Axiale Schnitttiefe
Die axiale Schnitttiefe bezeichnet beim Fräsen die Länge, über die ein Werkzeug parallel zu seiner Rotationsachse im Werkstück eingreift. Sie wird üblicherweise mit dem Formelzeichen ap angegeben und in Millimetern gemessen.
Gemeinsam mit der radialen Eingriffsbreite ae bestimmt die axiale Schnitttiefe den Spanquerschnitt, die Werkzeugbelastung und das Zeitspanvolumen der Bearbeitung.
Was bedeutet axiale Schnitttiefe?
Die axiale Schnitttiefe beschreibt, wie tief die Schneiden eines Fräsers entlang der Werkzeugachse gleichzeitig im Werkstoff arbeiten.
Bei einem Schaftfräser entspricht sie häufig der bearbeiteten Höhe einer Seitenfläche beziehungsweise der Tiefe einer Frässtufe.
Beispiel:
Ein Schaftfräser bearbeitet eine Schulter über eine Höhe von 12 mm. Dann beträgt die axiale Schnitttiefe:
ap = 12 mm
Die axiale Schnitttiefe ist eine Eingriffsgröße. Sie beschreibt keine Geschwindigkeit und keine Bewegung pro Zeit.
Formelzeichen und Einheit
Für die axiale Schnitttiefe wird üblicherweise verwendet:
- Formelzeichen: ap
- Einheit: mm
In englischsprachigen Werkzeugdaten finden sich unter anderem die Begriffe:
- axial depth of cut
- axial cutting depth
- depth of cut
- cutting depth
Die genaue Bedeutung muss anhand des jeweiligen Bearbeitungsverfahrens geprüft werden.
Unterschied zum Axialvorschub
Axiale Schnitttiefe und Axialvorschub beschreiben zwei unterschiedliche Größen.
Axiale Schnitttiefe
Die axiale Schnitttiefe ap gibt an, über welche Länge die Schneide parallel zur Werkzeugachse im Eingriff ist.
Einheit:
mm
Axialvorschub
Der Axialvorschub beschreibt eine Bewegung parallel zur Werkzeugachse.
Mögliche Einheiten:
- mm/min
- mm/U
- mm/Zahn
Ein Werkzeug kann eine große axiale Schnitttiefe besitzen, obwohl seine Vorschubbewegung quer zur Werkzeugachse erfolgt.
Beim Schulterfräsen arbeitet beispielsweise eine große Länge der Umfangsschneide im Material. Das Werkzeug bewegt sich dabei meistens seitlich und nicht axial.
Unterschied zur radialen Eingriffsbreite
Die radiale Eingriffsbreite ae beschreibt den Werkzeugeingriff senkrecht zur Werkzeugachse.
| Kenngröße | Richtung | Formelzeichen |
|---|---|---|
| Axiale Schnitttiefe | parallel zur Werkzeugachse | ap |
| Radiale Eingriffsbreite | senkrecht zur Werkzeugachse | ae |
Beispiel:
Ein Fräser mit 10 mm Durchmesser bearbeitet eine Kontur mit:
- ap = 15 mm
- ae = 1 mm
Die Schneide ist axial über eine Länge von 15 mm im Eingriff. Radial greift das Werkzeug nur 1 mm tief in das Werkstück ein.
Axiale Schnitttiefe beim Schulterfräsen
Beim Schulterfräsen bestimmt die axiale Schnitttiefe die Höhe der bearbeiteten Schulter.
Eine große axiale Schnitttiefe nutzt einen längeren Bereich der Werkzeugschneide. Dadurch kann der Verschleiß auf eine größere Schneidenlänge verteilt werden.
Mögliche Vorteile sind:
- hohe Abtragsleistung
- bessere Nutzung der Schneidenlänge
- weniger Bearbeitungsebenen
- geringere Zahl axialer Zustellungen
- kürzere Bearbeitungszeit
- gleichmäßigere Verschleißverteilung
Eine große axiale Schnitttiefe erhöht jedoch auch die seitliche Werkzeugbelastung und kann bei instabilen Bedingungen zu Durchbiegung oder Schwingungen führen.
Axiale Schnitttiefe beim Nutenfräsen
Beim Nutenfräsen greift der Fräser meist über seine gesamte Breite radial in das Werkstück ein.
