Plunge- und Z-Achsen-Fräsen: Tiefenhohlräume effizient bearbeiten

Was ist dieses Verfahren?

Plunge- und Z-Achsen-Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem das Werkzeug hauptsächlich entlang der Z-Achse (vertikale Achse bei vertikalen Bearbeitungszentren) in das Werkstück eindringt, um Material abzutragen. Im Gegensatz zum Seitenfräsen, bei dem das Werkzeug seitlich entlang der X- oder Y-Achse bewegt wird, konzentriert sich dieses Verfahren auf die vertikale Materialentfernung.

Für die Praxis sind drei Eigenschaften dieses Verfahrens besonders wichtig:

1. Hohe Materialabtragsrate bei tiefen Hohlräumen: Es eignet sich ideal für die Grobbearbeitung von Hohlräumen, bei denen die Tiefe mehr als das 1,5-fache der Breite des Hohlraums beträgt.
2. Geringere Maschinenbelastung: Die Kräfte wirken hauptsächlich entlang der Z-Achse, die bei den meisten Maschinen eine höhere Steifigkeit aufweist als die X- oder Y-Achse.
3. Einfache Werkzeugwege: Die Programmierung ist weniger komplex als bei komplexen Seitenfräsen-Strategien, da die Bewegungen auf vertikale Eindringungen und horizontale Positionierungen beschränkt sind.

Wie verhält sich das Verfahren unter dem Werkzeug?

Um das Plunge- und Z-Achsen-Fräsen sicher und effizient anzuwenden, müssen Sie die auftretenden Kräfte, Wärmeentwicklung, Spanbildung und Werkzeugverschleiß verstehen:

Schnittkräfte

Beim Plunge-Fräsen wirken die Kräfte hauptsächlich axial (entlang der Z-Achse), während radiale Kräfte (seitlich auf das Werkzeug) deutlich geringer sind als beim Seitenfräsen. Dies hat zwei wichtige Auswirkungen:

• Die Maschinenbelastung konzentriert sich auf die Z-Achse, die bei vertikalen Bearbeitungszentren in der Regel die steifste Achse ist.
• Werkzeugverformungen durch seitliche Kräfte sind minimal, was auch bei langen Werkzeugen eine stabile Bearbeitung ermöglicht.

Wärmeentwicklung

Da die Schnittgeschwindigkeit beim Plunge-Fräsen oft niedriger ist als beim Seitenfräsen, ist die Wärmeentwicklung im Schnittbereich geringer. Ein Teil der Wärme wird zudem durch die Späne abgeführt, die direkt nach dem Eindringen des Werkzeugs fallen. Dies reduziert die Gefahr von Werkzeugüberhitzung und Werkstückverformung durch Wärme.

Spanbildung

Die Späne beim Plunge-Fräsen sind in der Regel kurz und gebrochen, da das Werkzeug ständig neu in das Material eindringt. Dies erleichtert die Spanabfuhr aus dem Hohlraum, insbesondere bei tiefen oder engen Formen, bei denen Späne beim Seitenfräsen leicht verklemmt werden können.

Werkzeugverschleiß

Der Hauptverschleiß tritt an der Schneidkante des Werkzeugs auf, da diese ständig mit neuem Material in Kontakt kommt. Bei harten Werkstoffen oder hohen Vorschüssen kann zudem ein Verschleiß an der Stirnfläche des Werkzeugs auftreten. Im Vergleich zum Seitenfräsen ist der Werkzeugverschleiß bei gleicher Materialabtragsrate oft geringer, da die Kräfte gleichmäßiger verteilt sind.

Praktische Parameter

Die Parameter für das Plunge- und Z-Achsen-Fräsen hängen von dem zu bearbeitenden Werkstoff, dem Werkzeug und der Maschine ab. Im Folgenden finden Sie praxisrelevante Bereiche und die dazugehörigen Abwägungen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Die Schnittgeschwindigkeit gibt die Geschwindigkeit der Schneidkante relativ zum Werkstück an. Sie wird in Metern pro Minute (m/min) gemessen.

• Bereich: 50–150 m/min für Stahl, 100–250 m/min für Aluminium, 30–80 m/min für Edelstahl.
• Abwägung: Höhere Schnittgeschwindigkeiten erhöhen die Produktivität, führen aber auch zu mehr Wärme und schnellerem Werkzeugverschleiß. Bei Maschinen mit geringer Spindelsteifigkeit sollten Sie die Schnittgeschwindigkeit reduzieren, um Vibrationen zu vermeiden.

