Gewindefräsen ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Gewinden in Bohrungen verschiedener Größen, insbesondere in solchen mit großem Durchmesser. Es weist einige Ähnlichkeiten zum Gewindeschneiden auf, unterscheidet sich jedoch dadurch, dass der Gewindefräser einen deutlich kleineren Durchmesser als die zu bearbeitende Bohrung besitzt. Dadurch beschreibt das Werkzeug eine kreisförmige Bahn entlang des Bohrungsumfangs, um das Gewinde zu formen. Dieser Artikel erläutert, was Gewindefräsen ist, wie es funktioniert, welche Arten es gibt und welche Vorteile und Nachteile bestehen.
Überblick über das Gewindefräsen
Gewindefräsen ist ein Verfahren zum Einbringen von Gewinden in ein Werkstück mithilfe eines Werkzeugs, das nur eine begrenzte Kontaktfläche zum Werkstück aufweist. Bei Innengewinden in einer Bohrung hat der Gewindefräser einen kleineren Durchmesser als die Bohrung. Er rotiert mit relativ hoher Geschwindigkeit und beschreibt dabei eine Kreisbahn um den Umfang der Bohrung. Dies unterscheidet sich vom Gewindeschneiden, bei dem der Durchmesser des Gewindebohrers dem Durchmesser der Gewindebohrung entspricht und der Gewindebohrer während des gesamten Vorgangs das Werkstück über seinen gesamten Umfang berührt.
Die Hauptfunktion des Gewindefräsens besteht darin, Gewinde in ein Werkstück einzuschneiden. Es wird hauptsächlich für Innengewinde in Bohrungen eingesetzt, kann aber auch Außengewinde an Werkstücken erzeugen. Gewindefräsmaschinen haben eine feste Steigung (Gewindegänge pro Zoll), können aber sowohl Links- als auch Rechtsgewinde herstellen und verschiedene Gewindeflankenwinkel realisieren.
Gewindefräsen wird hauptsächlich zum Gewindeschneiden in schwer zerspanbaren Werkstoffen eingesetzt. Bei weicheren oder besser zerspanbaren Werkstoffen wird üblicherweise das Gewindeschneiden verwendet, um Gewinde in Bohrungen herzustellen. Gewindefräsen ist auch die bevorzugte Methode für Gewindebohrungen mit großem Durchmesser oder zum Gewindeschneiden bis zum Grund von Sacklöchern – Situationen, in denen das Gewindeschneiden an seine Grenzen stößt oder unpraktisch ist. Dank seiner Flexibilität ermöglicht es zudem die Herstellung von Gewinden auf den Außenflächen von Bauteilen.
So funktioniert Gewindefräsen
Das Funktionsprinzip des Gewindefräsens beruht auf dem Einsatz eines sich relativ schnell bewegenden Zahnfräsers. Die Spindel hält das Werkzeug, das eine Kreisbahn in der horizontalen XY-Ebene beschreibt und sich dabei mit konstanter, niedriger Geschwindigkeit entlang der vertikalen Z-Achse vorwärtsbewegt. So formt jeder Zahn des Fräsers bei jeder Umdrehung ein Gewindeprofil entlang der Z-Achse durch das Loch. Gewinde können oft in einem einzigen Arbeitsgang fertiggestellt werden, manchmal werden sie jedoch in mehreren (üblicherweise zwei) vertikalen Durchgängen gefertigt.
Wie sich Gewindefräsen von anderen Fräsarten unterscheidet
Es wurden zahlreiche Fräsverfahren entwickelt, die jeweils spezifische Fräser zur Materialabtragung und Werkstückformung verwenden. Beim Gewindefräsen kommt ein profiliertes Schneidwerkzeug zum Einsatz, das sich von anderen Fräsern unterscheidet. Einige Fräsvorgänge lassen sich manuell durch Drehen von Handrädern zur Bewegung des Fräsers durchführen, das Gewindefräsen erfordert jedoch aufgrund der koordinierten Drei-Achs-Bewegung des Werkzeugs eine CNC-Fräsmaschine. Das Werkzeug rotiert mit konstanter Geschwindigkeit, bewegt sich gleichmäßig entlang der Z-Achse (vertikal) und beschreibt gleichzeitig eine Kreisbahn in der XY-Ebene (horizontal), um das Gewinde zu formen. Im Gegensatz dazu beinhalten andere Fräsarten, wie beispielsweise das Planfräsen, häufig eine Werkzeugrotation, während sich das Werkstück hauptsächlich in eine Richtung bewegt.
