Mit der zunehmenden Verbreitung von CNC-Werkzeugmaschinen findet die Gewindefrästechnologie immer häufiger Anwendung im Maschinenbau. Beim Gewindefräsen, einem Drei-Achs-System einer CNC-Werkzeugmaschine, wird mithilfe eines Gewindefräsers spiralförmig interpoliert, um Gewinde zu formen. Der Fräser beschreibt eine Kreisbewegung in der horizontalen Ebene und bewegt sich linear um die Gewindesteigung in der vertikalen Ebene. Das Gewindefräsen bietet zahlreiche Vorteile wie hohe Bearbeitungseffizienz, hohe Gewindequalität, vielseitige Werkzeugauswahl und hohe Bearbeitungssicherheit. Aktuell sind viele verschiedene Gewindefräser im Einsatz. Dieser Artikel analysiert und stellt einige gängige Gewindefräser hinsichtlich ihrer Anwendungseigenschaften, Werkzeugstruktur und Bearbeitungstechnologie vor.
1. Gewindefräser mit gewöhnlicher Maschinenklemmung
Der Gewindefräser mit Spannvorrichtung ist das am häufigsten verwendete und kostengünstigste Werkzeug zum Gewindefräsen. Sein Aufbau ähnelt dem eines herkömmlichen Gewindefräsers mit Spannvorrichtung. Er besteht aus einem wiederverwendbaren Werkzeughalter und einem leicht austauschbaren Schneidmesser. Für die Bearbeitung von Kegelgewinden können spezielle Werkzeughalter und Schneidmesser verwendet werden. Dieses Schneidmesser besitzt mehrere Gewindeschneidzähne. Das Werkzeug kann mehrere Gewindegänge gleichzeitig entlang der Spirale bearbeiten. Beispielsweise kann ein A-Fräser mit fünf 2-mm-Gewindeschneidzähnen fünf Gewindegänge mit einer Gewindetiefe von 10 mm entlang der Spirale bearbeiten. Um die Bearbeitungseffizienz weiter zu steigern, kann ein Mehrschneiden-Gewindefräser mit Spannvorrichtung eingesetzt werden. Durch die Erhöhung der Schneidkantenzahl lässt sich der Vorschub deutlich steigern. Allerdings beeinträchtigen die radialen und axialen Positionierfehler zwischen den einzelnen Schneidmessern entlang des Umfangs die Genauigkeit der Gewindebearbeitung. Sollte die Gewindegenauigkeit des Mehrschneiden-Gewindefräsers mit Spannvorrichtung nicht zufriedenstellend sein, kann alternativ auch nur ein Schneidmesser verwendet werden. Bei der Auswahl eines Gewindefräsers mit Spannvorrichtung sollten Faktoren wie Durchmesser und Tiefe des zu bearbeitenden Gewindes sowie das Werkstückmaterial berücksichtigt werden. Ein Schaft mit größerem Durchmesser (zur Erhöhung der Werkzeugsteifigkeit) und ein geeignetes Schneidmaterial sind empfehlenswert. Die Gewindebearbeitungstiefe des Gewindefräsers mit Spannvorrichtung wird durch die effektive Schnitttiefe des Werkzeughalters bestimmt. Da die Schneidlänge geringer ist als die effektive Schnitttiefe des Werkzeughalters, muss bei einer größeren Gewindetiefe als der Schneidlänge schichtweise gefräst werden.
2 Gewöhnlicher Gewindefräser
Integrale Gewindefräser bestehen meist aus Vollhartmetall, einige sind auch beschichtet. Sie zeichnen sich durch ihre kompakte Bauweise aus und eignen sich besonders für die Bearbeitung von Gewinden mit mittlerem und kleinem Durchmesser; es gibt auch integrierte Gewindefräser für Kegelgewinde. Diese Werkzeuge bieten eine hohe Steifigkeit, insbesondere solche mit Spiralnut. Dadurch wird die Schnittkraft effektiv reduziert und die Bearbeitungseffizienz bei der Bearbeitung von hochharten Werkstoffen gesteigert. Die Schneide des integrierten Gewindefräsers ist mit Gewindeschneidzähnen versehen, sodass die gesamte Gewindebearbeitung entlang der Spirallinie innerhalb einer Woche abgeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu Werkzeugen mit Spannvorrichtung ist keine mehrschichtige Bearbeitung erforderlich, was die Bearbeitungseffizienz erhöht, allerdings ist der Preis vergleichsweise hoch.
3 Integrierter Gewindefräser mit Anfasfunktion
Die Struktur des Gewindefräsers mit integrierter Anfasfunktion ähnelt der eines herkömmlichen Gewindefräsers. Er verfügt jedoch über eine spezielle Anfaskante am Schneidfuß, die die Gewindeendfase während des Gewindeschneidens erzeugt. Es gibt drei Anfasmethoden: Bei ausreichend großem Werkzeugdurchmesser kann die Anfaskante direkt zum Anfasen verwendet werden. Diese Methode ist auf das Anfasen von Innengewindebohrungen beschränkt. Bei kleinem Werkzeugdurchmesser kann die Anfaskante durch eine kreisförmige Bewegung zum Anfasen genutzt werden. Dabei ist jedoch auf ausreichend Freiraum zwischen Werkzeug und Gewinde zu achten, um Kollisionen zu vermeiden. Ist die Gewindetiefe geringer als die effektive Schnittlänge des Werkzeugs, kann die Anfasfunktion nicht realisiert werden. Daher ist bei der Werkzeugauswahl darauf zu achten, dass die effektive Schnittlänge und die Gewindetiefe zueinander passen.
