I. Grundlagen und Einflussfaktoren des Gleichlauffräsens und Gegenlauffräsens in CNC-Fräsmaschinen
(A) Prinzipien und damit verbundene Einflüsse des Gleichlauffräsens
Beim Bearbeitungsprozess einer CNC-Fräsmaschine ist das Gleichlauffräsen ein spezielles Fräsverfahren. Wenn die Drehrichtung des Teils, an dem der Fräser das Werkstück berührt, mit der Vorschubrichtung des Werkstücks übereinstimmt, spricht man vom Gleichlauffräsen. Dieses Fräsverfahren hängt eng mit den mechanischen Struktureigenschaften der Fräsmaschine zusammen, insbesondere mit dem Abstand zwischen Mutter und Schraube. Beim Gleichlauffräsen ändert sich die horizontale Fräskomponentenkraft und es besteht ein Abstand zwischen Schraube und Mutter, wodurch sich der Arbeitstisch und die Schraube nach links und rechts bewegen. Diese periodische Bewegung ist ein großes Problem beim Gleichlauffräsen, da sie die Bewegung des Arbeitstisches extrem instabil macht. Die durch diese instabile Bewegung verursachten Schäden am Schneidwerkzeug sind offensichtlich und können leicht die Zähne des Schneidwerkzeugs beschädigen.
Beim Bearbeitungsprozess einer CNC-Fräsmaschine ist das Gleichlauffräsen ein spezielles Fräsverfahren. Wenn die Drehrichtung des Teils, an dem der Fräser das Werkstück berührt, mit der Vorschubrichtung des Werkstücks übereinstimmt, spricht man vom Gleichlauffräsen. Dieses Fräsverfahren hängt eng mit den mechanischen Struktureigenschaften der Fräsmaschine zusammen, insbesondere mit dem Abstand zwischen Mutter und Schraube. Beim Gleichlauffräsen ändert sich die horizontale Fräskomponentenkraft und es besteht ein Abstand zwischen Schraube und Mutter, wodurch sich der Arbeitstisch und die Schraube nach links und rechts bewegen. Diese periodische Bewegung ist ein großes Problem beim Gleichlauffräsen, da sie die Bewegung des Arbeitstisches extrem instabil macht. Die durch diese instabile Bewegung verursachten Schäden am Schneidwerkzeug sind offensichtlich und können leicht die Zähne des Schneidwerkzeugs beschädigen.
Gleichlauffräsen bietet jedoch auch einzigartige Vorteile. Die Richtung der vertikalen Fräskraftkomponente beim Gleichlauffräsen besteht darin, das Werkstück auf den Arbeitstisch zu drücken. In diesem Fall sind die Gleit- und Reibungserscheinungen zwischen den Zähnen des Schneidwerkzeugs und der bearbeiteten Oberfläche relativ gering, was für den Bearbeitungsprozess von großer Bedeutung ist. Erstens ist es vorteilhaft, den Verschleiß der Zähne des Schneidwerkzeugs zu reduzieren. Durch die Verringerung des Verschleißes der Zähne des Schneidwerkzeugs kann die Lebensdauer des Schneidwerkzeugs verlängert und so die Bearbeitungskosten gesenkt werden. Zweitens kann diese relativ geringe Reibung das Phänomen der Kaltverfestigung verringern. Durch die Kaltverfestigung wird die Härte des Werkstückmaterials erhöht, was den nachfolgenden Bearbeitungsprozessen nicht förderlich ist. Die Verringerung der Kaltverfestigung trägt dazu bei, die Bearbeitungsqualität des Werkstücks sicherzustellen. Darüber hinaus kann Gleichlauffräsen auch die Oberflächenrauheit verringern und die Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks glatter machen, was für die Bearbeitung von Werkstücken mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität sehr vorteilhaft ist.
Es ist zu beachten, dass die Anwendung des Gleichlauffräsens gewissen Einschränkungen unterliegt. Wenn der Abstand zwischen Schraube und Mutter des Arbeitstisches auf weniger als 0,03 mm eingestellt werden kann, können die Vorteile des Gleichlauffräsens besser genutzt werden, da das Bewegungsproblem dann effektiver kontrolliert werden kann. Auch beim Fräsen dünner und langer Werkstücke ist Gleichlauffräsen die bessere Wahl. Dünne und lange Werkstücke erfordern stabilere Bearbeitungsbedingungen während des Bearbeitungsprozesses. Die vertikale Kraftkomponente des Gleichlauffräsens hilft, das Werkstück zu fixieren und Probleme wie Verformungen während des Bearbeitungsprozesses zu reduzieren.
