Horizontales vs. vertikales Fräsen und Drehen: Was sind die Unterschiede?

Bei CNC-Fräs- und Drehmaschinen gibt es viele Details, die den Arbeitsablauf maßgeblich beeinflussen. Keine einzelne Maschine kann alle möglichen Fertigungsvorgänge bewältigen. Daher ist es ratsam, die optimale Konfiguration für die jeweiligen CNC- Bearbeitungsvorgänge und Produktionsanforderungen zu ermitteln.

Es gibt viele solcher Berechnungen zu beachten, aber eine der wichtigsten Unterscheidungen bei der Wahl einer Bearbeitungseinrichtung ist, ob die Konfiguration vertikal oder horizontal sein soll.

Horizontale Bearbeitungszentren (HMCs) und vertikale Fräsmaschinen (VMCs) unterscheiden sich nicht nur in ihrer Ausrichtung, sondern auch in mehreren anderen Punkten. Die beiden Fräsmaschinentypen verfügen über unterschiedliche Komponenten und eignen sich für verschiedene Bearbeitungsvorgänge: Als Faustregel gilt, dass eine horizontale Fräsmaschine tiefe Nuten mit minimalem Werkzeugschwingen und geringer Verformung fräsen kann, während eine vertikale Fräsmaschine besser für feine Details geeignet ist.

Dieser Artikel beleuchtet die wichtigsten Unterschiede zwischen Horizontal- und Vertikalfräsmaschinen. Er geht auf die Vor- und Nachteile beider Verfahren ein, listet einige gängige Maschinen auf dem Markt auf und gibt Tipps zur Auswahl zwischen Horizontal- und Vertikalfräsen.

Was ist eine Vertikalfräsmaschine?

Eine Vertikalfräsmaschine ist eine Fräsmaschine, bei der die Spindel (die die Spannzange und diese wiederum das Schneidwerkzeug aufnimmt) vertikal ausgerichtet ist. Sie ist die gängigste Bauart für CNC-Fräsmaschinen und kann zum Fräsen, Nutenfräsen, Bohren oder Ausdrehen verwendet werden.

Vertikalfräsmaschinen stellen in Branchen wie der Metallverarbeitung den Großteil der Fräsmaschinen dar, was auf ihre geringeren Kosten im Vergleich zu Horizontalsystemen zurückzuführen ist. Wie der Name schon sagt, ist der Fräskopf bzw. die Spindel vertikal ausgerichtet. Die Details der Frässteuerung können je nach Maschine variieren.

Zu den beliebten Vertikalfräsmaschinen gehören die Produktreihen Integrex, VCN und VTC von Mazak; die Serien VF, VR und Universal von Haas (3ERP verwendet Modelle aus den Reihen VF und Universal); die FANUC ROBODRILL; und die Baureihen CMX V, DMV und NVX von DMG MORI.

Die beiden Haupttypen von Vertikalmühlen sind Revolvermühlen und Bettmühlen.

Revolverfräsmaschine

Bei Revolverfräsmaschinen bleibt die Spindel fest, während das Maschinenbett das Werkstück aufnimmt. Dieses Bett bewegt sich horizontal oder vertikal, wodurch die Position des Werkstücks in beide Richtungen verändert werden kann. Die Revolverfräsmaschine ist ein äußerst vielseitiges Gerät, ihre Einsatzmöglichkeiten können jedoch durch die Größe der gefertigten Werkstücke eingeschränkt sein.

Bettfräsmaschine

Bettfräsmaschinen bewegen das Werkstück horizontal mithilfe einer Spindel, deren Bewegung auf die vertikale Achse beschränkt ist. Die Spindel kann je nach Bedarf auf und ab bewegt werden und das Material in die gewünschte Form bringen. Bettfräsmaschinen bieten einen großen Verfahrweg, da die Kombination aus Spindel und horizontaler Bettbewegung das Fräsen unterschiedlichster Formen und Tiefen ermöglicht.

Was ist eine Horizontalfräsmaschine?

Eine Horizontalfräsmaschine kann viele ähnliche Bearbeitungsvorgänge wie eine Vertikalfräsmaschine durchführen, ist jedoch anders aufgebaut, da die Spindel horizontal ausgerichtet ist. Diese Maschinen sind robuster und stabiler als Vertikalfräsmaschinen und können kraftvolle Zerspanungsvorgänge sowie schwere Werkstücke bearbeiten.

