Gleichlauffräsen: Spanform, Schnittkraft und Maschinenspiel

Thema: Fräsen, Drehen & Zerspanung

Der Merksatz „Beim Gleichlauf drückt die Schnittkraft das Werkstück nach unten“ stammt aus dem Umfangsfräsen mit waagerechter Fräserachse. Beim seitlichen Fräsen mit einem Schaftfräser an senkrechter Spindel liegen die entscheidenden Kraftanteile in der Tischebene, und einer davon kann eine Achse mit Spiel vorziehen. Ob Gleichlauf die bessere Wahl ist, hängt deshalb auch vom Vorschubantrieb ab.

Was Gleichlauf und Gegenlauf unterscheidet

Beim Gleichlauffräsen sind die Schnittgeschwindigkeit v_c der Schneide und die Vorschubgeschwindigkeit v_f des Werkstücks im Eingriff gleichgerichtet, beim Gegenlauffräsen entgegengerichtet. Bei rechtsdrehendem Fräser (M3) gilt: Liegt das abzutragende Material in Vorschubrichtung gesehen rechts vom Werkzeug, entsteht Gleichlauf; liegt es links, Gegenlauf. Beim Vollnutfräsen mit a_e = D arbeitet eine Hälfte des Eingriffsbogens im Gegenlauf, die andere im Gleichlauf. Ähnliches gilt für einen mittig geführten Fräser beim Planfräsen mit Stirnfräsern.

Spanform, Reibung und Standzeit im Vergleich

Beim Gleichlauf beginnt der Span mit der größten Spanungsdicke und läuft zum Austritt auf null aus. Sandvik Coromant nennt das die Grundregel „dick nach dünn“: Die Schneide reibt nicht erst über die Oberfläche, bevor sie schneidet. Beim Gegenlauf beginnt die Spanungsdicke bei null. Die Schneide muss sich in den Werkstoff zwingen; Reibung, Wärme und oft eine vom vorherigen Zahn kaltverfestigte Oberfläche verkürzen die Standzeit.

Beim Gegenlauf kann der dicke Span am Austritt zudem an der Schneide haften und in den nächsten Schnitt gelangen, ähnlich dem Fehlerbild der Aufbauschneide. Laut den Vorlesungsfolien der TU Bergakademie Freiberg ergibt der Austritt mit h = 0 in der Regel die bessere Oberfläche.

Eigenes Rechenbeispiel: Spanungsdicke am Ein- und Austritt

Wir nehmen einen zweischneidigen Schaftfräser mit D = 6 mm, einen Zahnvorschub f_z = 0,03 mm und eine radiale Zustellung a_e = 0,6 mm an. Das ist ein Lehrbeispiel, keine Schnittdatenempfehlung; maßgeblich bleiben die Angaben des Werkzeugherstellers. Für eine gerade Schneide gilt näherungsweise h = f_z × sin φ, gemessen ab der Stelle, an der die Schneide die fertige Wand berührt. Aus cos φ_s = 1 − 2 × a_e/D = 0,8 folgt der Eingriffswinkel φ_s ≈ 36,9° und damit h_max ≈ 0,03 mm × 0,6 = 0,018 mm.

Im Gleichlauf setzt jeder Zahn mit 0,018 mm ein und verlässt die Wand mit null, im Gegenlauf ist es umgekehrt. Angenommen, die Schneide schneidet wegen ihrer Kantenverrundung erst ab etwa 0,005 mm sauber: Dann reicht der kritische Bereich bis sin φ = 0,005/0,03, also φ ≈ 9,6°. Am Umfang sind das rund 0,5 mm von etwa 1,9 mm Eingriffsbogen, die im Gegenlauf am Beginn auf der eben erzeugten Wand liegen.

Ein angenommenes Spiel von 0,05 mm, das im ungünstigsten Fall während eines einzigen Zahneingriffs durchläuft, erhöht den Vorschub dieses Zahns auf 0,08 mm. Die größte Spanungsdicke steigt dann rechnerisch von 0,018 mm auf 0,048 mm, also auf etwa das 2,7-Fache.