Dann gilt näherungsweise:
ae = Werkzeugdurchmesser
Die axiale Schnitttiefe beschreibt, wie tief die Nut in einem Bearbeitungsdurchgang hergestellt wird.
Da beim Vollnutfräsen ein großer Teil des Werkzeugumfangs im Eingriff ist, sind Spanabfuhr und Werkzeugbelastung besonders kritisch.
Häufig wird die erforderliche Gesamttiefe deshalb in mehreren axialen Zustellungen bearbeitet.
Axiale Schnitttiefe beim Planfräsen
Beim Planfräsen ist die Werkzeugachse normalerweise senkrecht zur bearbeiteten Fläche ausgerichtet. Die axiale Schnitttiefe entspricht der Materialschicht, die in einem Durchgang von der Werkstückoberfläche entfernt wird.
Beispiel:
Von einer Werkstückoberfläche werden 2 mm Material abgefräst.
Dann gilt:
ap = 2 mm
Beim Planfräsen ist die axiale Schnitttiefe häufig deutlich kleiner als beim Umfangs- oder Schulterfräsen.
Axiale Schnitttiefe bei dynamischen Frässtrategien
Bei dynamischen beziehungsweise trochoidalen Frässtrategien wird häufig eine große axiale Schnitttiefe mit einer kleinen radialen Eingriffsbreite kombiniert.
Beispiel:
- ap = 20 mm
- ae = 1 mm
- Werkzeugdurchmesser = 10 mm
Die Schneide arbeitet über eine große axiale Länge, während der radiale Eingriff gering bleibt.
Vorteile dieser Strategie können sein:
- gleichmäßigere Werkzeugbelastung
- gute Nutzung der gesamten Schneidenlänge
- kontrollierbarer Umschlingungswinkel
- geringere Belastungsspitzen
- gute Spanabfuhr
- hohe Prozesssicherheit
- großes Zeitspanvolumen
Die axiale Schnitttiefe darf dabei die nutzbare Schneidenlänge des Werkzeugs nicht überschreiten.
Axiale Schnitttiefe beim Tauchfräsen
Beim Tauchfräsen bewegt sich das Werkzeug überwiegend parallel zu seiner Achse. In diesem Fall kann der Begriff axiale Zustelltiefe die Länge eines einzelnen Eintauchvorgangs beschreiben.
Dabei muss zwischen der axialen Bewegung und dem tatsächlichen Schneideneingriff unterschieden werden.
Nicht jedes Fräswerkzeug kann beliebig tief axial eintauchen. Werkzeuggeometrie, Spanraum, Kühlmittelversorgung und zulässige Eintauchtiefe müssen berücksichtigt werden.
Axiale Schnitttiefe und Schneidenlänge
Die maximal mögliche axiale Schnitttiefe wird wesentlich durch die nutzbare Schneidenlänge begrenzt.
Ist die Schneidenlänge eines Fräsers 20 mm, darf nicht automatisch mit ap = 20 mm gearbeitet werden. Zusätzlich berücksichtigt werden müssen:
- Freischliff am Werkzeughals
- Übergang zwischen Schneide und Schaft
- Eckenradius
- Werkzeugaufnahme
- Spanabfuhr
- Werkstückkontur
- zulässige Herstellerwerte
- erforderlicher Sicherheitsabstand
Der nicht schneidende Werkzeugschaft darf die Werkstückwand nicht berühren.
Axiale Schnitttiefe und Werkzeugdurchmesser
Die axiale Schnitttiefe wird häufig im Verhältnis zum Werkzeugdurchmesser angegeben.
Beispiel:
Ein Fräser mit 10 mm Durchmesser arbeitet mit ap = 15 mm.
ap/D = 15 ÷ 10 = 1,5
Die axiale Schnitttiefe beträgt damit das 1,5-Fache des Werkzeugdurchmessers.
Mögliche Arbeitsbereiche werden häufig als Vielfaches des Durchmessers beschrieben:
- 0,5 × D
- 1 × D
- 1,5 × D
- 2 × D
- 3 × D
Die tatsächlich zulässige Schnitttiefe hängt von Werkzeugbauart, Schneidenlänge, Werkstoff und radialem Eingriff ab.
