Jedes CNC-gefräste Teil mit Innengewinde wurde entweder mit einem Gewindebohrer bearbeitet oder gewindegefräst. Beide Verfahren führen zum gleichen Ergebnis – einer Gewindebohrung –, funktionieren jedoch nach völlig unterschiedlichen Prinzipien, und die Wahl zwischen ihnen hat konkrete Auswirkungen auf das Werkzeugbruchrisiko, die Toleranz, die Materialverträglichkeit und die Gesamtkosten.
Beim Gewindeschneiden wird ein spezieller Gewindebohrer in einem einzigen axialen Einstich direkt in eine vorgebohrte Bohrung eingeführt. Die Geometrie des Gewindebohrers entspricht exakt der Gewindeform, sodass der Vorgang schnell abläuft und nur minimalen Programmieraufwand erfordert. Bei großen Stückzahlen von Standardgewinden in duktilen Werkstoffen ist das Gewindeschneiden in puncto Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit kaum zu übertreffen. Seine Schwachstelle ist der Werkzeugbruch: Ein gebrochener Gewindebohrer in einem Sackloch aus hartem Material lässt sich oft nicht mehr bergen und kann ein ansonsten fertiges Teil unbrauchbar machen.
Beim Gewindefräsen wird ein kleinerer rotierender Fräser verwendet, der einer spiralförmigen CNC-Werkzeugbahn folgt – er umkreist die Bohrung in X- und Y-Richtung, während er sich in Z-Richtung vorwärtsbewegt –, um die Gewindeform in mehreren Durchgängen zu erzeugen. Der Fräser entspricht nicht dem Gewindedurchmesser, was bedeutet, dass ein Werkzeug einen Bereich von Gewindegrößen mit derselben Steigung abdeckt und die Passung durch Anpassung des Werkzeugbahnradius feinjustiert werden kann. Das Gewindefräsen ist langsamer und erfordert eine aufwendigere Programmierung, ist jedoch sicherer, flexibler und besser geeignet für harte Werkstoffe, große Gewinde, Sacklöcher, die einen sauberen Eingriff am Boden erfordern, sowie teure Teile, bei denen ein Bruchrisiko nicht akzeptabel ist.
In diesem Leitfaden werden beide Verfahren hinsichtlich aller relevanten Faktoren verglichen: Geschwindigkeit, Werkzeugbestand, Bruchrisiko, Materialverträglichkeit, Leistung bei Sacklöchern, Gewindequalität und Wirtschaftlichkeit bei großen Stückzahlen. Beide Verfahren sind als Teil unseres CNC-Bearbeitungsdienstleistungen, und das Threading geht oft Hand in Hand mit den Prozessauswahlen in unserem CNC-Drehen vs. CNC-Fräsen Leitfaden.
So funktioniert das Klopfen
Ein Gewindebohrer ist ein gehärtetes Schneidwerkzeug, das mit Nuten und einer Gewindeform geschliffen ist, die genau dem gewünschten Innengewinde entspricht. Er wird in die Spindel eingespannt und mit einer auf seine Steigung abgestimmten Vorschubgeschwindigkeit axial in eine vorgebohrte Bohrung eingetrieben – dies ist das starre Gewindeschneiden, das Standardverfahren in modernen CNC-Bearbeitungszentren. Beim starren Gewindeschneiden werden Spindeldrehzahl und axialer Vorschub elektronisch synchronisiert, sodass der Gewindebohrer genau eine Gewindesteigung pro Umdrehung vorrückt, dann die Richtung umkehrt und in einem durchgehenden Zyklus wieder herausgezogen wird.
Bei einem Bauteil mit dreißig M5-Bohrungen aus 6061-Aluminium ist das Gewindeschneiden äußerst produktiv – die Zykluszeit pro Bohrung beträgt bei Standardgrößen in der Regel ein bis drei Sekunden. Ein Gewindebohrer pro Gewindegröße und -steigung bedeutet, dass für fünf verschiedene M-Gewinde fünf Gewindebohrer benötigt werden, die fünf Plätze im Werkzeugmagazin belegen. In dedizierten Zellen mit hohen Stückzahlen ist dies vernachlässigbar. In der Auftragsfertigung mit komplexen Bauteilen, die unterschiedliche Gewindespezifikationen aufweisen, wird die Verwaltung des Werkzeugmagazins zu einem wichtigen Faktor.
Die Spanabfuhr ist beim Gewindeschneiden schwieriger als beim Gewindefräsen, insbesondere bei Sacklöchern. Die Schneidrillen müssen die Späne beim Vorschub des Gewindebohrers aus dem Loch abtransportieren. Bei Werkstoffen, die lange, fadenförmige Späne bilden – Edelstahl 304, Titan, einige Nickellegierungen –, sammeln sich die Späne um die Schneidrillen an und erhöhen die Gefahr des Festfressens und des Bruchs. Ausführungen mit Spiralnuten (Gun-Tap) befördern die Späne axial aus Sacklöchern heraus und verringern dieses Risiko, beseitigen es jedoch nicht vollständig.
