Was ist CNC-Fräsen? Entwicklung, Maschinen, Arbeitsabläufe, Verfahren, Vorteile und Beschränkungen

CNC milling is a popular manufacturing process applied in modern industry production. The technique belongs to the process of subtractive manufacturing in which material is removed from a solid block of work to achieve a sought-after geometry or scale. Unlike the machining processes of the past, where human control greatly influenced the machining process, CNC milling is a computer-controlled process whereby computer instructions are used to affect the movement of cutting tools.

Einführung in das CNC-Fräsen

CNC milling is a machining process in which a fixed workpiece is cut by rotating cutting tools controlled by a computer program. The acronym CNC stands for Computer Numerical Control, reflecting the digital instructions that govern the machine’s movements and operations.

In the normal CNC milling setup, a high-speed rotating tool cuts through a workpiece secured on a moving table. The machine controller interprets a digital program—often written in G-Code—and directs the machine axes to move according to the specified toolpath. The tool then cuts through the piece of work and gradually cuts away material to create the required form.

Das CNC-Fräsen ist computergesteuert und ermöglicht die Bearbeitung hochdetaillierter Teile mit einem Minimum an menschlicher Kontrolle. Mehrdimensionale Bewegungen in der Maschine ermöglichen die Erstellung von Merkmalen wie Schlitzen, Taschen, Konturen und feinen Details von 3-dimensionalen Oberflächen.

The accuracy of CNC milling is one of its defining characteristics. Modern CNC machining centers, equipped with advanced volumetric error compensation algorithms, can consistently accommodate positioning tolerances of ±2 to ±5 microns. This extreme geometric accuracy is essential for high-performance engineering processes where micron-level precision is non-negotiable ^[1].

Genauigkeit, Flexibilität und Skalierbarkeit machen das CNC-Fräsen zu einem Eckpfeiler in der heutigen Fertigungsindustrie.

Die Geschichte und Entwicklung des CNC-Fräsens

Die Geschichte des CNC-Fräsens lässt sich bis zu den traditionellen Fräsmaschinen zurückverfolgen, die manuell gesteuert wurden. Die Maschinenbediener steuerten die Bewegung der Werkzeuge durch manuelles Drehen und Bewegen an mechanischen Hebeln. Obwohl professionelle Bediener hervorragende Ergebnisse liefern konnten, war dies langsam und konnte durch menschliche Fehler beeinträchtigt werden.

Die Einführung der numerischen Steuerung in den 1940er und 1950er Jahren war eine enorme Errungenschaft in der Bearbeitungstechnologie. Frühe CNC-Maschinen verwendeten mit Lochkarten oder Lochstreifen kodierte Anweisungen, um die Maschinenbewegung zu steuern. Diese Systeme halfen den Herstellern nicht nur, die sich wiederholenden Bearbeitungsprozesse zu automatisieren, sondern auch die Konsistenz zu verbessern.

Die in den 1970er- und 1980er-Jahren erfundene Computertechnologie brachte die numerische Computersteuerung hervor. CNC-Steuerungen ersetzten die mechanischen Befehlssysteme und ermöglichten es den Maschinen, digitale Befehle zu lesen, die von der Software erzeugt wurden.

Diese technische Innovation verbesserte die Leistungsfähigkeit von Fräsmaschinen erheblich. Mit Hilfe von CAD- und CAM-Software konnten komplexe Werkzeugwege erzeugt werden, was den Ingenieuren die Möglichkeit gab, komplexe Teile mit viel mehr Genauigkeit und Effizienz zu bearbeiten.

Die heutigen CNC-Fräsmaschinen sind mit fortschrittlichen Sensoren, Hochgeschwindigkeitsspindeln, automatischen Werkzeugwechslern und vernetzten Steuerungssystemen ausgestattet. Diese Maschinen werden eher in intelligente Produktionssysteme integriert, in denen digitale Informationen problemlos zwischen Konstruktion und Produktion übertragen werden.

