Umfangsfräsen ist ein Fräsverfahren, bei dem die Schneiden am Umfang des Fräsers das Material abtragen. Die Werkzeugachse liegt dabei parallel zur erzeugten Fläche.
Mit Umfangsfräsen entstehen Seitenwände, Schultern, Nuten und Konturen mit hoher Maßhaltigkeit. Bei Vulcanus in Werl gehört das Verfahren seit Jahrzehnten zum Fertigungsalltag.
Dieser Leitfaden zeigt, wie Umfangsfräsen funktioniert, welche Werkzeuge passen und wie Sie Schnittwerte sicher auslegen.
Wichtige Erkenntnisse
- Achslage entscheidet: Beim Umfangsfräsen schneidet der Fräserumfang, beim Stirnfräsen die Stirnseite des Werkzeugs.
- Klare Einordnung: Nach DIN 8589-3 beschreibt Umfangsfräsen die aktive Schneide, Planfräsen dagegen die erzeugte Fläche.
- Wechselnde Spanungsdicke: Der Span ist kommaförmig. Auf CNC-Maschinen ist Gleichlauffräsen meist die bessere Wahl.
- Spanausdünnung beachten: Bei kleiner radialer Zustellung wird der Span dünner. Der Zahnvorschub muss dann steigen.
- Steifigkeit vor Drehzahl: Auskraglänge, Rundlauf und Spannung bestimmen die Wandgenauigkeit stärker als hohe Schnittwerte.
- Moderne Strategien: Große axiale und kleine radiale Zustellung machen Umfangsfräsen auch beim Schruppen sehr wirtschaftlich.
Was ist Umfangsfräsen?
Das Umfangsfräsen, auch Walzenfräsen genannt, trägt Material mit den Schneiden am Außenumfang des Fräsers ab. Die Drehachse des Werkzeugs verläuft parallel zur bearbeiteten Fläche. Die Stirnseite des Fräsers ist am Schnitt nicht beteiligt.
Das Verfahren ist eine der grundlegenden Fräsoperationen in der Zerspanung. Typische Ergebnisse sind Seitenflächen, Schultern, Passfedernuten, T-Nuten und Konturen. In der CNC-Fertigung arbeitet man meist mit Schaftfräsern, auf Horizontalmaschinen auch mit Walzenfräsern auf einem Fräsdorn.
Klassisches Umfangsfräsen erreicht ein geringeres Zeitspanvolumen als das Stirnfräsen. Mit modernen Hartmetallfräsern und dynamischen Frässtrategien hat sich das deutlich verändert.
So entsteht der Span beim Umfangsfräsen
Jede Schneide greift nur während eines Teils der Umdrehung ins Material ein. Dabei ändert sich die Spanungsdicke ständig zwischen null und einem Höchstwert. So entsteht der typische Kommaspan.
Zwei Zustellgrößen beschreiben den Eingriff:
- Axiale Schnitttiefe (ap): wie weit der Fräser entlang seiner Achse im Material steht.
- Radiale Schnitttiefe (ae): wie weit der Fräser quer zur Achse ins Werkstück greift.
Beim Umfangsfräsen ist ap oft groß und ae vergleichsweise klein. Diese Kombination prägt Schnittkräfte, Wärmeentwicklung und die Wahl des Zahnvorschubs.
Einordnung nach DIN 8589-3: Umfangsfräsen, Stirnfräsen und Umfangs-Stirnfräsen
In der Praxis werden Umfangsfräsen und Planfräsen oft als Gegensätze genannt. Fachlich ist das ungenau. DIN 8589-3 teilt Fräsverfahren nach zwei verschiedenen Merkmalen ein.
- Nach der erzeugten Fläche: Planfräsen, Rundfräsen, Schraubfräsen, Wälzfräsen, Profilfräsen und Formfräsen.
- Nach der aktiven Werkzeugschneide: Umfangsfräsen, Stirnfräsen und Umfangs-Stirnfräsen.
