Europe 
Türkiye 
United Kingdom 
Global 
Anmeldung mit meinem Xometry-Konto 
Die Lösung ist kein besserer Bohrer. Sie ist hingegen das Verständnis darüber, wie die Schnittgeschwindigkeit und der Vorschub zusammenarbeiten, und warum die Optimierung des einen ohne den anderen genau den genannten Fehler verursacht.
Was sind Schnittgeschwindigkeit und Vorschub überhaupt?
Die Schnittgeschwindigkeit ist die relative Geschwindigkeit zwischen der Schnittkante und der Oberfläche des Werkstücks am Schnittpunkt, gemessen in Metern pro Minute (m/min) oder Oberflächenfuß pro Minute (SFM). Beim Drehen ist es die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Werkstücks. Beim Fräsen ist es hingegen die Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeugs, definiert durch die Drehzahl der Spindel und den Radius des Fräsers.
Die Vorschubrate ist dabei die Distanz, die das Werkzeug in Relation zum Werkstück pro Zeiteinheit zurücklegt. Diese wird in Millimetern pro Minute (mm/min) oder Inch pro Minute (IPM) gemessen. Man betrachtet sie auch als Vorschub pro Umdrehung (mm/U) beim Drehen und Bohren oder Vorschub pro Zahn (mm/Zahn, auch Spanlast genannt) beim Fräsen.
Auswirkungen von Schnittgeschwindigkeit und Vorschubrate
Verschiedene Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubraten beeinflussen die Oberflächenrauhigkeit, die Lebensdauer der Werkzeuge, die Schnitttemperatur, die Materialabtragsrate, den Stromverbrauch, die Spanbildung, die Vibration, die Maßhaltigkeit und die entstehenden Schnittkräfte. Die optimalen Werte dafür zu finden, bedeutet, die Produktivität, Bearbeitungskosten und die Qualität der Teile abzuwägen.
Geringere Vorschubraten verbessern die Oberflächengüte und erlauben das Einhalten engerer Toleranzen
durch die Verringerung von Vorschubspuren und der Schnittkräfte. Eine niedrigere Schnittgeschwindigkeit verringert die Wärmeentwicklung und verlängert damit die Standzeit. Geschwindigkeiten, die hingegen zu weit unter dem empfohlenen Bereich liegen, können zu sogenannten Aufbauschneiden (BUE) führen, bei deren Entstehung das Werkstückmaterial an der Schneide haften bleibt und somit die Qualität der entstehenden Oberfläche vermindert.
Die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit und der Vorschubrate vermindert die Vibration und Abnutzung des Werkzeugs, auf Kosten der Produktionseffizienz. Erhöht man sie hingegen, wird Material schneller entfernt, es besteht jedoch das Risiko von thermischen Schäden, übermäßiger Kraftentwicklung und Oberflächenrauhigkeiten. Ein Maschinenbediener erhöht in der Regel die Geschwindigkeit innerhalb der empfohlenen Bereiche, bis die Grenze des Werkzeugverschleißes oder der Qualität erreicht ist.
