Vorschübe und Drehzahlen beim Gewindefräsen: Berechnung der Fräserbahn

Die Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten beim Gewindefräsen sind nicht vollständig, wenn ein Rechner die Drehzahl und den linearen Vorschub angibt. Diese Werte beschreiben den Schnitt am aktiven Durchmesser des Werkzeugs. Die CNC steuert jedoch die Mitte des Fräsers entlang einer spiralförmigen Bahn. Bei einem Innengewinde ist diese Mittellinie kleiner als der Durchmesser, bei dem die Schneidkante arbeitet. Bei einem Außengewinde ist er größer. Wenn das CAM-System einen bahngekorrigierten Vorschub erwartet und einen unkorrigierten Schneidkantenvorschub erhält – oder einen Wert korrigiert, der bereits korrigiert wurde –, entspricht die Spanbelastung nicht mehr den Vorgaben des Programmierers.

Ein fundiertes Verfahren umfasst daher zwei Berechnungen und eine Überprüfung. Zunächst werden die Spindeldrehzahl und der Vorschub an der Schneidkante anhand der Daten für den jeweiligen Fräser und das Werkstück berechnet. Anschließend wird dieser Vorschub auf die Bahn zur Fräsermitte umgerechnet, wenn das Programmiersystem dies erfordert. Schließlich wird die erstellte Bewegung überprüft und ein Gewinde getestet, bevor die Produktion freigegeben wird.

Rechner ausprobieren

Legen Sie die Geometrie fest, bevor Sie die Berechnung durchführen.

Beginnen Sie mit dem Gewinde, nicht mit dem Taschenrechner. Notieren Sie die Gewindeform und die Nenngröße, die Steigung oder die Gewindegänge pro Zoll, die Toleranzklasse, die Lage (innen oder außen), die Rechts- oder Linksgewinde, die Anzahl der Gewindegänge, die nutzbare Gewindetiefe, den Freiraum und die Prüfmethode. Legen Sie das Vorbohrloch oder den Außendurchmesser fest und vergewissern Sie sich, dass das Werkzeug einfahren, bis zur Tiefe schneiden und wieder ausfahren kann, ohne mit einer Schulter zu kollidieren.

Bestimmen Sie anschließend den Fräser anhand des Herstellers und der genauen Artikelnummer. Notieren Sie den Schnittdurchmesser, die Anzahl der wirksamen Zähne, die Schnittlänge, gegebenenfalls die Mindestbohrung, die Ausführung als Einzelprofil oder Mehrfachprofil sowie den Schaft und den Halter. Ersetzen Sie den Fräserdurchmesser nicht durch den Nenngewindedurchmesser. Gehen Sie nicht davon aus, dass zwei Werkzeuge, die das gleiche Gewinde schneiden, dieselbe Oberflächengeschwindigkeit, Spanstärke oder Radial-Pass-Strategie verwenden.

Die Sortiment an Hartmetall-Gewindefräsern kann dabei helfen, geeignete Werkzeugfamilien zu identifizieren. Die Zeichnungs- und Anwendungsdaten des ausgewählten Modells bestimmen weiterhin das Programm; die Verknüpfung zur Sammlung ist kein Hinweis darauf, dass jede aufgeführte Familie für jedes Material, jede Einstichtiefe oder jede Gewindeform geeignet ist.

Vervollständigen Sie das Bedingungstupel, bevor Sie die Zerspanungsdaten auswählen: Werkstoff und Härte des Werkstücks, Wärmebehandlung, Zunderbildung oder Unterbrechung, Kühlmittelart, Haltertyp, gemessener Rundlauf, Überstand, Spindelbereich, Vorschubkapazität, Beschleunigungsgrenzen und Steifigkeit der Aufspannung. Dokumentieren Sie außerdem, was das CAM-Feld bedeutet. Einige Systeme fragen den Vorschub an der Schneidkante ab und berechnen daraus den Mittellinienvorschub. Andere erwarten den Mittellinienwert direkt. Dieses eine Detail der Schnittstelle entscheidet darüber, ob eine separate Bogenkorrektur in die Berechnung einfließen muss.

