hebeeffekt einer Spiralnut zu unerwünschten Ergebnissen führen könnte, wie z. B. bei Holz, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen. Bei diesen Materialien minimiert die gerade Spannut das Ausfransen der Kanten und sorgt für eine bessere Oberflächengüte als spiralförmige Allzweckfräser.

Wenn Ihre CNC-Fräse den Fräser im Uhrzeigersinn dreht, bestimmt die Spiralrichtung der Spannuten, ob die Späne zur Ober- oder Unterseite des Werkstücks hin ausgestoßen werden.

Schaftfräser mit Gegenschneide sind die gebräuchlichsten und ziehen die Späne vom Material weg, was für die meisten Fräsarbeiten an vielen verschiedenen Materialien sehr wichtig ist. Dies ist eine sehr wichtige Eigenschaft für die meisten Fräsarbeiten an vielen verschiedenen Materialien. Es hat einen Nachteil, wenn Sie laminierte Materialien schneiden wollen, da es eine schlechtere Oberflächengüte auf der Oberseite des Werkstücks hinterlässt.

Ein Schaftfräser mit Abwärtsschnitt hat den Vorteil, dass er die Späne nach unten drückt und einen saubereren Schnitt auf der Oberseite hinterlässt, aber er franst auch die Unterkante aus.

Kombiniert man einen Aufwärts- und einen Abwärtsschnitt, erhält man einen Druckfräser, bei dem die Spannuten im unteren Teil der Werkzeuglänge aufwärts und im oberen Teil abwärts verlaufen. Diese Eigenschaft macht sie zu einem sehr guten Kandidaten für das Schneiden von Sperrholz, Verbundwerkstoffen und Laminaten. Versuchen Sie, eine Sperrholzplatte in einem Durchgang zu schneiden, und Sie sollten saubere Kanten auf beiden Seiten erhalten.

Dieser Abschnitt könnte einen ganzen Artikel füllen, also fassen wir uns kurz und sprechen über die beiden wichtigsten Werkstoffe, die für die Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet werden: HSS und Hartmetall.

• Schnellarbeitsstahl (HSS) ist der preiswerteste der beiden, er bietet eine gute Verschleißfestigkeit und kann zum Fräsen vieler Materialien wie Holz, Metalle,... verwendet werden.
• Beschichtete Hartmetallfräser sind teurer als HSS-Fräser, aber sie bieten eine bessere Steifigkeit und können 2 bis 3 Mal schneller als HSS eingesetzt werden. Außerdem sind sie extrem hitzebeständig und eignen sich daher auch für das Fräsen härterer Materialien.

Sind Hartmetallfräser also das zusätzliche Geld wert? Ja, auf jeden Fall!

Da sie viel schneller laufen als HSS-Fräser, erhöhen sie die Produktivität Ihrer Maschine um ein Vielfaches. Außerdem sind sie haltbarer und haben eine längere Standzeit, so dass sich die Investition lohnt.

Eine weitere einfache Möglichkeit, die Leistung Ihrer Schaftfräser zu steigern, ist das Aufbringen einer guten Beschichtung. Die gebräuchlichste Beschichtung, TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid), ermöglicht es Ihnen, im Durchschnitt 25 % schneller zu schneiden, ohne dass Sie zu viel Geld ausgeben müssen.

Wenn Ihnen die Leistung nicht so wichtig ist, dann wählen Sie Hartmetallfräser mit einem Durchmesser von 8 mm oder weniger. Ziehen Sie HSS für größere Fräser in Betracht, um etwas Geld zu sparen, wenn die Steifigkeit des Werkzeugs durch den größeren Durchmesser kompensiert werden kann. Wenn Sie mit dem CNC-Fräsen beginnen, sollten Sie außerdem nicht vergessen, dass Sie vielleicht Fehler machen und einige Schaftfräser zerbrechen, bevor Sie es richtig hinbekommen, also besser auch HSS-Fräser.

Let's answer our original questions with an example: I want to mill a small food tray.