Vergleich von Schnittgeschwindigkeit vs. Vorschubrate
| Merkmal | Schnittgeschwindigkeit | Vorschubrate |
| Was ist es? | Relative Geschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück | Verhältnis, in dem sich das Werkzeug am Werkstück entlang bewegt |
| Primärer Entscheidungsfaktor | Härte des Werkstücks und sein Material | Festigkeit des Werkzeugs, gewünschte Oberflächengüte und Maschinensteifigkeit |
| Auswirkung auf die Produktivität | Schnellere Zykluszeiten | Höhere Abtragsleistung |
| Beeinflusst primär | Standzeit und Wärmeentwicklung | Abtragsleistung und Oberflächengüte |
| Auswirkung auf das Finish | Höhere Geschwindigkeiten verringern BUEs und verbessern die Oberflächengüte | Geringe Vorschubraten vermindern Vorschubspuren und verbessern die Oberflächengüte |
| Messwert | m/min oder SFM | mm/min, IPM oder Vorschub pro Zahn oder Umdrehung |
| Überhöhte Werte verursachen | Werkzeugverschleiß und thermische Schäden | Hohe Schnittkräfte und Werkzeugbruch |
| Zu niedrige Werte verursachen | Geringe Effizienz, Verhärtung des Werkstücks durch Reibung | Abstumpfen des Werkzeugs, Bildung von BUEs, Kaltverfestigung |
Zeichen extremer Parameter
| Symptom auf Teil oder Werkzeug | Vermutliche Ursache | Korrigierende Anpassung |
| Glänzender, brünierter Flankenverschleiß | Schnittgeschwindigkeit zu gering, Werkzeug reibt (statt zu schneiden) | Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit in Richtung des empfohlenen Bereichs |
| Blaue oder verfärbte Späne | Schnittgeschwindigkeit zu hoch, übermäßige Hitze | Verringerung der Schnittgeschwindigkeit oder Erhöhung des Kühlmittelflusses |
| Tiefe, sichtbare Einzugs-/Vorschubspuren | Vorschubrate zu hoch für die gewünschte Oberflächengüte | Beim Finish den Vorschub reduzieren |
| Werkzeugbruch am Eingang | Vorschubrate zu hoch für die Spanabfuhr | Verringerung der Vorschubrate, Tieflochbohrzyklus beim Bohren überprüfen |
| Aufbauschneide an Schnittflächen | Geschwindigkeit oder Vorschub zu gering für das Material | Beide erhöhen in Richtung des durch den Hersteller empfohlenen Bereichs |
Einflussfaktoren der Schnittgeschwindigkeit
Vier Hauptfaktoren beeinflussen die Schnittgeschwindigkeit: Material des Schneidwerkzeugs, Härte des Werkstücks, voraussichtliche Werkzeuglebensdauer und die Tiefe des Schnittes.
Material des Schneidwerkzeugs
Das Material des Schneidwerkzeugs beeinflusst die zulässige Schnittgeschwindigkeit sehr stark, da unterschiedliche Materialien eine unterschiedliche Härte, Warmhärte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität aufweisen. Ein Material, das seine Härte auch bei höheren Temperaturen aufrechterhalten kann, kann ohne schnellen Verschleiß oder ein Versagen auch bei höheren Geschwindigkeiten eingesetzt werden.
| Werkzeugmaterial | Auswirkung auf Schnittgeschwindigkeit | Anwendungsgebiet |
| Schnellarbeitsstahl (HSS) | Begrenzt auf geringe Geschwindigkeiten durch geringe Warmhärte (bis zu 30 m/min) | Kleinserien, manuelle maschinelle Bearbeitung, Bohren, Gewindeschneiden |
| Hartmetall | Höhere Warmhärte und Verschleißfestigkeit erlauben höhere Geschwindigkeiten (60 bis 300 m/min) | Allzweckfräsen, ‑drehen und -bohren |
| Polykristalliner Diamant (PKD) | Überlegene Härte und Verschleißfestigkeit, extrem hohe Geschwindigkeiten (200 bis 1.200 m/min) | Nichteisenwerkstoffe: Aluminium, Graphit, Verbundwerkstoffe |
| Kubisches Bornitrid (CBN) | Extrem hohe Warmhärte und thermische Stabilität (100 bis 400 m/min) | Gehärtete Eisenwerkstoffe und gehärtete Legierungen |
| Keramik | Hochtemperaturbeständig bis zu 1.200 °C, ermöglicht sehr hohe Geschwindigkeiten (300 bis 1.200 m/min) | Hochgeschwindigkeitsveredelung von Superlegierungen |
Härte des Werkstücks
Wenn mit einem Werkzeug aus dem gleichen Material Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien geschnitten werden, muss die Schnittgeschwindigkeit angepasst werden, um ein Werkzeugversagen zu verhindern. Härtere Werkstücke erfordern dabei geringere Geschwindigkeiten, während weichere Materialien schneller geschnitten werden sollten. Weichstahl bearbeitet man recht bequem bei hohen Geschwindigkeiten, während gehärtete Stähle eine starke Verminderung der Geschwindigkeit erfordern, insbesondere dann, wenn sie mit herkömmlichem Hartmetall geschnitten werden.
