Optimierung der Schnittparameter von Hartmetall-Schaftfräsern: Ein umfassender Leitfaden

Hartmetall-Schaftfräser sind unverzichtbare Rotationsschneidwerkzeuge in der Präzisionsbearbeitung, die für ihre Langlebigkeit und Effizienz bei Fräsarbeiten wie Nutenfräsen, Profilieren, Planbearbeitung und Konturieren geschätzt werden. Hergestellt aus Wolframkarbid - einem Verbundwerkstoff aus Wolfram und Kohlenstoff mit Kobaltbinder - bieten sie im Vergleich zu Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl (HSS) eine überragende Härte (bis zu 90+ HRA), Verschleißfestigkeit und Wärmetoleranz. Dies ermöglicht höhere Drehzahlen und Vorschübe, wodurch die Zykluszeiten reduziert werden und die scharfen Kanten länger erhalten bleiben. Die Optimierung von Parametern wie Spindeldrehzahl, Vorschub und Schnitttiefe ist entscheidend für das Gleichgewicht zwischen Produktivität, Oberflächengüte, Werkzeugstandzeit und Maschinensicherheit. Schlechte Einstellungen können zu übermäßigem Verschleiß, Bruch oder suboptimalen Ergebnissen führen; ideale Einstellungen maximieren die Materialabtragsrate (MRR) und minimieren die Kosten. Dieser Leitfaden stützt sich auf bewährte Verfahren der Branche und enthält Formeln, Tabellen und Tipps, die auf verschiedene Materialien und Szenarien zugeschnitten sind.

Arten von Hartmetall-Schaftfräsern

Die Auswahl des richtigen Typs beeinflusst die Wahl der Parameter:

• Walzenstirnfräser: Für allgemeine Schnitte mit flachem Boden; vielseitig einsetzbar zum Schruppen und Schlichten.
• Schaftfräser mit Kugelkopf: Für 3D-Konturierung und Formen; erfordern angepasste Vorschübe aufgrund der gekrümmten Geometrie.
• Eckradius-Schaftfräser: Verstärkung der Kanten für schwere Schrupparbeiten; ermöglicht höhere Vorschübe.
• Schrupp-Schaftfräser: Grobe Zähne für die Abtragung von Schüttgut; niedrigere Drehzahlen zur Bewältigung der Spänebelastung.
• Kegelige Schaftfräser: Für abgewinkelte Merkmale; Parameter skalieren mit dem effektiven Durchmesser.

Beschichtungen wie TiAlN oder AlTiN optimieren den Schutz vor Hitze und Verschleiß und ermöglichen oft 20-50% höhere Geschwindigkeiten auf Eisenwerkstoffen.

Parameter für das Schneiden von Schlüsseln

Beherrschen Sie diese, um eine optimale Leistung zu erzielen:

Parameter	Beschreibung	Einheiten (imperial/metrisch)	Typischer Bereich für Hartmetall-Schaftfräser
Spindeldrehzahl (RPM)	Umdrehungen pro Minute des Werkzeugs; steuert die Schnittgeschwindigkeit und die Wärmeentwicklung.	DREHZAHL / RPM	5.000-10.000 (variiert je nach Durchmesser und Material)
Vorschubgeschwindigkeit	Vorschubgeschwindigkeit in das Werkstück; beeinflusst Spandicke und MRR.	IPM (Zoll/min) / mm/min	10-100 IPM (Einstellung pro Zahn)
Chip-Last (IPT)	Abgetragenes Material pro Nut und Umdrehung; Schlüssel für die Lebensdauer des Werkzeugs.	IPT (Zoll/Zahn) / mm/Zahn	0,001-0,010 IPT
Axiale Schnitttiefe (ADOC)	Eindringtiefe entlang der Werkzeugachse; Aufprallkräfte und Durchbiegung.	Zentimeter / mm	0,5-2,5 × Werkzeugdurchmesser
Radiale Schnitttiefe (RDOC)	Eingriff senkrecht zur Achse (Stepover %); niedriger für die Endbearbeitung.	% von Durchmesser / mm	10-50% zum Schruppen; 5-10% zum Schlichten
Kühlmittel	Flüssigkeit zur Wärme-/Spänekontrolle; je nach Material überflutet, vernebelt oder trocken.	K.A.	Unerlässlich für Stahl/Titan; optional für Aluminium

Berechnungsmethoden

Beginnen Sie mit den Herstellerangaben und verfeinern Sie diese dann mit Hilfe von Formeln. Dabei wird von unbeschichteten Werkzeugen ausgegangen; Beschichtungen können die SFM um 10-30% erhöhen. Verwenden Sie eine Software wie G-Wizard, um die Präzision zu erhöhen, aber für die Grundlagen reichen auch manuelle Berechnungen aus.