Was sind die Teile einer CNC-Fräsmaschine?

Eine CNC-Fräsmaschine besteht aus komplexen mechanischen und elektronischen Komponenten, die zusammenarbeiten, um hochpräzise Bearbeitungsvorgänge durchzuführen.

Der Maschinenrahmen bildet das strukturelle Fundament des Frässystems. Er besteht aus gehärtetem Material wie Gusseisen oder Stahl, das die bei der Zerspanung entstehenden Vibrationen dämpft und die Stabilität der Maschine verbessert.

The spindle is responsible for holding and rotating the cutting tool. The spindle speed varies based on the material being machined and the cutting tool. High-performance spindles utilized in High-Speed Machining (HSM) frequently operate between 20,000 and 40,000 RPM. This rapid rotation dramatically reduces cutting forces and thermal distortion, leading to significantly higher material removal rates (MRR) and superior surface finishes ^[2].

Der Arbeitstisch ist der Ort, an dem das Werkstück während der Bearbeitung befestigt wird. Das Material wird in Vorrichtungen, Klemmen oder Schraubstöcken gehalten, gesichert oder befestigt, und dann bewegt sich der Tisch in vorgegebenen Achsen, um das Werkstück mit dem Schneidwerkzeug in Position zu bringen. Die Maschine verfügt über eine zentrale Verarbeitungseinheit, die als CNC-Steuerung bezeichnet wird. Sie liest die Bearbeitungsprogramme, berechnet die Bewegungen der Werkzeuge und sendet Anweisungen an die Motoren, die die Maschinenachsen bewegen.

Moderne Maschinen können auch mit automatischen Werkzeugwechslern ausgestattet sein, die die Maschine in die Lage versetzen, zwischen mehreren Schneidwerkzeugen zu wechseln, während die Maschine einen Bearbeitungszyklus ausführt. Diese Automatisierung ermöglicht die Herstellung komplexer Teile in einer einzigen Aufspannung.

Welche Arten von CNC-Fräsmaschinen gibt es?

Vertikale CNC-Fräsmaschinen

Bei vertikalen CNC-Fräsmaschinen ist die Spindel rechtwinklig zum Arbeitstisch angeordnet. Durch diese vertikale Ausrichtung des Schneidwerkzeugs zur Richtung des Werkstücks eignet sich das Werkzeug für die Bearbeitung von ebenen Flächen, Nuten und Hohlräumen.

The machines are widely used in machine shops due to their versatility and the fact that they occupy a comparatively small area. Vertical machining centers are used in prototyping, small batch production, and general machining.

Horizontale CNC-Fräsmaschinen

Horizontalfräsmaschinen haben eine Spindel, die parallel zum Arbeitstisch ausgerichtet ist. Durch diese Konstruktion fallen die Späne weit weg von der Schneidzone, was die Effizienz der Zerspanung erhöht und die Wärmeentwicklung verringert.

Die horizontalen Maschinen werden aufgrund ihrer Steifigkeit und ihrer Fähigkeit, schwere Werkstücke zu bearbeiten, in großen industriellen Produktionsanlagen eingesetzt.

Dreiachsige CNC-Fräsmaschinen

Dreiachsige Fräsmaschinen drehen sich in X-, Y- und Z-Richtung. Diese Maschinen sind in der Lage, eine breite Palette von Komponenten zu produzieren, und sie sind der häufigste Typ von CNC-Frässystemen, der in Produktionsanlagen eingesetzt wird.

Trotz ihrer Vielseitigkeit können Systeme mit komplexen Geometrien beim Einsatz von dreiachsigen Maschinensystemen mehr als eine einzige Einrichtung erfordern.

Mehrachsige CNC-Fräsmaschinen

Vier- und fünfachsige CNC-Fräsmaschinen sind mit zusätzlichen Rotationsachsen ausgestattet, die es ermöglichen, das Schneidwerkzeug oder das Werkstück während der Bearbeitung zu kippen und zu drehen. Dies ermöglicht die Herstellung komplizierterer Bauteile mit weniger Rüstvorgängen.

