Spiralwinkel verstehen:Den richtigen Winkel für eine optimale Bearbeitung auswählen

Es gibt viele Faktoren, die die Qualität und Leistung einer Bearbeitungsanwendung beeinflussen. Oft wird der Spiralwinkel übersehen. Es handelt sich um ein einfaches geometrisches Merkmal in Spiralfräsern und anderen Schneidwerkzeugen. Dieser Faktor kann die Spankontrolle, Vibrationen, den Leistungsbedarf usw. beeinflussen.

In diesem Artikel besprechen wir, was eine Spirale im Zusammenhang mit der Bearbeitung ist, welche Vor- und Nachteile sie hat und welche Spiralwinkellösungen für Ihre Anwendungen ideal sind.

Eine Helix ist, ganz einfach ausgedrückt, eine glatte 3D-Kurve, die sich spiralförmig um eine lineare Achse dreht. Eine einfache Möglichkeit, dies zu verstehen, besteht darin, sich eine Schraubenfeder vorzustellen, deren Windungen eine Helixkurve darstellen.

Geometrische Hauptmerkmale einer Helix

Vier Hauptmerkmale einer Helix definieren ihre Form vollständig:

Mittelachse :Wie oben erklärt, ist eine Helix immer auf einer Achse zentriert. Es bietet eine Referenz zum Lokalisieren und Ausrichten der Helix in einem 3D-Raum.

Helixwinkel :Wie in der Abbildung zu sehen ist, stehen die Windungen der Feder in einem Winkel zur Achse, der als Helixwinkel bezeichnet wird.

Pitch :Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen der Helix ist ihre Steigung. Eine größere Steigung bedeutet eine „längere“ Helix. Dies ist ein wichtiger Wert bei der Konstruktion verschiedener Gewindearten, bei der deren lineare Bewegung mit der Rotationsbewegung verknüpft wird.

Anzahl der Runden :Dies ist ein wichtiger Parameter zur Definition der Gesamtlänge einer Spiralkurve. Je mehr Windungen, desto länger die Helix.

Was ist der Spiralwinkel bei Schneidwerkzeugen?

Mehrere Schneidwerkzeuge haben spiralförmige Nuten (Schneidkanten), die gebräuchlichsten sind spiralförmige Schaftfräser und spiralförmige Bohrer. Das Bild unten zeigt die Helix auf einem Schneidwerkzeug. Hier gilt die gleiche Logik wie oben erklärt – der Winkel der Schneiden entspricht dem Spiralwinkel des Werkzeugs.

Der Spiralwinkel für Schaftfräser variiert je nach Anwendung zwischen 12° und 60°. Typischerweise wird jedoch für die meisten Arbeiten ein Winkel von 30°–40° empfohlen. Dieser Bereich bietet eine gute Balance zwischen allen beteiligten Faktoren.

Kleine Abweichungen in diesem Winkel können die Leistung eines Schneidwerkzeugs verändern. Daher müssen Fertigungsingenieure und Bediener über die verschiedenen Auswirkungen Bescheid wissen. Schauen wir uns genauer an, wie sich unterschiedliche Spiralwinkel auf die Bearbeitungsleistung auswirken.

Schneidwerkzeug mit hohem Spiralwinkel vs. Schneidwerkzeug mit niedrigem Spiralwinkel:Was sind die Unterschiede?

Der Helixwinkel kann entweder schnell (hoch) oder langsam (niedrig) sein. Im Allgemeinen gehen Experten davon aus, dass der Übergang von der niedrigen zur hohen Helix bei etwa 40° liegt. Es beeinflusst wichtige Faktoren wie Schnittkräfte, Materialabtragsrate, Oberflächengüte und Spanabfuhr.

Werkzeuge mit hohem Spiralwinkel

Ein Fräser mit einem großen Spiralwinkel eignet sich hervorragend für die Bearbeitung mit hohem Vorschub, die Oberflächengüte und die thermische Leistung.

