Schnittdaten: was zwischen Katalogwert und Maschine passiert
Die beiden Formeln, um die es geht
Schnittgeschwindigkeit und Vorschub pro Zahn kommen aus dem Werkzeugkatalog. Was die Maschine braucht, ist Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit. Dazwischen liegen zwei Umrechnungen.
n = vc · 1000 / (π · d) Drehzahl [min⁻¹]
vf = n · fz · z Vorschub beim Fräsen [mm/min]
vf = n · f Vorschub beim Drehen [mm/min]
Ein Beispiel, das den ganzen Beitrag trägt: Schaftfräser Ø 12 mm mit vier Schneiden, beschichtetes Hartmetall, Werkstoff S235. Der Katalog nennt vc = 180 m/min und fz = 0,05 mm.
n = 180 · 1000 / (π · 12) = 4775 min⁻¹
vf = 4775 · 0,05 · 4 = 955 mm/min
Damit könnte man losfahren. Bei einer Nut in voller Breite wäre das auch richtig. Bei einer Schlichtbahn mit 1,2 mm seitlicher Zustellung ist es ein Fehler, der Werkzeuge kostet.
Spanungsdickenkorrektur: der Vorschub, der zu klein ist
Der Vorschub pro Zahn ist nicht die Spandicke. Er ist der Weg, den das Werkzeug pro Schneide vorrückt. Wie dick der Span tatsächlich wird, hängt davon ab, wie weit die Schneide in den Werkstoff eintaucht.
Bei voller Nutbreite entspricht die maximale Spandicke ungefähr dem Zahnvorschub. Fräst man nur mit einem Zehntel des Durchmessers seitlich zu, streift die Schneide den Werkstoff in einem flachen Bogen und nimmt viel weniger mit. Die Späne werden dünn, die Schneide reibt statt zu schneiden, und die Wärme geht ins Werkzeug statt in den Span.
fz,korr = fz / √( 1 − (1 − 2·ae/d)² )
Beispiel: ae = 1,2 mm bei d = 12 mm → ae/d = 0,1
fz,korr = 0,05 / √(1 − 0,8²) = 0,05 / 0,6 = 0,083 mm
vf = 4775 · 0,083 · 4 = 1585 mm/min
Der Vorschub muss also um zwei Drittel steigen, nicht sinken. Das widerspricht dem Gefühl, weil weniger Eingriff nach vorsichtigerem Fahren aussieht. Genau deshalb ist es einer der häufigsten Gründe für Werkzeugversagen beim Schlichten.
Bei sehr kleinen Zustellungen wird die Korrektur groß. Bei ae/d = 0,03 liegt der Faktor bereits über 2,9. Dann greift eine zweite Grenze: der Vorschub darf die Schneidengeometrie und den Rundlauf nicht überfordern. Übliche Praxis ist, den korrigierten Wert zu nehmen und bei ae/d unter 0,05 den Faktor zu begrenzen.
Was der Katalogwert stillschweigend voraussetzt
Jede Schnittwertempfehlung gilt für Bedingungen, die selten dabeistehen. In der Regel sind das: kurze Auskragung, steife Aufspannung, ausreichende Kühlung, ein Werkzeug in gutem Zustand und ein Werkstoff, der dem Datenblatt entspricht.
Auskragung
Die Durchbiegung eines Werkzeugs wächst mit der dritten Potenz der freien Länge. Doppelte Auskragung heißt achtfache Auslenkung bei gleicher Kraft. Ein Fräser, der bei 30 mm Auskragung sauber schneidet, rattert bei 60 mm und hinterlässt Rattermarken, die kein Schlichtgang mehr wegnimmt. Praktisch heißt das: erst die kürzeste mögliche Aufspannung suchen, dann die Schnittwerte.
Kühlung und Spanabfuhr
Beim Fräsen von Aluminium ist die Spanabfuhr oft die eigentliche Grenze, nicht die Schnittgeschwindigkeit. Ein Span, der in der Nut liegen bleibt, wird ein zweites Mal geschnitten und schweißt an der Schneide fest. Bei Edelstahl ist es umgekehrt die Wärme: das Material leitet schlecht, die Hitze bleibt in der Schneidzone. Dort hilft mehr Vorschub, nicht weniger, weil die Wärme mit dem Span abgeführt werden muss.
Maschinenleistung
Bei größeren Zustellungen wird die Spindelleistung zur Grenze. Die Abschätzung ist einfach genug für den Kopf:
P = Q · kc / 60000
Q Zeitspanvolumen [cm³/min] = ap · ae · vf / 1000
kc spezifische Schnittkraft [N/mm²], Stahl rund 2000
Für das Beispiel oben mit ap = 12 mm ergibt sich Q = 22,9 cm³/min und daraus etwa 0,76 kW. Das schafft jede Fräsmaschine. Bei einer 20 mm breiten Schruppnut mit 40 mm Zustellung sieht die Rechnung anders aus, und dann entscheidet die Spindel und nicht der Katalog.