Das Verhältnis zwischen Werkzeug und Gewindegröße verdient besondere Beachtung. Je mehr des Innendurchmessers des Gewindes der Fräser einnimmt, desto größer wird der Unterschied zwischen dem Umfang der Schneidkante und dem Umfang der Mittellinie proportional. Die Korrektur kann daher bei einer kleinen Bohrung mit einem relativ großen Fräser eine wesentlich größere Rolle spielen als bei einer großen Bohrung mit einem kleinen Fräser. Ein Fräser, der physisch in die Vorbohrung passt, lässt möglicherweise dennoch wenig Platz für einen sanften Einlaufbogen oder den Spanabtransport. Überprüfen Sie diese Einschränkungen, bevor Sie die Zykluszeit optimieren.

Auch die Gewindetiefe beeinflusst das mechanische Verhalten. Ein größerer Überstand verbessert die Zugänglichkeit, verringert jedoch die Steifigkeit; ein tiefes Blindgewinde schränkt zudem den Spanabfluss und den Austrittsabstand ein. Hierbei handelt es sich um Einschränkungen bei der Auswahl und Einrichtung, nicht um Faktoren, die durch eine Vorschubgleichung behoben werden können. Wenn das gewählte Werkzeug die Anforderungen an Reichweite und Steifigkeit nicht gleichzeitig erfüllen kann, sollten Sie die Werkzeugauswahl überdenken, anstatt dies durch eine willkürliche Vorschubkorrektur auszugleichen.

Berechne die Spindeldrehzahl anhand des tatsächlich verwendeten Fräsers

Verwenden Sie die vom jeweiligen Werkzeughersteller angegebene Schnittgeschwindigkeit unter Bedingungen, die dem Fräser, der Beschichtung, dem Werkstoff und dem Bearbeitungsvorgang entsprechen. Ein Wert aus einem Forum oder ein Wert für eine andere Werkzeugfamilie kann zwar Anlass zu weiteren Untersuchungen geben, ist jedoch kein Produktionsparameter.

Für Zoll-Einheiten:

Die „Common-Shop“-Näherung n = (SFM × 3,82) / D_in drückt dieselbe Beziehung aus. Für metrische Einheiten:

Hier D ist der tatsächliche Schnittdurchmesser gemäß den Angaben des Lieferanten, nicht der Gewindedurchmesser oder der Durchmesser der Fräsermittellinie. Vc wird in Metern pro Minute angegeben; SFM entspricht Oberflächenfuß pro Minute.

Vergleichen Sie das Ergebnis mit dem zulässigen Spindelbereich der Maschine unter Last. Wenn die berechnete Drehzahl den Grenzwert überschreitet, verwenden Sie die erreichbare Drehzahl und berechnen Sie den Vorschub ausgehend von dieser tatsächlichen Drehzahl neu. Beibehaltung des bisherigen linearen Vorschubs bei gleichzeitiger Verringerung der Drehzahl erhöht die Spanbelastung. Eine Erhöhung der Drehzahl ohne Anpassung des Vorschubs verringert diese. Beide Faktoren gehören zusammen.

Vorschub pro Zahn in Vorschub an der Schneidkante umrechnen

Wenn in der Quelle der Vorschub pro Zahn angegeben ist, berechnen Sie den linearen Vorschub am aktiven Schnittdurchmesser:

z ist die Anzahl der effektiven Schneidezähne und fz ist der Vorschub pro Zahn. Die Ausgabe erfolgt in Zoll pro Minute, wenn fz beträgt Zoll pro Zahn oder Millimeter pro Minute, wenn fz beträgt Millimeter pro Zahn.