Multi-axis machining is heavily applied in aerospace parts manufacturing und medical device manufacturing, which require parts with complex shapes and tight tolerances.

Tabelle 1: Vergleich gängiger CNC-Fräsmaschinentypen

Arbeitsablauf beim CNC-Fräsen

Das CNC-Fräsen ist ein computergestützter, systematischer Prozess, durch den der Gedanke an ein Design in ein endgültiges, tatsächliches physisches Bauteil umgewandelt wird. Jede Stufe des Prozesses trägt zur Genauigkeit und Effizienz des Endprodukts bei.

Erstellung von CAD-Modellen

Der Arbeitsablauf beim CNC-Fräsen beginnt mit der Erstellung eines digitalen 3D-Modells mithilfe einer computergestützten Design-Software. In dieser Phase definieren die Ingenieure die Geometrie und Größe des Bauteils sowie seine Eigenschaften. Diese digitalen Modelle dienen als Blaupause für die Fertigung und gewährleisten, dass das Design präzise in Bearbeitungsanweisungen umgesetzt werden kann.

Werkzeugwegerzeugung mit CAM-Software

The CAM system generates sophisticated toolpaths that dictate the precise movement of the cutting tool around the workpiece. Advanced CAM systems frequently utilize dynamic or trochoidal milling algorithms, which maintain a constant cutter engagement angle. This optimization can reduce roughing machining time by up to 40% to 50% while significantly extending tool life by preventing severe mechanical load spikes ^[3].

Einige der Bearbeitungsparameter, die von den Ingenieuren festgelegt werden, sind Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe. Diese Parameter werden so optimiert, dass ein effektiver Materialabtrag und eine ausreichende Werkzeugstandzeit gewährleistet sind.

G-Code Programmierung

Nach der Erstellung der Werkzeugwege wandelt die CAM-Software die Werkzeugwege in maschinenlesbaren Code (G-Code) um. Es gibt Befehle für Achsbewegungen, Spindeldrehung und andere Maschinenoperationen, die durch diesen Code vorgegeben werden.

Die G-Code-Software wird dann an die Steuerung der CNC-Fräsmaschine übertragen.

Einrichten der Maschine

Der Bediener bereitet die Maschine vor, indem er die Schneidwerkzeuge anbringt und das Werkstück auf dem Arbeitstisch einspannt, bevor er die Maschine startet. Anschließend kalibriert er die Maschine auf die richtigen Koordinaten für den Bearbeitungsvorgang. Eine ordnungsgemäße Einrichtung der Maschine stellt sicher, dass das Bearbeitungsprogramm gut ausgeführt wird.

Ausführung der Bearbeitung

Sobald das Programm gestartet ist, folgt die CNC-Fräsmaschine automatisch den programmierten Werkzeugwegen. Es handelt sich um einen Schneidprozess, der eine hohe Rotationsgeschwindigkeit eines Schneidwerkzeugs und eine Bewegung der Maschinenachse mit einem hohen Maß an Genauigkeit erfordert, um ein Werkstückmaterial zu entfernen.

Dies wird so lange fortgesetzt, bis die gewünschte endgültige Geometrie eines Teils erstellt ist.

Tabelle 2: Typische Arbeitsschritte beim CNC-Fräsen

Was sind die üblichen CNC-Fräsbearbeitungen?

Die CNC-Maschinen können viele Aufgaben ausführen, was es den Herstellern ermöglicht, einem Werkstück viele geometrische Merkmale hinzuzufügen. Jede Operation hat eine bestimmte Bearbeitungsstrategie, die das Verhältnis zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Material bestimmt.

