Nutfräsen, Eintauchen und helikale Interpolation: Die richtige Eintrittsstrategie bei vollem Eingriff

Das Vollnutfräsen ist die anspruchsvollste Eingriffsbedingung des Fräsens: Das Werkzeug trägt in einem einzigen Schnitt Material in der Breite seines eigenen Durchmessers ab, und es gibt keine freie Fläche, über die der Span entweichen könnte. Dieser Beitrag behandelt die Grenzen des Vollnutfräsens, die für den Eintritt in eine geschlossene Tasche oder Nut verwendeten Verfahren senkrechtes Eintauchen, lineares Rampen und helikale Interpolation, die zulässigen Winkelbereiche sowie die bei der helikalen Interpolation zwingende Vorschubkorrektur.

1. Eingriffsbedingung in der Vollnut

In der Vollnut entspricht der radiale Eingriff dem Werkzeugdurchmesser (ae = D). Die Schneide bleibt vom Eintritts- bis zum Austrittspunkt über die Hälfte des Werkzeugumfangs, also über einen Eingriffswinkel von 180°, in Kontakt. Anders als beim kurzen Kontaktbogen, der für das Seitenfräsen typisch ist, steht die Schneide hier während etwa der Hälfte einer Umdrehung unter Last.

Diese Bedingung hat vier unmittelbare Folgen:

• Die Spanabfuhr wird blockiert. Der einzige Weg, über den der Span entweichen kann, ist die Spannut des Werkzeugs selbst. Ist die Nut gefüllt, wird der Span erneut geschnitten; der an der Schneide ein zweites Mal geschnittene Span wirkt sowohl abrasiv als auch adhäsiv.
• Wärme staut sich. Da die Kontaktzeit länger ist, verkürzt sich das Abkühlintervall der Schneide. In der geschlossenen Nut gelangt der Kühlschmierstoff zudem schwerer in die Schnittzone; das beschleunigt die Verschleißmechanismen.
• Die Radialkräfte gleichen sich aus, sind aber nicht stabil. Die beiden Nutflanken drücken das Werkzeug gegenseitig. Theoretisch heben sich die Kräfte gegenseitig auf, doch ungleichmäßiger Verschleiß der Schneiden und der Rundlauffehler stören dieses Gleichgewicht; die Folge sind Maßabweichung und Rattern.
• Der Stirnschnittanteil steigt. Am Nutgrund schneidet auch die Stirnschneide des Werkzeugs. Deshalb ist der Vorschub beim Nutfräsen gegenüber dem Seitenfräsen zu senken.

Entscheidender Punkt: Die Vollnut ist weniger ein Problem der Schnittparameter als ein Problem der Spanabfuhr. Selbst bei richtig gewählten Parametern bricht das Werkzeug, wenn das Nutvolumen nicht ausreicht.

2. Begrenzung der Schneidenzahl beim Nutfräsen

Nach der Beziehung vf = fz × Z × n erhöht eine größere Schneidenzahl den Vorschub unmittelbar. Bei gleichbleibendem Durchmesser verkleinert sich mit steigender Schneidenzahl jedoch die Querschnittsfläche der Spannut. Da die Nut in der Vollnut der einzige Ausgang für den Span ist, bedeutet diese Verengung unmittelbar eine Verstopfung.

Die letzte Zeile ist eine bewusste Ausnahme. Bei Werkzeugen sehr kleinen Durchmessers ist die vorherrschende Bruchursache nicht die Verstopfung, sondern die Abdrängung und die Schwäche des Kerns; in Herstellerveröffentlichungen wird deshalb eine hohe Schneidenzahl in Verbindung mit sehr kleinen axialen Zustellungen empfohlen.

Für die axiale Schnitttiefe gilt dieselbe Logik. Während beim Seitenfräsen eine axiale Schnitttiefe bis zum Ein- bis Zweifachen des Durchmessers als üblich gilt, ist die Tiefe in der Vollnut in Stufen zu unterteilen und der Span zwischen den einzelnen Stufen zu entfernen. Das stufenweise Vorgehen ermöglicht es, dass sich die Spannut bei jeder Umdrehung entleert.

3. Der Weg zur Vermeidung der Vollnut: der trochoidale Ansatz

Ist die Nut breiter als der Werkzeugdurchmesser, ist der volle Eingriff nicht zwingend. Bei der trochoidalen Strategie (Slicing) erzeugt ein Werkzeug kleineren Durchmessers die Nut auf kreisförmigen Bahnen mit schmalem radialem Eingriff und großer axialer Schnitttiefe. In der Praxis wird der radiale Eingriff bei etwa 5–15 % des Durchmessers gehalten; Sandvik Coromant gibt an, dass die radiale Schnitttiefe beim trochoidalen Fräsen 20 % des Durchmessers nicht überschreiten sollte. Die axiale Schnitttiefe kann dagegen bis zum Doppelten des Durchmessers betragen.

Verkleinert sich der radiale Eingriff, setzt die Spanungsdickenreduzierung ein und der Vorschub ist entsprechend zu erhöhen; diese Korrektur ist im Ratgeber zur Spanungsdickenreduzierung ausführlich behandelt. Zum Verfahren insgesamt kann der Ratgeber zum trochoidalen Fräsen herangezogen werden.