(B) Prinzipien und damit verbundene Einflüsse des konventionellen Mahlens
Gegenlauffräsen ist das Gegenteil von Gleichlauffräsen. Wenn die Drehrichtung des Fräsers mit dem Werkstück von der Vorschubrichtung abweicht, spricht man von Gegenlauffräsen. Beim Gegenlauffräsen hebt die vertikale Fräskomponente das Werkstück an, wodurch sich der Gleitabstand zwischen den Zähnen des Schneidwerkzeugs und der bearbeiteten Oberfläche vergrößert und die Reibung erhöht. Diese relativ hohe Reibung bringt eine Reihe von Problemen mit sich, wie z. B. erhöhten Verschleiß des Schneidwerkzeugs und eine verstärkte Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche. Die Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche erhöht die Oberflächenhärte, verringert die Zähigkeit des Materials und kann die Genauigkeit und Oberflächenqualität nachfolgender Bearbeitungsprozesse beeinträchtigen.
Gegenlauffräsen ist das Gegenteil von Gleichlauffräsen. Wenn die Drehrichtung des Fräsers mit dem Werkstück von der Vorschubrichtung abweicht, spricht man von Gegenlauffräsen. Beim Gegenlauffräsen hebt die vertikale Fräskomponente das Werkstück an, wodurch sich der Gleitabstand zwischen den Zähnen des Schneidwerkzeugs und der bearbeiteten Oberfläche vergrößert und die Reibung erhöht. Diese relativ hohe Reibung bringt eine Reihe von Problemen mit sich, wie z. B. erhöhten Verschleiß des Schneidwerkzeugs und eine verstärkte Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche. Die Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche erhöht die Oberflächenhärte, verringert die Zähigkeit des Materials und kann die Genauigkeit und Oberflächenqualität nachfolgender Bearbeitungsprozesse beeinträchtigen.
Das konventionelle Fräsen bietet jedoch auch Vorteile. Die Richtung der horizontalen Fräskomponentenkraft beim konventionellen Fräsen ist der Vorschubrichtung des Werkstücks entgegengesetzt. Dadurch sitzen Schraube und Mutter fest und die Bewegung des Arbeitstisches ist relativ stabil. Beim Fräsen von Werkstücken mit ungleichmäßiger Härte, wie z. B. Guss- und Schmiedeteilen, bei denen sich auf der Oberfläche harte Häute befinden können, und anderen komplexen Situationen kann die Stabilität des konventionellen Fräsens den Verschleiß der Zähne des Schneidwerkzeugs verringern. Denn bei der Bearbeitung solcher Werkstücke muss das Schneidwerkzeug relativ hohen Schnittkräften und komplexen Schnittbedingungen standhalten. Eine instabile Bewegung des Arbeitstisches verschlimmert die Beschädigung des Schneidwerkzeugs. Konventionelles Fräsen kann hier Abhilfe schaffen.
II. Detaillierte Analyse der Eigenschaften des Gleichlauffräsens und des konventionellen Fräsens in CNC-Fräsmaschinen
(A) Detaillierte Analyse der Eigenschaften des Gleichlauffräsens
- Änderungen der Schnittdicke und des Schneidprozesses
Beim Gleichlauffräsen nimmt die Schnittdicke jedes Zahns des Schneidwerkzeugs allmählich von klein nach groß zu. Wenn der Zahn des Schneidwerkzeugs gerade das Werkstück berührt, beträgt die Schnittdicke Null. Dies bedeutet, dass der Zahn des Schneidwerkzeugs zunächst auf der Schnittfläche gleitet, die der vorherige Zahn des Schneidwerkzeugs hinterlassen hat. Erst wenn der Zahn des Schneidwerkzeugs eine bestimmte Strecke auf dieser Schnittfläche gleitet und die Schnittdicke einen bestimmten Wert erreicht, beginnt der Zahn des Schneidwerkzeugs tatsächlich zu schneiden. Diese Art der Änderung der Schnittdicke unterscheidet sich erheblich vom konventionellen Fräsen. Unter gleichen Schnittbedingungen hat diese einzigartige Startmethode des Schneidens einen wichtigen Einfluss auf den Verschleiß des Schneidwerkzeugs. Da der Zahn des Schneidwerkzeugs vor dem Schneidbeginn gleitet, ist die Auswirkung auf die Schneidkante des Schneidwerkzeugs relativ gering, was sich positiv auf den Schutz des Schneidwerkzeugs auswirkt. - Schnittweg und Werkzeugverschleiß
