Faktoren, die die Schneidkrafteffizienz an CNC-Fräsmaschinen verringern

Beim Metallschneiden 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. Schneidkraft ist eine wichtige Grundlage für die Berechnung der Schneidleistung, die Konstruktion von Werkzeugen, Maschinen und Vorrichtungen 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 an CNC-Fräsmaschinen

1. Ursprung der Schneidkraft an CNC-Fräsmaschinen

Der Ursprung der Schneidkraft liegt einerseits im Widerstand durch elastische und plastische Verformung während der Spanbildung, andererseits in der Reibung zwischen Span und Werkzeugvorderseite sowie zwischen Werkstück und Werkzeugrückseite.

2. Schneidkraft und Zerlegung

Die Gesamtschneidkraft F ist eine räumliche Kraft. Zur erleichterten Messung, Berechnung und für Maschinen-, Vorrichtungs-, Werkzeugkonstruktion und Prozessanalyse wird F oft in drei gegenseitig senkrechte Komponentenkräfte Fc, Fp und Ff zerlegt.

(1) Die Hauptschneidkraft Fc ist die Projektion der Gesamtschneidkraft F in Hauptbewegungsrichtung, senkrecht zur Basisebene. Fc ist wichtige Grundlage für Maschinenleistung, Werkzeugfestigkeit, Vorrichtungskonstruktion und Schnittparameterwahl. Fc berechenbar durch empirische Formel oder spezifische Schneidkraft kc (N/mm²): Fc = kc × A_D = kc × h × D_b = kc × a_p × f.

(2) Die Rückkraft Fp ist die Komponentenkraft von F senkrecht zur Vorschubrichtung. Hauptfaktor für Werkstückverformung und Systemschwingungen.

(3) Die Vorschubkraft Ff ist die Schneidkomponentenkraft von F in Vorschubbewegungsrichtung. Hauptbasis für Konstruktion und Prüfung des Vorschubmechanismus und der Vorschubleistung.

Zusammenhang: Ff = F_D × sin κ_r; Fp = F_D × cos κ_r.

3. Schneidleistung an CNC-Fräsmaschinen

Schneidleistung ist die von der Schneidkraft während des Schneidprozesses umgesetzte Leistung, bezeichnet als P_m, Einheit kW. Beim Außendrehen ist es die Summe der Leistung von Hauptschneidkraft Fc und Vorschubkraft Ff. Da der Leistungsanteil von Ff gering ist (nur 1–5 %), kann er allgemein vernachlässigt werden, und Fp verrichtet keine Arbeit. Damit: P_m = Fc × v_c × 10⁻³ (Fc in N, v_c in m/s).

Berücksichtigt man den Wirkungsgrad der Maschine, erhält man die Motornennleistung P_E ≥ P_m / η, wobei η der Maschinenwirkungsgrad ist (typisch 0,75–0,85).

Hauptfaktoren, die die Schneidkraft an CNC-Fräsmaschinen beeinflussen

1. Einfluss des Werkstückmaterials

Je höher Festigkeit und Härte des Werkstückmaterials, desto größer die Gesamtschneidkraft, obwohl die Schneidverformung leicht abnimmt. Bei ähnlicher Festigkeit/Härte: größere Plastizität → größerer Reibungsfaktor mit Werkzeug → höhere Schneidkraft. Bei spröden Materialien: geringe Plastizität → geringe Reibung Span/Vorderseite → geringere Schneidkraft.

2. Einfluss der Schnittwerte

(1) Schnitttiefe a_p und Vorschub f.

Steigen f und a_p, wächst die Schneidfläche und die Hauptschneidkraft, aber der Einflussgrad unterscheidet sich. Beim Drehen: Verdopplung von a_p verdoppelt Fc约; Verdopplung von f erhöht Fc nur um 68–86 %. Daher ist Erhöhung des Vorschubs gegenüber Erhöhung der Schnitttiefe vorteilhafter für Hauptschneidkraft und Schneidleistung.

(2) Schnittgeschwindigkeit v_c. Kurve des Einflusses von v_c auf Schneidkraft bei 45er Stahl (a_p=4 mm, f=0,3 mm/U) mit YT15 Hartmetall. Bei plastischen Metallen: im Aufbauschneiden-Bereich vergrößert wachsender Aufbauschneiden den tatsächlichen Spanwinkel, verringert Spanverformung, senkt Schneidkraft; Abbau des Aufbauschneidens erhöht Schneidkraft. Ohne Aufbauschneiden: steigende v_c → höhere Schneidetemperatur → geringere Vorderseitenreibung → geringere Verformung → geringere Schneidkraft. Daher Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zur Produktivitätssteigerung. Bei spröden Metallen: v_c Erhöhung → Schneidkraft sinkt leicht.

3. Einfluss der geometrischen Werkzeugparameter

(1) Spanwinkel. Größter Einfluss auf Schneidkraft. Bei plastischen Metallen: größerer Spanwinkel → geringere Pressverformung und Reibung, leichtere Spanabfuhr → geringere Gesamtschneidkraft. Bei spröden Metallen: Spanwinkel hat keinen offensichtlichen Einfluss.

(2) Negativfase. Negative Fase an scharfer Schneide erhöht Schneidenfestigkeit → höhere Standzeit, aber Verformung des zu schneidenden Metalls steigt → Schneidkraft steigt.

(3) Eintrittswinkel κ_r. Einfluss auf Schneidkraft hauptsächlich durch Änderung der Schneiddicke und Schneidenlänge, die Verformung beeinflussen. κ_r hat geringen Einfluss auf Fc, aber signifikanten auf Verhältnis von Fp und Ff. F'_D ist Gegendruck des Werkstücks auf Werkzeug. Da F'_p = F'_D cos κ_r, F'_f = F'_D sin κ_r: Erhöhung von κ_r erhöht F'_f und verringert F'_p. Bei schlanken Werkstücken kann größerer κ_r gewählt werden, um Biegeverformung zu reduzieren/verhindern.

4. Einfluss sonstiger Faktoren: Reibung zwischen Werkzeug und Werkstückmaterial

Bei gleichen Schnittbedingungen: HSS-Werkzeuge größte Schneidkraft, dann Hartmetall, Keramikwerkzeuge kleinste. Kühlschmierstoff reduziert Schneidkraft; je besser die Schmiereigenschaft, desto signifikanter die Reduktion. Stärkerer Flankenverschleiß → stärkere Reibung → größere Schneidkraft.