Grundlagen der Planfräsbearbeitung

Was ist Planfräsen?

Planfräsen ist ein zerspanendes Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von ebenen, flachen Oberflächen an Werkstücken. Bei diesem Verfahren rotiert ein Fräswerkzeug mit mehreren Schneiden um seine eigene Achse und bewegt sich gleichzeitig entlang der Werkstückoberfläche, um Material schichtweise abzutragen. Die für die Planfräsbearbeitung relevanten Eigenschaften des Verfahrens lassen sich in drei Kernbereiche einteilen:

1. Werkzeuggeometrie: Die Form der Schneiden, der Einstellwinkel (Lead Angle) und die Anzahl der Schneiden bestimmen die Schnittkräfte, die Wärmeentwicklung und die Oberflächenqualität.
2. Schnittparameter: Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe legen die Materialabtragsrate und die Prozessstabilität fest.
3. Werkstückmaterial: Die Härte, Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit des zu bearbeitenden Materials beeinflussen die Werkzeugverschleißrate und die Chipbildung.

Planfräsen wird sowohl für Grobbearbeitungen (hohe Materialabtragsraten) als auch für Feinarbeitungen (hohe Oberflächenqualität) eingesetzt.

Wie verhält sich das Verfahren unter dem Werkzeug?

Um Planfräsen sicher und effizient durchzuführen, ist es wichtig, die Wechselwirkungen zwischen Werkzeug, Werkstück und Prozess zu verstehen:

• Schnittkräfte: Bei Planfräsen entstehen drei Hauptkräfte: die Hauptschnittkraft (in Vorschubrichtung), die Vorschubkraft (senkrecht zur Vorschubrichtung) und die Passivkraft (senkrecht zur Werkstückoberfläche). Die Passivkraft ist bei Planfräsen besonders hoch, da sie direkt auf die Stabilität der Werkstückaufspannung und der Maschine wirkt. Hohe Passivkräfte können zu Vibrationen führen, die die Oberflächenqualität beeinträchtigen.
• Wärmeentwicklung: Rund 80 % der bei der Zerspanung entstehenden Wärme wird durch die Späne abgeführt, 15 % verbleiben im Werkzeug und 5 % im Werkstück. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten oder zähen Materialien kann die Wärme im Werkzeug stark ansteigen und zu Werkzeugverschleiß führen.
• Chipbildung: Die Art der Chipbildung hängt von dem Werkstückmaterial ab. Bei weichen Materialien wie Aluminium entstehen lange, kontinuierliche Späne, die sich um das Werkzeug wickeln und die Oberfläche beschädigen können. Bei harten Materialien wie Stahl entstehen kurze, gebrochene Späne, die leichter abgeführt werden können.
• Werkzeugverschleiß: Die wichtigsten Verschleißmechanismen bei Planfräsen sind:
  • Abriebverschleiß: Durch die Reibung zwischen Schneide und Werkstückmaterial.
  • Diffusionsverschleiß: Bei hohen Temperaturen diffundieren Atome aus der Schneide in das Werkstückmaterial und umgekehrt.
  • Thermische Ermüdung: Durch wiederholte Erwärmung und Abkühlung der Schneide.

Praktische Parameter

Die Wahl der Parameter hängt von der Art der Bearbeitung (Grob- oder Feinarbeitung), dem Werkstückmaterial und der verwendeten Maschine ab. Im Folgenden finden Sie praxisnahe Bereiche und die dazugehörigen Abwägungen:

Werkzeugauswahl

Die Werkzeugauswahl ist der wichtigste Faktor für die Effizienz und Qualität der Planfräsbearbeitung. Sie hängt von drei Hauptkriterien ab:

1. Schneidstoff:
   • Hartmetall: Universell einsetzbar für die meisten Materialien.
   • Cermet: Für Feinarbeitungen von Stahl, bietet eine hohe Oberflächenqualität.
   • PKD (Polykristalliner Diamant): Für die Bearbeitung von Aluminium, Kupfer und Kunststoffen, sehr verschleißfest.
   • CBN (Kubisches Bornitrid): Für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl und Gusseisen.
2. Einstellwinkel (Lead Angle): Der Einstellwinkel ist der Winkel zwischen der Hauptschnittrichtung und der Schneidkante des Werkzeugs. Er hat einen großen Einfluss auf die Schnittkräfte und die Oberflächenqualität:
   • 0° Einstellwinkel: Hohe Passivkräfte, geringe Vorschubkräfte. Geeignet für Grobbearbeitungen mit hohen Schnitttiefen, da die Kräfte gleichmäßiger verteilt werden.
   • 45° Einstellwinkel: Geringe Passivkräfte, hohe Vorschubkräfte. Geeignet für dünnwandige Werkstücke, da die Kräfte weniger auf die Werkstückoberfläche wirken.
   • 90° Einstellwinkel: Sehr geringe Passivkräfte, sehr hohe Vorschubkräfte. Geeignet für die Bearbeitung von Kanten und Schultern.
3. Anzahl der Schneiden:
   • Wenige Schneiden (3–4): Hohe Spanraum, geeignet für Grobbearbeitungen mit langen Spänen.
   • Viele Schneiden (6–12): Geringere Spanraum, geeignet für Feinarbeitungen mit hohen Vorschüben.

Schrittweite (Stepover)

Die Schrittweite ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fräspfaden. Sie wird in Prozent des Werkzeugdurchmessers angegeben:

• Grobbearbeitung: 70–90 % des Werkzeugdurchmessers. Hohe Materialabtragsrate, aber geringere Oberflächenqualität.
• Feinarbeitung: 30–60 % des Werkzeugdurchmessers. Geringere Materialabtragsrate, aber höhere Oberflächenqualität.
• Abwägung: Eine zu hohe Schrittweite führt zu Vibrationen und unregelmäßigen Oberflächen. Eine zu geringe Schrittweite erhöht die Bearbeitungszeit unnötig.

Schnittgeschwindigkeit (Vc)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Schneide relativ zum Werkstück. Sie wird in Metern pro Minute (m/min) angegeben:

• Aluminium: 200–1000 m/min (mit PKD-Werkzeugen)
• Stahl: 100–300 m/min (mit Hartmetall-Werkzeugen)
• Gusseisen: 150–400 m/min (mit CBN-Werkzeugen)
• Abwägung: Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit führt zu schnellem Werkzeugverschleiß. Eine zu geringe Schnittgeschwindigkeit reduziert die Effizienz.

Vorschub pro Schneide (fz)

Der Vorschub pro Schneide ist der Abstand, den das Werkzeug pro Schneide und Umdrehung zurücklegt. Er wird in Millimeter pro Schneide und Umdrehung (mm/Zahn) angegeben:

• Grobbearbeitung: 0,1–0,3 mm/Zahn
• Feinarbeitung: 0,05–0,15 mm/Zahn
• Abwägung: Ein zu hoher Vorschub führt zu hohen Schnittkräften und Werkzeugbruch. Ein zu geringer Vorschub führt zu erhöhtem Abriebverschleiß.

Maschinenspezifische Anpassungen

Die Parameter müssen an die Leistungsdaten der verwendeten Maschine angepasst werden. Beispiele für Gree CNC-Maschinen:

• Für die Grobbearbeitung von Stahl mit hohen Schnitttiefen eignet sich das GA-MV856 (Vertikales Bearbeitungszentrum) mit einem direkten mechanischen Spindel und einem maximalen Drehmoment von 95,5 Nm.
• Für die Feinarbeitung von Aluminium mit hohen Schnittgeschwindigkeiten eignet sich das GA-DV750 (Vertikales Bearbeitungszentrum) mit einem Hochgeschwindigkeits-Elektrospindel und einer maximalen Drehzahl von 30.000 U/min.

Was geht schief?