Standzeit: warum Schnittgeschwindigkeit teurer ist als Vorschub
Zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit besteht ein Zusammenhang, den Frederick Taylor schon 1907 beschrieben hat und der bis heute trägt.
vc · T^n = C
T Standzeit [min]
n Werkstoffkennwert, für beschichtetes Hartmetall rund 0,25
Mit n = 0,25 bedeutet eine Verdopplung der Schnittgeschwindigkeit eine Standzeit von einem Sechzehntel. Wer also die Drehzahl hochdreht, um zehn Prozent Zeit zu sparen, zahlt das mit deutlich mehr Werkzeugwechseln.
Der Vorschub verhält sich gutmütiger. Er geht mit einem viel kleineren Exponenten in die Standzeit ein. Deshalb lautet die Reihenfolge beim Optimieren fast immer: erst den Vorschub ausreizen, dann die Zustellung, und erst zum Schluss die Schnittgeschwindigkeit anfassen.
| Werkstoff | vc in m/min | fz bei Ø 12 mm |
|---|---|---|
| Aluminium, unlegiert bis AlSi | 400 … 1000 | 0,06 … 0,12 mm |
| Baustahl S235, S355 | 150 … 250 | 0,05 … 0,09 mm |
| Vergütungsstahl 42CrMo4 | 100 … 160 | 0,04 … 0,08 mm |
| Grauguss EN-GJL-250 | 120 … 200 | 0,05 … 0,10 mm |
| Edelstahl 1.4301 | 80 … 120 | 0,04 … 0,07 mm |
| Titan Ti-6Al-4V | 30 … 60 | 0,03 … 0,06 mm |
Richtwerte für beschichtetes Vollhartmetall beim Fräsen. Der Werkzeughersteller kennt sein Produkt besser als jede allgemeine Tabelle, deshalb schlägt sein Datenblatt diese Werte immer.
Die Drehzahlgrenze, an die kleine Werkzeuge stoßen
Bei kleinen Durchmessern kippt die Rechnung. Ein Fräser mit Ø 2 mm bräuchte für vc = 300 m/min eine Drehzahl von knapp 48 000 min⁻¹. Die wenigsten Maschinen schaffen das. Bei 12 000 min⁻¹ Maximaldrehzahl bleibt eine tatsächliche Schnittgeschwindigkeit von 75 m/min übrig.
Das ist kein Rechenfehler, sondern eine physikalische Grenze der Maschine. Man sollte sie nur kennen, statt sich zu wundern, warum das kleine Werkzeug schlechte Oberflächen liefert. Wer regelmäßig unter Ø 3 mm arbeitet, braucht eine Hochfrequenzspindel oder muss die Erwartung an Oberfläche und Standzeit anpassen.
Umgekehrt gilt: bei großen Fräsköpfen ist die Drehzahl nie das Problem, dort begrenzt die Leistung. Zwischen diesen beiden Enden liegt der Bereich, in dem die Katalogwerte tatsächlich stimmen.
Häufige Fragen
Gleichlauf oder Gegenlauf?
Auf einer spielfreien CNC-Maschine grundsätzlich Gleichlauf. Die Schneide taucht mit voller Spandicke ein und läuft dünn aus, was die Standzeit verlängert und die Oberfläche verbessert. Gegenlauf ist nur auf konventionellen Maschinen mit Spiel in der Vorschubspindel sinnvoll, weil dort Gleichlauf das Werkstück in den Fräser ziehen kann.
Warum steht in Katalogen manchmal fz und manchmal hm?
hm ist die mittlere Spanungsdicke und damit die physikalisch maßgebliche Größe. fz ist der Wert, den die Maschine braucht. Nennt ein Katalog hm, muss man selbst auf fz umrechnen, und dabei geht die Eingriffsbreite ein. Genau diese Umrechnung ist die Spanungsdickenkorrektur.
Wie erkennt man, dass die Schnittwerte nicht passen?
An der Farbe der Späne und am Geräusch. Blaue Späne beim Stahlfräsen heißen zu viel Wärme im Span, was bei ausreichender Kühlung noch akzeptabel sein kann. Silbrige, staubfeine Späne und ein pfeifendes Geräusch heißen zu wenig Spandicke, das Werkzeug reibt. Ein tiefes, unregelmäßiges Brummen ist Rattern, und dann stimmt meist die Auskragung nicht.
Lohnt sich trochoidales Fräsen?
Bei tiefen Nuten in zähen Werkstoffen deutlich. Statt mit voller Breite und kleiner Tiefe fährt man mit kleiner Breite und voller Tiefe auf Kreisbahnen. Der Eingriffswinkel bleibt konstant klein, die Wärme verteilt sich auf die ganze Schneidenlänge, und die Standzeit steigt erheblich. Der Vorschub muss dabei nach der Spanungsdickenkorrektur deutlich erhöht werden, sonst kehrt sich der Vorteil um.