Wie wählt man den richtigen Schaftfräser: Vierkant-, Kugel- oder Eckradiusfräser?

Die Auswahl des richtigen Schaftfräsers beschränkt sich nicht allein auf die Wahl des korrekten Durchmessers. Die Geometrie der Schneide hat direkten Einfluss darauf, wie das Werkzeug in das Werkstück eingreift, welche Art von Bearbeitungsmerkmal es erzeugen kann, auf die Schnittstabilität, die Oberflächengüte und die Standzeit.

Zu den am häufigsten verwendeten Fräswerkzeugen zählen Schaftfräser mit Vierkantprofil, Kugelkopffräser und Eckradiusfräser, die jeweils unterschiedlichen Bearbeitungszwecken dienen. Ein Schaftfräser mit Vierkantprofil wird oft gewählt, wenn ebene Böden und definierte Ecken erforderlich sind. Ein Kugelkopffräser eignet sich besser für gekrümmte Oberflächen und dreidimensionale Konturen, während ein Eckradiusfräser ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Maßgenauigkeit und Schneidkantenstabilität bietet.

Das Verständnis dieser Unterschiede hilft den Herstellern, ein Hartmetallwerkzeug anhand des jeweiligen Bearbeitungsvorgangs auszuwählen, anstatt sich auf einen einzigen Schaftfräser für jede Anwendung zu verlassen.

Bei YIDA Precision Tools fertigen wir Hartmetall-Schaftfräser für verschiedene Werkstoffe, Härtebereiche, Geometrien und Bearbeitungsanforderungen. Dieser Leitfaden erklärt die Unterschiede zwischen Vierkant-, Kugel- und Eckradius-Schaftfräsern und welche Faktoren bei der Auswahl eines Fräswerkzeugs zu berücksichtigen sind.

Was ist ein Schaftfräser?

Ein Schaftfräser ist ein rotierendes Schneidwerkzeug, das in Fräsmaschinen und CNC-Bearbeitungszentren zum Abtragen von Material von einem Werkstück eingesetzt wird. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Bohrer, der primär für axiales Schneiden ausgelegt ist, kann ein Schaftfräser je nach Geometrie und Anwendung sowohl mit seinen Schneidkanten als auch mit seinen Umfangsnuten Schneidvorgänge durchführen.

Schaftfräser werden häufig für Bearbeitungsvorgänge wie die folgenden verwendet:

• Seitliches Fräsen
• Nutfräsen
• Taschenbearbeitung
• Konturierung
• Profilfräsen
• Oberflächenveredelung
• Werkzeug- und Formenbearbeitung
• Schruppen und Fertigen

Allerdings eignet sich nicht jeder Schaftfräser für alle Bearbeitungsvorgänge. Die Form der Schneide ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Auswahl eines Fräswerkzeugs. Quadratische, kugelförmige und abgerundete Fräserköpfe erzeugen unterschiedliche Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück und verhalten sich daher beim Bearbeiten unterschiedlich.

Schaftfräser mit quadratischer, kugelförmiger oder abgerundeter Spitze

Die grundlegenden Unterschiede lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die beste Wahl hängt von der Geometrie des Bauteils und dem Bearbeitungsziel ab.

1. Wann sollte man einen Vierkant-Schaftfräser verwenden?

Ein Schaftfräser mit Vierkantprofil besitzt eine ebene Schneide und relativ scharfe Außenkanten. Er zählt zu den vielseitigsten Schaftfräserkonstruktionen und findet breite Anwendung im allgemeinen CNC-Fräsen.

Vierkant-Schaftfräser sind besonders nützlich, wenn das fertige Bauteil Folgendes erfordert:

• Schlitze mit flachem Boden
• Flache Taschenböden
• Gerade Seitenwände
• Definierte Schultern
• Scharfe Übergänge zwischen horizontalen und vertikalen Flächen

Beim Bearbeiten einer rechteckigen Tasche mit flachem Boden ermöglicht beispielsweise ein quadratischer Schaftfräser, dass die Schneide die erforderliche Bodengeometrie effizient erzeugt.

Vorteile von Schaftfräsern mit Vierkantantrieb

Einer der Hauptvorteile eines Schaftfräsers mit Vierkantkopf ist die Maßhaltigkeit. Da das Werkzeug eine flache Stirnfläche besitzt, kann es eine ebene Bearbeitungsfläche erzeugen, ohne das für Kugelfräser typische gekrümmte Profil zu hinterlassen.

