Eine CNC-Fräsmaschine ist eine Werkzeugmaschine, bei der sich das Schneidwerkzeug mit hoher Geschwindigkeit dreht, während das Werkstück auf dem Arbeitstisch fixiert und computergesteuert bearbeitet wird. Sie funktioniert nach dem genau entgegengesetzten Prinzip wie eine Drehmaschine: Dort dreht sich das Werkstück, bei der Fräsmaschine hingegen dreht sich das Werkzeug. Sie ist die grundlegende Maschine zur Herstellung von ebenen Flächen, Nuten, Taschen und komplexen dreidimensionalen Formen.

Wenn Sie eine Halterung, ein Gehäuseteil, eine Form oder ein eckiges Verbindungselement sehen, ist dieses höchstwahrscheinlich auf einer CNC-Fräse bearbeitet worden. In diesem Artikel erläutern wir, wie eine CNC-Fräse funktioniert, welche Hauptkomponenten sie umfasst, worin der Unterschied zwischen vertikalen und horizontalen Bearbeitungszentren besteht und welche Bearbeitungsvorgänge damit durchgeführt werden.

Wie funktioniert eine CNC-Fräse?

Das Werkstück wird zunächst auf dem Arbeitstisch befestigt; hierfür werden Spannvorrichtungen oder spezielle Spannvorrichtungen verwendet. Das Schneidwerkzeug wird auf die Spindel aufgespannt und dreht sich mit hoher Drehzahl. Die Maschine bewegt sich entlang dreier Hauptachsen, um das Werkzeug an die gewünschten Stellen des Werkstücks zu führen: die beiden Richtungen des Arbeitstischs in der horizontalen Ebene (X und Y) sowie die Auf- und Abbewegung des Werkzeugs (Z).

Der Prozess verläuft wie folgt: Das dreidimensionale Modell des Werkstücks wird in der CAD/CAM-Software in Werkzeugbahnen umgewandelt, und es wird ein G-Code-Programm erstellt. Der Bediener spannt das Rohmaterial auf den Arbeitstisch ein, legt die erforderlichen Werkzeuge in das Magazin ein und lädt das Programm. Sobald die Maschine den Betrieb aufnimmt, taucht das rotierende Werkzeug kontrolliert in das Material ein und bearbeitet Oberflächen, Kanäle und Formen mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich. Sind mehrere Werkzeuge erforderlich, wechselt die Maschine diese automatisch, sodass die Bearbeitung unterbrechungsfrei fortgesetzt wird.

Die Hauptkomponenten einer CNC-Fräsmaschine

  • Spindel (Spindle): Die Hauptachse, die das Schneidwerkzeug hält und mit hoher Drehzahl antreibt.
  • Arbeitstisch (Table): Die Fläche, auf der das Werkstück befestigt wird; er bewegt sich in X- und Y-Richtung.
  • Werkzeugmagazin und automatischer Werkzeugwechsler (ATC): Wechselt die Werkzeuge entsprechend den Anforderungen des Programms selbstständig aus.
  • Spannvorrichtungen und Befestigungsvorrichtungen: Sie halten das Werkstück während der gesamten Bearbeitung fest und vibrationsfrei.
  • Steuereinheit: Sie ist das „Gehirn“, das den G-Code liest und alle Achsen steuert.

Der Unterschied zwischen vertikalen und horizontalen Bearbeitungszentren

CNC-Fräsmaschinen lassen sich grundsätzlich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Beide erfüllen dieselbe Aufgabe, kommen jedoch in unterschiedlichen Anwendungsszenarien zum Einsatz.

Vertikales Bearbeitungszentrum (VMC)

Bei diesem Typ befindet sich die Spindel in vertikaler Position, d. h., das Werkzeug senkt sich von oben nach unten auf das Werkstück. Es handelt sich um den gängigsten CNC-Fräsertyp. Die Einrichtung ist einfach, er eignet sich für eine breite Palette von Werkstücken und ist praktisch bei der Bearbeitung von einer einzigen Oberfläche. Der Großteil der Prototypen-, Formen- und Allzweckfertigung erfolgt auf vertikalen Bearbeitungszentren.

Horizontales Bearbeitungszentrum (HMC)

Bei diesem Typ befindet sich die Bearbeitungsspindel in horizontaler Position; das Werkzeug nähert sich dem Werkstück von der Seite. Es wird in der Regel in Verbindung mit einem Palettensystem und einer sogenannten „Tombstone“-Spannvorrichtung verwendet, wodurch das Werkstück in einer einzigen Aufspannung von mehreren Seiten bearbeitet werden kann. Da die Späne durch die Schwerkraft leicht abtransportiert werden, ist diese Maschine bei der Abtragung großer Spanmengen und in der langfristigen Serienfertigung besonders effizient. Bei hohen Stückzahlen ist die Produktivität im Vergleich zu vertikalen Bearbeitungszentren höher.

Kurz gesagt: Für Flexibilität und Einzelstücke eignet sich das vertikale Bearbeitungszentrum, für die Serienfertigung in großen Stückzahlen und mehrseitige Werkstücke hingegen das horizontale Bearbeitungszentrum.

Was bewirkt die Anzahl der Achsen?