Im Vergleich zum konventionellen Fräsen ist der Weg, den die Zähne des Schneidwerkzeugs beim Gleichlauffräsen auf dem Werkstück zurücklegen, kürzer. Dies liegt daran, dass beim Gleichlauffräsen der Kontaktweg zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück direkter ist. Unter diesen Umständen ist der Verschleiß des Schneidwerkzeugs beim Gleichlauffräsen unter gleichen Schnittbedingungen relativ gering. Es ist jedoch zu beachten, dass Gleichlauffräsen nicht für alle Werkstücke geeignet ist. Da die Zähne des Schneidwerkzeugs jedes Mal von der Oberfläche des Werkstücks aus zu schneiden beginnen, ist Gleichlauffräsen nicht geeignet, wenn sich auf der Oberfläche des Werkstücks eine harte Haut befindet, wie dies beispielsweise bei manchen Werkstücken nach unbehandeltem Gießen oder Schmieden der Fall ist. Die relativ hohe Härte der harten Haut wirkt sich relativ stark auf die Zähne des Schneidwerkzeugs aus, beschleunigt dessen Verschleiß und kann sogar zu dessen Beschädigung führen. - Schnittverformung und Stromverbrauch
Die durchschnittliche Schnittdicke beim Gleichlauffräsen ist groß, wodurch die Schnittverformung relativ gering ist. Geringe Schnittverformung bedeutet eine gleichmäßigere Spannungs- und Dehnungsverteilung des Werkstückmaterials während des Schneidprozesses, wodurch Bearbeitungsprobleme durch lokale Spannungskonzentrationen reduziert werden. Gleichzeitig ist der Stromverbrauch beim Gleichlauffräsen im Vergleich zum konventionellen Fräsen geringer. Dies liegt an der sinnvolleren Verteilung der Schnittkraft zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück beim Gleichlauffräsen, wodurch unnötige Energieverluste reduziert und die Bearbeitungseffizienz verbessert wird. In Großserienfertigungs- oder Bearbeitungsumgebungen mit hohen Anforderungen an den Energieverbrauch ist diese Eigenschaft des Gleichlauffräsens von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
(B) Detaillierte Analyse der Eigenschaften des konventionellen Fräsens
- Stabilität der Arbeitstischbewegung
Beim konventionellen Fräsen ist die Richtung der horizontalen Schnittkraft, die der Fräser auf das Werkstück ausübt, entgegengesetzt zur Vorschubrichtung des Werkstücks. Daher bleiben Schraube und Mutter des Arbeitstisches stets in engem Kontakt mit einer Seite des Gewindes. Diese Eigenschaft gewährleistet die relative Stabilität der Bewegung des Arbeitstisches. Während des Bearbeitungsprozesses ist die stabile Bewegung des Arbeitstisches einer der Schlüsselfaktoren für die Bearbeitungsgenauigkeit. Im Vergleich zum Gleichlauffräsen ist beim Gleichlauffräsen die Richtung der horizontalen Fräskraft mit der Vorschubrichtung des Werkstücks identisch. Wenn die von den Zähnen des Schneidwerkzeugs auf das Werkstück ausgeübte Kraft relativ groß ist, bewegt sich der Arbeitstisch aufgrund des Spiels zwischen Schraube und Mutter des Arbeitstisches auf und ab. Diese Bewegung stört nicht nur die Stabilität des Schneidprozesses, beeinträchtigt die Bearbeitungsqualität des Werkstücks und kann auch das Schneidwerkzeug schwer beschädigen. Daher ist das konventionelle Fräsen aufgrund seiner Stabilitätsvorteile in einigen Bearbeitungsszenarien mit hohen Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit und den Werkzeugschutz die bessere Wahl. - Qualität der bearbeiteten Oberfläche
Beim konventionellen Fräsen ist die Reibung zwischen den Zähnen des Schneidwerkzeugs und dem Werkstück relativ groß, was ein herausragendes Merkmal des konventionellen Fräsens ist. Die relativ große Reibung verstärkt die Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche. Die Kaltverfestigung der bearbeiteten Oberfläche erhöht die Oberflächenhärte, verringert die Zähigkeit des Materials und kann die Genauigkeit und Oberflächenqualität der nachfolgenden Bearbeitungsprozesse beeinträchtigen. Beispielsweise kann bei der Bearbeitung mancher Werkstücke, die ein anschließendes Schleifen oder eine hochpräzise Montage erfordern, die kaltharte Oberfläche nach dem konventionellen Fräsen nachträglich entfernen und die Bearbeitungsanforderungen erfüllen. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn bestimmte Anforderungen an die Oberflächenhärte des Werkstücks gestellt werden oder der nachfolgende Bearbeitungsprozess nicht auf die kaltharte Oberflächenschicht reagiert, kann diese Eigenschaft des konventionellen Fräsens jedoch auch ausgenutzt werden.