Überprüfen Sie, was bei dem ausgewählten Fräser als wirksamer Zahn gilt. Ein Gewindefräser mit mehreren Gewindeprofilen kann über seine Länge hinweg viele Gewindeprofile aufweisen, doch diese Profile entsprechen nicht automatisch der Anzahl der Schneiden in der Vorschubgleichung. Halten Sie sich an die Definition des Herstellers. Wenn in der Quelle bereits ein linearer Vorschub für eine bestimmte Drehzahl angegeben ist, multiplizieren Sie diesen ebenfalls nicht erneut mit der Drehzahl oder der Anzahl der Schneiden.

Dieses Ergebnis entspricht dem gewünschten Vorschub an der Schneidkante. Es gewährleistet, dass die gewählte Spanbelastung am Werkzeugumfang beim geradlinigen Eingriff erhalten bleibt. Durch die Kreisinterpolation entsteht ein zweiter Radius, sodass der CNC-Befehl möglicherweise einen weiteren Schritt erfordert.

Die Vorschubwerte auf die Bahn des Fräszentrums übertragen

Der lineare Vorschub ist die zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit, jedoch muss die zur Berechnung herangezogene Maßbezugsebene angegeben werden. Wenn die CAM-Software oder die Steuerung den Vorschub anhand der ebenen XY-Bogenkomponente definiert, durchlaufen die aktive Schneidkante und die Werkzeugmitte ihre jeweiligen Umfänge in derselben Zeit. Ihre ebenen Vorschübe stehen im Verhältnis des Bahn-Durchmesser-Verhältnisses zueinander:

Das ist das zentrale Problem der zirkulären Interpolation: Ein identischer Winkelvorschub bedeutet nicht, dass bei zwei Radien die lineare Strecke identisch ist.

Dieses Durchmesserverhältnis ist keine allgemeingültige Formel für den dreidimensionalen Schraubvorschub. Wenn programmiert F stellt die resultierende Strecke entlang der gesamten Helix dar; auch die axiale Steigung pro Umlauf trägt zur Weglänge bei. Bei axialem Vorschub L pro Umlaufbahn beträgt das entsprechende Längenverhältnis:

Symbole: F_c,XY und F_e,XY sind planare Mittenbahn- und Schneidkantenvorschübe; F_c,h und F_e,h sind die entsprechenden resultierenden Vorschübe auf spiralförmiger Bahn; D_c und D_e sind ihre Bahndurchmesser; und L ist der Axialvorschub pro vollständiger Werkzeugbahnumlaufbahn.

Verwenden Sie das Planarverhältnis nur, wenn in der CAM-/Steuerungsdokumentation der Vorschub aus einer planaren Kreisbewegung definiert ist. Verwenden Sie die Spiral-Längen-Beziehung nur, wenn darin der Vorschub entlang der resultierenden 3D-Bahn definiert ist. Viele Systeme wickeln dies intern ab, daher müssen das eingegebene Feld, die generierte Mittelbahn und der festgelegte Vorschubmodus gemeinsam überprüft werden.

Bei einem Innengewinde verläuft die Mittelbahn innerhalb der aktiven Schneidkantenbahn. Da ihr Durchmesser kleiner ist, ist der Mittellinienvorschub in der Regel geringer als der Kantenvorschub, wenn die Steuerung die Mitte des Schneidwerkzeugs ansteuert. Bei einem Außengewinde bewegt sich die Mitte auf einem größeren Kreis als die aktive, nach innen gerichtete Schneidkante, sodass der erforderliche Mittellinienvorschub in der Regel höher ist.

Diese Richtungsprüfung ist zwar nützlich, reicht aber nicht aus, um aus dem Gedächtnis zu programmieren. Der für D_edge_path Dies hängt davon ab, wie der Werkzeughersteller und die CAM-Software den aktiven Gewindeschneidweg definieren – Hauptdurchmesser, Nebendurchmesser, Steigung oder einen anderen wirksamen Durchmesser. Durch Werkzeugkorrektur, programmierte Kontur und die Interpretation durch die Steuerung kann sich die Zuständigkeit zwischen CAM-Software und Maschine verschieben. Verwenden Sie die ausgewählte Werkzeugdokumentation und überprüfen Sie den generierten Mittelpfad.

