Welche Faktoren beeinflussen die Oberflächengüte eines Schaftfräsers?

Als Lieferant von Maisstirnfräsern habe ich aus erster Hand erfahren, wie wichtig eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit bei verschiedenen Bearbeitungsanwendungen ist. Eine glatte und präzise Oberflächenbeschaffenheit steigert nicht nur die Ästhetik des Endprodukts, sondern verbessert auch dessen Funktionalität und Haltbarkeit. In diesem Blogbeitrag werde ich mich mit den Faktoren befassen, die sich auf die Oberflächenbeschaffenheit eines Maisstirnfräsers auswirken, und Einblicke geben, wie diese für die besten Ergebnisse optimiert werden können.

1. Werkzeuggeometrie

Die Geometrie eines Maisstirnfräsers spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit. Mehrere wichtige Aspekte der Werkzeuggeometrie können sich auf die Schnittqualität auswirken:

• Flötendesign: Die Anzahl und Form der Spannuten am Schaftfräser beeinflussen die Spanabfuhr und die Schnittkräfte. Mehr Nuten führen im Allgemeinen zu einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit, da sie die Schnittlast gleichmäßiger verteilen. Zu viele Spannuten können jedoch zu einer schlechten Spanabfuhr führen, was zu Aufbauschneiden und Oberflächenrauheit führen kann.
• Helixwinkel: Der Spiralwinkel der Spannuten beeinflusst die Schneidwirkung und die Spanbildung. Ein höherer Spiralwinkel fördert eine bessere Spanabfuhr und reduziert die Schnittkräfte, was zu einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit führt. Allerdings kann ein sehr großer Spiralwinkel auch die Festigkeit des Werkzeugs verringern.
• Eckenradius: Der Eckenradius des Schaftfräsers beeinflusst die Spannungskonzentration an der Schneidkante. Ein größerer Eckenradius kann die Belastung reduzieren und die Oberflächengüte verbessern, insbesondere bei der Bearbeitung scharfer Ecken.

2. Schnittparameter

Die Schnittparameter, einschließlich Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe, haben einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächengüte. So beeinflusst jeder Parameter die Qualität des Schnitts:

• Schnittgeschwindigkeit: Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Schneide des Schaftfräsers relativ zum Werkstück bewegt. Eine höhere Schnittgeschwindigkeit führt im Allgemeinen zu einer besseren Oberflächengüte, da sie die Schnittkräfte und die Neigung zur Aufbauschneide verringert. Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit kann jedoch zu übermäßigem Werkzeugverschleiß und Wärmeentwicklung führen, was zu einer Verschlechterung der Oberflächenbeschaffenheit führen kann.
• Vorschubgeschwindigkeit: Die Vorschubgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkstück relativ zum Schaftfräser bewegt. Eine niedrigere Vorschubgeschwindigkeit führt normalerweise zu einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit, da die Schneidkante dadurch Material präziser abtragen kann. Allerdings kann ein sehr geringer Vorschub die Bearbeitungszeit verlängern und außerdem dazu führen, dass das Werkzeug am Werkstück reibt und dadurch die Oberfläche beschädigt wird.
• Schnitttiefe: Die Schnitttiefe ist die Materialmenge, die bei jedem Durchgang des Schaftfräsers entfernt wird. Eine geringere Schnitttiefe führt im Allgemeinen zu einer besseren Oberflächengüte, da dadurch die Schnittkräfte und die Belastung des Werkzeugs reduziert werden. Wenn die Schnitttiefe jedoch zu gering ist, kann sich die Anzahl der erforderlichen Durchgänge zur Bearbeitung des Werkstücks erhöhen, was sich auch auf die Oberflächengüte auswirken kann.

3. Werkstückmaterial

Die Eigenschaften des Werkstückmaterials wie Härte, Zähigkeit und Duktilität können die Oberflächenbeschaffenheit erheblich beeinflussen. Hier sind einige Überlegungen bei der Bearbeitung verschiedener Arten von Materialien:

• Harte Materialien: Harte Materialien wie Edelstahl und Titan erfordern eine höhere Schnittgeschwindigkeit und einen geringeren Vorschub, um eine gute Oberflächengüte zu erzielen. Da diese Materialien während der Bearbeitung tendenziell mehr Wärme erzeugen, sind eine ordnungsgemäße Kühlung und Schmierung unerlässlich.
• Weiche Materialien: Weiche Materialien wie Aluminium und Messing können mit einem höheren Vorschub und einer niedrigeren Schnittgeschwindigkeit bearbeitet werden. Allerdings sind diese Materialien anfälliger für Aufbauschneiden- und Oberflächenrisse, daher sind eine scharfe Schneidkante und eine ordnungsgemäße Spanabfuhr von entscheidender Bedeutung.
• Verbundwerkstoffe: Verbundwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFK) erfordern spezielle Schneidwerkzeuge und -techniken, um eine gute Oberflächengüte zu erzielen. Diese Materialien sind häufig abrasiv und können zu einem schnellen Werkzeugverschleiß führen. Daher wird ein hochwertiges Schneidwerkzeug mit geeigneter Beschichtung empfohlen.