Einfluss auf das Zeitspanvolumen
Beim Fräsen wird das theoretische Zeitspanvolumen mit folgender Formel berechnet:
Q = ap × ae × vf ÷ 1.000
Dabei gilt:
- Q = Zeitspanvolumen in cm³/min
- ap = axiale Schnitttiefe in mm
- ae = radiale Eingriffsbreite in mm
- vf = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min
Wird die axiale Schnitttiefe bei unveränderten übrigen Werten verdoppelt, verdoppelt sich theoretisch auch das Zeitspanvolumen.
Beispiel
Gegeben sind:
- ap = 10 mm
- ae = 2 mm
- vf = 1.500 mm/min
Berechnung:
Q = 10 × 2 × 1.500 ÷ 1.000
Q = 30 cm³/min
Wird ap auf 20 mm erhöht, ergibt sich:
Q = 20 × 2 × 1.500 ÷ 1.000
Q = 60 cm³/min
Gleichzeitig steigen jedoch Werkzeugbelastung und Leistungsbedarf.
Einfluss auf die Werkzeugdurchbiegung
Eine größere axiale Schnitttiefe verlängert den belasteten Bereich der Schneide. Dadurch können höhere radiale Kräfte entstehen.
Besonders kritisch sind:
- kleine Werkzeugdurchmesser
- große Auskraglängen
- schlanke Werkzeughälse
- instabile Werkzeugaufnahmen
- dünnwandige Werkstücke
- große radiale Eingriffsbreiten
- unterbrochene Schnitte
Werkzeugdurchbiegung kann verursachen:
- Maßabweichungen
- konische Seitenflächen
- schlechte Rechtwinkligkeit
- Rattermarken
- Stufen zwischen Bearbeitungsebenen
- ungleichmäßigen Schneidenverschleiß
Einfluss auf die Oberflächenqualität
Eine große axiale Schnitttiefe kann eine Seitenfläche in einem einzigen Durchgang erzeugen. Dadurch entfallen mögliche Übergänge zwischen mehreren axialen Bearbeitungsebenen.
Voraussetzung ist ein ausreichend steifer Werkzeugaufbau.
Bei Werkzeugdurchbiegung können jedoch folgende Fehler entstehen:
- ballige oder hohle Flächen
- sichtbare Rattermarken
- Maßabweichungen über die Bearbeitungshöhe
- schlechte Rechtwinkligkeit
- unterschiedliche Rauheit
Für genaue Flächen kann nach dem Schruppen ein separater Schlichtdurchgang mit geringer radialer Eingriffsbreite vorgesehen werden.
Einfluss auf die Spanabfuhr
Mit zunehmender axialer Schnitttiefe entsteht eine längere Kontaktzone zwischen Schneide und Werkstück. Die erzeugten Späne müssen zuverlässig aus diesem Bereich abgeführt werden.
Eine unzureichende Spanabfuhr kann führen zu:
- Spanstau
- erneutem Zerschneiden der Späne
- Reibung an der Werkstückwand
- erhöhter Wärmeentwicklung
- Beschädigung der Oberfläche
- Werkzeugbruch
Bei tiefen Konturen sind geeignete Spannuten, Kühlschmierstoff und Werkzeugwege besonders wichtig.
Einfluss des radialen Eingriffs
Die zulässige axiale Schnitttiefe kann nicht unabhängig von der radialen Eingriffsbreite gewählt werden.
Bei großem radialem Eingriff ist die Werkzeugbelastung hoch. Deshalb muss die axiale Schnitttiefe häufig reduziert werden.
Bei geringem radialem Eingriff kann häufig eine größere axiale Schnitttiefe verwendet werden.
Typische Kombinationen sind:
Vollnutfräsen
- ae entspricht ungefähr dem Werkzeugdurchmesser
- axiale Schnitttiefe häufig begrenzt
- hohe Werkzeugumschlingung
- anspruchsvolle Spanabfuhr
Dynamisches Fräsen
- kleines ae
- großes ap
- gleichmäßiger Werkzeugeingriff
- gute Nutzung der Schneidenlänge
Schlichten
- kleines ae
- großes oder mittleres ap
- geringe Werkzeugbelastung
- Bearbeitung der vollständigen Wandhöhe möglich
Einfluss des Werkstoffs
Die zulässige axiale Schnitttiefe hängt auch vom Werkstückwerkstoff ab.
Bei gut zerspanbarem Aluminium können häufig größere Schnitttiefen verwendet werden. Voraussetzung sind ausreichend große Spanräume und eine sichere Spanabfuhr.
Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Edelstahl, Titan oder Nickelbasislegierungen können höhere Schnittkräfte und Temperaturen eine Reduzierung der Schnitttiefe erforderlich machen.
Bei gehärtetem Stahl werden häufig kleinere Eingriffe und speziell angepasste Werkzeuge verwendet.
Axiale Schnitttiefe bei Wendeschneidplattenfräsern
Bei Wendeschneidplattenfräsern wird die maximale axiale Schnitttiefe durch die Plattenform, Plattengröße und Konstruktion des Fräserkörpers bestimmt.
Werkzeugkataloge geben dafür häufig einen Wert wie ap max an.
Dieser Wert darf nicht überschritten werden, weil sonst:
- nicht schneidende Bereiche des Fräserkörpers in das Werkstück gelangen
- Plattensitze beschädigt werden
- Späne nicht ausreichend abgeführt werden
- Schneidplatten überlastet werden
- die gewünschte Werkstückgeometrie nicht erreicht wird
Der maximale Katalogwert ist nicht automatisch der optimale Wert für jede Bearbeitung.
Besonderheit beim Drehen
Beim Drehen wird das Formelzeichen ap ebenfalls verwendet. Dort bezeichnet es jedoch normalerweise die radiale Schnitttiefe, also die Zustellung senkrecht zur Werkstückachse.
Beim Außendrehen gilt:
ap = (Rohdurchmesser − Fertigdurchmesser) ÷ 2
Beispiel:
Ein Werkstück wird von 50 mm auf 46 mm Durchmesser gedreht.
ap = (50 − 46) ÷ 2
ap = 2 mm
Obwohl dasselbe Formelzeichen verwendet wird, ist die Richtung beim Drehen anders als die typische axiale Schnitttiefe beim Fräsen.
Auswahl der axialen Schnitttiefe
Bei der Festlegung von ap sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Werkzeugdurchmesser
- nutzbare Schneidenlänge
- Werkzeugauskragung
- Werkzeugaufnahme
- Werkstückwerkstoff
- radiale Eingriffsbreite
- Vorschub
- Schnittgeschwindigkeit
- Maschinenleistung
- Spindeldrehmoment
- Werkstückspannung
- Spanabfuhr
- gewünschte Oberflächenqualität
Als Ausgangspunkt sollten die Schnittwertempfehlungen des Werkzeugherstellers verwendet werden.
Möglichkeiten zur Erhöhung von ap
Eine größere axiale Schnitttiefe kann durch folgende Maßnahmen ermöglicht werden:
- radialen Eingriff reduzieren
- Werkzeugauskragung verkürzen
- größeren Werkzeugdurchmesser verwenden
- stabilere Werkzeugaufnahme einsetzen
- Vorschub und Schnittgeschwindigkeit anpassen
- Spanabfuhr verbessern
- Werkzeug mit längerer nutzbarer Schneide wählen
- dynamische Frässtrategie einsetzen
- Werkstückspannung stabilisieren
- schwingungsarme Werkzeugwege programmieren
Die Schnitttiefe sollte schrittweise erhöht und anhand von Maschinenlast, Geräusch, Oberfläche und Werkzeugverschleiß kontrolliert werden.
Typische Fehler
Häufige Fehler sind:
- ap mit ae verwechselt
- axiale Schnitttiefe mit Axialvorschub verwechselt
- Schneidenlänge überschritten
- Werkzeugschaft berührt das Werkstück
- axiale und radiale Eingriffsgröße gleichzeitig zu hoch gewählt
- Werkzeugauskragung nicht berücksichtigt
- Maschinenleistung überschätzt
- Spanabfuhr nicht beachtet
- Fräsen und Drehen bei der Bedeutung von ap verwechselt
- maximalen Katalogwert ohne Anpassung übernommen
Kurz erklärt
Die axiale Schnitttiefe ap beschreibt beim Fräsen die Länge des Werkzeugeingriffs parallel zur Werkzeugachse. Sie wird in Millimetern angegeben und beeinflusst Zeitspanvolumen, Schnittkräfte, Werkzeugdurchbiegung und Oberflächenqualität.
Sie darf nicht mit dem Axialvorschub verwechselt werden. Der Axialvorschub ist eine Bewegung, während die axiale Schnitttiefe die Länge des wirksamen Schneideneingriffs beschreibt.