Schlüsselfaktoren für die Schneidkrafteffizienz an CNC-Fräsmaschinen

Beim Schneiden von Metall auf einer CNC-Fräsmaschine wird die Kraft, die das Werkzeug benötigt, um in das Werkstück einzudringen und das Werkstückmaterial in Späne zu verformen, als Schneidkraft bezeichnet. Die Schneidkraft ist eine wichtige Grundlage für die Berechnung der Schneidleistung, das Design von Werkzeugen, Werkzeugmaschinen und Spannvorrichtungen sowie die Festlegung von Schnittparametern. In der automatisierten Produktion kann die Schneidkraft auch zur Überwachung des Schneidprozesses und des Werkzeugzustands verwendet werden.

Schneidkraft und Schneidleistung der CNC-Fräsmaschine

1. Quelle der Schneidkraft der CNC-Fräsmaschine

Die Quelle der Schneidkraft liegt einerseits im Widerstand, der durch elastische und plastische Verformung während der Spänbildung entsteht; andererseits in der Reibungswiderstand zwischen Span und Werkzeugvorderfläche sowie zwischen Werkstück und Werkzeughinterfläche.

2. Schneidkraft und Zerlegung

Die Gesamtschneidkraft F während des Schneidens ist eine räumliche Kraft. Um Messung und Berechnung zu erleichtern und den Bedürfnissen von Werkzeugmaschine, Spannvorrichtung, Werkzeugdesign und Prozessanalyse gerecht zu werden, wird F oft in drei sich gegenseitig senkrechte Schneidkomponentenkräfte Fc, Fp und Ff zerlegt.

(1) Die Hauptschneidkraft Fc ist die Projektion der Gesamtschneidkraft F in Richtung der Hauptbewegung, und ihre Richtung ist senkrecht zur Basisebene. Fc ist eine wichtige Grundlage für Maschinenleistung, Werkzeugfestigkeit, Spannvorrichtungsdesign und Auswahl der Schnittparameter. Fc kann durch empirische Formel oder spezifische Schneidkraft kc (Einheit N/mm²) berechnet werden: Fc = kc × A_D = kc × h × D_b = kc × a_p × f.

(2) Die Rückkraft Fp ist die Komponentenkraft der Gesamtschneidkraft F senkrecht zur Vorschubrichtung. Sie ist der Hauptfaktor, der die Verformung des Werkstücks beeinflusst und Systemschwingungen verursacht.

(3) Die Vorschubkraft Ff ist die Schneidkomponentenkraft der Gesamtschneidkraft F in Richtung der Vorschubbewegung. Sie ist die Hauptgrundlage für das Design und die Prüfung des Werkzeugmaschinenvorschubmechanismus und der Maschinenvorschubleistung.

Schneidkraft ist die Gesamtschneidkraft F, zerlegt in Fc und F_D, F_D zerlegt in Fp und Ff, ihr Verhältnis: Ff = F_D × sin κ_r; Fp = F_D × cos κ_r.

3. Schneidleistung der CNC-Fräsmaschine

Schneidleistung bezeichnet die von der Schneidkraft während des Schneidprozesses dissipierte Leistung, ausgedrückt als P_m, Einheit kW. Beim Außendrehen ist es die Summe des Leistungsverbrauchs der Hauptschneidkraft Fc und der Vorschubkraft Ff. Da der Leistungsverbrauch der Vorschubkraft Ff sehr klein ist (nur 1–5 %), kann der allgemeine Ff-Leistungsverbrauch vernachlässigt werden, und Fp verrichtet keine Arbeit, so erhalten wir die Formel P_m = Fc × v_c × 10^-3, wobei Fc die Hauptschneidkraft (N) ist; v_c die Schnittgeschwindigkeit (m/s).

Unter Berücksichtigung des Wirkungsgrads der Werkzeugmaschine kann die Motornennleistung P_E der Werkzeugmaschine aus der Schneidleistung P_m ermittelt werden, d. h. P_E ≥ P_m / η, wobei η der Wirkungsgrad der Werkzeugmaschine ist, allgemein 0,75 bis 0,85.

Hauptfaktoren, die die Schneidkraft der CNC-Fräsmaschine beeinflussen

1. Einfluss des Werkstückmaterials auf die CNC-Fräsmaschine

Je höher die Festigkeit und Härte des Werkstückmaterials, obwohl die Schneidverformung leicht reduziert wird, steigt die Gesamtschneidkraft dennoch. Bei Materialien mit ähnlicher Bearbeitungsfestigkeit und -härte ist die Plastizität groß und der Reibungsfaktor mit dem Werkzeug ebenfalls groß, sodass die Schneidkraft zunimmt; bei spröden Materialien ist die plastische Verformung gering, die Reibung zwischen Span und Werkzeugvorderfläche gering, sodass die Schneidkraft klein ist.