Wenn ein Gewindebohrer bricht – insbesondere bei einem gehärteten Werkstoff in einem Sackloch –, handelt es sich in der Regel um gehärteten HSS oder Hartmetall, der sich nicht herausbohren lässt. Die Funkenerosion (EDM) ist oft die einzige zuverlässige Methode zur Entfernung, die jedoch kostspielig und zeitaufwendig ist. Je nach Komplexität und Wert des Bauteils kann das Ergebnis ein Ausschuss sein.
So funktioniert das Gewindefräsen
Ein Gewindefräser ist ein mehrzahniger, rotierender Fräser, in der Regel aus Vollhartmetall mit einer verschleißfesten Beschichtung, den die CNC-Maschine entlang einer spiralförmigen Bahn bewegt – wobei gleichzeitig in X-, Y- und Z-Richtung interpoliert wird –, um die Gewindeform zu erzeugen. Die Zahngeometrie des Fräsers entspricht dem Gewindeprofil, und der Durchmesser der Werkzeugbahn bestimmt die Gewindegröße. Da nicht der Werkzeugkörper, sondern der Bahn-Durchmesser die Größe bestimmt, kann ein einzelner Gewindefräser durch Anpassung des programmierten Radius mehrere Gewindegrößen mit derselben Steigung erzeugen.
Das Gewindefräsen ermöglicht zudem eine Kontrolle über die Gewindepassung, die beim Gewindebohren nicht gegeben ist. Durch eine Verschiebung des programmierten Werkzeugbahnradius um einige Mikrometer kann der Bediener die Passungsklasse verschärfen oder lockern, ohne das Werkzeug zu wechseln. Dies ist besonders wertvoll bei Gehäusen für Präzisionsinstrumente, Hydraulikarmaturen und Fluidanschlüssen, bei denen die Passungsklasse von Teil zu Teil überprüft und angepasst werden muss.
Der Sicherheitsvorteil ist erheblich. Der Gewindefräser ist kleiner als der Durchmesser des fertigen Gewindes. Sollte er brechen, kann das Bruchstück aus dem Gewinde herausfallen oder mit einem Magneten oder einer Pinzette entfernt werden. Das Werkstück lässt sich in der Regel wiedergewinnen – ein deutlicher Unterschied zu einem abgebrochenen Gewindebohrer in einem Sackloch.
Das Gewindefräsen ist langsamer: Es werden mehrere spiralförmige Durchgänge pro Bohrung anstelle eines einzigen axialen Eintauchvorgangs durchgeführt. Dazu ist ein CNC-Bearbeitungszentrum erforderlich, das eine simultane dreiachsige Interpolation ermöglicht, sowie ein CAM-System oder Festzyklen für das Gewindefräsen. Bei sehr hohen Stückzahlen von Standardgewinden in duktilen Werkstoffen summiert sich der Zeitnachteil pro Bohrung, sodass das Gewindeschneiden wirtschaftlicher ist.
Gewindebohren vs. Gewindefräsen: Vergleichstabelle
| Faktor | Anzapfen | Gewindefräsen |
| Zykluszeit pro Bohrung | Am schnellsten – ein einziger Eintauchvorgang | Langsamer – spiralförmiger Mehrfachdurchlauf |
| Programmierkomplexität | Einfacher Zyklus mit starrem Hahn | Spiralförmige Interpolation, CAM erforderlich |
| Werkzeug nach Größe/Steigung | Ein Gewindegang pro Größe und Steigung | Eine Fräse deckt viele Größen ab (gleiche Teilung) |
| Bruchgefahr | Mäßig bis hoch; teilweise Reste | Niedrig; Fräser fällt frei herunter |
| Die besten Materialien | Aluminium, Baustahl, Messing | Titan, Edelstahl, gehärtete Stähle |
| Leistung bei Sacklöchern | Risiko der Späneansammlung; Auslaufzone am Boden | Unteres Gewinde reinigen; Späne werden nach außen abgeleitet |
| Garnqualität und Passform | Gut; durch die Geometrie des Wasserhahns behoben | Hervorragend; einstellbar über den Werkzeugweg-Offset |
| Rechts- und Linkshänder | Separater Wasserhahn erforderlich | Gleiche Fräsmaschine, umgekehrte Werkzeugbahnrichtung |
| Außengewinde | Nicht zutreffend | Möglich mit spiralförmiger Schnittbahn mit Steigung |
| Optimale Lautstärke | Großvolumige Standardgewinde | Grobe bis mittlere, Präzisions- oder Sondergewinde |
Werkstoffleitfaden: Wann sollte man Gewinde schneiden und wann Gewinde fräsen?