Beide Merkmale lassen sich kombinieren. Daraus ergeben sich die Begriffe, nach denen in der Praxis oft gesucht wird:
| Verfahren | Aktive Schneiden | Erzeugte Fläche | Typisches Werkzeug |
|---|---|---|---|
| Umfangs-Planfräsen | Umfang | Ebene parallel zur Fräserachse | Walzenfräser, Schaftfräser |
| Stirn-Planfräsen | Stirnseite | Ebene senkrecht zur Fräserachse | Messerkopf, Planfräser |
| Umfangs-Stirnfräsen | Umfang und Stirnseite | Zwei Flächen im Winkel, z. B. Schulter | Walzenstirnfräser, Eckfräser |
| Umfangs-Profilfräsen | Umfang mit Profil | Profilierte Fläche | Formfräser, Scheibenfräser |
Wenn Sie also große ebene Flächen bearbeiten, ist meist das Stirn-Planfräsen gemeint. Einen ausführlichen Überblick dazu finden Sie in unserem Beitrag zum Planfräsen.
Umfangsfräsen vs. Stirnfräsen: Die wichtigsten Unterschiede
Schneller Vergleich
| Merkmal | Umfangsfräsen | Stirnfräsen |
|---|---|---|
| Fräserachse zur Fläche | parallel | senkrecht |
| Schneiden im Eingriff | wenige, wechselnd | viele, gleichmäßig |
| Spanungsdicke | stark schwankend (Kommaspan) | nahezu konstant |
| Oberfläche | leichte Vorschubwelligkeit, sehr gute Seitenwände | hohe Ebenheit auf großen Flächen |
| Zeitspanvolumen | klassisch geringer, mit HPC-Strategien hoch | hoch bei großen Flächen |
| Typische Anwendungen | Schultern, Nuten, Konturen, Seitenwände | Deckflächen, Anlageflächen, Vorbearbeitung |
| Kraftrichtung | überwiegend radial | überwiegend axial |
Vorteile des Umfangsfräsens
- Höchste Präzision optimal für T-Nuten, Passfedernuten, Zahnradverzahnungen und komplexe Konturprofile.
- Exzellente Oberflächenqualität dank kontrollierter, seitlicher Schneideneingriffe.
- Bevorzugt im Präzisionsmaschinenbau, besonders bei engen Toleranzen und filigranen Bauteilen.
Warum Planfräsen weiterhin wichtig ist
- Sehr hoher Materialabtrag bei großen, ebenen Flächen.
- Ideal für grobe Vorbearbeitung und schnelles Abtragen von Rohmaterial.
- Weniger anspruchsvoll bei der Werkzeugausrichtung, praktisch, wenn Volumenleistung wichtiger ist als Detailgenauigkeit.
Gleichlauf- und Gegenlauffräsen beim Umfangsfräsen
Beim Umfangsfräsen entscheidet die Drehrichtung über den Verlauf der Spanungsdicke. Beim Gleichlauffräsen beginnt der Span dick und endet dünn. Beim Gegenlauffräsen ist es umgekehrt.
| Kriterium | Gleichlauffräsen | Gegenlauffräsen |
|---|---|---|
| Spanungsdicke | dick nach dünn | dünn nach dick |
| Reibung beim Eintritt | gering | hoch, Schneide gleitet zunächst |
| Werkzeugstandzeit | meist länger | kürzer durch Reibung und Wärme |
| Oberfläche | meist besser | Gefahr von Kaltverfestigung |
| Maschinenanforderung | spielfreier Vorschubantrieb | toleriert Spiel im Antrieb |
Moderne CNC-Maschinen haben spielfreie Kugelgewindetriebe. Dort ist Gleichlauf der Standard. Gegenlauf bleibt sinnvoll bei Maschinen mit Spiel, harten Gusshäuten oder Zunderschichten.
Alle Details zur Wahl der Methode erklären wir im Beitrag Gleichlauffräsen
Vorteile und Nachteile des Umfangsfräsens
Vorteile
- Hervorragende Präzision
Da nur die äußeren Schneiden des Fräsers eingreifen, ermöglicht das Umfangsfräsen äußerst genaue, schmale Schnitte. Ideal für Detailarbeiten wie T-Nuten, Passfedernuten und profilierte Konturen.
- Exzellente Oberflächengüte
Der radiale Eingriff und präzise Werkzeugbahnen sorgen oft für glattere, sauberere Oberflächen als bei aggressiveren Fräsverfahren.