Der Wechsel zu einem verschleißfesteren Werkzeug, wie aus Keramik oder CBN, kann einen Teil dieser verlorenen Geschwindigkeit wieder einholen, und damit die Produktivität wiederherstellen. Die passende Geschwindigkeit ergibt sich aus dem Vergleich der Auswirkung auf die Werkzeuglebensdauer, die Produktivität, die Oberflächengüte und die ökonomische Machbarkeit.
Erwartete Werkzeuglebensdauer bzw. Standzeit
Die Schnittgeschwindigkeit und Werkzeuglebensdauer stehen in einer umgekehrt proportionalen Beziehung zueinander, wie sie in Taylors Gleichung zur Werkzeuglebensdauer abgebildet wird:
V × Tⁿ = C
| Symbol | Variable | Beschreibung |
| V | Schnittgeschwindigkeit | Die gewählte Betriebsgeschwindigkeit |
| T | Werkzeuglebensdauer | Zeit bis zum Werkzeugversagen bei Geschwindigkeit V |
| n | Standzeitexponent | Abhängig von der Paarung Werkzeug/Werkstück |
| C | Konstante | Festgelegt für jede Kombination aus Werkzeug/Werkstück |
Selbst moderate Steigerungen in der Schnittgeschwindigkeit verringern die Werkzeuglebensdauer signifikant, was durch die übermäßige Hitze und Abnutzung verursacht wird. So gilt zum Beispiel bei einem Paar aus Hartmetallwerkzeug/legiertem Stahl, dass das Anheben der Geschwindigkeit von 100 auf 130 m/min (eine 30%ige Steigerung) die Lebensdauer von 150 Minuten auf nur 52 Minuten verringert.
Der Maschinenbediener muss diese Kompromisse abwägen. Geringere Geschwindigkeiten priorisieren eine längere Werkzeuglebensdauer beim Schruppen oder dem Einsatz teurer Werkzeuge, während die höheren Geschwindigkeiten die Produktivität in der Massenproduktion steigern, solange die Werkzeugstandzeit nur wirtschaftlich bleibt.
Schnitttiefe
Die Schnitttiefe skaliert ungefähr linear mit der Schnittlast. Eine tiefere Schnitttiefe erzeugt mehr Hitze und schnelleren Werkzeugverschleiß, weshalb sie in der Regel mit einer geringeren Schnittgeschwindigkeit einhergeht. Der Kompromiss favorisiert jedoch immer noch die Produktivität, da weniger Durchgänge erforderlich sind, um die finalen Abmessungen zu erreichen.
Das Zusammenspiel von Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe bestimmt die gesamte Schnittlast, weshalb ein langer und tiefer Schnitt in Verbindung mit einer hohen Vorschubrate eine signifikante Absenkung der Schnittgeschwindigkeit bedeutet, die ein Überhitzen und Werkzeugversagen verhindert.
Faktoren mit Einfluss auf die Vorschubgeschwindigkeit
Die Vorschubgeschwindigkeit ist ebenfalls sehr variabel, und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Viele dieser Faktoren werden durch die Werkzeughersteller bereits berücksichtigt, wenn sie die empfohlenen Vorschubgeschwindigkeiten ihrer Werkzeuge definieren. Einige davon sind:
- Material von Werkzeug und Werkstück
- Werkzeuggeometrie
- Anforderungen an die Oberflächengüte
- Schnittbreite
Material von Werkzeug und Werkstück
Härtere Werkstücke erzeugen höhere Schnittkräfte und benötigen niedrigere Vorschubraten, um das Werkzeug zu schützen. Gehärtete Stähle laufen bei geringen Vorschubgeschwindigkeiten, Aluminium hingegen toleriert höhere Vorschubgeschwindigkeiten, da es weicher ist, während sich duktilere Materialien in einem mittleren Bereich bewegen, um die Bildung von Aufbauschneiden zu vermeiden.