III. Auswahlstrategien für Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen in der realen Bearbeitung
Bei der Bearbeitung mit CNC-Fräsmaschinen müssen bei der Wahl zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Zunächst sind die Materialeigenschaften des Werkstücks zu berücksichtigen. Bei Werkstücken mit relativ hoher Härte und harter Oberfläche, wie beispielsweise bei Guss- und Schmiedeteilen, ist Gegenlauffräsen möglicherweise die bessere Wahl, da es den Verschleiß des Schneidwerkzeugs bis zu einem gewissen Grad reduziert und die Stabilität des Bearbeitungsprozesses gewährleistet. Bei gleichmäßiger Härte des Werkstückmaterials und hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität, wie beispielsweise bei der Bearbeitung feinmechanischer Teile, bietet Gleichlauffräsen jedoch weitere Vorteile. Es kann die Oberflächenrauheit effektiv reduzieren und die Oberflächenqualität des Werkstücks verbessern.
Bei der Bearbeitung mit CNC-Fräsmaschinen müssen bei der Wahl zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Zunächst sind die Materialeigenschaften des Werkstücks zu berücksichtigen. Bei Werkstücken mit relativ hoher Härte und harter Oberfläche, wie beispielsweise bei Guss- und Schmiedeteilen, ist Gegenlauffräsen möglicherweise die bessere Wahl, da es den Verschleiß des Schneidwerkzeugs bis zu einem gewissen Grad reduziert und die Stabilität des Bearbeitungsprozesses gewährleistet. Bei gleichmäßiger Härte des Werkstückmaterials und hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität, wie beispielsweise bei der Bearbeitung feinmechanischer Teile, bietet Gleichlauffräsen jedoch weitere Vorteile. Es kann die Oberflächenrauheit effektiv reduzieren und die Oberflächenqualität des Werkstücks verbessern.
Auch Form und Größe des Werkstücks spielen eine wichtige Rolle. Bei dünnen und langen Werkstücken trägt Gleichlauffräsen dazu bei, die Verformung des Werkstücks während des Bearbeitungsprozesses zu reduzieren, da die vertikale Kraftkomponente des Gleichlauffräsens das Werkstück besser auf den Arbeitstisch presst. Bei manchen Werkstücken mit komplexen Formen und großen Abmessungen müssen die Stabilität der Arbeitstischbewegung und der Verschleiß des Schneidwerkzeugs umfassend berücksichtigt werden. Bei relativ hohen Anforderungen an die Stabilität der Arbeitstischbewegung während des Bearbeitungsprozesses kann konventionelles Fräsen die bessere Wahl sein. Wird mehr Wert auf die Reduzierung des Werkzeugverschleißes und die Verbesserung der Bearbeitungseffizienz gelegt und werden die Bearbeitungsanforderungen erfüllt, kann Gleichlauffräsen in Betracht gezogen werden.
Auch die mechanische Leistung der Fräsmaschine selbst beeinflusst die Wahl zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen. Lässt sich der Abstand zwischen Spindel und Mutter der Fräsmaschine präzise auf einen relativ kleinen Wert, beispielsweise weniger als 0,03 mm, einstellen, lassen sich die Vorteile des Gleichlauffräsens besser ausschöpfen. Ist die mechanische Präzision der Fräsmaschine jedoch eingeschränkt und lässt sich das Spielproblem nicht effektiv kontrollieren, kann Gegenlauffräsen die sicherere Wahl sein, um Qualitätsprobleme und Werkzeugschäden durch die Bewegung des Arbeitstisches zu vermeiden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der CNC-Fräsbearbeitung das geeignete Fräsverfahren Gleichlauf- oder Gegenlauffräsen entsprechend den spezifischen Bearbeitungsanforderungen und den Maschinenbedingungen sinnvoll gewählt werden sollte, um das beste Bearbeitungsergebnis zu erzielen.