- Vielseitig einsetzbar
Mit dem passenden Fräser und einer optimalen Maschineneinstellung lassen sich Stahl, Aluminium, Edelstahl und spezielle Legierungen effizient bearbeiten, maximale Anpassungsfähigkeit für verschiedene Projekte.
- Minimierte Oberflächenfehler
Der präzise Eingriff reduziert Schnittstöße und senkt das Risiko von Riefen oder Brandspuren, besonders wichtig bei Bauteilen mit hohen Toleranzanforderungen.
Nachteile
- Geringere Spanabtragsrate
Das Umfangsfräsen ist meist langsamer als Verfahren wie Planfräsen und weniger effizient bei grobem Materialabtrag.
- Hohe Empfindlichkeit bei der Einrichtung
Exakte Fräserausrichtung und stabile Werkstückspannung sind entscheidend. Schon geringe Abweichungen können zu Vibrationen, erhöhtem Werkzeugverschleiß und schlechter Oberflächenqualität führen.
- Abhängigkeit von Kühlschmierstoffen
Für eine stabile Bearbeitung und lange Werkzeugstandzeiten ist oft der Einsatz von Kühlschmierstoff nötig, das erhöht den Einrichtungsaufwand.
- Werkzeugverschleiß-Risiko
Längere Bearbeitung ohne Kühlung oder das Fräsen abrasiver Materialien kann den Verschleiß beschleunigen oder Schneidkantenbrüche verursachen, besonders bei HSS-Werkzeugen.
Werkzeuge und Ausrüstung für das Umfangsfräsen
Fräsertypen und ihre Einsatzbereiche
| Fräsertyp | Aktive Schneiden | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Walzenfräser (DIN 884) | nur Umfang | Umfangs-Planfräsen auf Horizontalmaschinen |
| Walzenstirnfräser (DIN 1880) | Umfang und Stirn | Schultern, Absätze, ebene Flächen |
| Scheibenfräser (DIN 885) | Umfang und Seiten | Nuten, Schlitze, Satzfräsen |
| Schaftfräser HSS (DIN 844) oder VHM (DIN 6527) | Umfang, oft auch Stirn | Konturen, Taschen, Seitenwände |
| Schruppfräser mit Spanteilern | Umfang | hohe Abtragsraten, kurze Späne |
| Eckfräser mit Wendeschneidplatten | Umfang und Stirn | 90-Grad-Schultern, größere Durchmesser |
| Form- und Profilfräser | profilierter Umfang | Radien, Fasen, Sonderprofile |
Ein häufiger Fehler ist die Verwechslung von Walzenfräser und Walzenstirnfräser. Der Walzenfräser schneidet nur am Umfang. Der Walzenstirnfräser hat zusätzlich Stirnschneiden und erzeugt damit Schultern in einem Arbeitsgang.
Fräser mit Drallwinkel greifen allmählich ins Material ein. Das senkt Kraftspitzen und verbessert die Oberfläche. Eine Übersicht weiterer CNC-Werkzeuge finden Sie in unserem Ratgeber.
Schneidstoffe, Beschichtungen und Werkzeugtypen
- HSS und HSS-E: zäh und günstig. Gut für Einzelteile, Baustahl und weiche Werkstoffe.
- Vollhartmetall (VHM): hohe Schnittgeschwindigkeiten und Formstabilität. Standard in der CNC-Fertigung.
- Wendeschneidplatten: wirtschaftlich bei großen Durchmessern und hohen Abtragsraten.
- Beschichtungen: TiAlN oder AlTiN für Stahl und Edelstahl, DLC oder unbeschichtet poliert für Aluminium.
Zusätzlich unterscheidet man Werkzeugtypen nach dem Werkstoff. Typ N eignet sich für normale Stähle. Typ H passt zu harten, kurzspanenden Werkstoffen, Typ W zu weichen, langspanenden Werkstoffen wie Aluminium.
Maschine, Werkzeugaufnahme und Werkstückspannung
Horizontale Maschinen bieten viel Steifigkeit für Walzen- und Scheibenfräser auf dem Fräsdorn. Vertikale Maschinen sind flexibler für Schaftfräser und Konturen. Mehr dazu lesen Sie im Vergleich zu vertikalem und horizontalem Fräsen sowie in unserem Überblick über Fräsmaschinen.
