Schneidenkanten- vs. Eckenradius bei Schneidwerkzeugen: Was Sie wissen müssen

Zerspanen oder Metallschneiden ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem überschüssiges Material in Form von Spänen von einem vorgeformten Rohling mittels Schneidwerkzeug abgetragen wird, um die gewünschte Form, Größe und Oberflächengüte zu erzielen. Zum kontinuierlichen Abtragen (Scheren) von Materialschichten ist ein scharfkantiges Werkzeug unverzichtbar. Während der Zerspanung werden Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug in bestimmten Richtungen vorgegeben, basierend auf der Geometrie des angestrebten Merkmals und der gewählten Operation. Das Werkzeug komprimiert mit seiner Spitze eine dünne Materialsatzschicht und schert sie anschließend ab. Da die gesamte Scherwirkung durch dieses Werkzeug realisiert wird, sind dessen Geometrie, Orientierung und Werkstoff drei entscheidende Faktoren für die gesamte Zerspanleistung.

Was gehört zur Werkzeuggeometrie?

Werkzeuggeometrie befasst sich mit den geometrischen Merkmalen des Schneidwerkzeugs, die Zerspanfähigkeit und -leistung direkt beeinflussen. Für jede Zerspanoperation existiert eine Grundform des Werkzeugs; jedoch können viele geometrische Merkmale innerhalb gewisser Grenzen variieren, um unter spezifischen Bedingungen optimale Ergebnisse bei unveränderter Grundform zu erzielen. Solche Merkmale werden in verschiedenen Werkzeugbezeichnungssystemen (z. B. ASA, ORS, NRS, MRS) standardisiert dargestellt.

Spanfläche und Freifläche sind zwei wichtige Flächen jedes Werkzeugs; ihre Neigungen werden durch Spanwinkel und Freiwinkel angegeben. Bestimmte Werkzeuge können mehrere Freiflächen haben, die dann als Haupt- und Nebenschneide sowie zugehörige Haupt- und Nebefreiwinkel bezeichnet werden. Ein Werkzeug kann unterschiedliche Winkel aufweisen, je nach Messrichtung (oder Ebene) – dies spiegelt sich in Werkzeugkennwerten wider (z. B. Seiten- und Hinterspanwinkel – beide geben die Neigung der Spanfläche an, jedoch in unterschiedliche Richtungen).

Neben Span- und Freiwinkeln kann die Werkzeugkennzeichnung auch weitere Informationen wie den Eckenradius enthalten. Die Werkzeuggeometrie kann jedoch weitere relevante Informationen umfassen, die nicht in der Kennzeichnung enthalten sind. Der Schneidenradius ist ein wesentliches Beispiel.

Konzept von Schneide und Ecke des Werkzeugs

Physikalisch entsteht eine Kante, wenn zwei feste Flächen sich schneiden; eine Ecke entsteht, wenn drei oder mehr feste Flächen zusammenstoßen. Am Werkzeug entsteht die Schneide dort, wo Span- und Freifläche sich schneiden – die Hauptschneide. Besitzt das Werkzeug zwei Freiflächen, entstehen zwei Schneiden: Hauptschneide (Schnitt zwischen Span- und Hauptfreifläche) und Nebenschneide (Schnitt zwischen Span- und Nebefreifläche). Ein Werkzeug kann eine oder mehrere Schneiden haben; entsprechend lassen sich Ein- und Mehrschneidenwerkzeuge unterscheiden.

Wenn sich drei Werkzeugspitzenflächen (Spanfläche, Haupt- und Nebefreifläche) schneiden, entsteht die Werkzeugecke. Während der Zerspanung steht diese Ecke in physischem Kontakt mit dem Werkstück und ist extremem Druck und Reibung ausgesetzt.

Was ist der Schneidenradius?