Arten von Gewindewalzwerken
So wie die Bohrungen in Bauteilen sehr unterschiedlich sein können, gibt es auch Gewindewalzwerke in verschiedenen Ausführungen, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind. Im Folgenden werden die drei Haupttypen beschrieben:
Gewindefräsmaschinen mit geraden Nuten
Diese Werkzeuge verfügen über gerade Spanabfuhrnuten zwischen den Schneidzähnen. Die Nuten verlaufen parallel zur Werkzeugachse (ohne Steigungswinkel). Dadurch greifen mehrere aufeinanderfolgende Zähne gleichzeitig in das Werkstück ein, was einen relativ hohen Materialeingriff zur Folge hat. Dies begrenzt die erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, weshalb Gewindefräser mit geraden Nuten im Allgemeinen besser für gut zerspanbare Werkstoffe geeignet sind. Sie stellen oft die beste Wahl für allgemeine Anwendungen dar.
Spiralnut-Gewindefräsmaschinen
Spiralnutfräser verfügen über mehrere Zahnreihen, die entlang des Werkzeugumfangs angeordnet sind, um den Spanabtransport zu verbessern. Die Nuten sind spiralförmig, typischerweise in einem Winkel von 15° oder 30°. Diese spiralförmige Anordnung reduziert den Seitendruck durch versetzten Zahneingriff am Werkstück. Sie eignen sich besonders für das Hochgeschwindigkeitsfräsen.
Einzelform-Gewindefräser
Einschneidige Gewindefräser verfügen über nur einen Schneidzahn zur Gewindeformung sowie mehrere Spanabfuhrnuten. Einige Ausführungen besitzen sogar zwei Zahnreihen. Dieser Fräsertyp schneidet nur ein Gewinde pro Umdrehung, was zu geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeiten führt. Der Vorteil des Schneidens eines einzelnen Gewindes liegt jedoch im deutlich geringeren Drehmomentbedarf am Werkzeug und der geringeren Wärmeentwicklung. Daher eignen sich einschneidige Gewindefräser besonders für schwer zerspanbare Werkstoffe und sind insgesamt der vielseitigste Fräsertyp.
Vorteile des Gewindefräsens
Das Gewindefräsen bietet gegenüber dem Gewindeschneiden mehrere Vorteile, darunter:
- Mit einem Einzelgewindefräswerkzeug lassen sich sowohl Innen- als auch Außengewinde, Links- und Rechtsgewinde sowie Gewinde mit unterschiedlichen Durchmessern herstellen.
- Da der Gewindefräser das Werkstück nicht über den gesamten Umfang berührt, ist der Eingriffsgrad in das Material deutlich geringer. Dadurch werden weniger Leistung und Drehmoment zum Antrieb des Werkzeugs benötigt.
- Aufgrund des reduzierten Eingriffs unterliegen Gewindefräswerkzeuge einem deutlich geringeren Verschleiß als vergleichbare Gewindebohrer.
- Gewindefräsen eignet sich gut für schwer zerspanbare Werkstoffe. Insbesondere können Einformfräsmaschinen für diese Werkstoffe eingesetzt werden, um die Schnittkräfte zu minimieren und dadurch Werkstückverformung, Werkzeugvibrationen und das Risiko von Werkzeugbruch zu reduzieren.
Nachteile des Gewindefräsens
Gewindefräsen ist nicht für jede Anwendung geeignet. Zu den Nachteilen gehören:
- In manchen Fällen besteht der Hauptnachteil des Gewindefräsens darin, dass es langsamer ist als das Gewindeschneiden. Lässt sich ein Loch zuverlässig und einfach mit einem Gewindebohrer bearbeiten, dauert das Gewindefräsen länger, um dasselbe Gewinde herzustellen.
- Im Vergleich zum Gewindeschneiden erfordert das Gewindefräsen komplexere Ausrüstung. Eine CNC-Maschine ist für das Gewindefräsen unerlässlich; ohne sie kann der Prozess nicht durchgeführt werden.
Wie man einen Gewindeschneider auswählt
Bei der Teilefertigung beeinflussen mehrere Faktoren die Wahl des Gewindewalzwerks. Der erste Faktor ist die Losgröße. Bei großen Stückzahlen kann die Drehzahl ein entscheidender Faktor sein; bei kleinen Losgrößen ist die Drehzahl weniger wichtig, und kostengünstige Gewindewalzwerke können auch bei geringeren Vorschüben und Drehzahlen eingesetzt werden.