Die Fräser der Horizontalfräsmaschine ähneln in gewisser Weise dem Sägeblatt einer Kreissäge, wobei ein entscheidender Unterschied darin besteht, dass sie im Allgemeinen dicker und kleiner sind und ihre Form ein schnelleres Fräsen ermöglicht als die Spindeln ihrer vertikalen Pendants.

Durch die Verwendung der Spindel und ihrer Länge kann eine Horizontalfräsmaschine auch mehrere Fräser gleichzeitig einsetzen.

Für komplexere Fräsbearbeitungen verfügen einige Horizontalfräsmaschinen über einen Drehtisch, sodass das Schneidwerkzeug das Werkstück aus verschiedenen Winkeln anfahren kann. Diese Anordnung für Horizontalfräsarbeiten wird als Universaltisch bezeichnet.

Zu den gängigen horizontalen Fräsmaschinen gehören die Produktreihen FF, HCN und MEGA von Mazak; die Baureihen EC und Universal von Haas (3ERP verwendet die Universal); sowie die Baureihen NH, NHX und i-Serie von DMG MORI.

Was ist ein CNC-Drehzentrum?

Bei CNC-Drehmaschinen lassen sich die Maschinen im Allgemeinen, ähnlich wie bei Fräsmaschinen, in horizontale und vertikale Ausführungen unterteilen.

Horizontales Drehen

Horizontale Drehzentren sind in den meisten Branchen am weitesten verbreitet. Sie verfügen über eine horizontal ausgerichtete Spindel, an deren Werkzeughaltern die Werkzeuge seitlich befestigt sind. Dadurch können sie das Werkstück quer bearbeiten. Ähnlich wie Fräszentren nutzen auch horizontale Drehzentren die Schwerkraft, um die Späne vom Werkstück wegzuführen.

Vertikales Drehen

Vertikale Drehzentren werden auch als vertikale Revolverdrehmaschinen oder VTL bezeichnet. Vertikale und horizontale Drehzentren ähneln sich sehr, jedoch ist ihre Bauform umgekehrt, sodass der Spindelstock auf dem Boden steht und die Planscheibe als horizontaler Drehtisch dient. Umgekehrte vertikale Drehzentren funktionieren wie die regulären Modelle, nur dass Spindel und Backenfutter spiegelverkehrt angeordnet sind.

Vertikale Bearbeitung – Vor- und Nachteile

Vertikalfräsen eignet sich am besten für Projekte, bei denen der Fokus des Objekts auf einer bestimmten Seite liegt. Dies kann beispielsweise eine große Metallplatte oder ein Senkwerkzeug sein.

Vorteile

1. Einfachheit: Vertikale Fräsmaschinen haben zudem den Vorteil, im Allgemeinen weniger komplex zu sein als horizontale Fräsmaschinen, wodurch sie sowohl günstiger als auch einfacher zu bedienen und zu warten sind.
2. VielseitigkeitBei vertikalen Bearbeitungszentren gibt es je nach Typ einige Unterschiede. Revolverfräsmaschinen eignen sich aufgrund der schwierigen Zwei-Achs-Bewegung bei größeren Werkstücken meist nur für kleinere Projekte. Bettfräsmaschinen hingegen sind besser für Projekte mit schwereren und größeren Werkstücken geeignet (obwohl sie im Vergleich zu Horizontalfräsmaschinen bei der Bearbeitung solcher Teile deutlich weniger effizient sind).
3. Maße: Vertikalfräsmaschinen benötigen deutlich weniger Platz als ihre vertikalen Pendants. Dies, zusammen mit dem Preis, macht sie besonders für kleinere Betriebe attraktiv. Zudem sind sie weiter verbreitet und verfügen daher über einen größeren Pool an qualifizierten Fachkräften.
4. KostenVertikale Fräszentren sind verbreiteter als horizontale und kostengünstiger – sowohl hinsichtlich der Maschinenkosten als auch der Wartungskosten.
5. DetailVertikale Fräsmaschinen eignen sich gut zum Fräsen feiner Konturen an Werkstücken mit engen Toleranzen.

Nachteile

Die Schwäche von Vertikalfräsmaschinen liegt in ihrer Fähigkeit, größere Stückzahlen und komplexere Bauteile zu fertigen. Auch schwerere Materialien können für den Betrieb von Vertikalfräsmaschinen problematisch sein, da sie schwieriger anzuheben und abzusenken sind.