Die sicherste Frage lautet nicht: “Welche Korrekturformel verwende ich immer?”, sondern: “Welchen physikalischen Weg beschreibt diese Eingabe, und welchen Weg beschreibt dieser Softwarebefehl?” Notieren Sie beide Antworten neben der Berechnung. Wenden Sie dann das Verhältnis einmal an.

Rechner für Drehzahl beim Gewindefräsen und planaren Vorschub

Geben Sie die Fräsdaten für das jeweilige Fräswerkzeug und Material ein und geben Sie anschließend den Durchmesser der aktiven Schneidkantenbahn sowie den Durchmesser der Fräswerkzeug-Mittelbahn ein. Das letzte Ergebnis ist lediglich eine Prüfung des ebenen Bahnverhältnisses. Verwenden Sie diese Option nur, wenn die CAM-Software oder die Steuerung einen Vorschub entlang der Mittellinie erwartet und die Korrektur noch nicht vorgenommen hat.

Steigung und Spindelvorschub getrennt halten

Die Gewindesteigung bestimmt den axialen Vorschub entlang der Gewindespirale. Bei einem Einfachgewinde bewirkt eine 360-Grad-Umlaufbewegung des Schneidwerkzeugs um das Werkstück einen Vorschub um eine Gewindesteigung entlang der Gewindeachse. Diese Umlaufbewegung entspricht einer Umdrehung der Werkzeugbahn, nicht einer Umdrehung der Spindel. Die Spindel kann sich tausende Male drehen, während die Mitte des Schneidwerkzeugs eine Umlaufbewegung vollführt.

Bei einem Mehrganggewinde sind Steigung und Gewindegang nicht austauschbar: Die Steigung ist der axiale Vorschub pro Umdrehung des Gewindes und entspricht der Gewindesteigung multipliziert mit der Anzahl der Gewindegänge. Der CAM-Zyklus muss die beabsichtigte Anzahl der Gewindegänge und die Gewindedrehrichtung widerspiegeln. “Korrigieren” Sie niemals einen Fehler bei der axialen Steigung, indem Sie den Vorschub pro Zahn ändern.

Die Steigung beeinflusst zudem die tatsächliche dreidimensionale Strecke, die der Mittelpunkt entlang einer Helix zurücklegt. Viele CAM-Systeme berechnen die spiralförmige Bahn und das Vorschubverhalten automatisch. Der Programmierer muss jedoch nach einer Umlaufbahn den axialen Endpunkt, die Gesamtzahl der Umlaufbahnen, die Starttiefe, die Endtiefe sowie die Frage bestätigen, ob die Ein- und Auslaufbewegungen einen ausreichenden Abstand zum Werkstück einhalten.

Führen Sie eine symbolische Berechnung für Innengewinde durch

Angenommen, die genauen Werkzeugdaten geben die Schnittgeschwindigkeit an Vc, Vorschub pro Zahn fz, Schneiddurchmesser Dc und effektive Flötenanzahl z für einen definierten Materialzustand. Das Innengewindemodell liefert den Durchmesser der aktiven Schneidkante De, und der CAM-Werkzeugweg ergibt den Durchmesser in der Mitte des Schneidwerkzeugs Dp.

1. Berechnen n = (1000 × V_c) / (π × D_c) in metrischen Einheiten.
2. Wenden Sie gegebenenfalls die für die Maschine geltende Spindelbegrenzung an.
3. Vorschub berechnen F_e = n × z × f_z.
4. Wenn CAM einen planaren Vorschub auf der Mittelbahn erwartet, berechnen Sie F_p = F_e × (D_p / D_e). Wenn ein resultierender Vorschub auf einer spiralförmigen Bahn erwartet wird, verwende das Verhältnis der Spiralänge zum axialen Vorschub L stattdessen.
5. Eingabe Fp einmal. Wenn CAM eine Kantenzuführung erwartet und das Verhältnis selbst anwendet, geben Sie Folgendes ein: Fe und korrigieren Sie es nicht vorab.
6. Stellen Sie sicher, dass sich eine 360-Grad-Umdrehung bei einem Einfachgewinde um den angegebenen Steigungswert vorwärtsbewegt.