Zweitens kann der Bohrungsdurchmesser darüber entscheiden, ob ein Wendeschneidplattenwerkzeug oder ein Vollhartmetallwerkzeug besser geeignet ist. Wendeschneidplattenwerkzeuge verwenden austauschbare Hartmetalleinsätze, sodass nur der kleine Schneidteil und nicht das gesamte Werkzeug ersetzt werden muss. Bei größeren Durchmessern sind Wendeschneidplattenwerkzeuge in der Regel wirtschaftlicher als Vollhartmetallwerkzeuge, die bei Verschleiß komplett ausgetauscht werden müssen.
Ein dritter Aspekt ist die Gewindetiefe. Bei sehr tiefen Bohrungen kann die Bearbeitung mit einteiligen Gewindefräsern lange dauern, daher sollten Mehrzahnfräser in Betracht gezogen werden. Schließlich beeinflusst das Werkstückmaterial die optimale Wahl des Werkzeugsubstrats und der Beschichtung.
Die richtige Gewindeschneidanlage auswählen
Die Wahl des richtigen Gewindefräsers ist entscheidend, da sie die Wirtschaftlichkeit der Teilefertigung direkt beeinflusst. Die Wahl des falschen Werkzeugs wirkt sich typischerweise auf zwei Arten auf den Betrieb aus: Entweder führt übermäßiger Werkzeugverschleiß zu häufigen Austauschvorgängen, oder das Gewindeschneiden dauert länger als optimal und reduziert die Produktivität. Ein ungeeigneter Gewindefräser kann außerdem zu schlechter Gewindequalität und damit zu Ausschuss führen.
Die Wahl des Gewindefräsers beeinflusst Geschwindigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit. Zeit ist Geld, und kürzere Zykluszeiten sind bei Bearbeitungsprozessen stets von Vorteil. Der richtige Gewindefräser ermöglicht optimale Zykluszeiten bei relativ hohen Vorschüben und Schnittgeschwindigkeiten, ohne die Werkzeugstandzeit vorzeitig zu verkürzen. Eine längere Werkzeugstandzeit verbessert die Gesamtwirtschaftlichkeit. Das Werkzeug sollte anhand des Gewindes und des Materials ausgewählt werden, um übermäßigen Verschleiß zu vermeiden und gleichzeitig ein Gewindeschneiden mit angemessener Geschwindigkeit zu ermöglichen. Dies wirkt sich auch auf die Qualität aus, da Wärmeentwicklung beim Gewindeschneiden zu Gewindeverformungen führen kann, während Vibrationen und Spanaufprall die Oberflächengüte des Gewindes beeinträchtigen können.
Gewindefräsprozess
Der erste Schritt beim Gewindefräsen besteht darin, die Anwendung, das zu bearbeitende Material und die Geometrie der Bohrung (Tiefe, Durchmesser und erforderliche Gewindespezifikationen) zu verstehen. Dies bildet die Grundlage für den zweiten Schritt: die Auswahl des am besten geeigneten Gewindefräsers. Der dritte Schritt umfasst die CNC-Programmierung, die die Berechnung der radialen Schnitttiefe sowie der zulässigen Vorschübe und Drehzahlen erfordert. Zur Vereinfachung der Programmierung empfiehlt sich die Verwendung einer speziell für das Gewindefräsen entwickelten CAD/CAM-Software. Nach der Programmierung ist es ratsam, ein Teststück einzurichten, um Werkzeugweg, Vorschübe und Drehzahlen zu überprüfen, ohne die Serienteile zu gefährden. Nach erfolgreichem Test kann die Serienproduktion beginnen.
Tipps zum Gewindefräsen
Bei jeder Gewindefräsanwendung ist Erfahrung in der Einrichtung des optimalen CNC-Werkzeugwegs von Vorteil. Hier sind einige praktische Tipps zum Gewindefräsen:
- Den Werkzeugverschleiß und die Gewindequalität genau überwachen, um gegebenenfalls Anpassungen vorzunehmen.
- Verwenden Sie nach Möglichkeit die niedrigstmögliche Schnittgeschwindigkeit.
- Sorgen Sie für ausreichend Kühlmittelzufuhr und -druck, um sichere Temperaturen an der Schnittfläche aufrechtzuerhalten und den Späneabtransport zu unterstützen.
- Das Werkstück muss sicher eingespannt werden, um das Risiko von Vibrationen beim Gewindefräsen zu minimieren.
- Bei Verschleiß der Schneidkante sollte die Werkzeugeintrittsmethode angepasst werden. Gleichlauffräsen vom Bohrlochgrund oder zusätzliche Radialbearbeitungen können die Werkzeugstandzeit verlängern.
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