Jeder Zerspanungsmechaniker, ob Hobbybastler oder erfahrener CNC-Programmierer, kennt diesen frustrierenden Moment. Sie bearbeiten ein schönes Stück Aluminium oder Stahl im Feinschliff. Die Oberfläche soll spiegelglatt sein, also verlassen Sie sich auf Ihr Gefühl: Wenn ich das Werkzeug einfach schneller drehen lasse, trägt es feiner ab und hinterlässt eine glattere Oberfläche. Sie drehen die Spindeldrehzahl auf 120 %, starten den Zyklus und warten auf das perfekte Ergebnis. Doch wenn Sie die Türen öffnen und das Kühlmittel abwischen, sieht die Oberfläche schrecklich aus. Sie ist trüb, verschmiert oder mit winzigen, unschönen Vibrationsspuren übersät. Was ist da gerade passiert? Die Physik hat Sie gerade dafür bestraft, dass Sie die wichtigste Balance in der Fertigung ignoriert haben. Willkommen auf der Wippe von Drehzahl und Vorschub. In der subtraktiven Fertigung ist schneller nicht immer besser. Wir erklären Ihnen, warum eine zu hohe Drehzahl die Oberflächengüte sogar beeinträchtigen kann und wie Sie die perfekte Balance finden.
Die Illusion feinerer Spanabnahmen Um zu verstehen, warum hohe Drehzahlen ein Werkstück ruinieren können, müssen wir uns ansehen, wie ein Schneidwerkzeug tatsächlich Material abträgt. Stellen Sie sich ein Schneidwerkzeug wie jemanden vor, der in einen Apfel beißt, anstatt mathematische Gleichungen zu verwenden. Die Drehzahl (Spindeldrehzahl) gibt an, wie viele Bissen pro Minute abgenommen werden. Der Vorschub beschreibt, wie schnell der Apfel in den Mund geschoben wird. Die Kombination dieser beiden Faktoren bestimmt die Größe des abgetragenen Spans bei jedem Schnitt. In der Zerspanung wird dieser Span als Spanabnahme (oder Vorschub pro Zahn) bezeichnet. Erhöht man die Drehzahl bei gleichbleibendem Vorschub, zwingt man das Werkzeug, auf derselben Strecke deutlich mehr Spanabnahmen vorzunehmen. Die Spanabnahme wird dadurch extrem gering. Intuitiv klingt ein dünnerer Span nach einer feineren Oberfläche. Doch Metall lässt sich nicht sanft bearbeiten, sondern gezielt schneiden. Grund 1: Das Reibungsphänomen Selbst die teuersten Vollhartmetall-Schaftfräser sind nicht unendlich scharf. Unter dem Mikroskop ist die Schneidespitze leicht abgerundet. Wird die Drehzahl so hoch eingestellt, dass die Spanabfuhr dünner als diese mikroskopisch kleine Abrundung wird, kann das Werkzeug nicht mehr ins Metall eindringen. Statt zu schneiden, reibt und gleitet die stumpfe Werkzeugunterseite heftig über die Werkstückoberfläche. Dieses Phänomen führt zu erheblichen Problemen mit der Oberflächengüte: Verschmieren: Das Metall wird plastisch verformt und verschmiert, anstatt sauber abgetragen zu werden. Das Ergebnis ist eine trübe, matte Oberfläche. Kaltverfestigung: Die intensive Reibung zerstört die Molekularstruktur des Metalls. Dadurch wird die Oberfläche härter und spröder, was den nächsten Bearbeitungsgang beeinträchtigt. Grund 2: Aufbauschneiden und Wärmefalle Wenn ein Werkzeug reibt statt schneidet, entsteht enorme Reibung. Reibung erzeugt Wärme. Normalerweise absorbiert ein dicker Span, den ein Werkzeug abnimmt, die Wärme und transportiert sie vom Werkstück weg, während er in die Maschinenkabine fliegt. Beim Reiben hingegen gibt es keinen Span, der die Wärme abführen