Schaftfräser-Auswahl: Schneidenzahl, Drallwinkel, Eckenradius und L/D-Verhältnis
Bei der Auswahl des richtigen Schaftfräsers werden fünf ausschlaggebende Entscheidungen behandelt: Schneidenzahl, Drallwinkel, Eckenradius, Schneidenlänge und L/D-Verhältnis. Erläutert anhand von Entscheidungstabellen und Anwendungsregeln.
Kurzantwort
- Die Schneidenzahl wird vom Spanabtransport bestimmt: bei Aluminium 2–3, bei Stahl 3–4, bei gehärtetem Stahl und beim Schlichten 4–6.
- Beim Vollnutfräsen sind 2–3 Schneiden nicht zu überschreiten; die Spannut setzt sich zu und das Werkzeug bricht.
- Die Durchbiegung wächst mit der dritten Potenz der Auskraglänge. Eine Verdopplung der Auskraglänge verachtfacht die Durchbiegung.
- Die Eckenradiusgeometrie (Torus) ergibt unter gleichen Bedingungen eine deutlich längere Standzeit als ein flacher Schaftfräser.
Die Auswahl eines Schaftfräsers besteht aus fünf Entscheidungen: Schneidenzahl, Drallwinkel, Eckenradius, Schneidenlänge und L/D-Verhältnis. Die Beschichtung ist ein eigenes Thema und wird im Ratgeber zu den Beschichtungen behandelt.
1. Schneidenzahl (Z)
Die Schneidenzahl bestimmt zwei Dinge zugleich: die Vorschubkapazität und den Spanabtransport.
Da vf = fz × Z × n gilt, verdoppelt eine Verdopplung von Z den Vorschub. Mit steigendem Z
verkleinert sich jedoch der Querschnitt der Spannut. Kann der Span nicht abfließen, klemmt er in der
Nut fest, erhitzt sich und bricht das Werkzeug.
| Werkstoff / Bearbeitung | Z | Begründung |
|---|---|---|
| Aluminium, Kupfer, Kunststoff | 2–3 | Lange, weiche Späne; großes Nutvolumen zwingend |
| Allgemeiner Stahl, Schruppen | 3–4 | Span bricht, Nut ausreichend |
| Stahl, Schlichten | 4–5 | Kleine Späne, bessere Oberfläche und höherer vf |
| Gehärteter Stahl (45+ HRC) | 4–6 | Sehr kleine Späne, Last je Schneide ist gering zu halten |
| Gusseisen | 4–6 | Span in Pulverform, geringe Gefahr des Zusetzens |
| Vollnut (ae = D) | 2–3 | Setzt sich die Nut zu, bricht das Werkzeug, ausnahmslos |
| Trochoidal (ae ≤ 0,1×D) | 4–7 | Geringer Eingriff, leichter Abtransport |
2. Drallwinkel
Die Neigung der Schneidkante gegenüber der Werkzeugachse.
| Drall | Charakter | Einsatz |
|---|---|---|
| 30° | Stabil, geringe Axialkraft | Harte Werkstoffe, unterbrochener Schnitt, Gusseisen |
| 35–38° | Ausgewogen | Stahl, allgemeiner Einsatz |
| 45° | Weicher Schnitt, gute Oberfläche, kräftiger Spanabtransport | Aluminium, Schlichten, dünne Wände |
| 55–60° | Sehr weich, sehr hohe Axialkraft | Aluminium-Schlichten, hohe Geschwindigkeit |
| Variabler Drall | Bricht die Schwingungsfrequenz | Arbeiten mit Ratterproblemen |
Axialkraft: Ein hoher Drall erhöht die axiale (nach oben gerichtete) Kraft. Bei dünnwandigen oder schwach gespannten Werkstücken kann das Werkstück abheben; in diesem Fall wird ein niedriger Drall oder eine „Down-cut“-Geometrie bevorzugt.
3. Eckenradius (R)
| Geometrie | R | Wann |
|---|---|---|
| Flach (square) | 0 | Wenn eine scharfkantige Ecke zwingend ist |
| Eckenradius (Torus) | 0,2 – 4 mm | Standardwahl; Schruppen und allgemeine Arbeiten |
| Kugelförmig (ball nose) | R = D/2 | 3D-Flächen, Schlichten im Formenbau |
Die schwächste Stelle der Schneidkante ist die Ecke; dort häuft sich die Spannung. Ein kleiner Radius verteilt diese Häufung. Sofern die Konstruktion keine scharfkantige Ecke zwingend vorschreibt, wird ein Eckenradiusfräser bevorzugt; unter gleichen Bedingungen ergibt er eine deutlich längere Standzeit und lässt einen höheren Vorschub zu.
Wo trotz Eckenradiusfräser scharfkantige Ecken gefordert sind, ist es ein verbreitetes und wirtschaftliches Vorgehen, das Schruppen mit dem Eckenradiusfräser auszuführen und lediglich die Ecken mit einem flachen Fräser nachzuarbeiten.