Aluminiumlegierungen – 6061, 7075, Gussqualitäten – eignen sich besonders gut zum Gewindeschneiden. Das Material ist duktil, erzeugt gut zu entfernende Späne, und seine relativ niedrige Streckgrenze hält die Gewindeschneidkräfte und den Verschleiß gering. Standard-HSS- oder Kobalt-Gewindebohrer können Tausende von Bohrungen ausführen, bevor sie verschleißen. Das Gewindefräsen in Aluminium ist möglich und wird für Gewinde ab M20 oder für Sacklöcher bevorzugt, die einen sauberen Eingriff am Boden erfordern; bei Gewinden von M3 bis M16 in Großserien ist das Gewindeschneiden jedoch wirtschaftlicher.
Edelstähle – 304, 316, 17-4 PH – werden schnell kaltverfestigt, bilden lange, fadenförmige Späne und wirken abrasiv auf die Schneidkanten. Das Gewindeschneiden in Edelstahl ist mit scharfen Spiralgewindebohrern, geeigneter Schneidflüssigkeit und sorgfältiger Synchronisation möglich, jedoch ist der Verschleiß schneller und das Bruchrisiko höher als bei Aluminium. Das Gewindefräsen ist bei Edelstahl für Gewindegrößen ab M12 oft die bessere Wahl: Der Fräser greift pro Durchgang einen kleineren Spanquerschnitt auf, die Kaltverfestigung verteilt sich auf mehrere leichte Schnitte, und das Bruchrisiko wird erheblich verringert.
Titanlegierungen – insbesondere 6Al-4V – konzentrieren die Wärme an der Schneide aufgrund von geringe Wärmeleitfähigkeit, was den Verschleiß beschleunigt und das Risiko von Festfressen erhöht. Zum Gewindeschneiden von Titan sind Hartmetallgewindebohrer, Hochdruck-Spindeldurchflusskühlung und zurückhaltende Schnittgeschwindigkeiten erforderlich – und es besteht weiterhin ein reales Bruchrisiko. Das Gewindefräsen von Titan mit Vollhartmetallfräsern und geeigneten Beschichtungen sorgt für eine bessere Wärmeableitung und ein deutlich geringeres Bruchrisiko. Für strukturelle Gewinde aus Titan in der Luft- und Raumfahrt ist das Gewindefräsen der Industriestandard.
Gehärtete Stähle mit einer Härte von über etwa 40 HRC werden in der Regel nicht mit Gewindebohrern bearbeitet – das Bruchrisiko ist zu hoch. Durch Gewindefräsen mit Hartmetallfräsern, die für harte Werkstoffe ausgelegt sind, lassen sich Gewinde bis zu einer Härte von etwa 65 HRC herstellen, allerdings ist der Werkzeugverschleiß hoch und die Vorschubgeschwindigkeiten müssen konservativ gewählt werden.
Sacklöcher: Der entscheidende Vorteil des Gewindefräsens
Ein Sackloch – also ein Loch, das nicht durch das Werkstück hindurchgeht – stellt beide Verfahren vor besondere Herausforderungen. Bei einem Standard-Kegelgewindebohrer verhindert die Fasengeometrie einen vollständigen Gewindeeingriff über drei bis fünf Gewindegänge vom Lochboden aus. Ein Tiefbohrer reduziert dies auf ein bis zwei Gewindegänge, doch die Spanansammlung am Boden erhöht das Bruchrisiko. Wenn ein vollständiger Gewindeeingriff nahe dem Sacklochende eine konstruktive Anforderung ist, vermerken Sie dies in der Zeichnung, damit Ihr Zerspaner den richtigen Gewindebohrertyp auswählen oder das Gewindefräsen empfehlen kann.
Beim Gewindefräsen lassen sich Sacklöcher sauberer bearbeiten. Der Fräser beginnt seine spiralförmige Bahn am Grund der Gewindetiefe und bewegt sich spiralförmig nach oben in Richtung des Lochausgangs, sodass die Späne zum offenen Ende hin abtransportiert werden, anstatt sich am Boden anzusammeln. Der Fräser kann die Gewindeform bereits innerhalb einer Gewindesteigung vom Sacklochende aus bearbeiten, wodurch über die gesamte vorgegebene Gewindetiefe ein nahezu vollständiger Eingriff gewährleistet ist. Bei Sacklöchern, bei denen die Gewindetiefe begrenzt ist und ein vollständiger Eingriff konstruktiv erforderlich ist, ist das Gewindefräsen in der Regel die richtige Wahl.
