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DIE FRÄSER

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1. Was ist ein Fräser?

Der Fräser ist ein rotierendes Schneidwerkzeug mit mehreren Schneiden, das dazu dient, Material durch aufeinanderfolgende Spanabschnitte abzutragen. In der Uhrmacherei, wo Bauteile in Hundertstel- oder Tausendstelmillimetern gemessen werden, nimmt der Fräser eine besondere Stellung ein: Er muss geometrische Präzision, feine Schnittführung und hohe Wiederholgenauigkeit vereinen. Man findet ihn sowohl in Restaurierungswerkstätten, in Form kleiner, von Hand geführter Werkzeuge, als auch auf CNC-Maschinen, die Platinen, Brücken oder Triebe im industriellen Takt bearbeiten.

Dieser Artikel bietet einen technischen Überblick über die in der uhrmacherischen Produktionskette verwendeten Fräser. Er behandelt nacheinander die für die Handarbeit bestimmten Fräser, deren Werkstoffe, sowie anschließend die auf Maschinen montierten Fräser, einschließlich jener, die für das Verzahnen von Getrieben bestimmt sind – ein für die Uhrenmechanik typischer Arbeitsschritt.

2. Allgemeines Prinzip eines Fräsers

Ein Fräser besteht aus zwei Hauptteilen: einem Schaft, mit dem er in der Spindel einer Maschine oder im Futter eines Handstücks gehalten wird, und einem Arbeitsteil, das mit Schneidkanten versehen ist. Diese Kanten, Zähne genannt, werden durch mehrere charakteristische Winkel bestimmt: den Spanwinkel (der die Fähigkeit zur Spanbildung bestimmt), den Freiwinkel (der die Reibung nach dem Schnitt verhindert) und den Drallwinkel (der einen fortschreitenden Eintritt in das Material gewährleistet). Je nach Antriebsart dreht sich der Fräser und das Werkstück bewegt sich vorwärts, oder umgekehrt.

In der Uhrmacherei stellt die Miniaturisierung sehr spezifische Anforderungen. Die nutzbaren Durchmesser liegen häufig unter einem Millimeter; die Schnittgeschwindigkeiten bleiben hoch, während die Kräfte minimal bleiben müssen, um das Werkstück nicht zu verformen oder das Werkzeug zu schwächen. Die Geometrie ist daher spitzer als bei üblichen Industriefräsern, und die Konzentrizität des Werkzeugs im Verhältnis zu seinem Schaft bestimmt direkt die Qualität der erzielten Oberfläche.

3. Die Fräser für die Handarbeit

Rollenfräser aus Stahl und Rubin auf Schaft

Die Freihandarbeit umfasst in der Uhrmacherei sämtliche Vorgänge des Anpassens, Nacharbeitens, Entgratens und Fertigstellens, die ohne Koordinatentisch ausgeführt werden. Der Uhrmacher, die Uhrmacherin führt dabei das Werkzeug nach Augenmaß, gestützt auf die freie Hand, eine Auflage oder das Werkstück selbst. Die für diese Arbeiten bestimmten Fräser sind klein und in der Regel auf einem genormten Schaft montiert — meist mit einem Durchmesser von 2,35 mm, bei robusteren Modellen mitunter 3 mm.

3.1 Einsatz

Diese Fräser werden über einen Handgriff, ein Handfutter, einen Werktisch-Mikromotor, eine Uhrmacher-Drehbank oder eine Ständerbohrmaschine angetrieben. Die Drehzahlen reichen typischerweise von wenigen Umdrehungen bis zu mehreren zehntausend Umdrehungen pro Minute, je nach Durchmesser des Werkzeugs, dem bearbeiteten Werkstoff und der Art des Arbeitsgangs.

3.2 Formfräser

Formfräser bilden durch einfaches Eintauchen oder durch Verfahren ein vordefiniertes Profil nach. Ihre Silhouette ist das Negativbild der auf dem Werkstück gewünschten Geometrie: Hohlkehle, Kehle, Auslösung, Schräge, Absatzprofil. In der traditionellen Uhrmacherei dienen sie dazu, Konturen von Brücken nachzuarbeiten, dekorative Vertiefungen auf Platinen zu formen, Lager für Steine oder Schwungmassen zu öffnen und wiederkehrende Anfasungen auszuführen. Ihr wesentlicher Vorteil besteht darin, die Profilkonsistenz von einem Werkstück zum anderen zu gewährleisten.