4. Schneidenlänge (L1)
Die Schneidenlänge wird nur so groß wie nötig gewählt. Eine große Schneidenlänge:
- macht das Werkzeug nachgiebiger (die Durchbiegung nimmt zu)
- vergrößert die Ratterneigung
- erhöht den Preis
| L1 / D1 | Situation |
|---|---|
| ≤ 2 | Unproblematisch, volle Parameter |
| 2 – 3 | Normal, Aufmerksamkeit erforderlich |
| 3 – 4 | Parameter sind um 20–30 % zu senken |
| > 4 | Lange Baureihe erforderlich; trochoidale Strategie ist zu prüfen |
5. L/D-Verhältnis und Auskraglänge
Das Verhältnis der aus der Spannzange herausragenden Länge des Werkzeugs (L_aus) zum
Schneidendurchmesser ist der wichtigste Einzelfaktor für das Rattern. Denn die Durchbiegung ist der
dritten Potenz der Auskraglänge proportional:
δ ∝ L_aus³ / (E × D⁴)
Eine Verdopplung der Auskraglänge führt somit zur Verachtfachung der Durchbiegung.
| L_aus / D | Empfehlung |
|---|---|
| ≤ 3 | Volle Parameter |
| 3 – 4 | ap und ae werden um 25 % gesenkt |
| 4 – 5 | ap/ae werden halbiert, trochoidale Strategie ist zu prüfen |
| > 5 | Schrumpffutter oder Hydrodehnspannfutter zwingend |
Entscheidend: Das Werkzeug ist nicht weiter als nötig aus der Spannzange herausstehen zu lassen. Es 2 mm tiefer einzuspannen kann wirksamer sein als eine Erhöhung der Schnittparameter.
Entscheidungsübersicht
| Bearbeitung | Z | Drall | R | Hinweis |
|---|---|---|---|---|
| Schruppen in Stahl | 3–4 | 35–38° | 0,5–2 mm | Eckenradius bevorzugt |
| Schlichten in Stahl | 4–5 | 45° | kleiner R | Geringes ap, hohes n |
| Nut in Aluminium | 2 | 45° | 0–0,5 | Poliert oder DLC |
| Schlichten in Aluminium | 3 | 45–55° | kleiner R | Hohes Vc |
| Gehärteter Stahl (50 HRC) | 4–6 | 30–35° | 0,5–1 mm | nACo, trocken/MMS |
| 3D-Schlichten im Formenbau | 2–4 | 30–45° | R = D/2 | Kugelförmige Stirn |
| Tiefe Tasche | 3–4 | 35° | 0,5–2 mm | Lange Baureihe + trochoidal |
Checkliste vor der Bestellung
- Ob die Spannzange den Schaftdurchmesser D2 aufnimmt
- Ob die Schneidenlänge L1 die Taschentiefe abdeckt
- Ob das Verhältnis Auskraglänge/Durchmesser unter 4 bleibt
- Ob bei anstehendem Nutfräsen die Bedingung Z ≤ 3 erfüllt ist
- Ob bei nicht zwingend scharfkantiger Ecke eine Radiusgeometrie gewählt wurde
- Ob die Beschichtung zum zu bearbeitenden Werkstoff passt
Für eine werkstoffbezogene Werkzeugempfehlung lässt sich der Werkzeug- und Beschichtungsfinder nutzen, für die Berechnung der Schnittparameter der Schnittparameter-Rechner.
Häufige Fragen
Welche Schneidenzahl ist bei einem Schaftfräser geeignet?
Bei Aluminium und Nichteisenwerkstoffen werden 2–3 Schneiden bevorzugt, beim allgemeinen Schruppen von Stahl 3–4, beim Schlichten von Stahl 4–5, bei gehärtetem Stahl 4–6. Ausschlaggebend ist das Volumen der Spannut: Mit steigender Schneidenzahl wird die Nut enger, und bei Werkstoffen, die weiche bzw. lange Späne bilden, entsteht die Gefahr des Zusetzens.
Was verändert der Drallwinkel?
Ein hoher Drall (45°+) macht den Schnitt weicher, verbessert die Oberfläche und fördert den Span nach oben; dabei steigt jedoch die Axialkraft, und dünne Werkstücke können abheben. Ein niedriger Drall (30°) ist stabiler und wird bei harten Werkstoffen bevorzugt. Ein variabler Drall wird eingesetzt, um Rattern zu unterbinden.
Was bedeutet das L/D-Verhältnis?
Es ist das Verhältnis der aus der Spannzange herausragenden Länge des Werkzeugs zum Schneidendurchmesser (L/D). Unterhalb von 3 treten keine Probleme auf; zwischen 4 und 5 sind die Parameter zu senken; oberhalb von 5 werden Rattern und Durchbiegung zu einem ernsten Problem. Empfohlen wird der Einsatz des kürzestmöglichen Werkzeugs.
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