Vorschub pro Zahn (fz)

Der Vorschub pro Zahn gibt die Strecke an, die das Werkzeug pro Umdrehung und Zahn zurücklegt. Er wird in Millimeter pro Zahn (mm/Zahn) gemessen.

• Bereich: 0,1–0,3 mm/Zahn für Stahl, 0,2–0,5 mm/Zahn für Aluminium, 0,08–0,2 mm/Zahn für Edelstahl.
• Abwägung: Höhere Vorschüse erhöhen die Materialabtragsrate, führen aber auch zu höheren Schnittkräften. Achten Sie darauf, dass die Maschine die resultierenden Kräfte bewältigen kann. Beispielsweise hat das Gree CNC-Modell GA-MV856 ein maximales Spindeldrehmoment von 95,5 Nm, das für hohe Vorschüse bei Stahl geeignet ist.

Eindringtiefe pro Plung (ap)

Die Eindringtiefe pro Plung gibt die Strecke an, die das Werkzeug pro vertikaler Bewegung in das Material eindringt. Sie wird in Millimeter (mm) gemessen.

• Bereich: 1–5 mm pro Plung für Stahl, 3–10 mm pro Plung für Aluminium, 0,5–3 mm pro Plung für Edelstahl.
• Abwägung: Tiefere Eindringungen reduzieren die Anzahl der erforderlichen Plunge-Bewegungen, erhöhen aber die Belastung des Werkzeugs und der Maschine. Bei langen Werkzeugen sollten Sie die Eindringtiefe reduzieren, um Verformungen zu vermeiden.

Werkzeuggeometrie

Die Wahl der Werkzeuggeometrie ist entscheidend für die Effizienz und Stabilität des Verfahrens:

• Schneidkantenwinkel: Ein Winkel von 90 Grad ist ideal für das Plunge-Fräsen, da er die Kräfte gleichmäßig entlang der Z-Achse verteilt.
• Anzahl der Zähne: Mehr Zähne erhöhen die Vorschubgeschwindigkeit, führen aber auch zu höheren Kräften. Für weiche Werkstoffe eignen sich Werkzeuge mit 4–6 Zähnen, für harte Werkstoffe 2–4 Zähne.
• Kühlkanäle: Werkzeuge mit internen Kühlkanälen sind besonders für tiefe Hohlräume geeignet, da sie die Kühlflüssigkeit direkt in den Schnittbereich bringen.

Was geht schief?

Beim Plunge- und Z-Achsen-Fräsen können verschiedene Fehler auftreten. Im Folgenden finden Sie die häufigsten Fehlerarten, wie Sie sie erkennen und beheben können:

Vibrationen

• Erkennung: Unregelmäßige Geräusche, schlechte Oberflächenqualität, schneller Werkzeugverschleiß.
• Ursachen: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu hohe Eindringtiefe, zu lange Werkzeuge, unzureichende Maschinensteifigkeit.
• Lösungen: Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit oder Eindringtiefe, verwenden Sie kürzere Werkzeuge, oder wechseln Sie zu einer Maschine mit höherer Steifigkeit. Beispielsweise hat das Gree CNC-Modell GA-UHD500 eine hohe Spindelsteifigkeit und eignet sich für anspruchsvolle Bearbeitungen.

Werkzeugbruch

• Erkennung: Plötzlicher Ausfall des Werkzeugs, Beschädigungen am Werkstück.
• Ursachen: Zu hohe Vorschüse, zu hohe Eindringtiefe, verklemmte Späne, falsche Werkzeuggeometrie.
• Lösungen: Reduzieren Sie Vorschub oder Eindringtiefe, verbessern Sie die Spanabfuhr durch interne Kühlkanäle, oder verwenden Sie ein Werkzeug mit geeigneter Geometrie.

Schlechte Oberflächenqualität

• Erkennung: Rauhe Oberflächen, Rillen, Unebenheiten im Hohlraum.
• Ursachen: Vibrationen, zu hohe Vorschüse, abgenutzte Werkzeuge, unzureichende Kühlung.
• Lösungen: Beheben Sie Vibrationen, reduzieren Sie den Vorschub, wechseln Sie das Werkzeug, oder verbessern Sie die Kühlung.

Werkstückverformung

• Erkennung: Abweichungen von der Sollform des Werkstücks.
• Ursachen: Hohe Schnittkräfte, Wärmeentwicklung, unzureichende Werkstückspannung.
• Lösungen: Reduzieren Sie die Schnittkräfte durch niedrigere Vorschüse oder Eindringtiefe, verbessern Sie die Kühlung, oder erhöhen Sie die Spannkraft des Werkstücks.