Weil Dp ist kleiner als De für den internen Fall, Fp sollte kleiner sein als Fe. Sollte das Ergebnis in die entgegengesetzte Richtung tendieren, halten Sie inne und überprüfen Sie die Durchmesserdefinitionen. Dieses symbolische Beispiel enthält bewusst keine Angaben zu empfohlenem SFM, Spanvolumen oder Durchmesser. Diese Eingaben müssen auf das ausgewählte Werkzeug und die ausgewählten Bedingungen zurückführbar sein.

Den CAM-Ausgang vor der Maschine überprüfen

Betrachten Sie ein fehlerfreies Simulationsbild nicht als Beweis dafür, dass die Parameterbedeutung korrekt ist. Öffnen Sie die Vorgangsdefinition und die hinterlegte Bewegung und beantworten Sie die folgenden Prüffragen:

1. Wird im Feld „Vorschub“ ein Randvorschub, ein Mittellinienvorschub oder die Eingabe der Spanabnahme verlangt?
2. Ist die Optimierung der Lichtbogenzuführung aktiviert, und wirkt sie sich auf interne Lichtbögen, externe Lichtbögen oder auf beide aus?
3. Welchen Durchmesser der Mittelbahn weist die Rückansicht bei vollem Eingriff auf?
4. Bewegt sich eine Umlaufbahn um die richtige Steigung oder um den richtigen Versatz in der vorgesehenen axialen Richtung vorwärts?
5. Ist die Fräsrichtung für den gewählten Innen- oder Außenfräsweg beabsichtigt?
6. Sorgen die Ein- und Auslaufbögen dafür, dass die Schiffe allmählich in die Kurve einfahren, ohne gegen die gegenüberliegende Wand zu stoßen?
7. Wird das Gewinde in einem radialen Durchgang oder in mehreren geschnitten, und stimmt dies mit der gewählten Werkzeugführung überein?
8. Hat die Steuerung die erwartete Spindel, den Vorschubmodus, die Ebene, die Bogenrichtung und den Endpunkt ausgegeben?
9. Werden die Drehzahl, der Vorschub, die Beschleunigung und die Interpolationsgrenzen der Maschine eingehalten?

Ein Fehler im Vorschubmodus kann bei einer visuellen Simulation unentdeckt bleiben. Überprüfen Sie, ob das Programm Einheiten pro Minute, inverse Zeit oder einen anderen maschinenspezifischen Modus verwendet. Falls eine Fräserkompensation oder ein Verschleißausgleich aktiv sein soll, überprüfen Sie vor dem Probeschnitt das Vorzeichen und die Einstellkonvention dieser Maschine.

Vergleichen Sie die CAM-Anzeige mit einer einfachen, unabhängigen Schätzung. Der vorhergesagte Mitteldurchmesser sollte mit dem Backplot übereinstimmen, der korrigierte Vorschub sollte sich in die erwartete Innen-/Außenrichtung bewegen, und der axiale Endpunkt sollte nach einer vollständigen Umlaufbahn dem erforderlichen Steigungswert entsprechen. Hierbei handelt es sich nicht um ein zweites CAM-System, sondern um eine Prüfung der Maßhaltigkeit, mit der ein falscher Werkzeugdurchmesser, doppelte Kompensationen oder Einheiteninkongruenzen erkannt werden können, bevor mit der Zerspanung begonnen wird.