Seine stark geneigten Zähne dringen allmählich in den Schnitt ein. Dadurch nehmen auch die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte allmählich zu, was seine Lebensdauer verlängert. Darüber hinaus befinden sich aufgrund ihrer Neigung mehrere Spannuten gleichzeitig im Schnitt, was die Belastung der einzelnen Spannuten weiter verringert.

Die Helix leitet einen Teil der Radialkraft auf die Z-Achse der CNC-Maschine um. Da das Werkzeug in dieser Richtung durch Werkzeughalter und Spindel starr gehalten wird, wirkt sich dies positiv auf Standzeit und Bearbeitungstoleranz aus. Aufgrund dieser verringerten Radialkraft kann das Werkzeug mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten schneiden. Die geringe Radialkraft verringert außerdem Werkzeugablenkungen und verbessert die Oberflächengüte.

Was die Spanabfuhr angeht, schneidet ein Werkzeug mit hoher Helix recht gut ab. Die Kraft in der Z-Achse (Axialkraft) drückt die Späne aus der Schneidzone, ähnlich wie bei einem Bohrer oder einem Gewindebohrer. Dies ist gut für die Wärmeabfuhr und reduziert Materialansammlungen. Allerdings kann die gleiche Kraft manchmal auch das Werkstück nach oben ziehen und dadurch seine Montage stören. Dies ist jedoch bei ordnungsgemäßer Montage vermeidbar.

Werkzeuge mit niedrigem Spiralwinkel

Spiralförmige Schaftfräser mit niedrigen Spiralwinkeln haben ihre eigenen Vorteile. Sie verfügen über starke Kerne und Schneidkanten, wodurch sie höheren Belastungen standhalten können. Wenn eine hohe Materialabtragsleistung angestrebt wird, sind diese Werkzeuge vorzuziehen, da sie größere, kontinuierliche Späne ausschöpfen. Sie eignen sich auch besser für harte Materialien.

Der Nachteil solcher Werkzeuge besteht jedoch darin, dass der Benutzer bei Fräsern mit geringer Spirale Abstriche bei der Oberflächenqualität machen muss.

Wie wählen Sie den Spiralwinkel für Ihre Anwendung aus?

Ein erfahrener Ingenieur/Mechaniker weiß, welche Werkzeuge für seine spezifischen Anwendungen am besten geeignet sind. Der Winkel der Spirale sollte ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Auswahl eines Werkzeugs für eine Aufgabe sein.

Wir werden einige Situationen hervorheben, in denen die Kenntnis des Helixwinkels bei der Entscheidungsfindung hilfreich sein kann.

1. Produktivitätsanforderungen

Die Auswirkungen der Helix auf die Materialabtragsrate wurden bereits diskutiert. Ein niedrigerer Spiralwinkel ist vorzuziehen, wenn viel Material schnell entfernt werden muss.

Dies kann mit kompensatorischen Maßnahmen gekoppelt werden, um die negativen Auswirkungen einer niedrigen Helix zu reduzieren. Beispielsweise kann ein Werkzeug mit hoher Helix für den Schlichtdurchgang und ein Werkzeug mit niedriger Helix für Grobschnitte verwendet werden.

2. Einstecken

Beim Fräsen von Taschen ist ein effizientes Spanmanagement sehr wichtig. Späne, die in der Schneidzone verbleiben, können die Qualität des Werkzeugs und des Teils stark beeinträchtigen. Eine hohe Spirale verbessert die Spanabfuhr und eignet sich daher für Taschen-/Schlitzarbeiten.

3. Dünne Wände/Böden

Dünne Wandkonstruktionen und dünne Böden verformen sich unter Schnittkräften sehr leicht. Bei Wänden verursachen die Radialkräfte eine Verformung und bei Böden ist die Axialkraft von Bedeutung.

Da der Winkel der Helix diese beiden Kraftkomponenten direkt beeinflusst, können Maschinenbauer eine fundierte Entscheidung für eine geeignete Werkzeuglösung treffen. Wenn Sie beispielsweise eine dünne Wand bearbeiten, können Sie den Wechsel zu einem Steilspiralfräser in Betracht ziehen, um die Radialkräfte zu minimieren und ein feines Finish zu erzielen.