Planfräsen kann zu verschiedenen Problemen führen. Im Folgenden finden Sie die häufigsten Fehlerarten, ihre Ursachen und Lösungen:

Ehrliche Einschränkungen

Planfräsen ist ein vielseitiges Verfahren, aber es hat auch Grenzen:

1. Nur ebene Oberflächen: Planfräsen kann keine gekrümmten oder komplexen Oberflächen bearbeiten. Für solche Anwendungen sind andere Verfahren wie das Kugelfräsen oder das 5-Achsen-Fräsen erforderlich.
2. Hohe Passivkräfte: Bei dünnwandigen oder empfindlichen Werkstücken können die hohen Passivkräfte zu Verformungen führen. In solchen Fällen sind andere Verfahren wie das Laserabtragen oder das Erodieren besser geeignet.
3. Begrenzte Materialabtragsrate bei harten Materialien: Bei sehr harten Materialien wie gehärtetem Stahl ist die Materialabtragsrate von Planfräsen im Vergleich zu anderen Verfahren wie dem Schleifen gering.
4. Hohe Werkzeugkosten: Für die Bearbeitung von harten oder abrasiven Materialien sind spezielle Werkzeuge wie CBN oder PKD erforderlich, die sehr teuer sind.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Auftrags

Bevor Sie mit der Planfräsbearbeitung beginnen, überprüfen Sie die folgenden Punkte:

1. Werkstückaufspannung: Stellen Sie sicher, dass das Werkstück fest und stabil aufgespannt ist, um Vibrationen zu vermeiden.
2. Werkzeugauswahl: Wählen Sie das passende Werkzeug (Schneidstoff, Einstellwinkel, Anzahl der Schneiden) für das Werkstückmaterial und die Art der Bearbeitung.
3. Schnittparameter: Passen Sie die Schnittgeschwindigkeit, den Vorschub pro Schneide und die Schrittweite an das Werkstückmaterial und die Maschine an.
4. Kühlung: Stellen Sie sicher, dass ausreichend Kühlmittel vorhanden ist, um die Wärme abzuführen und den Werkzeugverschleiß zu reduzieren.
5. Werkzeuglängenmessung: Überprüfen Sie die Werkzeuglänge genau, um unregelmäßige Oberflächen zu vermeiden.
6. Maschinenleistung: Überprüfen Sie, ob die Maschine die erforderlichen Kräfte und Drehzahlen für die gewählten Parameter bereitstellen kann.

FAQ

1. Welcher Einstellwinkel ist am besten für die Grobbearbeitung? Für die Grobbearbeitung ist ein Einstellwinkel von 0° am besten. Er verteilt die Schnittkräfte gleichmäßiger auf die Schneiden und ermöglicht höhere Schnitttiefen.

2. Wie kann ich die Oberflächenqualität bei der Planfräsbearbeitung verbessern? Sie können die Oberflächenqualität verbessern, indem Sie die Schrittweite reduzieren, den Vorschub pro Schneide anpassen, ein Werkzeug mit vielen Schneiden verwenden und die Schnittgeschwindigkeit optimieren.

3. Welche Gree CNC-Maschine eignet sich für die Planfräsbearbeitung von großen Werkstücken? Für große Werkstücke eignet sich das GA-MVD2560 (Vertikales Bearbeitungszentrum mit Doppelspindel) mit einem Tisch von 3000×550 mm und einer maximalen Tischbelastung von 2000 kg.

4. Warum entstehen Rattermarken bei der Planfräsbearbeitung? Rattermarken entstehen durch Vibrationen, die durch hohe Passivkräfte, unzureichende Werkstückaufspannung oder zu hohe Schrittweiten verursacht werden.

5. Kann ich Planfräsen für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl verwenden? Ja, Sie können Planfräsen für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl verwenden, aber Sie benötigen spezielle Werkzeuge aus CBN und müssen die Schnittparameter anpassen, um den Werkzeugverschleiß zu reduzieren.

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