Vierkant-Schaftfräser sind auch in verschiedenen Schneidenzahlen, Längen, Schnittdurchmessern und Geometrien erhältlich, wodurch sie sich für eine Vielzahl von Bearbeitungsbedingungen eignen.

Was sollten Sie beachten?

Die Außenkante eines Vierkant-Schaftfräsers ist konzentrierten Schnittkräften ausgesetzt. Unter anspruchsvollen Bedingungen, insbesondere bei der Bearbeitung härterer Werkstoffe oder bei Verwendung aggressiver Schnittparameter, kann die Kante zu einem Bereich mit erhöhtem Verschleiß oder Ausbrüchen werden.

Bei der Werkzeugauswahl sollten daher folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Werkstückhärte
• Schnitttiefe
• Radialeingriff
• Maschinensteifigkeit
• Werkzeugüberhang
• Schnittgeschwindigkeit und Vorschub
• Erforderliche Oberflächenbeschaffenheit

Ein Schaftfräser mit Vierkantaufnahme ist eine ausgezeichnete Wahl für allgemeine Zwecke, aber er ist nicht automatisch das beste Werkzeug, wenn die Festigkeit der Schneide höchste Priorität hat.

2. Wann sollte man einen Kugelkopffräser verwenden?

Ein Kugelkopffräser besitzt eine vollständig abgerundete Schneide. Anstatt ein ebenes Profil über den gesamten Werkzeugdurchmesser zu erzeugen, ermöglicht der Radius dem Werkzeug, gekrümmten und dreidimensionalen Oberflächen zu folgen.

Aus diesem Grund finden Kugelkopffräser breite Anwendung in:

• Formhohlräume
• Stirbt
• 3D-Konturen
• Geformte Oberflächen
• Abgerundete Rillen
• Profile komplexer Komponenten
• Halbfertig- und Fertigbearbeitungsvorgänge

Wenn ein Teil durchgehende Kurven oder Freiformgeometrien aufweist, kann ein Kugelkopffräser dem programmierten Werkzeugweg folgen und dabei einen gleichmäßigen Kontakt zum Werkstück gewährleisten.

Warum die Kugelkopfgeometrie für die 3D-Bearbeitung funktioniert

Das abgerundete Ende bietet mehrere effektive Kontaktpunkte, wenn das Werkzeug über eine geneigte oder gekrümmte Oberfläche geführt wird.

Dadurch eignet sich ein Kugelkopffräser besonders gut für die Bearbeitung von Bauteilen, bei denen ein Vierkantfräser die erforderliche Geometrie nicht ohne Stufen oder unerwünschte Ecken reproduzieren kann.

Die Oberflächenqualität hängt auch von Parametern wie der Zustellung ab. Eine kleinere Zustellung verringert im Allgemeinen die Welligkeit zwischen benachbarten Werkzeugwegen und kann die Oberflächengüte verbessern, erhöht aber auch die Bearbeitungszeit.

Ein wichtiger Aspekt: Schnittgeschwindigkeit in der Nähe der Werkzeugmitte

Die effektive Schnittgeschwindigkeit nimmt zur Mitte eines Kugelfräsers hin ab, da der Schnittdurchmesser dort immer kleiner wird. Genau in der Werkzeugmitte nähert sich die theoretische Schnittgeschwindigkeit null.

Das bedeutet, dass Werkzeugorientierung, Bearbeitungsstrategie, Vorschubgeschwindigkeit und Kontaktpunkt die Leistung bei der 3D-Bearbeitung maßgeblich beeinflussen können. Moderne CAM-Strategien versuchen daher, kontinuierliche Schnitte direkt im Kugelzentrum nach Möglichkeit zu vermeiden.

Bei Anwendungen wie der Werkzeug- und Formenbearbeitung kann die Wahl des richtigen Kugelkopffräsers zusammen mit dem passenden Werkzeugweg daher sowohl die Bearbeitungseffizienz als auch die Oberflächenqualität verbessern.

3. Wann sollte man einen Eckradiusfräser verwenden?

Ein Eckradius-Schaftfräser kann als Mittelweg zwischen einem Vierkant-Schaftfräser und einem Kugelkopf-Schaftfräser betrachtet werden.

Das Werkzeug weist eine relativ ebene Schneide auf, die äußeren Ecken sind jedoch mit einem festgelegten Radius verstärkt.