Einen Faden testen und die Größe bewusst anpassen

Simulation und Kollisionsprüfung haben oberste Priorität. Überprüfen Sie an der Maschine die Werkzeugidentität, den gemessenen Rundlauf, den festen Sitz des Halters, den Werkstückversatz, die Vorbohrung, den Sicherheitsabstand, die Kühlmittelzufuhr und die Revision des geladenen Programms. Halten Sie sich an die im Betrieb geltenden Richtlinien für Trockenläufe oder Einzelblockbearbeitung; umgehen Sie Sicherheitsverriegelungen nicht eigenmächtig.

Führen Sie einen Testdurchlauf in einem repräsentativen Werkstoff durch. Notieren Sie die tatsächliche Spindeldrehzahl und die Vorschubüberschreibung und prüfen Sie anschließend das Gewinde mit der vorgeschriebenen Lehre oder Messmethode. Überprüfen Sie das Maß an mehr als einer Tiefe, wenn das Gewinde lang genug ist, dass die Konizität eine Rolle spielt. Untersuchen Sie die Oberflächenqualität, Grate, den Belastungsverlauf, die Späne, das Laufgeräusch und die Schneidkante.

Wenn das Gewinde bei stabiler Form, Oberflächenqualität und stabilem Werkzeugzustand durchgehend zu fest oder zu locker ist, passen Sie den festgelegten Fräserradius, den Verschleiß oder den Werkzeugbahnversatz gemäß den CAM-/Steuerungskonventionen an. Nehmen Sie eine maßgenaue Anpassung vor, fräsen Sie das Werkstück erneut oder bearbeiten Sie das nächste Testelement und protokollieren Sie das Ergebnis. Ändern Sie den Vorschub nicht nur, um die Gewindegröße zu verändern. Der Vorschub ist eine Variable der Schnittbelastung; der Bahnradius ist die direkte Größenvariable.

Wenn sich die Größe mit der Tiefe ändert, sollten Sie Rundlaufabweichung, Durchbiegung, Zustand des Halters, Überstand, Ausrichtung der Vorbohrung und die Strategie für Radialdurchläufe prüfen, bevor Sie einen pauschalen Versatz anwenden. Ein einziger Versatz kann ein Ende eines konischen Gewindes verdecken und gleichzeitig das andere verschlechtern.

Ein schlechtes Ergebnis anhand von Fakten diagnostizieren, nicht aufgrund von Vermutungen

Diese Reihenfolge ist entscheidend. Eine falsche Mittenlage lässt sich nicht zuverlässig durch eine Verlangsamung der Spindel beheben. Ein übermäßiger Rundlauf lässt sich nicht durch Mittelwertbildung der gemessenen Gewindegröße normalisieren. Ändern Sie die Variable, die die Beobachtung direkt erklärt, und sagen Sie voraus, wie das nächste Messergebnis ausfallen sollte.

Ein rückverfolgbares Gewindefräsverfahren einführen

Eine freigegebene Einrichtung sollte folgende Angaben beibehalten: Gewindespezifikation und Prüfverfahren; Werkzeughersteller, Artikelnummer, Durchmesser und Spiralausführung; Quelle und Revision der Schnittdaten; Werkstoff und Bearbeitungszustand; Drehzahl- und Vorschubberechnungen; Durchmesser der Mittellinie und Zuständigkeit für Korrekturen; CAM-Vorgang und Post-Revision; Auswahl von Ein- und Austritt, Durchgang und Kühlmittel; tatsächliche Maschinenbefehle; aktive Versätze; Ergebnisse des Probeschnitts; sowie das akzeptierte Einstellfenster.

Diese Aufzeichnung verwandelt ein erfolgreiches Gewinde, das mit einem glücklichen Programm erzielt wurde, in einen wiederholbaren Prozess. Außerdem beschleunigt sie die nächste Untersuchung: Der Programmierer kann erkennen, ob ein geändertes Werkzeug, Material, der Durchmesser der Fräsbahn, eine Softwareoption oder eine Maschinenbegrenzung die ursprünglichen Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten beim Gewindefräsen ungültig gemacht haben.