Aus geometrischer Sicht unterscheidet man Fräser mit konstantem Profil — deren Form sich an jedem Zahn identisch wiederfindet und ein radiales Schärfen ohne Profilverlust ermöglicht — und hinterdrehte Fräser, die beim Nachschärfen komplexer sind, jedoch häufig für sehr spezifische Profile bevorzugt werden.

3.3 Kugelfräser

Der Kugelfräser, oder Kugelfräser mit sphärischer Form, besitzt einen halbkugel- oder kugelförmigen Kopf am Ende. Er ist das Werkzeug schlechthin, um eine Vertiefung mit weichem Boden auszuhöhlen, eine Bohrung zu entgraten oder den Einschnitt eines Ausreibens anzupassen. In der Uhrmacherei kommt er typischerweise zum Einsatz, um den Einschnitt eines Lochs vor dem Einpressen eines Steins zu glätten, um den Durchmesser einer Aufnahme leicht zu erweitern oder um eine lokale Auslösung an einem bereits bearbeiteten Werkstück vorzunehmen.

Die üblichen Durchmesser reichen von einigen Zehntelmillimetern bis zu mehreren Millimetern; die kleinsten ermöglichen eine sehr feine, fast punktuelle Bearbeitung, erfordern jedoch eine große Beherrschung des Drucks, um das Werkzeug nicht zu brechen.

3.4 Scheibenfräser

Unter der Bezeichnung Scheibenfräser versteht man Werkzeuge, deren aktiver Teil die Form eines Rads mit geringer Dicke hat, das senkrecht zur Achse des Schafts montiert ist. Die Schneide erstreckt sich über den Umfang der Scheibe, manchmal auch über die Flanken. Diese Fräser dienen dazu, einen Facettenrand herzustellen oder dessen Feinbearbeitung vorzunehmen. Sie bestehen im Allgemeinen aus Hartmetall oder synthetischem Rubin.

3.5 Materialien der Handfräser

Die Wahl des Schneidwerkstoffs bestimmt die Lebensdauer des Werkzeugs, die erzielte Oberflächenqualität und die Art der Materialien, die damit bearbeitet werden können. Drei Familien dominieren in der Uhrmacherei.

3.5.1 Schnellarbeitsstahl

Schnellarbeitsstähle, in der internationalen Nomenklatur als HSS bezeichnet, werden nach wie vor häufig für Profilfräser und für die Bearbeitung weicher Materialien (Messing, Neusilber, Aluminiumlegierungen) verwendet. Ihre Härte ist geringer als die von Hartmetall, doch bieten sie eine gute Zähigkeit und lassen sich leicht nachschärfen. Sie vertragen Stöße und Vorschubschwankungen, was sie zu zugänglichen Werkzeugen für Anfänger macht.

3.5.2 Hartmetall (Wolframcarbid)

Hartmetall bezeichnet gesinterte Karbide, hauptsächlich Wolframkarbid, das durch eine Kobalt-Matrize gebunden ist (System WC-Co). Ihre hohe Härte — üblicherweise zwischen 1500 und 2000 HV je nach Sorte — sowie ihre Warmverschleißfestigkeit ermöglichen deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei Schnellarbeitsstahl sowie die Bearbeitung gehärteter Stähle, wie sie in der Uhrmacherei vorkommen (Zapfenachsen, Stifte, Ritzel aus Uhrmacherstahl). Im Gegenzug ist Hartmetall stoßanfälliger und in kleinen Durchmessern teurer in der Herstellung.

Fräser aus Hartmetall können durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung mit dünnen Schichten wie Titannitrid (TiN), Titan-Aluminium-Nitrid (TiAlN) oder Chromnitrid (CrN) beschichtet werden. Diese Beschichtungen senken den Reibungskoeffizienten, verlängern die Lebensdauer und verbessern die Oberflächenbeschaffenheit der Werkstücke.