4 Gewindebohr- und Fräser
Der Gewindebohr- und -fräser besteht aus Vollhartmetall und ist ein hocheffizientes Bearbeitungswerkzeug für Innengewinde mit kleinem und mittlerem Durchmesser. Er ermöglicht das Bohren von Gewindegrundlöchern, das Anfasen und die Bearbeitung des Innengewindes in einem Arbeitsgang und reduziert so den Werkzeugbedarf. Allerdings ist er weniger vielseitig einsetzbar und relativ teuer. Das Werkzeug besteht aus drei Teilen: dem Bohrkopf, dem Gewindefräser in der Mitte und der Anfasschneide am Schneidfuß. Der Durchmesser des Bohrkopfes entspricht dem Grunddurchmesser des bearbeitbaren Gewindes. Aufgrund dieses begrenzten Durchmessers kann ein Gewindebohr- und -fräser nur Innengewinde einer bestimmten Spezifikation bearbeiten. Bei der Auswahl des Werkzeugs ist neben der Spezifikation des zu bearbeitenden Gewindelochs auch die Abstimmung der effektiven Werkzeuglänge auf die Bearbeitungstiefe zu berücksichtigen, da sonst die Anfasfunktion nicht realisiert werden kann.
5-Gewinde-Schneckenfräser
Gewindeschneid- und Fräswerkzeuge sind Vollhartmetallwerkzeuge zur effizienten Bearbeitung von Innengewinden und können gleichzeitig Grundbohrungen und Gewinde bearbeiten. Die Schneide des Werkzeugs ähnelt der eines Schaftfräsers. Da der Steigungswinkel des Gewindes gering ist, schneidet die Schneide beim spiralförmigen Fräsen zunächst das Werkstückmaterial ab, um die Grundbohrung zu formen. Anschließend wird das Gewinde von der Werkzeugrückseite aus gefräst. Einige Gewindeschneid- und Fräswerkzeuge verfügen zusätzlich über eine Anfasschneide, mit der die Bohrungsfase gleichzeitig bearbeitet werden kann. Das Werkzeug zeichnet sich durch hohe Bearbeitungseffizienz und größere Vielseitigkeit im Vergleich zu Gewindebohr- und Fräswerkzeugen aus. Der bearbeitbare Innengewindedurchmesser liegt zwischen D und 2D (D ist der Durchmesser des Werkzeugkörpers).
6 Fräsen von Tiefgewinden
Der Tiefgewindefräser ist ein einzahniger Gewindefräser. Ein herkömmlicher Gewindefräser besitzt mehrere Gewindebearbeitungszähne an der Schneide. Die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück ist groß, die Schnittkraft entsprechend hoch, und der Werkzeugdurchmesser muss beim Bearbeiten von Innengewinden kleiner als die Gewindeöffnung sein. Da der Durchmesser des Fräskörpers begrenzt ist, was die Steifigkeit des Fräsers beeinträchtigt, und der Fräser beim Gewindefräsen einseitig belastet wird, besteht beim Fräsen tiefer Gewinde die Gefahr des Werkzeugbruchs, was die Genauigkeit der Gewindebearbeitung mindert. Daher beträgt die effektive Schnitttiefe herkömmlicher Gewindefräser etwa das Zweifache des Fräskörperdurchmessers. Der Einsatz einzahniger Tiefgewindefräser kann diese Nachteile besser beheben. Durch die Reduzierung der Schnittkraft lässt sich die Gewindebearbeitungstiefe deutlich erhöhen, und die effektive Schnitttiefe des Werkzeugs kann das Drei- bis Vierfache des Fräskörperdurchmessers erreichen.
7-Gewindefräswerkzeugsystem
Vielseitigkeit und Effizienz stellen einen zentralen Widerspruch bei Gewindefräsern dar. Einige Werkzeuge mit kombinierter Funktion (wie Gewindebohr- und -fräser) weisen zwar eine hohe Bearbeitungseffizienz auf, sind aber wenig vielseitig, während vielseitige Werkzeuge oft ineffizient sind. Um dieses Problem zu lösen, haben viele Werkzeughersteller modulare Gewindefräsersysteme entwickelt. Diese Systeme bestehen in der Regel aus einem Werkzeughalter, einer Senk- und Anfasschneide sowie einem Gewindefräser. Je nach Bearbeitungsanforderung können verschiedene Senk- und Anfasschneideschneiden sowie Gewindefräser ausgewählt werden. Dieses System zeichnet sich durch hohe Vielseitigkeit und Bearbeitungseffizienz aus, ist jedoch relativ teuer.
Die Funktionen und Eigenschaften einiger gängiger Gewindefräswerkzeuge wurden bereits kurz vorgestellt. Die Kühlung ist beim Gewindefräsen von entscheidender Bedeutung. Es empfiehlt sich, Werkzeugmaschinen und Werkzeuge mit Innenkühlung einzusetzen. Bei hohen Werkzeugdrehzahlen dringt das externe Kühlmittel aufgrund der Zentrifugalkraft nur schwer ein. Neben der Innenkühlung, die das Werkzeug effektiv kühlt, ist insbesondere bei Sacklochgewinden ein hoher Kühldruck für die Spanabfuhr wichtig. Bei der Bearbeitung von Innengewinden mit kleinem Durchmesser ist ein höherer Innenkühldruck erforderlich, um eine reibungslose Spanabfuhr zu gewährleisten. Bei der Auswahl eines Gewindefräswerkzeugs sollten die spezifischen Bearbeitungsanforderungen umfassend berücksichtigt werden. Dazu gehören beispielsweise Produktionslosgröße, Anzahl der Gewindebohrungen, Werkstückmaterial, Gewindegenauigkeit und Größenangaben. Das Werkzeug muss entsprechend ausgewählt werden.
Veröffentlichungsdatum: 30. November 2021