Planfräsen

Beim Planfräsen (Abtragen von Material auf der Oberseite eines Werkstücks) wird eine ebene Fläche erzeugt. Bei diesem Verfahren rotiert der Planfräser, während sich das Werkstück unter ihm bewegt, und schabt dabei nach und nach dünne Materialschichten ab.

Face milling is also used for the preparation of raw stock material before subjecting the material to further machining processes. It is also applied in the production of flat mechanical components such as machine bases, mounting plates, and structural brackets.

Schaftfräsen

Das Schaftfräsen wird mit einem Schneidwerkzeug durchgeführt, das an beiden Seiten und an der Spitze scharfe Kanten aufweist. Dadurch kann das Werkzeug sowohl vertikal als auch horizontal schneiden, wodurch sehr unterschiedliche Bearbeitungen möglich sind.

Bei diesem Verfahren werden in der Regel Schlitze, Taschen, Profile und komplexe dreidimensionale Konturen hergestellt. Das Ausklinkfräsen wird häufig bei der Herstellung von Formen, Gesenken, Gehäusen und anderen Produktkomponenten eingesetzt, die komplexe innere Eigenschaften erfordern.

Schlitzfräsen

Beim Nutenfräsen werden schmale Kanäle in ein Werkstück geschnitten. Diese Kanäle können als Arbeitskanäle verwendet werden, z. B. als Keilnuten, Führungsschienen oder Schienen in mechanischen Baugruppen.

Andere Industriezweige, wie der Automobilbau und die Industriemaschinenindustrie, verwenden das Nutenfräsen zur Herstellung von Teilen, die präzise Ausrichtungsmerkmale erfordern. Bei diesem Verfahren werden auch Nuten zur Befestigung von Ringen oder Gleitmaschinen hergestellt.

Konturfräsen

Beim Konturfräsen wird eine gekrümmte oder unebene Oberfläche auf einem Werkstück erzeugt. Das Schneidwerkzeug folgt einer komplexen dreidimensionalen Bahn, die mit einer in einem Computermodell vorgegebenen Form verknüpft ist.

This is necessary, particularly in the aerospace and mold-making sectors. Contour milling might also be required for turbine blades, moulds, and highly detailed architectural models, such as this craft prototype of the Beijing Bird’s Nest

Taschenfräsen

Beim Taschenfräsen wird ein bekannter Bereich des Werkstücks von innen ausgeschnitten, wodurch Taschenhohlräume entstehen. In den Hohlräumen können auch Bauteile montiert werden oder das Gewicht des Bauteils im Allgemeinen reduziert werden, wobei die Struktur des Bauteils erhalten bleibt.

Pocket milling is widely used on aerospace structures, mechanical housings, and complex thermal management components like steel ventilated heat sinks. Through the tactical removal of the internal material, the engineers are able to maximize strength and weight.

Schneidwerkzeuge beim CNC-Fräsen

Schneidwerkzeuge sind grundlegende Elemente von CNC-Frässystemen, da sie bestimmen, wie effizient das Material vom Werkstück abgetragen wird. Die Werkzeuggeometrie, die Materialstruktur und die Oberflächengüte bestimmen die Bearbeitungsleistung und die Lebensdauer.

Schaftfräser gehören zu den vielseitigsten Werkzeugen, die beim CNC-Fräsen eingesetzt werden. Die verwendeten Schneiden ermöglichen es ihnen, Aufgaben wie Profilieren, Schlitzen und Taschenfräsen auszuführen. Schaftfräser haben zahlreiche Formen und Größen, je nach den Anforderungen der Bearbeitung.

Kugelkopffräser haben abgerundete Enden und können daher glatte, gekrümmte Oberflächen schneiden. Sie werden bei der Herstellung von Formen und bei der Bearbeitung komplizierter Oberflächen verwendet, bei denen die Konturen glatt sein müssen.

Planfräser sind in der Regel größere Werkzeuge, die zum Abtragen von Material von ebenen Flächen verwendet werden. Die meisten Fräser haben austauschbare rotierende Hartmetalleinsätze, die nach Gebrauch gedreht oder gewechselt werden können, was die Lebensdauer des Werkzeugs erhöht und die Betriebskosten senkt.