3.5.3 Synthetischer Rubin

Der synthetische Rubin ist eine Korund-Varietät (Aluminiumoxid Al₂O₃), die durch einen Restgehalt an Chrom rot gefärbt ist. Er wird industriell, seit den Arbeiten von Auguste Verneuil zu Beginn des 20. Jahrhunderts, durch Flammenschmelzen von Aluminiumoxidpulver auf einem rotierenden Keim hergestellt, wodurch eine monokristalline Kugel entsteht. Mit einer Härte von 9 auf der Mohshärte-Skala und etwa 2000 HV zählt er zu den härtesten industriell verfügbaren Werkstoffen, gleich nach Diamant und kubischem Bornitrid.

Als Werkstoff für Handwerkzeuge findet man synthetischen Rubin hauptsächlich an Rollierfräsern. Er wird nicht für den scharfen Schnitt eingesetzt — der scharfe Kanten erfordern würde —, sondern für feine Schleifvorgänge, Glättung und sanfte Anpassung, insbesondere an gehärteten Stählen, bei denen die abzutragende Materialmenge gering ist, die Oberflächenbeschaffenheit jedoch einwandfrei sein muss.

4. Die Fräser für Maschinen

Verschiedene Fräser für Maschinen (Fräsmaschine, Bearbeitungszentrum usw.)

Der Übergang von der Handarbeit zur Maschinenarbeit verändert nicht das Prinzip des Schnitts, verwandelt aber grundlegend die Möglichkeiten. Die Bewegung des Fräsers wird nicht mehr durch das Auge und das Handgelenk geführt, sondern durch Führungen, Tische und gesteuerte Achsen. Seine Rotation wird durch eine Spindel angetrieben, deren Geschwindigkeit je nach Maschine mehrere zehntausend Umdrehungen pro Minute erreichen kann. Die zulässigen Kräfte steigen, die Geschwindigkeiten nehmen zu, und die Wiederholgenauigkeit erreicht ein Niveau, das für den erfahrensten Bediener unerreichbar ist. Der Fräser für Maschinen ist für diese Beanspruchungen ausgelegt: Er ist steifer, besser ausgewuchtet und nach Geometrien geschliffen, die an automatisierte Schnittbedingungen angepasst sind.

4.1 Fräser für konventionelle Fräsmaschinen

Die konventionelle Fräsmaschine, ob horizontal, vertikal oder universal, ist auch heute noch in Prototypen- und Kleinserienwerkstätten im Einsatz. Dort wird eine breite Palette von Werkzeugen eingesetzt. Die Fräser mit zwei Schneidflächen, deren Schneiden gleichzeitig stirn- und umfangsseitig schneiden, eignen sich zur Herstellung von Taschen, Nuten und Absätzen. Die dreiflächigen Fräser, scheibenförmig, mit Schneiden an beiden Seitenflächen und am Umfang, führen tiefe Nuten und seitliche Auslösungen aus. Die Planfräser mit größerem Durchmesser ebnen die Flächen; Schwalbenschwanz- und T-Nutenfräser erzeugen besondere Führungsprofile.

Für die Uhrmacherei werden diese Fräser in miniaturisierten Ausführungen mit genormtem Schaft angeboten und profitieren von denselben Hartmetall- oder Schnellarbeitsstahlqualitäten wie im allgemeinen Maschinenbau, teilweise beschichtet, um der Bearbeitung von Spezialstählen oder harten Bronzen gerecht zu werden.

4.2 Fräser für CNC-Bearbeitungszentren

Die CNC-gesteuerten Bearbeitungszentren mit drei, vier oder fünf Achsen haben die Uhrenproduktion seit dem Ende des 20. Jahrhunderts von Grund auf erneuert. Sie ermöglichen die vollständige Bearbeitung von Platinen, Brücken, Schwungmassen, Uhrgehäusen usw. ausgehend von Rohlingen, indem die Arbeitsgänge mit einer einzigen Aufspannung des Werkstücks nacheinander ausgeführt werden. Die zugehörigen Fräser bestehen im Allgemeinen aus einteiligem Hartmetall, sind beschichtet und weisen eine für sehr hohe Drehzahlen optimierte Geometrie auf — bei Hochfrequenzspindeln teils mehrere Zehntausend Umdrehungen pro Minute.

