CNC Schnittdaten verstehen - Teil 2 - Zahnvorschub
Du befindest dich in Teil 2 der 8-teiligen Beitragsreihe "CNC Schnittdaten verstehen"
Teil 1 - Einleitung
Teil 2 - Zahnvorschub
Teil 3 - Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit
Teil 4 - Tiefenzustellung
Teil 5 - Seitliche Zustellung
Teil 6 - Gleichlauf und Gegenlauf
Teil 7 - Eintauchen
Teil 8 - Schnittdaten berechnen und anpassen
Obwohl man diesen Parameter bei der CNC-Programmierung in der Regel nicht direkt angibt und auch nicht im G-Code (”Maschinencode” der CNC-Fräse) wiederfindet, gilt der Zahnvorschub mit dem Formelzeichen fz als wichtigste Größe unter den Schnittwerten. Es handelt sich dabei um einen Tabellenwert, den man entweder direkt vom Hersteller des Fräsers bekommt, oder in Tabellen mit Richtwerten ablesen kann.
Der Zahnvorschub beeinflusst maßgeblich die Fertigungsqualität, die Zerspankraft und indirekt auch die Fertigungsdauer. Um zu verstehen was genau der Zahnvorschub aussagt, ergibt es Sinn erst mal den Vorschub f zu betrachten.
Der Vorschub beschreibt das Verhältnis der Vorschubgeschwindigkeit vf (Verfahrgeschwindigkeit der Maschinenachsen) zur Spindeldrehzahl n. Oder um es anders auszudrücken: Der Vorschub ist der Weg, den der Fräser pro Umdrehung in Vorschubrichtung zurücklegt.
Da sich der Fräser gleichzeitig um die eigene Achse dreht und in Vorschubrichtung relativ zum Werkstück bewegt, entsteht beim Umfangsfräsen, also bspw. an den Seitenwänden einer Tasche, keine perfekte glatte Fläche, sondern eine wellige Fläche. Die Abstände der “Wellenberge” werden auch als Messerschläge bezeichnet und sind ein Maß für die Oberflächenqualität, da sie umso tiefer und dadurch umso mehr sichtbar und fühlbar sind, je breiter sie sind (siehe Bild unten).
Bei einem Einzahnfräser entspricht der Abstand zweier Messerschläge (Wellenberge) dem Vorschub f. Und nun kommt der Zahnvorschub fz ins Spiel: Wenn wir uns als Beispiel einen Zweischneider anschauen, dann erzeugt dieser mit seinen zwei Schneiden pro Umdrehung nicht nur einen, sondern zwei Messerschläge. Der Abstand der Messerschläge ist dann nur halb so groß, sofern alle anderen Bedingungen gleich bleiben.
Der Zahnvorschub, der als Vorschub pro Zahn definiert ist, berücksichtigt diesen Einfluss der Zähnezahl z (Anzahl der Schneiden) auf die Breite der Messerschläge und ist daher eine sinnvollere Größe, um diesen Mechanismus zu beschreiben.
Dabei gilt, dass ein kleinerer Zahnvorschub zu einer besseren Oberflächenqualität führt, weil die flacheren Messerschläge eine geringere Oberflächenrauigkeit hervorrufen. Je kleiner der Zahnvorschub ist, desto glatter wird also die gefräste Oberfläche. Dabei gilt jedoch zu beachten, dass die Oberflächenqualität nicht ausschließlich vom Zahnvorschub abhängt, sondern auch durch weitere Faktoren beeinflusst wird. Bei der Holzzerspanung hat alleine schon die natürliche Struktur des Holzes in den meisten Fällen einen größeren Einfluss.
Das liegt auch daran, dass die beim hobbymäßigen Fräsen üblichen Zahnvorschübe bereits so gering sind, dass man die gefertigten Flächen praktisch immer als “feingeschlichtet” bezeichnen könnte. Dementsprechend sind die Messerschläge in der Praxis auch so gut wie nie sichtbar und fühlbar.
Abgesehen von der Qualität der gefertigten Oberflächen, beeinflusst der Zahnvorschub außerdem die Dicke der Späne. Aufgrund der Überlagerung der Rotation und der Vorschubbewegung des Fräsers, sind die Späne kommaförmig. Das heißt sie haben ein dickes Ende und ein dünnes Ende. Dabei entspricht die Spandicke am dickeren Ende dem Zahnvorschub fz.
Zum dünneren Ende hin nimmt die Spandicke kontinuierlich ab. Man kann also nicht behaupten, dass der Zahnvorschub der Spandicke entspricht, aber er hat dennoch einen linearen Einfluss auf die durchschnittliche Spandicke. Das bedeutet, wenn man den Zahnvorschub verdoppelt, dann verdoppelt sich auch die durchschnittliche Dicke der entstehenden Späne.
Dieser Zusammenhang ist deshalb so wichtig, weil die Spandicke einen bedeutenden Einfluss auf die Schnittkraft hat, welche wiederum den größten Anteil der Zerspankraft darstellt. Der Begriff “Zerspankraft” fasst alle Kräfte zusammen, die beim Fräsen wirken und setzt sich aus der Schnittkraft, der Vorschubkraft und noch einigen weiteren Komponenten zusammen.
Wir werden die Zerspankraft und ihre Komponenten hier nicht näher betrachten. Wichtig ist nur zu wissen, dass die Zerspankraft diejenige Kraft ist, die auf den Fräser - und somit letztlich auf die ganze Maschine - wirkt und elastische Verformungen bzw. Vibrationen hervorruft. In entgegengesetzter Richtung wirkt diese Kraft auch auf das Werkstück und beeinflusst so die erforderliche Spannkraft, damit das Werkstück nicht auf dem Maschinenbett verrutscht.
Zusammenfassend kann man also sagen, dass ein höherer Zahnvorschub zu einer höheren Zerspankraft führt, welche sich negativ auf die Fertigungsgenauigkeit und -qualität auswirken kann.
In ähnlicher Weise kann sich der Zahnvorschub auch auf die Standzeit des Fräsers auswirken. Wird der Zahnvorschub viel zu hoch angesetzt, kann es zum Bruch des Fräsers kommen. Wird der Zahnvorschub zu niedrig angesetzt, kann der Verschleiß ansteigen, weil der Fräser dann mehr an der Oberfläche des Werkstückes reibt.
Daher sollte der Zahnvorschub nicht zu weit von der Herstellerempfehlung oder üblichen Richtwerten abweichen. Jeder Fräser kann aber in einem gewissen Toleranzbereich betrieben werden, ohne dass der Fräser sofort stumpf wird oder bricht.
Indirekt hat der Zahnvorschub außerdem einen Einfluss auf die Fertigungsdauer. Wenn man bei konstanter Drehzahl den Zahnvorschub erhöht, dann muss sich entsprechend die Vorschubgeschwindigkeit erhöhen, sodass mehr Materialvolumen pro Zeit zerspant wird. In dem Fall reduziert sich also die Fertigungsdauer, allerdings mit dem Nachteil, dass sich die Zerspankraft durch die größere Spandicke erhöht. Auch die Oberflächenrauigkeit wird dadurch negativ beeinflusst, so wie es oben beschrieben wurde.