Ehrliche Einschränkungen

Das Plunge- und Z-Achsen-Fräsen ist kein Allround-Verfahren. Es ist in folgenden Fällen eine schlechte Wahl:

1. Flache oder breite Formen: Bei Formen, bei denen die Tiefe weniger als das 1,5-fache der Breite beträgt, ist das Seitenfräsen in der Regel effizienter.
2. Feine Oberflächenanforderungen: Das Plunge-Fräsen eignet sich hauptsächlich für die Grobbearbeitung. Für die Feinbearbeitung von Oberflächen ist das Seitenfräsen oder andere Verfahren besser geeignet.
3. Kleine Werkstücke: Bei sehr kleinen Werkstücken kann das Plunge-Fräsen aufgrund der begrenzten Werkzeuggröße und der hohen Kräfte schwierig sein.
4. Maschinen mit geringer Z-Achsensteifigkeit: Wenn Ihre Maschine eine geringe Steifigkeit der Z-Achse aufweist, kann das Plunge-Fräsen zu Vibrationen oder Verformungen führen.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung

Bevor Sie mit dem Plunge- und Z-Achsen-Fräsen beginnen, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Formanalyse: Stellen Sie sicher, dass die Tiefe des Hohlraums mehr als das 1,5-fache der Breite beträgt. Wenn nicht, erwägen Sie das Seitenfräsen.
2. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Z-Achsensteifigkeit und Spindeldrehmoment. Für Stahl eignet sich beispielsweise das Gree CNC-Modell GA-MV856, für Aluminium das GA-DV750.
3. Werkzeugwahl: Verwenden Sie ein Werkzeug mit 90-Grad-Schneidkantenwinkel, geeigneter Anzahl von Zähnen und internen Kühlkanälen für tiefe Hohlräume.
4. Parameterfestlegung: Passen Sie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Eindringtiefe an den Werkstoff und die Maschine an. Beginnen Sie mit niedrigeren Werten und erhöhen Sie sie schrittweise.
5. Spanabfuhr: Stellen Sie sicher, dass die Kühlflüssigkeit ausreichend ist und die Späne aus dem Hohlraum abgeführt werden.
6. Werkstückspannung: Überprüfen Sie, ob das Werkstück ausreichend gespannt ist, um Verformungen durch die Schnittkräfte zu vermeiden.
7. Programmierung: Stellen Sie sicher, dass die Werkzeugwege korrekt programmiert sind und keine Kollisionen auftreten.

FAQ

1. Kann ich das Plunge- und Z-Achsen-Fräsen auch für die Feinbearbeitung verwenden? Nein, das Plunge- und Z-Achsen-Fräsen eignet sich hauptsächlich für die Grobbearbeitung. Für die Feinbearbeitung von Oberflächen sollten Sie auf das Seitenfräsen oder andere Verfahren zurückgreifen, die eine bessere Oberflächenqualität ermöglichen.

2. Welche Gree CNC-Maschine ist am besten für das Plunge-Fräsen von Stahl geeignet? Für das Plunge-Fräsen von Stahl eignet sich das Gree CNC-Modell GA-MV856 aufgrund seines hohen Spindeldrehmoments von bis zu 95,5 Nm und seiner robusten Konstruktion. Für besonders anspruchsvolle Aufgaben ist das GA-UHD500 mit einem Spindeldrehmoment von bis zu 130 Nm geeignet.

3. Wie vermeide ich Verformungen des Werkzeugs beim Plunge-Fräsen? Verwenden Sie kürzere Werkzeuge, reduzieren Sie die Eindringtiefe pro Plung und stellen Sie sicher, dass die Maschine ausreichend steif ist. Zudem sollten Sie die Vorschüse nicht zu hoch wählen, um die Schnittkräfte zu begrenzen.

4. Kann ich das Plunge-Fräsen auch auf einer 5-Achsen-Maschine verwenden? Ja, das Plunge-Fräsen kann auch auf 5-Achsen-Maschinen verwendet werden. Es eignet sich besonders für die Grobbearbeitung von komplexen Formen, bei denen das Werkzeug entlang der Z-Achse in das Material eindringt. Beispielsweise ist das Gree CNC-Modell GA-FA500 für solche Anwendungen geeignet.

5. Wie unterscheidet sich das Plunge-Fräsen vom Bohren? Beim Bohren wird ein Loch mit einem speziellen Bohrer erstellt, wobei das Werkzeug nur entlang der Z-Achse bewegt wird. Beim Plunge-Fräsen wird ein Fräswerkzeug verwendet, das nach dem Eindringen in das Material auch horizontal bewegt werden kann, um größere Formen zu bearbeiten. Das Plunge-Fräsen ist also flexibler als das Bohren.

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