Keine Kante ist perfekt scharf. Selbst wenn sie es wäre, ließe sie sich nicht genau messen, da jedes Messinstrument begrenzte Fähigkeiten hat. Schärfe lässt sich nicht direkt messen. Es wird die Kantengerundung gemessen; Schärfe ist umgekehrt proportional zur Gerundung. Je höher die Gerundung oder der Radius der Kante, desto weniger scharf ist sie. Die Gerundung ist die quantitative Messung des Schneidenradius; Schärfe die qualitative Bewertung basierend auf dem Radiuswert.

Wert des Schneidenradius

Das theoretische Minimum für die Gerundung ist der Atomradius des betreffenden Materials; praktisch hätte eine solche Kante jedoch extrem geringe Festigkeit und keine Anwendung. Dies zeigt: Eine sehr scharfe Schneide (sehr kleiner Radius) hat geringe Festigkeit und bricht beim Zerspanen schnell. Daher wird jeder Schneide eine geeignete Gerundung gegeben, damit sie nicht versagt oder schnell abstumpft. Der Schneidenradius liegt typischerweise bei 0,5–10 µm für Mikro- und Präzisionswerkzeuge und 10–500 µm für konventionelle Werkzeuge.

Einfluss des Schneidenradius auf Makrozerspanung

Bei konventioneller Makrozerspanung (Drehen, Fräsen, Bohren etc.) hat dieser Parameter vernachlässigbaren Einfluss auf die Gesamtleistung, da die ungeschnittene Spandicke den Schneidenradius um ein Vielfaches übersteigt. Typische ungeschnittene Spandicke: 0,2–2 mm; Schneidenradius: 0,5–10 µm – also 500- bis 1000-fach größer. Da er in der konventionellen Zerspanung ein vernachlässigbarer Parameter ist, wird er nicht in die Werkzeugkennzeichnung des entsprechenden Werkzeugs aufgenommen.

Einfluss des Schneidenradius auf Mikrozerspanung

Bei Mikro- oder Nanobearbeitung wird der Schneidenradius jedoch zum dominierenden Parameter, der Schneidfähigkeit und Oberflächenqualität beeinflusst. Hier wird der Schneidenradius mit der ungeschnittenen Spandicke vergleichbar. Beispiel Mikrofräser: Schneidenradius typisch 2–5 µm, Vorschub (entspricht ungeschnittener Spandicke) nur 0,5–10 µm/Zahn. Auch beim Diamantdrehen (Präzisionsbearbeitung) ist der Schneidenradius ein signifikanter Parameter. Untersuchungen zeigen, dass die minimale Schnitttiefe bei 10–50 % des Schneidenradius liegen muss (abhängig von anderen Parametern), um bei jedem Durchgang effizient Material abzutragen.

Was ist der Eckenradius?

Am Schneidwerkzeug ist die Ecke das Ergebnis des Schnitts von Spanfläche, Haupt- und Nebefreifläche. Auch sie kann nicht perfekt scharf sein; an der Werkzeugspitze wird eine geeignete Gerundung vorgenommen. Der Radius dieser gerundeten Ecke, gemessen in der Bezugsebene, ergibt den Eckenradiuswert. Er ist ein signifikanter Parameter auch für konventionelle Zerspanung, da sein Wert nahe an der ungeschnittenen Spandicke liegt.

Wert des Eckenradius

Typischer Eckenradius konventioneller Werkzeuge: 0,8–2 mm; ungeschnittene Spandicke: 0,2–2 mm. Bei Mikrowerkzeugen ist der Eckenradius deutlich kleiner, typischerweise wenige Zehnermikrometer.

Dieser Artikel stellt einen wissenschaftlichen Vergleich zwischen Schneidenradius und Eckenradius dar. Zusammenfassend: Der Radius an der Schneide ist der Schneidenradius; der Radius an der Werkzeugspitze der Eckenradius. In der konventionellen Makrozerspanung hat der Schneidenradius vernachlässigbaren Einfluss, in der Mikro- oder Präzisionszerspanung ist er ein dominierender Parameter. Der Eckenradius beeinflusst stets die Zerspanleistung.