Unter diesen Werkzeugen unterscheidet man Schaftfräser für das Konturieren und Planfräsen, Kugelkopffräser für komplexe Oberflächen (insbesondere die 3D-Profile geformter Gehäuse), Gravierfräser für Beschriftungen und feine Verzierungen sowie Nutenfräser für die Nutbearbeitung. Die Minimalmengenschmierung oder das Vollölschneidverfahren, je nach Werkstoff und angestrebter Oberflächenbeschaffenheit gewählt, begleitet in der Regel den Schnitt. Bei fünf Achsen erlaubt die kontinuierliche Ausrichtung des Fräsers gegenüber dem Werkstück verkürzte, steifere Werkzeuggeometrien sowie Zugänglichkeiten, die auf drei Achsen unmöglich zu erreichen wären.

5. Die Fräser zum Schneiden von Getrieben

Abwälzfräser für das Verzahnen durch Abwälzfräsen

Das Verzahnen von Rädern und Trieben stellt den emblematischsten Arbeitsgang der Uhrmacherei dar. Die Qualität des Getriebes – und damit die gleichmäßige Übertragung des Drehmoments von der Antriebsfeder bis zum Regulierorgan – hängt direkt von der Präzision des Zahnprofils ab. Die Wahl der Fräser und Verfahren richtet sich hier nach spezifischen Normen der Uhrenindustrie, insbesondere den NIHS-Normen (Normen der schweizerischen Uhrenindustrie), die die Profile, Module und Toleranzen festlegen.

5.1 Das epizykloidische Profil

Im Gegensatz zur allgemeinen Industriemechanik, die das Evolventenprofil bevorzugt, verwendet die Uhrmacherei traditionell ein epizykloidisches Profil (manchmal als „Uhrmacherprofil“ bezeichnet). Der Zahnkopf folgt einer epizykloidischen Kurve, während der Zahnfuß radial verläuft. Diese Wahl erklärt sich durch Überlegungen, die spezifisch für kleine Module sind: besserer Wirkungsgrad bei niedrigem Drehmoment, geringere Empfindlichkeit gegenüber Achsabstandsschwankungen und die Fähigkeit, mit sehr wenig Schmierung zu funktionieren. In jüngerer Zeit koexistieren abgeleitete oder hybride Profile — teilweise mit modifizierter Evolvente für bestimmte Anwendungen — mit dem traditionellen Profil, insbesondere bei Ritzeln mit hoher Drehmomentdichte oder in Aufzugsgetrieben.

5.2 Modulfräser mit konstantem Profil

Die einfachste Methode zum Schneiden eines Getriebes ist das Fräsen mit Teilapparat. Ein Fräser, dessen Profil genau die Form der Zahnlücke wiedergibt, durchläuft nacheinander jede Aussparung, wobei das Werkstück durch einen Teilapparat indexiert wird. Diese sogenannten Modulfräser werden durch ihren Modul (Verhältnis des Teilkreisdurchmessers zur Zähnezahl), ihre Referenzzähnezahl und ihr Profil definiert. In der Uhrmacherei liegen die gängigen Module zwischen 0,05 und etwa 0,50 mm. Das Verfahren wird weiterhin für Kleinserien, Prototypen und Nacharbeiten an bestehenden Werkstücken eingesetzt, da es einfach umzusetzen ist und keine spezialisierte Maschine erfordert.

5.3 Verzahnung durch Abwälzfräsen und Wälzfräser

Für Großserien, und wenn die Profilgenauigkeit maximal sein muss, greift man auf das Verzahnen durch Abwälzfräsen zurück. Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Wälzfräsen, oder Hobbing: Ein schraubenförmiger Fräser, dessen Schneiden der erzeugenden Zahnstange der Verzahnung entsprechen, kämmt kontinuierlich mit dem Rohling des Rades. Die relative Wälzbewegung, kombiniert mit dem Vorschub des Fräsers, erzeugt die genaue Form der Zähne Flanke für Flanke. Dieses Verfahren erzeugt Verzahnungen von hoher Qualität, geometrisch sehr regelmäßig, bei hohen Taktraten.