Aufgrund dieser Geometrie ist sie nützlich, wenn bei der Bearbeitung eine ebene Oberfläche erforderlich ist, aber keine perfekt scharfe Innenkante.

Typische Anwendungsgebiete sind:

• Taschenbearbeitung
• Seitliches Fräsen
• Profilerstellung
• Halbfertige
• Abschluss
• Hartmaterialbearbeitung
• Anwendungen mit höheren Schnittlasten

Warum sollte man einen Eckradius hinzufügen?

Die scharfe Kante eines herkömmlichen Vierkant-Schaftfräsers kann erheblichen Belastungen ausgesetzt sein, da die Schnittkräfte auf einen relativ kleinen Bereich konzentriert sind.

Durch die Einführung eines Radius lassen sich diese Kräfte über eine größere Schneidkantenfläche verteilen.

Dies kann mehrere Vorteile mit sich bringen:

• Verbesserte Spitzenfestigkeit
• Höhere Widerstandsfähigkeit gegen Kantenausbrüche
• Bessere Haltbarkeit unter anspruchsvollen Schneidbedingungen
• Stabilere Bearbeitung
• Potenziell längere Werkzeuglebensdauer

Für Hersteller, die härtere Werkstoffe bearbeiten oder wiederholte Produktionszyklen durchführen, können diese Eigenschaften einen Eckradius-Schaftfräser zu einer attraktiven Alternative zu einem Standard-Vierkant-Schaftfräser machen.

Denken Sie an die Teilegeometrie

Der Radius des Werkzeugs wird auch auf das bearbeitete Bauteil übertragen.

Wenn die Zeichnung eine scharfe 90°-Innenecke erfordert, kann ein Eckradiusfräser die gewünschte Geometrie möglicherweise nicht erzeugen. Der angegebene Werkzeugradius muss daher mit dem zulässigen Eckradius des Werkstücks verglichen werden.

Wie wählt man zwischen den dreien?

Anstatt zu fragen, welcher Schaftfräsertyp der „beste“ ist, ist es sinnvoller zu fragen, wie das fertige Werkstück aussehen soll und wie das Material abgetragen werden muss.

Wählen Sie einen Schaftfräser mit Vierkantkopf, wenn:

• Das Bauteil benötigt einen flachen Boden.
• Scharfe interne Übergänge sind wichtig.
• Sie führen allgemeine Nutenfräs- oder Seitenfräsarbeiten durch.
• Die Bearbeitungslast liegt innerhalb der Belastbarkeit der Schneide.
• Die Definition der Abmessungen ist wichtiger als die Maximierung der Eckfestigkeit.

Wählen Sie einen Kugelkopffräser, wenn:

• Das Bauteil enthält gekrümmte oder freigeformte Oberflächen.
• Sie bearbeiten Formen oder Werkzeuge.
• Das Werkzeug muss komplexen 3D-Konturen folgen.
• Glatte Übergänge über gekrümmte Geometrien hinweg sind erforderlich.
• Bei dem Vorgang handelt es sich in erster Linie um Konturierung oder Oberflächenbearbeitung.

Wählen Sie einen Eckradius-Schaftfräser, wenn:

• Sie benötigen die Möglichkeit zur Bearbeitung von Flächen mit flachem Boden.
• Ein kleiner Radius ist bei dem Bauteil akzeptabel.
• Höchste Langlebigkeit ist wichtig.
• Das Werkstück ist relativ hart.
• Der Vorgang ist mit höheren mechanischen Belastungen verbunden.
• Sie benötigen eine höhere Schneidkantenfestigkeit, als sie ein herkömmlicher Vierkant-Schaftfräser bieten kann.

Das Werkstückmaterial ist genauso wichtig wie die Werkzeugform.

Die Schnittgeometrie ist nur ein Aspekt bei der Auswahl von Schaftfräsern.

Zwei Schaftfräser mit der gleichen äußeren Form können sich sehr unterschiedlich verhalten, wenn ihr Hartmetallsubstrat, ihre Beschichtung, ihre Schneidengeometrie oder ihre Schneidkantenkonstruktion für unterschiedliche Werkstoffe ausgelegt ist.

Die Bearbeitung von Aluminium erfordert beispielsweise andere Prioritäten als die Bearbeitung von gehärtetem Stahl.

Aluminium und andere weiche Nichteisenmetalle profitieren im Allgemeinen von scharfen Schneidkanten und effektiver Spanabfuhr. Härtere Stähle hingegen erfordern eine höhere Schneidkantenfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Steifigkeit und geeignete Werkzeugbeschichtungen.