Werkzeuggeometrie
Spanwinkel, Nasenradius, Kantenstärke, Spannutendesign, Drallwinkel und Freiwinkel beeinflussen alle die Schnittkräfte und die Spanabfuhr, womit sie ebenfalls die Vorschubgeschwindigkeit beeinflussen, die das jeweilige Werkzeug aushalten kann.
Anforderungen an die Oberflächengüte
Eine glattere Oberflächengüte erfordert eine geringere Vorschubgeschwindigkeit. Höhere Vorschubgeschwindigkeiten erhöhen in der Regel die Oberflächenrauhigkeit und hinterlassen tiefere Vorschubspuren.
Schnittbreite
Die Schnittbreite, die beim Fräsen auch die radiale Schnitttiefe oder Schrittweite genannt wird, legt fest, wie viel des Werkzeugs in das Werkstück eingreift. Eine größere radiale Schnitttiefe erhöht die Schnittkräfte, Hitze und Last auf der Spindel, weshalb eine größere Schnittbreite mit einer geringeren Vorschubrate kombiniert wird, um die Maschine stabil zu halten.
Wie Schnittgeschwindigkeit und Vorschubrate wechselwirken
Die Schnittgeschwindigkeit und Vorschubrate hängen von ähnlichen Faktoren ab, und können deswegen nicht unabhängig voneinander optimiert werden. Beide bestimmen die Schnittkräfte, Wärmeansammlung, Maschinenstabilität, Spanbildung und Werkzeugverschleiß. Selbst wenn jeder Parameter für sich gesehen akzeptabel wirkt, so kann eine zu aggressive Kombination das Werkzeug oder gar die Maschine überlasten.
| Kombination | Am besten für | Nachteil |
| Hohe Geschwindigkeit, Hoher Vorschub | Massenproduktion, Schnelle Zykluszeiten | Hohe Kräfte und viel Hitze; braucht harte Werkzeuge, Schmierung und eine starre Einspannung des Werkstücks |
| Hohe Geschwindigkeit, Geringer Vorschub | Schlichtdurchgänge, glatte Oberflächen, hohe Genauigkeiten | Geringer Vorschub kann das Reiben des Werkzeugs (Kaltverformung) und ein Abstumpfen des Werkzeugs verursachen |
| Geringe Geschwindigkeit, Hoher Vorschub | Schruppen zäher Materialien, begrenzte Wärmeentwicklung | Minderwertige Oberflächengüte, hohe Schnittkräfte |
| Geringe Geschwindigkeit, Geringer Vorschub | Verschleißfeste oder empfindliche Materialien, ratteranfällige Aufbauten | Geringer Materialabtrag, lange Zykluszeiten |
Optimierung der Bearbeitungsgeschwindigkeit
Die Maximierung von Geschwindigkeit und Vorschub reduziert zwar die Zykluszeit, erhöht aber auch das Risiko für eine Erhöhung des Werkzeugverschleißes, der Hitzeeinwirkung und der Kosten. Der Maschinenbediener sucht mit den folgenden Methoden nach Kompromissen:
| Methode | Was sie bietet | Am besten für |
| Schnittdaten des Herstellers | Grundlegende Richtwerte für Geschwindigkeit, Vorschub, Spanlast, Schnitttiefe und Kühlmittel je nach Werkzeug und Material | Anfängliche Anpassung der Parameter vor dem Schneidvorgang |
| Empfehlungen durch CAM-Software | Vorschläge für den Vorschub, Geschwindigkeiten, den Werkzeugweg und die Tiefe des Schnitts auf Grundlage des Materials und der Geometrie, sowie Kollisions- und Zykluszeitsimulationen. | Programmierung komplexer Teile und Aufträge mit mehreren Werkzeugen |
| Testdurchläufe | Validierung der Daten von Herstellern und CAM gegenüber realen Werkstückeinspannungs-, Steifigkeits- und Kühlmittelbedingungen | Bestätigung der Spanlast, Vibration und des Finishs vor der Produktion |
| Überwachung des Werkzeugverschleißes | Direktes Feedback zum Flankenverschleiß, Kraterverschleiß, Absplitterung und thermisch bedingter Rissbildung | Andauernde Verbesserung während der Produktion |
Die Schnittdaten der Hersteller basieren auf standardisierten Diagrammen auf Grundlage des Werkzeugmaterials, der Geometrie, des Werkstückmaterials, der Beschichtung und der Bedienung.