4. Standzeit

Ein Nachteil von Nuten mit hoher Helix besteht darin, dass die Dicke der Mitte (des Kerns) des Fräsers verringert wird. Dies verschlechtert die Kernfestigkeit des Werkzeugs und damit die Standzeit.

Allerdings ist eine niedrige Spirale auch nicht optimal für die Standzeit. Es kommt zu Problemen in Form von Hitzestau und Stoßbelastungen durch unterbrochene Schnitte. Auch Materialansammlungen an den Schneidkanten sind aufgrund schlechter Spanabfuhr möglich.

Unterschiedliche Spiralwinkel zum Schneiden verschiedener Materialien

Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche Spiralwinkel. Beispielsweise erfordern harte Metalle für erfolgreiche Ergebnisse niedrige Spiralwinkel, während für weiche Metalle hohe Spiralwinkel am besten geeignet sind. Daher sollte bei der Auswahl des geeigneten Spiralwinkels die Art des zu fräsenden Materials berücksichtigt werden.

Werkzeuge mit niedrigem Spiralwinkel eignen sich gut für kurzspanende und harte Metallmaterialien. Dazu gehören Stahl, Gusseisen und leicht zu bearbeitender Edelstahl. Darüber hinaus lassen sich auch synthetische Materialarten wie epoxidbasierte Kunststoffe, Glasfaserplatten und abrasive Kunststoffe besser mit Werkzeugen mit niedriger Spirale bearbeiten.

Fräser mit einem großen Spiralwinkel eignen sich jedoch gut für weichere Materialien wie Aluminium, Kupfer, Kunststoffe usw.

Darüber hinaus ist ein Fräser mit variablem Spiralwinkel die ideale Wahl für die Hochleistungsbearbeitung. Es eignet sich für schwer zerspanbare Materialien wie Edelstahl und hitzebeständige Superlegierungen. Ihre überlegene Schneidleistung und längere Werkzeugstandzeit machen sie zur perfekten Wahl selbst für die anspruchsvollsten Bearbeitungsanwendungen.

Schlussfolgerung

Wir hoffen, dass dies ein interessanter Artikel für unsere Leserschaft war. Bei der Bearbeitung gibt es viele Variablen und der Schrägungswinkel wird im Verhältnis zu seiner Bedeutung nicht ausreichend diskutiert. Ein Experte kennt alle Aspekte seines Fachs und optimiert mit diesem Wissen und dieser Erfahrung die Leistung.

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FAQs

Was ist der Unterschied zwischen einem Steigungswinkel und einem Spiralwinkel?

Die Steigungs- und Schrägungswinkel ergänzen sich (ihre Summe beträgt 90 Grad). Sie haben eine gemeinsame Bezugslinie, die tangential zur Helix des Gewindes oder Zahnrads verläuft. Die andere Referenzlinie ist jedoch anders. Beim Helixwinkel handelt es sich um die Achse der betrachteten Helix. Für den Steigungswinkel ist die zweite Referenzlinie die Linie senkrecht zur Mittelachse der Helix.

Wozu dienen Schaftfräser mit variabler Helix für den Helixwinkel?

Schaftfräser mit variabler Spirale sind Spezialfräser mit unterschiedlichen Spiralwinkeln für jede Nut. Sie weisen eine hohe dynamische Stabilität auf, da sie Vibrationen bei Resonanzfrequenzen des Werkzeugs dämpfen können. Dadurch kommt es bei diesen Werkzeugen zu weniger Rattern und eine feinere Oberflächengüte.

Warum sind Schrägungswinkel bei der Bearbeitung wichtig?

Der Spiralwinkel ist ein zentraler geometrischer Parameter von Bearbeitungsfräsern. Dies ist wichtig, da es sich auf die Materialabtragsrate, die Vorschubgeschwindigkeit, die Oberflächenbeschaffenheit, die Schnittkraftverteilung, die Werkzeugfestigkeit und die Werkzeuglebensdauer auswirkt.