Spiel im Vorschubantrieb: Warum Gleichlauf hineinziehen kann

Beim Gleichlauf hat die Schnittkraft einen Anteil, der den Fräser längs der Bahn in den Werkstoff zieht; an einer Maschine mit bewegtem Tisch zieht er entsprechend den Tisch zum Fräser. Hat der Antrieb Spiel, kann die Achse um den Leerweg vorlaufen. Sandvik Coromant beschreibt die Folge: Der Vorschub steigt ungewollt, der Span wird zu dick, Schneiden können brechen.

Ein Trapezgewinde mit einfacher Mutter hat konstruktionsbedingt Flankenspiel, das mit dem Verschleiß wächst. Eine vorgespannte Kugelumlaufspindel ist weitgehend spielfrei; Lagerung und Kupplung können dennoch Leerweg erzeugen. Eine Spielkompensation in der Steuerung fährt bei Richtungsumkehr einen Zusatzweg, verhindert aber nicht, dass eine Kraft in Bewegungsrichtung die Mutter innerhalb ihres Spiels verschiebt. Kleinere Fräser und geringere Zustellung senken laut Tormach das Risiko, beseitigen es aber nicht.

Zur Prüfung wird eine Messuhr am Maschinengestell befestigt und am Tisch angesetzt. Die Achse fährt ein Stück in eine Richtung, die Anzeige wird genullt, dann folgt ein kleiner programmierter Weg in Gegenrichtung; die Differenz zur Anzeige ist die verlorene Bewegung. Zusätzlich lässt sich der Tisch bei stehender Spindel und bestromtem Antrieb von Hand in Achsrichtung drücken und ziehen: Was die Messuhr dabei zeigt, kann auch eine Schnittkraft nutzen. Messung und Kompensation vertieft der Artikel zu Flankenspiel und Umkehrspiel.

Wann Gegenlauf sinnvoll bleibt: Grenzen und typische Fehler

Bei Rohguss und warmgewalztem Stahl mit harter Randschicht empfiehlt DATRON den Gegenlauf. Geometrisch ist das nachvollziehbar: Im Gegenlauf setzt der Zahn an der fertigen Wand unter der Haut an, im Gleichlauf trifft er beim Eintritt mit voller Spanungsdicke auf die harte Schicht. Sandvik Coromant nennt Gegenlauf außerdem bei schwankendem Aufmaß und bei spielbehaftetem Tischantrieb. Ein leichter Schlichtgang im Gegenlauf kann durch Abdrängung stehen gebliebenes Material abnehmen, ist aber keine allgemeine Regel.

Typische Fehler liegen in der Umsetzung: Eine im CAM gespiegelte oder umgekehrte Kontur wechselt unbemerkt die Fräsrichtung. Gleichlauf mit großem Eingriff auf einer Achse mit spürbarem Spiel führt zu Rucken, Maßfehlern oder Werkzeugbruch.

Gleichlauf im CAM und im Programm festlegen

In Autodesk Fusion steht bei der 2D-Kontur die seitliche Kompensation „Left“ für Gleichlauf und „Right“ für Gegenlauf. Bei rechtsdrehendem Fräser heißt das: Eine Außenkontur wird im Uhrzeigersinn umfahren, eine Innenkontur oder Tasche gegen den Uhrzeigersinn. Mit Radiuskorrektur in der Steuerung entspricht G41 (Werkzeug links der programmierten Bahn) dem Gleichlauf und G42 dem Gegenlauf. Wie Kontur, Mittelpunktbahn und Korrektur zusammenhängen, erklärt der Artikel über Werkzeugwege.

Bei Spiralen und Vollschnitten reicht der Umlaufsinn allein nicht aus, wie bei der Spiralstrategie beschrieben. Verlässlicher als die Pfeilrichtung der Bahn ist eine Simulation mit sichtbarem Restmaterial.

Prüfliste vor dem ersten Gleichlaufschnitt

• Antrieb jeder Achse feststellen: Trapezgewinde, nachstellbare Doppelmutter oder vorgespannter Kugelgewindetrieb.
• Leerweg mit Messuhr messen: beide Richtungen, mehrere Stellen der Achse, dazu der Handdrucktest.
• Gusshaut, Zunder oder Walzhaut zuerst im Gegenlauf bearbeiten.
• Spannung im Gleichlauf gegen Ziehen längs der Bahn, im Gegenlauf gegen Abheben auslegen.
• Fräsrichtung und Umlaufsinn im CAM prüfen, besonders nach dem Spiegeln einer Kontur.
• Bei unsicherer Maschine mit kleiner radialer Zustellung beginnen.