Spindeldrehzahl (RPM)

• Kaiserlich: RPM = (SFM × 3,82) / Werkzeugdurchmesser (Zoll)
• Metrisch: RPM = (Vc × 1.000) / (π × Werkzeugdurchmesser in mm) SFM (Surface Feet per Minute) oder Vc (m/min) ist materialspezifisch (siehe Tabellen unten). Beispiel: Für ein 1/2″-Werkzeug in Aluminium (SFM=800), RPM = (800 × 3,82) / 0,5 = 6.112.

2. Vorschubgeschwindigkeit (IPM)

• Kaiserlich: IPM = RPM × IPT × Anzahl der Spannuten (T)
• Metrisch: mm/min = Drehzahl × mm/Zahn × T IPT (Chip Load) stellt ein Gleichgewicht zwischen MRR und Verschleiß her - ein zu niedriger Wert führt zu Reibung/Hitze; ein zu hoher Wert birgt die Gefahr von Brüchen. Beispiel: Bei 6.112 U/min, 0,004 IPT, 4 Schneiden: IPM = 6.112 × 0,004 × 4 = 98 IPM.

3. Materialabtragsrate (MRR)

• MRR = ADOC × RDOC × IPM (Kubikzoll/min) Maximierung durch Erhöhung der Tiefen/Vorschübe, ohne die Maschinenleistung zu überschreiten (Ziel ist eine Spindellast von 80%).

Materialspezifische Empfehlungen

Verwenden Sie diese Ausgangspunkte aus den zusammengefassten Richtlinien; testen und passen Sie 10-20% je nach Einrichtung an. Für einen 1/4″-Schaftfräser mit 4 Schneiden.

Nichteisenwerkstoffe (z. B. Aluminium, Kupfer)

Hohe Drehzahlen, mäßige Späne; neigt ohne Kühlmittel zu Aufbauschneiden.

Material	SFM-Reihe	IPT (1/4″ Werkzeug)	RPM Beispiel	Futtermittel (IPM) Beispiel	Tipps
Aluminium (6061)	800-1,500	0.002-0.004	9,664-18,120	77-145	Hohe Vorschübe, um Gummierung zu vermeiden; MMS bevorzugt.
Messing/Kupfer	600-1,000	0.001-0.002	7,248-12,080	29-49	Gleichlauffräsen; wenn möglich trocken.
Kunststoffe	200-600	0.003-0.005	3,048-9,144	37-61	Scharfe Werkzeuge; geringe Hitze, um Schmelzen zu vermeiden.

Eisenhaltige Materialien (z. B. Stahl, Edelstahl)

Mäßige Geschwindigkeiten; Fokus auf Spankontrolle, um Kaltverfestigung zu vermeiden.

Material	SFM-Reihe	IPT (1/4″ Werkzeug)	RPM Beispiel	Futtermittel (IPM) Beispiel	Tipps
Unlegierter Stahl (1018)	100-300	0.001-0.002	1,216-3,648	5-15	Kühlmittel fluten; 40-60% Umstellung.
Rostfrei (304)	100-250	0.0005-0.001	1,216-3,024	2-5	Niedriger RDOC (20%); Hochdruck-Kühlmittel.
Werkzeugstahl (A2)	100-250	0.001-0.0015	1,216-3,024	5-7	Beschichtete Werkzeuge; Monitor für Aufbauschneiden.

Hochtemperatur-Legierungen und Titan

Niedrige Geschwindigkeiten, leichte Schnitte; Wärmemanagement ist der Schlüssel.

Material	SFM-Reihe	IPT (1/4″ Werkzeug)	RPM Beispiel	Futtermittel (IPM) Beispiel	Tipps
Titan (6Al-4V)	50-250	0.0005-0.001	608-3,024	1-5	Reichlich Kühlmittel; trochoidale Pfade für geringes Engagement.
Inconel 718	40-60	0.001-0.0015	486-728	2-4	Starrer Aufbau; Werkzeuge mit variabler Helix zur Reduzierung von Ratterern.