Das Abwälzfräsen existiert auch in Form eines Stoßens mit Schneidrad (Fellows-Verfahren) oder mit Zahnstangen-Schneidmesser, das besonders für bestimmte Geometrien geeignet ist, wie Innenverzahnungen oder abgesetzte Räder. Diese Maschinen, die lange Zeit von spezialisierten schweizerischen und ausländischen Herstellern gebaut wurden, bleiben im Zentrum der Fertigungswerkstätten für Uhrwerk-Kleinteile.

5.4 Fertigbearbeitung der Verzahnungen

Nach dem Verzahnen werden die Uhrenverzahnungen meist Fertigbearbeitungsvorgängen unterzogen. Das Rollieren von Stahltrieben, das mit harten Rollen durchgeführt wird, die die Oberfläche der Flanken ohne Materialabtrag verfestigen, verbessert die Oberflächenbeschaffenheit und die Verschleißfestigkeit erheblich. Bei Rädern aus Messing oder Kupferlegierung können Schleif- oder Läppvorgänge mit Schleifpaste die Arbeit zusätzlich ergänzen. Diese Schritte gehören streng genommen nicht mehr zum Fräsen, bilden jedoch zusammen mit dem Verzahnen eine untrennbare Einheit bei der Herstellung eines präzisen Uhrwerk-Kleinteils.

6. Kriterien für die Wahl eines Fräsers

Die Auswahl eines Fräsers, sei er für die Hand- oder Maschinenbearbeitung bestimmt, beruht auf der gemeinsamen Betrachtung mehrerer Parameter. Der Werkstoff des Werkstücks bestimmt die erforderliche Schneidqualität — Schnellarbeitsstahl für Messing und weiche Legierungen, beschichtetes Hartmetall für gehärtete Stähle und Superlegierungen, synthetischer Rubin für sehr feine abrasive Nacharbeiten. Die gewünschte Geometrie bestimmt das Profil des Werkzeugs (zylindrisch, kugelförmig, konisch, Formfräser, Scheibe). Der Durchmesser, gewählt entsprechend dem kleinsten Radius des Werkstücks, sollte so groß wie möglich bleiben, um die Steifigkeit des Werkzeugs und damit die Oberflächenqualität zu erhalten. Schließlich lenkt die Art des Arbeitsgangs (Schruppen oder Schlichten) die Wahl entweder zu einem Fräser mit hoher Spanabfuhrkapazität oder im Gegenteil zu einem Fräser mit hoher Politurleistung des Materials.

Die Erfahrung des Uhrmachers, der Uhrmacherin oder des Bearbeitungsprogrammierers ist bei jedem Schritt gefragt: Wahl der Schnittgeschwindigkeit, des Vorschubs pro Zahn, der Zustelltiefe, der Schmierung. Ein gut geeigneter, aber schlecht eingesetzter Fräser wird ein mittelmäßiges Ergebnis liefern; umgekehrt kann ein bescheidener, aber beherrschter Fräser für eine Vielzahl gängiger Arbeiten ausreichen.

7. Schlussfolgerung

Fräser nehmen eine Schlüsselposition zwischen dem traditionellen Handwerkzeug und der modernen industriellen Fertigung ein. Kleine Formfräser, Kugelfräser oder Rollenfräser, die freihändig an einem alten Werkstück geführt werden, zeugen von einer jahrhundertealten Praxis; beschichtete Hartmetallfräser, die mit sehr hoher Geschwindigkeit auf einem Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum eingesetzt werden, verkörpern die zeitgenössische Uhrmacherei. Dazwischen bewahren die Zahnradfräser — Modulfräser oder Wälzfräser — eine typisch uhrmacherische technische Tradition: die der epizykloidischen Profile, winziger Module und in Mikrometern gemessener Toleranzen.