Die Werkzeugaufnahme ist beim Umfangsfräsen besonders wichtig. Schrumpf- oder Hydrodehnspannfutter halten den Fräser steif und rundlaufgenau. Schon wenige Hundertstel Rundlauffehler belasten einzelne Schneiden ungleich.
Das Werkstück muss quer zur Vorschubrichtung sicher gehalten werden. Radiale Schnittkräfte versuchen, es seitlich zu verschieben. Durchdachter Vorrichtungsbau verhindert Verzug und Schwingungen.
Bearbeitungsparameter beim Umfangsfräsen
Die wichtigsten Formeln
| Größe | Formel | Einheit |
|---|---|---|
| Drehzahl n | n = (vc × 1000) / (π × D) | 1/min |
| Vorschubgeschwindigkeit vf | vf = fz × z × n | mm/min |
| Zeitspanvolumen Q | Q = (ap × ae × vf) / 1000 | cm³/min |
Dabei ist vc die Schnittgeschwindigkeit, D der Fräserdurchmesser, fz der Zahnvorschub und z die Zähnezahl. Wie Sie die Schnittgeschwindigkeit richtig berechnen, zeigt unser eigener Leitfaden.
Richtwerte für beschichtete VHM-Schaftfräser
| Werkstoff | Schnittgeschwindigkeit vc | Zahnvorschub fz bei D = 10 bis 16 mm |
|---|---|---|
| Baustahl, z. B. S235 | 150 bis 250 m/min | 0,05 bis 0,10 mm |
| Vergütungsstahl, z. B. 42CrMo4 | 100 bis 180 m/min | 0,04 bis 0,08 mm |
| Nichtrostender Stahl, z. B. 1.4301 | 80 bis 140 m/min | 0,03 bis 0,07 mm |
| Grauguss, z. B. EN-GJL-250 | 120 bis 200 m/min | 0,05 bis 0,10 mm |
| Aluminium-Knetlegierung | 300 bis 1000 m/min | 0,05 bis 0,15 mm |
| Titanlegierung, z. B. Ti6Al4V | 40 bis 80 m/min | 0,03 bis 0,06 mm |
Diese Werte sind Startwerte für stabile Bedingungen. Die Angaben des Werkzeugherstellers haben immer Vorrang. Wer Edelstahl zerspanen oder Werkzeugstahl zerspanen will, findet dort werkstoffspezifische Hinweise.
Spanausdünnung bei kleiner radialer Zustellung
Ist die radiale Zustellung kleiner als der halbe Fräserdurchmesser, wird der Span dünner als der Zahnvorschub. Die Schneide reibt dann mehr, als sie schneidet. Das kostet Standzeit und erzeugt Wärme.
Die maximale Spanungsdicke berechnen Sie so: hex = fz × 2 × √(ae/D × (1 − ae/D)). Für eine Ziel-Spanungsdicke von 0,06 mm ergeben sich bei D = 16 mm folgende Zahnvorschübe:
| ae in % von D | ae bei D = 16 mm | Faktor | Nötiger fz für hex = 0,06 mm |
|---|---|---|---|
| 5 % | 0,8 mm | 0,44 | 0,14 mm |
| 10 % | 1,6 mm | 0,60 | 0,10 mm |
| 20 % | 3,2 mm | 0,80 | 0,075 mm |
| 30 % | 4,8 mm | 0,92 | 0,065 mm |
| 50 % | 8,0 mm | 1,00 | 0,06 mm |
Rechenbeispiel aus der Praxis
Ein VHM-Schaftfräser mit D = 16 mm und vier Schneiden fräst eine Wand in Baustahl. Gewählt sind vc = 150 m/min, ap = 24 mm und ae = 1,6 mm.
- Drehzahl: n = (150 × 1000) / (π × 16) ≈ 2.980 1/min.
- Ohne Korrektur: fz = 0,06 mm ergibt vf ≈ 720 mm/min und Q ≈ 27 cm³/min.
