CNC Schnittdaten verstehen - Teil 3 - Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit
Du befindest dich in Teil 3 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
Die Drehzahl der Spindel n und die Vorschubgeschwindigkeit vf sind diejenigen Parameter, die man letztlich bei der CNC-Programmierung angeben muss und die auch im G-Code auftauchen. Sie werden so gewählt, dass der Zahnvorschub dem Wert entspricht, den man entweder vom Hersteller des Fräsers bekommen, oder in einer Tabelle abgelesen hat. Der Zahnvorschub gibt allerdings nur das Verhältnis der beiden Parameter an, sodass uns eine weitere Angabe fehlt, um die absoluten Werte zu berechnen.
An dieser Stelle kommt die Schnittgeschwindigkeit vc ins Spiel. Die Schnittgeschwindigkeit ist ein weiterer Tabellenwert und entspricht der Umfangsgeschwindigkeit der Schneide des Fräsers. Sie ist umso höher, je höher die Drehzahl ist. Bei gleicher Drehzahl ist die Schnittgeschwindigkeit außerdem umso höher, je größer der Fräserdurchmesser D ist, da die Schneide pro Umdrehung eine größere Wegstrecke zurücklegt. Wenn die Schnittgeschwindigkeit bekannt ist, kann die Drehzahl mit folgender Formel berechnet werden.
Abschließend kann dann auch die Vorschubgeschwindigkeit aus dem Zahnvorschub, der Drehzahl, sowie der Zähnezahl des Fräsers ermittelt werden.
Aber welche Bedeutung haben diese Parameter für den Zerspanungsprozess? Wie gesagt ist ihr Verhältnis wichtig, um den Zahnvorschub einzustellen und darüber die Spangeometrie zu steuern.
Abgesehen davon, ist die Vorschubgeschwindigkeit lediglich ein Maß dafür, wie schnell gefräst wird und beeinflusst somit die Fertigungsdauer.
Bei der Drehzahl lohnt es sich etwas genauer hinzuschauen, da sie die Schnittgeschwindigkeit bestimmt. Diese hat allerdings nur einen geringen Einfluss auf die Qualität der gefertigten Oberflächen, sodass wir das nicht weiter betrachten werden. Anders als man es intuitiv erwarten würde, hat die Schnittgeschwindigkeit außerdem kaum einen direkten Einfluss auf die Zerspankraft. Solange der Zahnvorschub gleichbleibt, wird sich die Zerspankraft deshalb nur unwesentlich ändern, egal wie hoch oder niedrig die Drehzahl ist.
Der Verschleiß des Fräsers ist allerdings ein Faktor, der in einem relevanten Maße durch die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst wird. So kann sich eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit negativ auf die Standzeit des Fräsers auswirken. Das bedeutet allerdings nicht, dass man die empfohlenen Schnittgeschwindigkeiten der Fräser durch Reduzieren der Drehzahl unterbieten sollte, um die Fräser zu schonen. Die Fertigungsdauer würde sich dadurch unnötig verlängern.
Nur bei kleinen Fräsern muss die Schnittgeschwindigkeit oft zwangsweise reduziert werden. Denn um die empfohlene Schnittgeschwindigkeit zu erreichen, muss die Drehzahl gemäß der obigen Formel umso höher sein, je kleiner der Durchmesser des Fräsers ist. Bei kleinen Fräserdurchmessern ergeben sich oftmals sehr hohe Drehzahlen, welche die meisten Frässpindeln gar nicht leisten können.
Das ist nicht unbedingt ein Problem, denn in dem Fall wird einfach die maximale Drehzahl der Spindel angesetzt und die niedrigere Schnittgeschwindigkeit akzeptiert. Allerdings hat das indirekt einen negativen Einfluss auf die Fertigungsdauer, weil wir den optimalen Zahnvorschub beibehalten wollen und demnach die Vorschubgeschwindigkeit um den gleichen Prozentsatz wie die Drehzahl reduzieren müssen.
Nehmen wir beispielsweise mal an, die Berechnungen ergeben eine Drehzahl von 48.000 U/min und eine Vorschubgeschwindigkeit von 1.500 mm/min, die maximale Spindeldrehzahl beträgt aber nur 24.000 U/min. Dann sollte die Vorschubgeschwindigkeit auf 750 mm/min reduziert werden und in der Folge verdoppelt sich die Fertigungsdauer.
Abschließend schauen wir uns noch an, wie man durch Variation der Drehzahl und der Vorschubgeschwindigkeit den Zerspanungsprozess beeinflussen kann und ob solche Maßnahmen sinnvoll sind oder nicht. Als erstes Beispiel nehmen wir an, dass wir die Drehzahl erhöhen und die Vorschubgeschwindigkeit um den gleichen Prozentsatz anheben. Da der Zahnvorschub und somit auch die Spangeometrie gleichbleiben, ist das ein legitimer Ansatz, um schneller fräsen zu können. Der Preis, den man dafür zahlen muss, ist der höhere Verschleiß, der sich aus der höheren Drehzahl ergibt.
Das genaue Gegenteil dieser Vorgehensweise wäre es, die Vorschubgeschwindigkeit und die Drehzahl um den gleichen Prozentsatz zu reduzieren. Man könnte denken, dass auf diese Weise “behutsamer” gefräst werden kann. Da die Spangeometrie aber gleichbleibt und die Zerspankraft nicht, oder höchstens unwesentlich reduziert wird, ist das ein Trugschluss. Stattdessen wird einfach nur langsamer gefräst, ohne einen Vorteil daraus zu ziehen. Höchstens der Verschleiß des Fräsers kann so möglicherweise leicht reduziert werden.
Eine weitere und durchaus sinnvolle Möglichkeit ist die Erhöhung der Zähnezahl. Wenn ein Fräser mit mehr Schneiden verwendet wird, kann - beim gleichen Zahnvorschub - schneller gefräst werden, ohne dass die Drehzahl erhöht werden muss. Mit einem Zweischneider kann also bei gleicher Drehzahl theoretisch doppelt so schnell gefräst werden wie mit einem Einschneider. Das gilt allerdings nur, wenn für beide Fräser der gleiche Zahnvorschub angenommen wird, was nicht immer der Fall sein muss. Außerdem kann die Spanabfuhr durch die höhere Anzahl an Schneiden etwas schlechter sein.
Ein letztes Konzept ist in der Praxis gar nicht unüblich, aus Erfahrung aber nicht hilfreich. Viele Anwender reduzieren beim Schlichten den Zahnvorschub, indem bei gleicher Drehzahl die Vorschubgeschwindigkeit reduziert wird. Wenn beim Schruppgang ein sehr hoher Zahnvorschub angesetzt wurde, mag das sinnvoll sein, allerdings sind die üblichen Zahnvorschübe wie bereits erwähnt sowieso auf einem Niveau, dass man eigentlich immer von "Schlichten" sprechen kann. Von daher wird sich die Oberflächenqualität dadurch in den meisten Fällen nicht merklich bessern. Darüber hinaus kann die Maßnahme sogar kontraproduktiv sein, da die Reibungsanteile beim Fräsen ansteigen und somit auch der Verschleiß am Fräser ansteigt.
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