2. Einfluss der Schnittparameter der CNC-Fräsmaschine

(1) Schnitttiefe a_p und Vorschub f

Wenn f und a_p zunehmen, vergrößert sich die Schneidfläche und die Hauptschneidkraft nimmt ebenfalls zu, aber der Einflussgrad der beiden ist unterschiedlich. Beim Drehen verdoppelt sich die Hauptschneidkraft ungefähr, wenn a_p verdoppelt wird; wenn f verdoppelt wird, steigt die Hauptschneidkraft nur um 68 % bis 86 %. Daher ist es im Schneidprozess, wenn man Hauptschneidkraft und Schneidleistung berücksichtigt, vorteilhafter, den Vorschub zu erhöhen als die Schnitttiefe zu erhöhen.

(2) Schnittgeschwindigkeit v_c

Einflusskurve der Schnittgeschwindigkeit auf die Schneidkraft beim Bearbeiten von C45-Stahl (a_p=4 mm, f=0,3 mm/U) mit YT15-Hartmetall-Wendeplatte. Beim Schneiden plastischer Metalle kann im Aufbauschneidenbereich das Wachstum der Aufbauschneide den tatsächlichen Spanwinkel des Werkzeugs erhöhen, die Spanverformung verringern und die Schneidkraft reduzieren; umgekehrt erhöht die Reduzierung der Aufbauschneide die Schneidkraft. Wenn keine Aufbauschneide vorhanden ist, nimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeit v_c die Schneidetemperatur zu, die Reibung der Vorderfläche ab, die Verformung ab, und die Schneidkraft sinkt. Daher wird in der Produktion oft Hochgeschwindigkeitszerspanung zur Produktivitätssteigerung eingesetzt. Beim Schneiden spröder Metalle sinkt die Schneidkraft mit steigender v_c leicht.

3. Einfluss der geometrischen Parameter der CNC-Fräsmaschinenwerkzeuge

(1) Spanwinkel

Der Spanwinkel hat den größten Einfluss auf die Schneidkraft. Beim Schneiden plastischer Metalle kann eine Erhöhung des Spanwinkels die Auspressverformung und Reibung des zu schneidenden Materials verringern, die Spanabfuhr erleichtern und die Gesamtschneidkraft reduzieren; beim Schneiden spröder Metalle hat der Spanwinkel keinen offensichtlichen Einfluss auf die Schneidkraft.

(2) Negative Schneidenfase

Das Anfasen einer scharfen Schneide mit negativem Winkel kann die Festigkeit der Schneide erhöhen und damit die Standzeit des Werkzeugs verlängern, aber dabei nimmt die Verformung des zu schneidenden Metalls zu, was die Schneidkraft erhöht.

(3) Eintrittswinkel

Der Einfluss des Eintrittswinkels auf die Schneidkraft erfolgt hauptsächlich durch die Änderung der Schnittdicke und der Länge der Schneidkantenkurve, was die Verformung beeinflusst und damit die Schneidkraft. Der Eintrittswinkel hat einen geringen Einfluss auf die Hauptschneidkraft Fc, aber einen signifikanten Einfluss auf das Verhältnis von Rückkraft Fp und Vorschubkraft Ff. F'_D ist der Gegendruck des Werkstücks auf das Werkzeug. Da F'_p = F'_D × cos κ_r, F'_f = F'_D × sin κ_r, erhöht eine Erhöhung des Eintrittswinkels κ_r die Vorschubkraft F'_f und verringert die Rückkraft F'_p. Beim Drehen schlanker Werkstücke kann ein größerer Eintrittswinkel gewählt werden, um die Biegeverformung des Werkstücks zu verringern oder zu verhindern.

4. Einfluss sonstiger Faktoren

Reibung zwischen Werkzeug und Werkstückmaterial.

Unter gleichen Schneidbedingungen haben HSS-Werkzeuge die größte Schneidkraft, gefolgt von Hartmetallwerkzeugen, und Keramikwerkzeuge die kleinste. Der Einsatz von Kühlschmierstoff im Schneidprozess kann die Schneidkraft reduzieren, und je höher die Schmiereigenschaft des Kühlschmierstoffs, desto signifikanter die Reduzierung der Schneidkraft. Je stärker der Flankenverschleiß des Werkzeugs, desto größer die Reibung und desto größer die Schneidkraft.