- Mit Spanausdünnung: fz = 0,10 mm ergibt vf ≈ 1.190 mm/min und Q ≈ 46 cm³/min.
Die Spanungsdicke bleibt in beiden Fällen im sicheren Bereich. Der korrigierte Vorschub bringt jedoch rund 65 Prozent mehr Zeitspanvolumen. Gleichzeitig schneidet die Schneide sauberer und verschleißt langsamer.
Frässtrategien: Schruppen und Schlichten beim Umfangsfräsen
Schruppen mit großer axialer Zustellung
Beim dynamischen oder trochoidalen Fräsen nutzt man fast die ganze Schneidenlänge. Die radiale Zustellung bleibt dabei klein, oft bei 5 bis 15 Prozent des Durchmessers. Das verteilt Wärme und Verschleiß gleichmäßig über die Schneide.
Die CAM-Software hält den Umschlingungswinkel konstant. So bleiben die Kräfte auch in Ecken stabil. Mehr zu Zielen und Parametern lesen Sie in unseren Beiträgen zum CNC-Schruppen und zum HSC-Fräsen.
Schlichten von Seitenwänden
Für das Schlichten lassen Sie ein gleichmäßiges Aufmaß stehen, typisch 0,1 bis 0,5 mm. Die passende Bearbeitungszugabe hängt von Werkstoff und Vorbearbeitung ab. Ein gleichmäßiges Aufmaß sorgt für gleichmäßige Abdrängung.
- Kurze Auskraglänge: Jeder Millimeter weniger erhöht die Steifigkeit des Fräsers deutlich.
- Gleichlauf nutzen: Er liefert auf CNC-Maschinen die bessere Wandoberfläche.
- Leerschnitt fahren: Ein zweiter Durchgang ohne neue Zustellung gleicht Abdrängung aus.
- Mehr Schneiden wählen: Schlichtfräser mit fünf bis sieben Schneiden laufen ruhiger.
Welche Werte für Ra und Rz realistisch sind, erklärt unser Beitrag zur Oberflächenrauheit.
Typische Fehler beim Umfangsfräsen und ihre Lösungen
| Problem | Häufige Ursache | Lösung |
|---|---|---|
| Rattermarken | lange Auskragung, instabile Spannung | Werkzeug kürzer spannen, Drehzahl anpassen, ungleich geteilte Fräser nutzen |
| Schiefe oder konische Wände | Werkzeugabdrängung | Aufmaß verringern, Leerschnitt fahren, steiferen Fräser wählen |
| Aufbauschneide | zu niedrige vc, klebender Werkstoff | vc erhöhen, scharfe polierte Schneide, Kühlschmierstoff verbessern |
| Gratbildung an Kanten | stumpfe Schneide, Gegenlauf am Austritt | Gleichlauf nutzen, Werkzeug wechseln, Entgratschnitt einplanen |
| Schneidenausbrüche | zu dicker Span beim Eintritt, Spanstau | Einfahrbahn im Bogen, Spanabfuhr mit Druckluft oder KSS sichern |
| Kurze Standzeit | Reibung durch zu dünnen Span | Spanausdünnung ausgleichen, fz erhöhen |
Viele dieser Ursachen gelten für das Fräsen allgemein. Unser Ratgeber zu typischen Fräsfehlern geht tiefer. Konkrete Maßnahmen gegen Schwingungen zeigt der Beitrag Vibrationen beim Fräsen vermeiden.
Auch die Kühlung beeinflusst Standzeit und Oberfläche stark. Welche Kühlschmiermittel sich eignen, hängt vom Werkstoff ab.
Anwendungen: Wo Umfangsfräsen eingesetzt wird
Umfangsfräsen ist in fast jeder mechanischen Fertigung im Einsatz. Typische Bauteilmerkmale sind:
- Nuten und Schlitze: Passfedernuten, T-Nuten und Schwalbenschwanzführungen. Mehr dazu im Beitrag zum Nutenfräsen.
- Schultern und Absätze: Anlageflächen für Lager, Flansche und Führungsschienen.
- Außenkonturen: Platten, Hebel und Gehäuse mit 2D-Kontur.