CAM-Software wie Mastercam, Fusion 360 und Esprit baut darauf mit der Simulation der Werkzeugeingriffe und der Zykluszeiten auf.
Versuchsweise Durchläufe erfassen das, was die Simulation übersehen hat, wie zum Beispiel eine instabile Werkstückeinspannung oder eine unzureichende Steifigkeit, wobei jede Abweichung durch eine Anpassung von Geschwindigkeit und Vorschub korrigiert wird.
Die Überwachung des Werkzeugverschleißes, inkl. der Nutzung von Spindellast-, Vibrations- und akustischen Sensoren, zeigt direkt, welche Parameter eventuell zu aggressiv gewählt wurden.
DfM-Anleitung für die Parameter Geschwindigkeit und Vorschub
Designentscheidungen schränken das Fenster für die Schnittgeschwindigkeit und die Vorschubrate ein, mit dem der Maschinenbediener arbeiten kann, und deshalb können einige Entscheidungen am Zeichenbrett dieses Fenster auch so groß wie möglich halten.
| Designfaktor | Verfahrenseinschränkung | Empfehlung |
| Tiefe oder mit kleinem Durchmesser versehene Bohrungen | Spanabfuhr schränkt Vorschubrate ein | Planen Sie Vorbohrungen und Tieflochbohrzyklen, anstatt alles in einem einzelnen tiefen Durchgang erledigen zu wollen |
| Callouts für eng bemessene Oberflächengüte | Erzwingt niedrigere Vorschubraten und damit längere Zykluszeiten | Behalten Sie sich die feinste Oberflächengüte nur für jene Flächen vor, bei denen sie funktional notwendig ist |
| Dünne Wände und ungestützte Merkmale | Begrenzen realisierbare Schnitttiefe und Schnittkräfte | Fügen Sie Stützrippen hinzu oder erhöhen Sie die Wandstärke, wo es die Funktion erlaubt |
| Schwer maschinell zu bearbeitende Materialien (Edelstahl, Titan) | Reduzierung der sicheren Schnittgeschwindigkeitsbereiche | Beginnen Sie frühzeitig mit der Materialauswahl, damit Werkzeuge und Zykluszeiten korrekt budgetiert werden können |
Konstrukteure, die die Bohrungsdurchmesser für Gewindemerkmale bemessen, können die Bohrergröße mit den Gewindeanforderungen abgleichen, indem sie den Rechner für Gewinde- und Gewindebohrergrößen verwenden, bevor die Vorschubrate für Bohrvorgänge endgültig angenommen wird.
Einstellung von Geschwindigkeit und Vorschub
Schnittgeschwindigkeit und Vorschubrate sind keine voneinander unabhängigen Regler. Die Geschwindigkeit bestimmt Hitze und Werkzeugverschleiß, während der Vorschub die Schnittkräfte und Oberflächengüte bestimmt. Es schöpfen jedoch beide aus dem gleichen mechanischen Budget. Die Verbindung der beiden, die den Durchsatz maximiert, ist nur selten die Kombination, die auch das Werkzeug ausreichend schützt. Deshalb hängt die richtige Antwort von Herstellerdaten, CAM-Simulationen, Versuchsdurchläufen und der Überwachung des Werkzeugverschleißes ab, statt nur von einem einzelnen Wert bestimmt zu werden.
Related Topics
4
theprintede electronics
0
Comment(0)