Zerspanen – Schnittwerte und Werkzeugwahl

An der Maschine stellt man zwei Werte ein: Drehzahl und Vorschub. In den Tabellen der Werkzeughersteller stehen dagegen Schnittgeschwindigkeit und Zahnvorschub. Der Weg vom einen zum anderen ist kurz, aber man muss ihn kennen.

Die beiden Formeln

Die Schnittgeschwindigkeit v_c ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneide durch den Werkstoff läuft, in Metern pro Minute. Sie hängt von Werkstoff und Schneidstoff ab, nicht von der Maschine. Daraus ergibt sich die Drehzahl:

n = (vc × 1000) / (π × d)

n    Drehzahl in min-1
vc   Schnittgeschwindigkeit in m/min
d    Fräserdurchmesser in mm

Der Vorschub folgt aus dem Zahnvorschub f_z – dem Weg, den jede einzelne Schneide abträgt:

vf = n × z × fz

vf   Vorschub in mm/min
z    Anzahl Schneiden
fz   Zahnvorschub in mm

Ein gerechnetes Beispiel

Ein 6-mm-Vollhartmetallfräser in Aluminium, v_c = 400 m/min, drei Schneiden, f_z = 0,03 mm:

n  = 400 × 1000 / (3,1416 × 6)  = 21221 min-1
vf = 21221 × 3 × 0,03            = 1910 mm/min

Bemerkenswert daran: Diese Drehzahl liegt im Bereich meiner 2,2-kW-Spindel, die bis 24 000 min^-1 dreht. Bei kleineren Fräsern wird die Drehzahl dagegen schnell zum begrenzenden Faktor – ein 3-mm-Fräser bräuchte bei gleicher Schnittgeschwindigkeit über 42441 min^-1. Dann bleibt nur, die Schnittgeschwindigkeit zu senken und entsprechend langsamer vorzuschieben.

Richtwerte für die Schnittgeschwindigkeit

Anhaltswerte, keine Vorgaben. Werkzeughersteller, Beschichtung, Kühlung und die Steifigkeit der Maschine verschieben das erheblich – auf einer selbstgebauten Fräse liegt man mit den unteren Werten meistens richtiger.

Wie viele Schneiden?

Die naheliegende Annahme lautet: mehr Schneiden, mehr Leistung. Bei Aluminium ist eher das Gegenteil richtig.

Der Grund ist der Spanabtransport. Weiches Aluminium neigt zum Kleben an der Schneide. Bleibt der Span in der Nut, presst ihn die nächste Schneide fest – und am Ende bricht der Fräser. Je weniger Schneiden, desto grösser der Spanraum.

Ebenso wichtig, auf einer selbstgebauten Maschine mehr als auf einer massiven: kurz und dick schlägt lang und dünn. Die Steifigkeit steigt mit der vierten Potenz des Durchmessers und fällt mit der dritten Potenz der Auskraglänge. Wer den Fräser zehn Millimeter tiefer einspannt, gewinnt mehr als durch jede Feinabstimmung der Schnittwerte.

Aluminium: nicht jede Legierung lässt sich fräsen

Ein Punkt, der leicht übersehen wird: Das weichste Material ist nicht das am leichtesten zu bearbeitende. Reines Aluminium und die Blechlegierungen AlMg1 und AlMg3 schmieren – sie bilden Aufbauschneiden, die Oberfläche wird rau, der Fräser setzt sich zu.

Deutlich besser zerspanen die festeren Legierungen:

• AlMgSi0,5 und AlMgSi1 – gängige Konstruktionslegierungen, gut brauchbar
• AlZnMgCu1,5, das sogenannte Hartaluminium – sehr gut zerspanbar
• Automatenlegierungen wie AlCuMgPb – auf Zerspanung ausgelegt, kurz brechende Späne

Beim Materialeinkauf lohnt sich deshalb der Blick auf die Legierung. Ein Stück Blech aus dem Baumarkt verhält sich beim Fräsen oft deutlich schlechter als teureres Material in Zerspanungsqualität – und kostet am Ende mehr, wenn ein Fräser dabei draufgeht.

Minimalmengenschmierung

Beim Fräsen von Aluminium arbeite ich immer mit Minimalmengenschmierung. Das ist keine Kühlung im eigentlichen Sinn, sondern genau das Gegenmittel gegen das Problem aus dem vorigen Abschnitt: Ein feiner Schmierfilm auf der Schneide verhindert, dass sich Aluminium daran festsetzt und eine Aufbauschneide bildet.

Der Unterschied zur klassischen Flutkühlung ist erheblich – gerade in einer Hobbywerkstatt:

• Kein Kühlmittelkreislauf mit Tank, Pumpe, Rücklauf und Wanne, den man bei einer selbstgebauten Maschine erst konstruieren müsste
• Die Späne bleiben trocken und lassen sich absaugen, statt als Schlamm anzufallen
• Kein verkeimendes Kühlmittel, das nach ein paar Wochen Standzeit gewechselt werden will

Mein System ist eine Tröpfchenschmierung von Dynacut, ein Niederdrucksystem mit koaxialer Düse. Schmierstoff und Blasluft werden getrennt bis zur Düsenspitze geführt und erst dort zusammengebracht. Die Tröpfchen sind dadurch schwer genug, dass sie am Werkzeug landen statt als Nebel im Raum zu stehen – in einer Werkstatt ohne Absauganlage der entscheidende Punkt.

Zwei praktische Vorteile kommen dazu: Der Luftbedarf ist so gering, dass ein kleiner Kompressor genügt. Und weil geschaltet wird, lässt sich die Schmierung über die CNC-Steuerung ein- und ausschalten – sie läuft also nur während der Bearbeitung, nicht während der Eilgänge.

Auf den Bildern der Fräse ist die Düse als flexibler Schwanenhals neben der Spindel zu sehen, mit der blauen Luftleitung.

Mein Werkzeug

Für Aluminium und andere Nichteisenmetalle nutze ich VHM-Schaftfräser mit drei Schneiden, Bezeichnung 3 ALE 060 300 070, bezogen bei Streuli Techno. Damit habe ich durchweg gute Erfahrungen gemacht, ebenso mit deren übrigen Fräsern und Bohrern für Nichteisenmetalle und Holz.

Dass es bei mir drei Schneiden sind und nicht der theoretisch bessere Einschneider, hat einen praktischen Grund: Die höhere Laufruhe kommt einer selbstgebauten Maschine entgegen, und mit moderaten Zustellungen bleibt der Spanabtransport trotzdem beherrschbar.

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