Aus diesem Grund kann die Auswahl eines Schaftfräsers ausschließlich anhand von Durchmesser und Form zu einer mangelhaften Bearbeitungsleistung führen.

Bei YIDA sind unsere Hartmetall-Schaftfräser nach verschiedenen Bearbeitungsanforderungen geordnet, darunter Werkstoffe unterhalb von HRC 45, Werkstoffe zwischen HRC 45 und 55, Anwendungen mit hoher Härte im Bereich von HRC 55–65 und die Bearbeitung weicher Nichteisenmetalle.

Hier können Sie die wichtigsten Hartmetall-Schaftfräser-Serien von YIDA entdecken:

• YIDA Präzisionswerkzeuge – Produktserie

Die Abstimmung des Fräswerkzeugs auf die erforderliche Geometrie und das Werkstückmaterial bietet eine zuverlässigere Grundlage für die Bearbeitungsleistung.

Flötenzählung nicht ignorieren

Sobald die grundlegende Schaftfräserform ausgewählt ist, wird die Anzahl der Schneiden zu einem weiteren wichtigen Faktor.

Die Anzahl der Schneiden beeinflusst sowohl den Spanraum als auch die Anzahl der während der Rotation im Eingriff befindlichen Schneidkanten.

Im Allgemeinen bieten weniger Schneiden mehr Platz zwischen den Schneidkanten für den Spanabtransport, während eine höhere Schneidenzahl mehr Schneidkanten bietet und eine produktive Bearbeitung ermöglicht, wenn Spanabtransport und Anwendungsbedingungen dies zulassen.

Allerdings gibt es keine allgemeingültige Regel, die besagt, dass mehr Flöten immer besser sind.

Die geeignete Flötenanzahl hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem:

• Werkstückmaterial
• Werkzeugdurchmesser
• Schnitttiefe
• Radialeingriff
• Maschinenspindelkapazität
• Vorschubgeschwindigkeit
• Chip-Abfuhr
• Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit

Die Werkzeuggeometrie sollte daher als Gesamtsystem betrachtet werden, anstatt einzelne Spezifikationen isoliert zu bewerten.

Den Schaftfräser an die Materialhärte anpassen

Die Härte des Werkstücks hat einen großen Einfluss auf die Auswahl von Hartmetallwerkzeugen.

Mit zunehmender Härte steigt auch die mechanische und thermische Beanspruchung der Schneidkante. Daher müssen Hartmetallsubstrat, Beschichtung, Schnittgeometrie und Bearbeitungsparameter optimal aufeinander abgestimmt sein.

Die Leopard YDH99-Serie von YIDA ist beispielsweise für Werkstücke mit hoher Härte im HRC-Bereich von 55 bis 65 ausgelegt und umfasst Vierkant-Schaftfräser, Kugelkopf-Schaftfräser, Eckradius-Schaftfräser, Schwerzerspanungs-Schaftfräser, Schaftfräser mit ungleicher Steigung und Schrupp-Schaftfräser.

Ein Beispiel für das Sortiment an Vierkant-Schaftfräsern von YIDA mit einer Härte von HRC 55–65 finden Sie hier:

• HRC 65 Schaftfräser mit 3 Schneiden

Dies verdeutlicht einen wichtigen Punkt: Die Wahl zwischen quadratischer, kugelförmiger und abgerundeter Spitze sollte nicht von der Materialauswahl getrennt werden.

Ein praktischer Prozess zur Auswahl von Schaftfräsern

Bei der Auswahl eines Schaftfräsers für ein neues Bauteil kann die folgende Vorgehensweise den Auswahlprozess vereinfachen.

Schritt 1: Werkstückmaterial bestimmen

Ermitteln Sie, ob Sie Aluminium, Kohlenstoffstahl, legierten Stahl, Edelstahl, gehärteten Stahl oder ein anderes Material bearbeiten.

Schritt 2: Bestimmung der Materialhärte

Die Härte hilft dabei, die erforderliche Hartmetallsorte, Beschichtung und Schneidkantencharakteristika einzugrenzen.