- Profile: Radien, Fasen und Sonderformen. Hier geht Umfangsfräsen in das Formfräsen über.
Wichtige Branchen sind Maschinenbau, Sondermaschinenbau, Fördertechnik, Fahrzeugbau sowie Energie- und Anlagentechnik.
Umfangsfräsen bei Vulcanus: Präzision aus Werl
Vulcanus-Stahl & Maschinenbau fertigt seit 1984 in Werl, Nordrhein-Westfalen. Unsere Fertigung ist nach ISO 9001 zertifiziert. Umfangsfräsen ist ein fester Bestandteil unserer CNC-Fräsbearbeitung.
Wir bearbeiten Einzelteile, Kleinserien und schwere Bauteile. Wer Großteile fräsen lassen möchte, profitiert von stabilen Maschinen und erfahrenen Zerspanungsmechanikern. In der CNC-Lohnfertigung übernehmen wir auch Drehen, Schweißen, Sägen und Montage aus einer Hand.
Jedes Bauteil durchläuft eine dokumentierte CNC-Qualitätskontrolle. So erhalten Sie Maßhaltigkeit, die zu Ihrer Zeichnung passt. Das ist unser Verständnis von Präzisionsfertigung.
Fazit: Umfangsfräsen richtig einsetzen
Umfangsfräsen ist das Verfahren der Wahl für Wände, Schultern, Nuten und Konturen. Für große ebene Flächen ist Stirnfräsen meist wirtschaftlicher. Die Kombination beider Verfahren liefert oft das beste Ergebnis.
Entscheidend sind ein steifes Werkzeug, Gleichlauf auf CNC-Maschinen und ein korrigierter Zahnvorschub bei kleiner radialer Zustellung. Mit diesen Grundlagen steigen Standzeit, Oberflächengüte und Zeitspanvolumen zugleich.
Sie suchen einen Partner für präzise Frästeile? Kontaktieren Sie uns und senden Sie uns Ihre Zeichnung für ein Angebot.
FAQs zum Umfangsfräsen
Was ist der Unterschied zwischen Umfangsfräsen und Stirnfräsen?
Beim Umfangsfräsen schneiden die Schneiden am Umfang, die Fräserachse liegt parallel zur Fläche. Beim Stirnfräsen schneidet die Stirnseite, die Achse steht senkrecht zur Fläche. Stirnfräsen eignet sich besser für große ebene Flächen.
Was bedeutet Umfangs-Planfräsen?
Umfangs-Planfräsen erzeugt eine ebene Fläche mit den Umfangsschneiden des Fräsers. Klassisch geschieht das mit einem Walzenfräser auf einer Horizontalfräsmaschine. Der Begriff stammt aus der Einteilung nach DIN 8589-3.
Ist Walzenfräsen dasselbe wie Umfangsfräsen?
Ja, beide Begriffe werden meist gleichbedeutend verwendet. Der Name kommt vom Walzenfräser, dem klassischen Werkzeug für das Umfangsfräsen. Der Walzenstirnfräser schneidet zusätzlich mit der Stirnseite und ermöglicht Umfangs-Stirnfräsen.
Sollte ich beim Umfangsfräsen im Gleichlauf oder Gegenlauf fräsen?
Auf modernen CNC-Maschinen ist Gleichlauf meist die bessere Wahl. Er verlängert die Standzeit und verbessert die Oberfläche. Gegenlauf hilft bei Maschinen mit Spiel im Vorschub oder bei harter Gusshaut.
Welche Bearbeitungsparameter gelten beim Umfangsfräsen?
Die wichtigsten Parameter sind Schnittgeschwindigkeit, Zahnvorschub, axiale und radiale Schnitttiefe. Für VHM-Fräser in Baustahl liegt vc oft bei 150 bis 250 m/min. Bei kleiner radialer Zustellung müssen Sie den Zahnvorschub wegen der Spanausdünnung erhöhen.
Wie verbessere ich Standzeit und Oberflächengüte beim Umfangsfräsen?
Spannen Sie den Fräser kurz und rundlaufgenau. Fräsen Sie im Gleichlauf und gleichen Sie die Spanausdünnung aus. Nutzen Sie passende Kühlung und einen Leerschnitt beim Schlichten.