RPM Beispiel: (SFM × 3,82) / 0,25. Vorschub: RPM × IPT × 4 Schneiden. Skalieren Sie IPT auf 20-50% für größere Durchmesser.

Optimierungsstrategien

• Start konservativ: Verwenden Sie 70-80% der maximal empfohlenen SFM/IPT; erhöhen Sie diese während der Überwachung.
• Monitor-Feedback: Auf Rattergeräusche achten (Drehzahl reduzieren 10%); Späne prüfen (kurz/kurz = gut; strähnig = Vorschub erhöhen).

• Fortgeschrittene Techniken:
  • Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung (HSM): 1.500+ SFM mit leichter RDOC (5-10%); erhöht die MRR um das 2-3-fache.
  • Trochoidales Fräsen: Kreisförmige Bahnen mit 5-15% Eingriff; ideal für Schlitze, verlängert die Lebensdauer 2x.
  • Klettern vs. Konventionell: Steigen für bessere Oberflächengüte (Vorschub/Werkzeugdrehung in die gleiche Richtung); konventionell für Einlaufschnitte.
• Iterieren: In 10%-Schritten einstellen; Ergebnisse zur Wiederholbarkeit protokollieren.

Fehlersuche bei allgemeinen Problemen

Ausgabe	Verursacht	Lösungen
Bruch des Werkzeugs	Übermäßiger ADOC/RDOC, hohe IPT	Tiefen 20% reduzieren; Steifigkeit prüfen.
Rattern/Vibration	Resonanz, Ablenkung	Variieren Sie die Drehzahl; verwenden Sie kürzere Werkzeuge; fügen Sie Dämpfer hinzu.
Schlechtes Finish	Niedrige Drehzahl, hoher Vorschub	Geschwindigkeit erhöhen; IPT senken; Kühlmittel sicherstellen.
Chip-Aufbau	Unzureichende Evakuierung	Zufuhr verstärken; Kühlmitteldruck optimieren.
Schnelle Abnutzung	Wärme aus Trockenübungen, falsche SFM	Flüssigkeit auftragen; Materialempfehlungen beachten.

Bewährte Praktiken für die Lebensdauer von Werkzeugen

• Wählen Sie die richtige Beschichtung: Wählen Sie eine Beschichtung (z. B. TiAlN, AlCrN, TiCN), die speziell für Ihr Werkstückmaterial optimiert ist. Beschichtungen erhöhen die Härte, die Hitzebeständigkeit und die Schmierfähigkeit, was die Standzeit der Werkzeuge erheblich verlängert, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder Trockenbearbeitung.
• Stimmen Sie die Flötenzahl auf das Material ab:
  • Untere Flötenzahl (2-3): Ideal für nicht eisenhaltige, gummiartige oder weichere Materialien (wie Aluminium), da sie Folgendes bieten größere Spänetäler für einen effizienten Späneabtransport, der ein Nachschneiden der Späne und das Packen verhindert.
  • Höhere Flötenzahl (5+): Besser für härtere, eisenhaltige Materialien (wie Stahl, Edelstahl), da sie eine dickerer, steiferer Kern für Stärke und Stabilität.
• Minimieren Sie die Schnittlänge (LOC): Verwenden Sie die kürzestmögliche LOC-/Rillenlänge, die für die Arbeit erforderlich ist. Ein kürzeres Werkzeug ist steifer und weniger anfällig für Durchbiegung, wodurch Vibrationen und Werkzeugbrüche reduziert werden.
• Verwendung der variablen Helix-/Pitch-Geometrie: Werkzeuge mit variablen Spiralwinkeln helfen Oberschwingungen (Rattern) auflösen, Dies führt zu einem glatteren Schnitt, einer besseren Oberfläche und einer längeren Lebensdauer der Werkzeuge.
• Verwenden Sie Eckenradiuswerkzeuge (Bullnose): Ein Schaftfräser (mit einem kleinen Radius an der Ecke) ist typischerweise langlebiger als ein scharfkantiges Ende, da der Radius die Schnittkräfte gleichmäßiger verteilt und ein Ausbrechen verhindert.