1. ZugriffEine Vertikalfräsmaschine eignet sich hervorragend für das einseitige Fräsen (z. B. Senkerodieren), ist aber weniger gut für das Fräsen aller Seiten eines Werkstücks geeignet, da hierfür eine neue Werkstückspannung erforderlich ist.
2. TuningBei sehr großen und schweren Werkstücken stoßen Vertikalfräsmaschinen an ihre Grenzen, insbesondere Revolverfräsmaschinen, die das Werkstück ständig bewegen müssen.
3. SchnelligkeitVertikalfräsmaschinen sind präzise, ​​können aber bei der Serienfertigung langsamer sein als Horizontalfräsmaschinen. 

Horizontalfräsen – Vor- und Nachteile

Trotz des höheren Preises sind horizontale Fräsmaschinen für komplexere Projekte die bevorzugte Wahl. 

Vorteile

Die Maschinen sind vielseitiger und können an mehr Seiten arbeiten als die vertikalen. Sie eignen sich auch besser für schwerere Werkstücke und solche, bei denen das Einfräsen einer oder mehrerer Nuten erwünscht ist. Horizontalfräsmaschinen haben zudem eine höhere Wahrscheinlichkeit, Nuten zu erzeugen.

Weitere Vorteile sind:

1. TuningDie Stabilität der Spindel ermöglicht kraftvolle Schnitte und damit einen schnellen Materialabtrag in großen Abschnitten – selbst bei harten Materialien.
2. SchnelligkeitDurch den schnellen Materialabtrag eignen sich Horizontalfräsmaschinen ideal für die Serienfertigung (relativ einfacher Teile).
3. Gangfräsen: Die Maschinen ermöglichen zudem den Einsatz zusätzlicher Fräser für verschiedene Anwendungen, insbesondere zum effizienteren Einbringen von Nuten. Bei bestimmten Horizontalfräsmaschinen lässt sich das Maschinenbett drehen, um das Fräsen in verschiedenen Winkeln anstatt ausschließlich in der Horizontalebene zu ermöglichen. Diese Bettbewegung erweitert die Einsatzmöglichkeiten der Maschine zusätzlich.
4. Späneabfuhr: Horizontale Fräsmaschinen bieten zudem eine deutlich bessere Spanabfuhr. Dies liegt an der Bauweise, die die Schwerkraft nutzt, um die Späne absinken zu lassen. Darüber hinaus trägt dies zu einer besseren Oberflächengüte und längeren Werkzeugstandzeiten bei.

Nachteile

Der größte Nachteil sind die höheren Kosten, die mit horizontalen Fräsmaschinen verbunden sind.

1. KostenDiese Kosten können das Drei- bis Vierfache der Kosten von Vertikalfräsmaschinen betragen. HMCs sind zudem unter Umständen schwieriger zu überwachen, da Bauteile verdeckt sein können und die Sicht auf das Projekt durch die Konstruktion eingeschränkt ist. 
2. KomplexitätEine horizontale Fräsmaschine kann schwieriger zu bedienen sein als eine vertikale Fräsmaschine.
3. FußabdruckHorizontale Fräsmaschinen benötigen mehr Stellfläche als vertikale Fräsmaschinen, was ihre Aufstellung in kleineren Werkstätten erschwert.

Horizontales Kurvenfahren – Vor- und Nachteile

Horizontale Drehzentren sind oft sehr flexibel und verfügen über längere Bettlängen, wodurch sie sich besser für längere Werkstücke wie Wellen eignen. Dies erhöht ihre Einsatzmöglichkeiten und Vielseitigkeit. Sie können auch Komponenten wie Stangenvorschübe verwenden und sind üblicherweise mit Reitstöcken ausgestattet, was bei vertikalen Drehmaschinen selten ist.

Horizontale Drehzentren sind schon länger im Einsatz, daher arbeiten die meisten Maschinen und Experten mit dieser Konfiguration. Das bedeutet auch, dass ein größerer Informationsumfang zu diesen Maschinen und ihren spezifischen Einsatzmöglichkeiten verfügbar ist. Einstellung und Schulung sind daher tendenziell darauf ausgerichtet, was ein Vorteil der Maschine selbst sein kann.

Horizontale Drehmaschinen haben ihre Grenzen. Bei der Bearbeitung von kurzen Teilen mit großem Durchmesser, insbesondere bei schweren Teilen, sind vertikale Drehzentren besser geeignet. Auch der Späneabfluss und die Reinigung stellen bei horizontalen Maschinen ein Problem dar.