4. Eintritt in ein geschlossenes Volumen: vier Verfahren

Beim Herstellen einer geschlossenen Tasche, einer beidseitig geschlossenen Nut oder einer Bohrung ist ein axialer Eintritt des Werkzeugs in den Werkstoff erforderlich. Die vier grundlegenden Verfahren und ihre Bedingungen sind nachstehend aufgeführt.

Vorbohren

In Herstellerveröffentlichungen wird als sicherste Vorgehensweise eine Vorbohrung bis auf Taschentiefe genannt, die 5–10 % größer ist als der Durchmesser des Schaftfräsers. Der Schaftfräser fährt kraftfrei in diese Bohrung ein und geht in das Seitenfräsen über. Das Verfahren verursacht die Kosten eines Werkzeugwechsels, liefert dafür aber im Hinblick auf die Standzeit das am besten vorhersagbare Ergebnis.

Senkrechtes Eintauchen

Beim senkrechten Eintauchen konzentriert sich die gesamte Schnittkraft auf die Z-Achse, und der Span wird unter dem Werkzeug eingeklemmt. Da der Stirnbereich eines Schaftfräsers nicht wie ein Bohrer ausgelegt ist, fällt die Schnittgeschwindigkeit zur Mitte hin auf null; im Zentrum findet kein Schneiden, sondern ein Quetschen statt. Deshalb ist senkrechtes Eintauchen nur mit über Mitte schneidenden (center cutting) Werkzeugen möglich und führt bei einem nicht über Mitte schneidenden Werkzeug unmittelbar zum Bruch.

Das senkrechte Eintauchen hat einen eigenen Vorteilsbereich. Wird eine tiefe Tasche mit einem Werkzeug großer Auskraglänge bearbeitet, erzeugt die axiale statt radiale Kraftrichtung eine stabile Last auf der Spindel und begrenzt die Ratterneigung. Deshalb gilt das Eintauchen mit speziellen Tauchfräswerkzeugen als eigenständige Strategie für das Schruppen tiefer Kavitäten und für Aufbauten mit langer Auskraglänge. Das senkrechte Eintauchen mit einem Standard-Schaftfräser fällt jedoch nicht darunter.

Lineares Rampen

Beim Rampen bewegt sich das Werkzeug gleichzeitig in der Z-Achse und in einer der Achsen X oder Y. Der Schnitt findet gleichzeitig in drei getrennten Bereichen statt: am Umfang der vorderen Schneide, an der Stirn der vorderen Schneide und an der Stirn der hinteren Schneide. In Herstellerveröffentlichungen wird deshalb empfohlen, den Vorschub entlang der Rampe auf etwa 75 % des normalen Werts zu senken und nach dem Ende der Rampe über eine Strecke von einem Werkzeugdurchmesser mit verringertem Vorschub weiterzufahren.

Der zulässige Rampenwinkel hängt vom Werkzeug und vom Werkstoff ab. Der im Katalog angegebene Maximalwert ist bindend; die allgemeinen Bereiche sind folgende:

Die lineare Rampe ist auf schmale Nuten zu beschränken; in Herstellerveröffentlichungen wird das Verfahren für Nuten unter 30 mm Breite empfohlen. Bei tiefen Nuten wird die Rampe in Vor- und Rückwärtsrichtung wiederholt (Stufenrampe), und vor dem Richtungswechsel ist das Werkzeug um eine bestimmte Strecke abzuheben.

Helikale Interpolation

Bei der helikalen Interpolation folgt das Werkzeug in der X-Y-Ebene einer Kreisbahn und senkt sich dabei mit einer bestimmten Steigung (pitch) in der Z-Achse ab. Die Schnittkräfte verteilen sich auf drei Achsen, der radiale Eingriff bleibt klein, durchgehendes Gleichlauffräsen (climb) wird möglich und der Span wird über die offene Seite der Bahn abgeführt. In Herstellerveröffentlichungen wird dieses Verfahren als die im Hinblick auf die Standzeit günstigste Eintrittsform genannt.

Zwei geometrische Grenzen sind zu berücksichtigen. Die erste besteht darin, den Helixdurchmesser über 110–120 % des Werkzeugdurchmessers zu halten; sinkt das Verhältnis darunter, nähert sich der mittlere Bereich der Vollnutbedingung. Die zweite ist, dass der größte mit einer einzigen durchgehenden Helix erzeugbare Bohrungsdurchmesser dem Doppelten des Werkzeugdurchmessers entspricht. Bei diesem Durchmesser geht der Eingriff in die Vollnutbedingung über, und in Sacklöchern kann in der Mitte ein kleiner Butzen stehen bleiben; der Butzen ist in einem separaten Schnitt zu entfernen.

Die axiale Steigung (pitch) darf die für das Werkzeug definierte maximale axiale Schnitttiefe nicht überschreiten und wird in Abhängigkeit von Bohrungsdurchmesser, Werkzeugdurchmesser und Rampenwinkel bestimmt.