Der für die Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendete Werkstoff ist von entscheidender Bedeutung. So haben sich beispielsweise Werkzeuge aus Hartmetall durchgesetzt, da sie auch bei hohen Temperaturen ihre Härte nicht verlieren und bei schweren Bearbeitungen nicht beschädigt werden. Eine andere Form der zusätzlichen Beschichtung, wie Titannitrid und Titanaluminiumnitrid, erhöht ebenfalls die Schnittleistung und die Lebensdauer des Werkzeugs.

Die Effizienz der Bearbeitung wird maximiert, die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit wird verbessert und der Werkzeugverschleiß wird durch das richtige Schneidwerkzeug im Hinblick auf lange Produktionsprozesse reduziert.

Was sind die Vorteile des CNC-Fräsens?

Die Vorteile des CNC-Fräsens sind zahlreich und machen es zu einem der zuverlässigsten Fertigungsverfahren im modernen Maschinenbau. Eine ihrer größten Stärken ist die Genauigkeit. Dies wird durch die Verwendung digitaler Anweisungen erreicht; daher können die CNC-Maschinen Teile mit sehr engen Toleranzen und großen Produktionsunterschieden herstellen.

Another significant strength is versatility. The CNC milling machines can produce all types of geometries from a plain surface to a complex form. This is because of the flexibility that allows manufacturers to manufacture prototype parts and large production batches using the same equipment.

Die Automatisierung erhöht auch die Produktivität. Sobald ein Maschinensatz eingerichtet und ein Bearbeitungsprogramm installiert ist, kann die Maschine ohne viele Bediener laufen. Mit dieser Fähigkeit wird eine höhere Effizienz im Fertigungsprozess erreicht und das Risiko menschlicher Fehler wird ausgeschlossen.

Das CNC-Fräsen ist auch sehr gut mit modernen digitalen Fertigungssystemen kompatibel. Die Integration von CAD- und CAM-Software hilft den Ingenieuren, Design und Produktion problemlos miteinander zu verbinden, was zu einer erheblichen Zeitersparnis bei der Entwicklung von Produkten führt.

Wo liegen die Grenzen des CNC-Fräsens?

Trotz dieser Vorteile hat das CNC-Fräsen auch seine Grenzen. Eines der wichtigsten Probleme ist der Materialabfall. Wenn man bedenkt, dass das Verfahren dazu dient, Material von einem massiven Block abzutrennen, wird ein großer Teil des ursprünglichen Materials zu Spänen oder Ausschuss.

Eine weitere Einschränkung sind die relativ hohen Kosten für Maschinen und Werkzeuge. CNC-Fräsmaschinen erfordern hohe Kapitalinvestitionen. Hochmoderne mehrachsige CNC-Maschinen können unerschwinglich teuer sein.

A three-axis machine can also require multiple setups or special fixtures to be utilized with complicated part geometries. Although multi-axis machines can overcome this issue, they need sophisticated programming and extravagant operational costs. Nevertheless, professional CNC milling services remain one of the most effective and frequently utilized solutions in the manufacturing industry today due to its reliability, precision, and flexibility.

Referenzen

[1] Schwenke, H., Knapp, W., Haitjema, H., Weckenmann, A., Schmitt, R., & Delbressine, F. (2008). Geometric error measurement and compensation of machines—an update. CIRP Annals, 57(2), 660-675. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2008.09.008

[2] Fallböhmer, P., Rodríguez, C. A., Özel, T., & Altan, T. (2000). High-speed machining of cast iron and alloy steels for die and mold manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, 98(1), 104-115. https://doi.org/10.1016/S0924-0136(99)00311-8

[3] Otkur, M., & Lazoglu, I. (2007). Trochoidal milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(9), 1324-1332. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.08.002