Vertikales Wenden – Vor- und Nachteile

Diese Konfiguration ist besonders vorteilhaft für die Bearbeitung großer, schwerer und kurzer Werkstücke. Die Schwerkraft trägt dazu bei, das Werkstück in die Werkstückaufnahme zu positionieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Schwerkraft die Späne vom Werkstück weg in die Spänewanne oder auf das Förderband leitet.

Viele Autoteile werden vertikal und typischerweise mit einer Doppelspindel gefertigt. Ein Vorteil dabei ist, dass die Schwerkraft für einen reibungslosen Ablauf sorgt; beim Einspannen des Werkstücks in das Spannfutter fixiert es sich selbst.

Die vertikale, statt horizontale Ausrichtung der Spindel ermöglicht eine 360°-Abstützung, wodurch ein Durchhängen der Spindel verhindert und die maximal zulässige Belastung erhöht wird. Die zusätzliche Abstützung reduziert zudem die Schnittkräfte, die bei intensiver oder unterbrochener Bearbeitung entstehen. Durch die Vermeidung eines Spindeldurchhängens lassen sich außerdem eine höhere Planheit und Rechtwinkligkeit der Werkstücke erzielen.

Vertikale Drehzentren benötigen deutlich weniger Platz als ihre horizontalen Pendants, wodurch Werkstätten ihre Stellfläche optimal nutzen können. Oftmals benötigt eine vertikale Drehmaschine nur die Hälfte der Stellfläche einer horizontalen, was insbesondere in kleineren Betrieben von Vorteil sein kann.

Vertikale Bearbeitungsmaschinen mit umgekehrter Achse sind ebenfalls eine Option, da sie eine integrierte Automatisierung ermöglichen, die bei horizontalen Bearbeitungsmaschinen nicht möglich wäre. Hier fährt die Spindel heran und nimmt das Werkstück auf, während bei horizontalen Bearbeitungsmaschinen ein Roboter oder ein Portal zum Beladen benötigt wird.

Späne können bei vertikalen Drehmaschinen und Drehzentren ein Problem darstellen, insbesondere wenn das Werkstück konkav geformt ist. Häufig verfangen sich die Späne im Inneren der Maschine. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Späne in die Spindel fallen können. Daher müssen die Schutzmaßnahmen und die Abschirmung wirksam sein.

Wie wählt man zwischen Vertikal- und Horizontalfräsen?

Die Wahl zwischen vertikaler und horizontaler Fräsmaschine hängt von Faktoren wie folgenden ab:

1. Teilegröße
2. Teilekomplexität
3. Haushalt
4. Menge
5. Verfügbarkeit der Maschinenwerkstatt
6. Materials

Als Faustregel gilt: Vertikalfräsen ist oft besser geeignet für:

• detaillierte Teile
• Teile, die nur einseitig bearbeitet werden müssen,
• weichere Materialien
• Alltagsteile, für die ein begrenztes Budget zur Verfügung steht

Horizontales Fräsen ist besser geeignet für:

• schnelle Materialabfuhr
• große und schwere Teile
• härtere Materialien
• Teile, die an mehreren Seiten bearbeitet werden müssen
• Arbeitsvorgänge, die kundenspezifische oder spezielle Schneidwerkzeuge erfordern

In vielen Fällen wird eine Maschinenwerkstatt Ihr Projekt prüfen und die am besten geeignete Ausrüstung für die Fräsbearbeitung auswählen.

Weitere Informationen zu den verschiedenen Fräsmaschinentypen und ihren Anwendungsbereichen finden Sie in unserem Leitfaden „ Was ist CNC-Fräsen und wie funktioniert es?“.

Endnote

Es ist außerdem wichtig zu beachten, dass es verschiedene Anbauteile und Schneidköpfe gibt, mit denen sich eine Horizontalfräsmaschine für das Vertikalfräsen umrüsten lässt oder umgekehrt. Dies kann eine kostengünstigere Lösung darstellen, wenn eine Maschine an ihre Grenzen stößt.

Solche Hilfsmittel sind zwar hilfreich, stellen aber im Vergleich zum Einsatz des eigentlichen Geräts nur eine begrenzte Lösung dar. Auch umgekehrte vertikale Drehzentren können eine Überlegung wert sein, da sie den Prozess zusätzlich automatisieren können.

Wir hoffen, die bereitgestellten Informationen sind hilfreich. 3ERP bietet CNC-Fräs- und CNC -Drehdienstleistungen für Rapid Prototyping und Serienfertigung an. Kontaktieren Sie uns , wenn Sie weitere Fertigungsberatung benötigen.