kann. Die Wärme dringt direkt in das Werkzeug und das Werkstück ein. Bei der Bearbeitung zähflüssiger Materialien wie Aluminium oder kohlenstoffarmem Stahl führt diese extreme Hitze dazu, dass das Metall förmlich schmilzt und sich an die Schneide des Werkzeugs anlagert. Dies nennt man Aufbauschneiden. Sobald sich ein Aufbauschneiden gebildet hat, wird das Metall nicht mehr mit einem scharfen Hartmetallwerkzeug geschnitten. Es wird mit einem geschmolzenen, scharfkantigen Aluminiumklumpen bearbeitet. Das Ergebnis ist eine stark beschädigte, rissige und ausgefranste Oberfläche. Grund 3: Resonanzfrequenz (Rattern) Manchmal wird eine schlechte Oberflächengüte nicht durch Hitze oder Reibung verursacht, sondern durch Schall. Jedes physikalische Objekt im Universum hat eine natürliche Resonanzfrequenz – so auch Ihre CNC-Maschine, Ihr Werkzeughalter und Ihr Schaftfräser. Wenn Sie die Spindeldrehzahl erhöhen, ändern Sie die Frequenz, mit der die Schneiden des Werkzeugs auf das Metall treffen. Wenn Sie die Drehzahl willkürlich erhöhen, treffen Sie möglicherweise versehentlich genau die Resonanzfrequenz Ihrer Werkzeugkonfiguration. In diesem Fall beginnt das Werkzeug heftig zu vibrieren. Dies wird als Rattern bezeichnet. Rattern hinterlässt deutlich sichtbare, rhythmische diagonale Linien oder „Wellen“ auf der Oberfläche Ihres Werkstücks. Ironischerweise lässt sich Rattern oft am schnellsten beheben, indem man die Drehzahl verringert, um die harmonische Resonanz zu unterbrechen, oder den Vorschub erhöht, um mehr Druck auf das Werkzeug auszuüben und es zu stabilisieren. Wie man die Wippe ausbalanciert Eine spiegelglatte Oberfläche zu erzielen, bedeutet nicht, die Maschine bis an ihre Grenzen zu bringen; Es geht darum, im optimalen Bereich zu bleiben, in dem das Werkzeug genau das tut, wofür es entwickelt wurde. So gehen Sie beim Wippen vor: Bearbeitungsvorgang – Physikalisches Ergebnis – Auswirkung auf die Oberflächengüte
Hohe Drehzahl + geringer Vorschub: Werkzeug reibt, erzeugt extreme Hitze und schmilzt Material. Trübe, verschmierte, rissige (Anriss-) oder Rattermarken.
Niedrige Drehzahl + hoher Vorschub: Werkzeug nimmt große Materialmengen auf, Bruchgefahr. Deutliche treppenförmige Bearbeitungsspuren, raue Oberfläche.
Ausgewogene Drehzahl und Vorschub: Werkzeug trennt sauber, Späne führen Wärme ab. Glatte, gleichmäßige, glänzende Oberfläche. Profi-Tipp: Beginnen Sie immer mit den vom Werkzeughersteller empfohlenen Schnittdaten. Diese haben Millionen von Euro investiert, um genau zu testen, wie viel Material ihr jeweiliges Werkzeug aufnehmen muss, um sauber und reibungsfrei zu schneiden. Wenn Sie Ihre Zykluszeit durch Erhöhen der Drehzahl verkürzen möchten, müssen Sie auch den Vorschub erhöhen, um das Wippen optimal auszubalancieren. Fazit Die spanende Bearbeitung ist ein anspruchsvolles Umfeld, in dem Intuition oft trügt. Wenn Sie das nächste Mal in Versuchung geraten, die Spindeldrehzahl zu erhöhen, um ein glänzenderes Werkstück zu erhalten, denken Sie an die Wippe. Geben Sie dem Werkzeug genügend Material, damit es sich gut einarbeiten kann, und lassen Sie die Physik einer sauberen Scherbewegung die Arbeit erledigen. Besuchen Sie bitte die Webseiten „Über uns“ und „Bearbeitete Teile“.