Einfluss geringer Produktionseffizienz auf die Schnittkraft bei CNC-Fräsmaschinen

Beim Metallschneiden mit CNC-Fräsmaschinen dringt das Werkzeug in das Werkstück ein und verformt das Material zu Spänen – die dabei wirkende Kraft ist die Schnittkraft. Sie ist zentrale Grundlage für Schnittleistungsberechnung, Werkzeug-, Maschinen- und Vorrichtungsauslegung sowie Schnittparameterfestlegung. In der Automatisierung ermöglicht sie auch die Überwachung von Schnittprozess und Werkzeugzustand.

Schnittkraft und Schnittleistung an CNC-Fräsmaschinen

1. Ursprung der Schnittkraft

Zweiseitig: (a) Widerstand durch elastische und plastische Verformung bei Spanbildung. (b) Reibungswiderstand zwischen Span und Werkzeugvorderfläche sowie Werkstück und Werkzeugflankenfläche.

2. Schnittkraft und Zerlegung

Die Gesamtschnittkraft F ist ein Raumkraftvektor. Zur Messung, Berechnung und für Maschinen-/Vorrichtungs-/Werkzeugauslegung sowie Prozessanalyse wird F in drei orthogonalen Komponenten zerlegt: Hauptschnittkraft F_C, Rückkraft F_P, Vorschubkraft F_F.

• Hauptschnittkraft F_C: Projektion von F in Hauptbewegungsrichtung, senkrecht zur Grundebene. Basis für Maschinenleistung, Werkzeugfestigkeit, Vorrichtungsauslegung, Schnittparameterwahl. Berechnung über Erfahrungsformel oder spezifische Schnittkraft k_c (N/mm²): F_C = k_c·a·d = k_c·h·d·b_d = k_c·a·p·f.
• Rückkraft F_P: Komponente senkrecht zur Vorschubrichtung. Hauptfaktor für Werkstückverformung und Systemschwingungen.
• Vorschubkraft F_F: Schnittkraftkomponente in Vorschubrichtung. Basis für Vorschubantriebsauslegung und -leistung.

Zusammenhang: F → F_C + F_D; F_D → F_P + F_F; F_F = F_D·sin κ_r, F_P = F_D·cos κ_r.

3. Schnittleistung der CNC-Fräsmaschine

Schnittleistung P_M (kW) = von der Schnittkraft aufgenommene Leistung. Beim Außenlen: Summe aus Leistung durch F_C und F_F. Da F_F nur 1–5 % beiträgt, oft vernachlässigbar; F_P leistet keine Arbeit. Daher: P_M = F_C × v_c (F_C in N, v_c in m/s).

Mit Maschinenwirkungsgrad η (typ. 0,75–0,85): Motorleistung P_E ≥ P_M / η.

Hauptfaktoren für die Schnittkraft an CNC-Fräsmaschinen

1. Werkstückwerkstoff

Höhere Festigkeit und Härte → trotz geringerer Schnittverformung steigt Gesamtschnittkraft. Bei ähnlicher Festigkeit/Härte: größere Plastizität → höherer Reibungskoeffizient → höhere Schnittkraft. Spröde Werkstoffe: geringe Plastizität, geringe Reibung → niedrigere Schnittkraft.

2. Schnittparameter

(1) Schnitttiefe a_p und Vorschub f. Steigen f und a_p, wächst Schnittfläche und F_C, aber unterschiedlich stark. Beim Drehen: Verdopplung von a_p verdoppelt F_C; Verdopplung von f erhöht F_C nur um 68–86 %. Daher: Erhöhung von f statt a_p ist günstiger für F_C und Leistung.

• Schnittgeschwindigkeit v_c.

Einflusskurve bei 45er Stahl (a_p=4 mm, f=0,3 mm/U) mit YT15 Hartmetall. Bei zähen Metallen: Im Aufbauschneidenbereich vergrößert Aufbauschneide den effektiven Spanwinkel, verringert Verformung und Schnittkraft; Abbau erhöht Kraft. Ohne Aufbauschneide: v_c ↑ → Temperatur ↑ → Reibung ↓ → Verformung ↓ → F_C ↓. Deshalb Hochgeschwindigkeitsbearbeitung für Produktivität. Bei spröden Metallen: v_c ↑ → F_C leicht ↓.

3. Werkzeuggeometrie

(1) Spanwinkel γ. Größter Einfluss auf Schnittkraft. Bei zähen Metallen: γ ↑ → Verformung und Reibung ↓, Spanabfuhr besser → F_ges ↓. Bei spröden Metallen: Einfluss gering.

(2) Negativfase. Schärfekante mit Negativfase verstärkt Schneide, erhöht Standzeit, aber Verformung und Schnittkraft steigen.

(3) Hauptschneidenwinkel κ_r. Beeinflusst Schnittkraft über Änderung der Schnittdicke und Schneideneckenlänge. Geringer Einfluss auf F_C, aber stark auf Verhältnis F_P/F_F. F'_d: Gegendruck Werkstück auf Werkzeug. F'_p=F'_dcos κ_r, F'_f=F'_dsin κ_r. Größerer κ_r → F'_f ↑, F'_p ↓. Bei schlanken Werkstücken: größeren κ_r wählen, um Biegung zu reduzieren/verhindern.

4. Weitere Faktoren: Reibung Werkzeug–Werkstück

Gleiche Schnittbedingungen: Schnittkraft HSS > Hartmetall > Keramik. Kühlschmierstoff reduziert Schnittkraft – je besser die Schmiereigenschaft, desto stärker die Reduktion. Höhere Reibung → stärkerer Werkzeugverschleiß.