4. Werkzeugverschleiß

Werkzeugverschleiß ist ein unvermeidlicher Teil des Bearbeitungsprozesses und kann erhebliche Auswirkungen auf die Oberflächenbeschaffenheit haben. Wenn sich die Schneidkante des Schaftfräsers abnutzt, wird sie stumpf und weniger effektiv beim Materialabtrag, was zu einer raueren Oberflächenbeschaffenheit führen kann. Hier sind einige Anzeichen von Werkzeugverschleiß und wie man sie bekämpft:

• Flankenverschleiß: Flankenverschleiß tritt an der Seite der Schneidkante auf und ist durch eine allmähliche Verringerung der Schärfe der Schneidkante gekennzeichnet. Wenn der Freiflächenverschleiß ein bestimmtes Maß erreicht, kann dies zu erhöhten Schnittkräften und Oberflächenrauheiten führen. Um den Flankenverschleiß zu beheben, sollte der Schaftfräser ausgetauscht oder neu geschärft werden.
• Kraterverschleiß: Kraterverschleiß entsteht an der Spanfläche der Schneidkante und wird durch die hohen Temperaturen und Drücke verursacht, die bei der Bearbeitung entstehen. Kraterverschleiß kann die Schneidkante schwächen und zu einem vorzeitigen Werkzeugausfall führen. Um Kolkverschleiß zu verhindern, kann eine geeignete Schneidflüssigkeit und eine geringere Schnittgeschwindigkeit verwendet werden.
• Absplitterungen und Brüche: Durch übermäßige Schnittkräfte, falsche Schnittparameter oder ein beschädigtes Werkzeug kann es zu Absplitterungen und Brüchen der Schneidkante kommen. Wenn Absplitterungen oder Brüche auftreten, sollte der Schaftfräser sofort ausgetauscht werden, um weitere Schäden am Werkstück zu vermeiden.

5. Schneidflüssigkeiten

Schneidflüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit, indem sie Reibung, Hitze und Werkzeugverschleiß reduzieren. Es stehen verschiedene Arten von Schneidflüssigkeiten zur Verfügung, darunter wasserbasierte, ölbasierte und synthetische Flüssigkeiten. So können Schneidflüssigkeiten die Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen:

• Schmierung: Schneidflüssigkeiten sorgen für eine Schmierung zwischen der Schneidkante und dem Werkstück und reduzieren so Reibung und Verschleiß. Dies trägt dazu bei, eine scharfe Schneidkante zu erhalten und die Oberflächengüte zu verbessern.
• Kühlung: Schneidflüssigkeiten tragen auch dazu bei, die bei der Bearbeitung entstehende Wärme abzuleiten und verhindern so eine Überhitzung des Werkstücks und des Werkzeugs. Überhitzung kann zu thermischen Schäden am Werkstück und am Werkzeug führen, was zu einer schlechten Oberflächengüte führt.
• Spanabfuhr: Schneidflüssigkeiten können dazu beitragen, Späne aus der Schneidzone wegzuspülen und so zu verhindern, dass sie erneut zerschneiden und eine Oberflächenrauheit verursachen. Dies ist besonders wichtig bei der Bearbeitung von Materialien, die lange, faserige Späne erzeugen.

6. Steifigkeit der Werkzeugmaschine

Auch die Steifigkeit der zur Bearbeitung eingesetzten Werkzeugmaschine kann sich auf die Oberflächengüte auswirken. Eine starre Werkzeugmaschine kann den Schnittkräften effektiver standhalten und Vibrationen und Rattern reduzieren. Vibrationen und Rattern können dazu führen, dass sich die Schneidkante unregelmäßig bewegt, was zu einer rauen Oberflächenbeschaffenheit führt. Hier sind einige Möglichkeiten, die Steifigkeit von Werkzeugmaschinen zu verbessern:

• Maschineninstallation: Die Werkzeugmaschine sollte ordnungsgemäß auf einem stabilen Fundament installiert werden, um Vibrationen zu minimieren. Das Fundament sollte eben sein und das Gewicht der Werkzeugmaschine und des Werkstücks tragen können.
• Werkzeughaltung: Der Schaftfräser sollte sicher im Werkzeughalter gehalten werden, um zu verhindern, dass er während der Bearbeitung vibriert oder sich bewegt. Empfehlenswert ist ein hochwertiger Werkzeughalter mit guter Spannkraft.
• Werkstückbefestigung: Das Werkstück sollte fest in der Vorrichtung fixiert sein, um zu verhindern, dass es sich während der Bearbeitung bewegt oder vibriert. Eine ordnungsgemäße Vorrichtungskonstruktion kann dazu beitragen, die Schnittkräfte gleichmäßig zu verteilen und das Risiko von Vibrationen zu verringern.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Oberflächenbeschaffenheit eines Maisstirnfräsers von mehreren Faktoren beeinflusst wird, darunter Werkzeuggeometrie, Schnittparameter, Werkstückmaterial, Werkzeugverschleiß, Schneidflüssigkeiten und Werkzeugmaschinensteifigkeit. Durch das Verständnis dieser Faktoren und deren Optimierung für die spezifische Bearbeitungsanwendung ist es möglich, eine hochwertige Oberflächengüte zu erzielen und die Gesamtproduktivität und Effizienz des Bearbeitungsprozesses zu verbessern.

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Referenzen

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• Trent, EM, & Wright, PK (2000). Metallschneiden. Butterworth-Heinemann.
• Stephenson, DA, & Agapiou, JS (2004). Theorie und Praxis der Metallzerspanung. CRC-Presse.