Schritt 3: Identifizieren Sie das zu bearbeitende Merkmal

Fragen Sie, ob die Operation Folgendes beinhaltet:

• Eine flache Tasche
• Ein Steckplatz
• Eine gerade Wand
• Eine gekrümmte Oberfläche
• Eine 3D-Kontur
• Ein Eckradius
• Ein Formhohlraum

Dies hilft dabei, zu bestimmen, ob ein Vierkant-, Kugel- oder Eckradius-Schaftfräser der am besten geeignete Ausgangspunkt ist.

Schritt 4: Schnittbedingungen beurteilen

Berücksichtigen Sie die Maschinensteifigkeit, die Spindeldrehzahl, die Werkzeugaufnahme, die Schnitttiefe, den Werkzeugüberhang, die Kühlmittel- oder Luftzufuhr und die Späneabfuhr.

Schritt 5: Durchmesser, Schneidenanzahl und Werkzeuglänge auswählen

Verwenden Sie, sofern die Bearbeitungsbedingungen dies zulassen, die kürzestmögliche Werkzeuglänge und den für das jeweilige Merkmal geeigneten Durchmesser. Ein zu großer Werkzeugüberstand kann die Steifigkeit verringern und Vibrationen verstärken.

Schritt 6: Schnittparameter optimieren

Nach der Auswahl des Werkzeugs sollten Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, axiale Schnitttiefe und radialer Eingriff auf das Material, die Geometrie des Werkzeugs, die Maschine und die Bearbeitungsstrategie abgestimmt werden.

Häufige Fehler bei der Auswahl von Schaftfräsern

Für jeden Arbeitsgang einen Schaftfräser verwenden

Ein Schaftfräser mit Vierkantkopf eignet sich zwar gut für allgemeine Fräsarbeiten, kann aber einen Kugelkopffräser für komplexe 3D-Konturen nicht ersetzen.

Ebenso kann die Verwendung eines Kugelkopffräsers für eine Tasche mit flachem Boden unnötige Bearbeitungszeiten verursachen und zu einer ungeeigneten Bodengeometrie führen.

Materialhärte außer Acht lassen

Ein Schaftfräser, der für allgemein weiche oder mittelharte Werkstoffe ausgelegt ist, kann bei der Bearbeitung deutlich härterer Werkstücke einen schnellen Verschleiß oder einen Ausfall der Schneide aufweisen.

Wahl einer übermäßigen Werkzeuglänge

Ein längeres Werkzeug bietet zwar eine größere Reichweite, verringert aber auch die Steifigkeit. Wenn keine zusätzliche Reichweite erforderlich ist, kann die Wahl eines kürzeren Schaftfräsers die Bearbeitungsstabilität verbessern.

Fokussierung ausschließlich auf den Werkzeugdurchmesser

Der Durchmesser ist wichtig, aber auch Beschichtung, Hartmetallsorte, Schneidengeometrie, Stirngeometrie, Werkzeuglänge, Materialhärte und Bearbeitungsstrategie können die Leistung beeinflussen.

Den richtigen Hartmetall-Schaftfräser für Ihre Anwendung auswählen

Vierkant-, Kugel- und Eckradiusfräser sind keine austauschbaren Varianten desselben Schneidwerkzeugs. Jede Geometrie ist für die Lösung eines anderen Bearbeitungsproblems ausgelegt.

Ein Vierkant-Schaftfräser ist eine praktische Wahl für ebene Flächen, Taschen, Nuten und definierte Schultern.

Ein Kugelkopffräser ist für gekrümmte Oberflächen, dreidimensionale Konturbearbeitung sowie Werkzeug- und Formenbauanwendungen konzipiert.

Ein Eckradius-Schaftfräser kombiniert ein flaches Schneidprofil mit einer verstärkten Schneidecke und ist daher besonders nützlich, wenn Schneidkantenfestigkeit und Bearbeitungsstabilität wichtig sind.

Bei der endgültigen Entscheidung sollten auch Materialart, Härte, Anzahl der Schneiden, Werkzeuglänge, Maschinensteifigkeit, Schnittparameter und die geforderte Oberflächengüte berücksichtigt werden.

Als Hersteller von Hartmetall-Schaftfräsern bietet YIDA Precision Tools verschiedene Schaftfräsergeometrien und Produktserien für unterschiedliche Materialhärtebereiche und Bearbeitungsanforderungen. Durch die Abstimmung der Schneidgeometrie auf die Bauteilkonstruktion und das Werkstückmaterial erzielen Hersteller eine stabilere Bearbeitung, eine gleichbleibende Teilequalität und eine effizientere Nutzung ihrer Schneidwerkzeuge.

Häufig gestellte Fragen