Die Wahl der richtigen Methode: Ein Entscheidungsrahmen
Standardmäßig sollte auf Gewindeschneiden zurückgegriffen werden, wenn: das Material aus Aluminium, Weichstahl oder Messing besteht; das Gewinde eine Standardgröße und -steigung aufweist; das Volumen ausreichend ist, um spezielle Gewindeschneidzyklen zu rechtfertigen; und die Bohrungstiefe sowie der Wert des Bauteils kein inakzeptables Bruchrisiko darstellen. Für die meisten Großserienaufträge bei duktilen Werkstoffen ist das Gewindeschneiden die wirtschaftlichste Standardlösung.
Entscheiden Sie sich für das Gewindefräsen, wenn einer der folgenden Punkte zutrifft: Das Material ist Edelstahl, Titan oder gehärteter Stahl; das Gewinde hat die Größe M20 oder größer, eine ungewöhnliche Steigung oder ist linksgewindig; die Bohrung ist blind und erfordert einen sauberen Gewindeeingriff am Boden; die Passungsklasse ist „eng“ und eine Anpassung pro Bauteil ist erforderlich; oder der Wert des Bauteils ist so hoch, dass ein Bruch des Gewindebohrers, der das Bauteil unbrauchbar macht, einen erheblichen Verlust darstellen würde.
Verwenden Sie beide Verfahren an derselben Stelle des Bauteils, wo es sinnvoll ist: Gewindebohren der zwanzig M5-Löcher in der Aluminiumhalterung; Gewindefräsen der beiden M30-Gewinde im Edelstahleinsatz. Die Festlegung eines einzigen Verfahrens für ein gesamtes Bauteil geht oft zu Lasten der Kosten oder der Qualität.
Häufig gestellte Fragen
Ist das Gewindefräsen immer besser als das Gewindeschneiden?
Nicht immer. Das Gewindefräsen ist flexibler, bei harten Werkstoffen sicherer und ermöglicht eine anpassbare Passform – ist jedoch langsamer und erfordert leistungsfähigere Maschinen sowie eine ausgefeiltere Programmierinfrastruktur. Das Gewindeschneiden ist bei Standardgewinden in duktilen Werkstoffen in der Serienfertigung schneller und einfacher. Die beste Methode hängt vom Werkstoff, der Gewindegröße und -art, der Bohrungsgeometrie, dem Wert des Bauteils und dem Produktionsvolumen ab.
Wann sollte ich das Gewindefräsen anstelle des Gewindeschneidens verwenden?
Für harte Werkstoffe – Titan, Edelstahl, gehärtete Stähle –, große oder ungewöhnliche Gewinde, Sacklöcher, die einen sauberen Eingriff am Boden erfordern, enge Passungstoleranzen, bei denen eine Nachjustierung erforderlich ist, sowie teure Teile, bei denen ein gebrochener Gewindebohrer zu einem kostspieligen Ausschuss führen würde.
Warum ist das Gewindebohren schneller als das Gewindefräsen?
Ein Gewindebohrer schneidet das gesamte Gewinde in einem einzigen axialen Einstich, was in der Regel ein bis drei Sekunden pro Bohrung dauert. Beim Gewindefräsen muss die Maschine über mehrere Durchgänge hinweg einen vollständigen spiralförmigen Durchgang ausführen – dabei um die Bohrung herumkreisen und gleichzeitig axial vorrücken. Bei großen Stückzahlen von Standardgewinden ist der Zeitvorteil des Gewindebohrens pro Bohrung erheblich.
Was passiert, wenn ein Gewindebohrer in einem Sackloch bricht?
Ein abgebrochener Gewindebohrer in einem Sackloch gehört zu den schwierigsten Fällen bei der Bergung in der CNC-Bearbeitung. Gewindebohrer bestehen aus gehärtetem HSS oder Hartmetall und lassen sich nicht ausbohren. Die Funkenerosion (EDM) ist oft die einzige zuverlässige Methode zur Entfernung, die jedoch kostspielig und zeitaufwendig ist, sodass das Werkstück letztendlich möglicherweise verschrottet werden muss. Das Gewindefräsen reduziert dieses Risiko erheblich: Der Fräser ist kleiner als die Bohrung, und wenn er bricht, fällt das Bruchstück in der Regel frei heraus, sodass das Werkstück noch gerettet werden kann.
Können beim Gewindefräsen Linksgewinde hergestellt werden?
Ja. Beim Gewindefräsen werden Linksgewinde durch Umkehrung der Richtung der spiralförmigen Werkzeugbahn hergestellt – ein Wechsel des Werkzeugs oder des Werkzeughalters ist nicht erforderlich. Beim Gewindeschneiden ist für jede Linksgewindegröße ein separater Linksgewindebohrer erforderlich, der bei umgekehrter Spindeldrehung eingesetzt wird.