Bei Fräsmaschinen bestimmt die Anzahl der Achsen die Komplexität der bearbeitbaren Geometrien. Dreiachsige Maschinen reichen für ebene Flächen und Standardformen aus. Durch Hinzufügen einer vierten und fünften Achse kann das Werkstück in einer einzigen Aufspannung aus verschiedenen Winkeln bearbeitet werden; dies eröffnet Möglichkeiten für geneigte Flächen, komplexe Formen wie Turbinenschaufeln und mehrseitige Werkstücke. Wir haben dieses Thema in einem separaten Artikel ausführlich behandelt: Der Unterschied zwischen 3-, 4- und 5-Achsen-CNC.

Welche Bearbeitungen werden auf einer CNC-Fräsmaschine durchgeführt?

Die Fräsmaschine ist eine vielseitige Werkzeugmaschine; in einer einzigen Aufspannung lassen sich zahlreiche Bearbeitungsvorgänge durchführen:

  • Oberflächenfräsen: Große, ebene Flächen werden geglättet und auf Maß gebracht.
  • Nuten- und Taschenfräsen: Aussparungen, Nuten und ausgehöhlte Taschen werden bearbeitet.
  • Bohren, Reiben und Gewindeschneiden: Es werden Bohrungen angelegt, präzisiert und Gewinde geschnitten.
  • Profil- und Konturbearbeitung: Die Außenkonturen und Sonderformen des Werkstücks werden gefräst.
  • Komplexe Formen: Formflächen, Nockenprofile und Freiformgeometrien werden bearbeitet.
  • Senken und Bohren: Schraubenkopfaussparungen und Zentrierbohrungen werden hergestellt.

Welche Werkstücke und Werkstoffe werden bearbeitet?

Die CNC-Fräse wird insbesondere für prismatische und kantige Werkstücke eingesetzt: Halterungen, Gehäuse- und Gehäuseteile, Platten, Verteiler, Formen, Vorrichtungen und komplexe Verbindungselemente. Was die Werkstoffe betrifft, lassen sich Aluminium, Stahl, Edelstahl, Titan, Messing, Kupfer und technische Kunststoffe problemlos bearbeiten. Für jedes Material werden Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugauswahl und Kühlung individuell festgelegt. Auf die Materialauswahl sind wir in einem separaten Leitfaden eingegangen: Welche Metalle lassen sich mit CNC bearbeiten?

Der Unterschied zwischen CNC-Fräsen und CNC-Drehen

Beide Maschinen arbeiten durch Spanabnahme, sind jedoch für unterschiedliche Werkstücktypen ausgelegt. Bei der Drehmaschine dreht sich das Werkstück, während das Werkzeug entlang einer festen Achse vorrückt; daher eignet sie sich für zylindrische und konische Werkstücke (Wellen, Buchsen, Muffen). Bei der Fräsmaschine hingegen dreht sich das Werkzeug, während das Werkstück feststeht; sie wird für ebene Flächen, Nuten und komplexe Formen eingesetzt. Oft ergänzen sich beide Maschinen: Der rotierende Teil eines Werkstücks wird auf der Drehmaschine bearbeitet, der kantige Teil auf der Fräsmaschine. Für einen detaillierten Vergleich können Sie unsere Artikel „Was ist eine CNC-Drehmaschine?“ und „Der Unterschied zwischen CNC-Drehmaschine und CNC-Fräsmaschine“ lesen.

Häufig gestellte Fragen

Wozu dient eine CNC-Fräsmaschine? Eine CNC-Fräsmaschine dient dazu, ebene Flächen, Nuten, Taschen und komplexe dreidimensionale Formen mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit herzustellen. Die Fertigung prismatischer Teile wie Halterungen, Gehäuse, Platten und Formen stützt sich weitgehend auf diese Maschine.

Was ist der Unterschied zwischen einem vertikalen und einem horizontalen Bearbeitungszentrum? Bei einem vertikalen Bearbeitungszentrum senkt sich das Werkzeug von oben nach unten; die Einrichtung ist einfach und es eignet sich für flexible Bearbeitungsaufgaben. Bei einem horizontalen Bearbeitungszentrum nähert sich das Werkzeug seitlich; es ist bei mehrseitigen Werkstücken und in der Serienfertigung mit hohen Stückzahlen effizienter.

Mit welcher Toleranz arbeitet eine CNC-Fräse? Bei einer guten CNC-Fräse ist eine Toleranz von ±0,01 mm Standard. Durch zusätzliche Präzisionsbearbeitung und Schleifen lassen sich Toleranzen im Mikrometerbereich, d. h. ±0,005 mm und darunter, erreichen.

Was ist der Unterschied zwischen einer Fräsmaschine und einer Drehmaschine? Bei der Fräsmaschine dreht sich das Werkzeug und das Werkstück ist feststehend; sie eignet sich für eckige, flache und komplexe Formen. Bei der Drehmaschine hingegen dreht sich das Werkstück; sie wird für zylindrische Werkstücke verwendet. Beide Verfahren kommen in der Regel gemeinsam bei ein und demselben Werkstück zum Einsatz.

Was müssen Sie uns für die Fertigung zur Verfügung stellen? Eine technische Zeichnung des Werkstücks (mit Maßen und Toleranzen) oder ein 3D-Modell (STEP/IGES) reicht aus. Falls Sie keine Zeichnung haben, kann die Fertigung auch anhand eines Musterteils erfolgen.

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