5. Unterschied zwischen Mittenvorschub und Umfangsvorschub

Dies ist der am häufigsten übersehene Punkt der helikalen Interpolation. Der an die Werkzeugmaschine übergebene Vorschubwert ist die Geschwindigkeit der Werkzeugmitte; der Span entsteht jedoch an der Schneide am Umfang. Folgt das Werkzeug einer gekrümmten Bahn, sind diese beiden Geschwindigkeiten nicht gleich.

Auf der Innenkontur (beim Herstellen einer Bohrung oder Tasche) ist der von der Schneide durchlaufene Bogen länger als der Bogen der Mitte. Ohne Korrektur des Mittenvorschubs bewegt sich die Schneide schneller als erwartet, und der tatsächliche Zahnvorschub steigt deutlich über den angestrebten Wert. Auf der Außenkontur (bei der Bearbeitung um eine Insel oder einen Zapfen herum) kehrt sich die Lage um; die Schneide wird langsamer, und obwohl das Werkzeug zu schneiden scheint, stumpft es durch Reiben ab.

Nachdem der Umfangsvorschub mit der Beziehung vfm = n × fz × zc berechnet wurde, ergibt sich der Mittenvorschub wie folgt:

• Innenkontur: vf = vfm × (Dm − Dcap) / Dm
• Außenkontur: vf = vfm × (Dm + Dcap) / Dm

Dabei ist Dm der bearbeitete Durchmesser und Dcap der wirksame Schnittdurchmesser des Werkzeugs in der jeweiligen Tiefe.

Zahlenbeispiel. Eine Bohrung mit 20 mm Durchmesser wird mit einem Schaftfräser von 12 mm Durchmesser durch helikale Interpolation hergestellt. Der berechnete Umfangsvorschub beträgt 1.200 mm/min.

vf = 1.200 × (20 − 12) / 20 = 480 mm/min

Wird das Programm mit 1.200 mm/min geschrieben, arbeitet die Schneide mit einer Last vom Zweieinhalbfachen des angestrebten Zahnvorschubs. Würde mit demselben Werkzeug die Außenkontur eines Zapfens von 20 mm Durchmesser bearbeitet, ginge die Korrektur in die entgegengesetzte Richtung:

vf = 1.200 × (20 + 12) / 20 = 1.920 mm/min

Auch der wirksame radiale Eingriff und der zugehörige Eintrittswinkel lassen sich berechnen. Auf der Innenkontur wird die Beziehung ae,eff = (Dm² − Dw²) / (4 × (Dm − Dcap)) verwendet; dabei ist Dw der Bohrungsdurchmesser vor der Bearbeitung. Der zugehörige Winkel ergibt sich aus β = arccos(1 − 2 × ae,eff / Dcap).

Für die grundlegende Schnittberechnung und die Definition der Symbole kann der Ratgeber zur Berechnung von Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Vorschub herangezogen werden.

Die meisten modernen CAM-Systeme wenden diese Korrektur automatisch an. Demgegenüber ist die Korrektur bei von Hand geschriebenen Programmen, bei Änderungen an der Werkzeugmaschine und in Fällen, in denen der Vorschub-Override vom Bediener verändert wird, zu überprüfen.

6. Vergleich von helikaler Interpolation und Bohrer beim Bohrungsherstellen

Die beiden Verfahren sind keine Alternativen zueinander, sondern Lösungen für unterschiedliche Randbedingungen.

Sind Leistung und Steifigkeit der Werkzeugmaschine ausreichend, ist der Bohrer in der Serienfertigung hinsichtlich der Zerspanleistung das wirtschaftlichste Verfahren. Die helikale Interpolation tritt dort in den Vordergrund, wo am Werkstück zahlreiche unterschiedliche Durchmesser vorkommen, wo auf einer leistungsschwachen Werkzeugmaschine eine Bohrung großen Durchmessers benötigt wird, wo bei zu Adhäsion neigenden Werkstoffen die Spanabfuhr kritisch ist und wo der Bohrungsdurchmesser in eine enge Toleranz gebracht werden soll. Beim Einsatz eines Eckenradiusfräsers verteilt sich die Last im Eckenbereich und der Verschleiß verlangsamt sich; deshalb werden beim helikalen Eintritt häufig Eckenradiusfräser eingesetzt.

Quellen

• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling. iso.org
• Sandvik Coromant — Slicing and trochoidal milling (Obergrenze des radialen Eingriffs und Bereich der axialen Schnitttiefe). sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant — Ramping: two axis linear and circular. sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant — Milling formulas and definitions (Beziehungen für Mitten- und Umfangsvorschub bei der Zirkularinterpolation). sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant — Plunge milling. sandvik.coromant.com
• Harvey Performance Company — Most common methods of tool entry und Ramping to success. harveyperformance.com
• Harvey Performance Company — Circular interpolation: machining circular tool paths. harveyperformance.com
• Kennametal — Helical milling interpolation calculator (Rampenwinkel, axiale Steigung und Ausgabewerte für Mitten- und Schneidenvorschub). kennametal.com