Anstellwinkel

Anstellwinkel

Der Anstellwinkel beschreibt in der Zerspanung die Lage der Hauptschneide eines Werkzeugs zur Vorschubrichtung. Er beeinflusst die Spanbildung, die Richtung der Schnittkräfte, die Stabilität des Bearbeitungsprozesses und die erreichbare Werkstückgeometrie.

Bei Dreh- und Fräswerkzeugen wird der Anstellwinkel häufig auch als Einstellwinkel bezeichnet. Das übliche Formelzeichen ist κr, gesprochen Kappa r.

Typische Anstellwinkel sind beispielsweise 45°, 75°, 90°, 93° oder 95°.

Definition des Anstellwinkels

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Hauptschneide des Werkzeugs und der Vorschubrichtung, gemessen in der Arbeitsebene.

Er wird durch die Einbaulage der Wendeschneidplatte beziehungsweise durch die Konstruktion des Werkzeughalters oder Fräserkörpers bestimmt.

Der Anstellwinkel beeinflusst unter anderem:

• Form und Dicke des Spans
• wirksame Schneidenlänge
• Verteilung der Schnittkräfte
• Belastung der Schneidkante
• mögliche Bearbeitungsrichtung
• erreichbare Schulterform
• Oberflächenqualität
• Ratterneigung
• Werkzeugstandzeit

Der geeignete Winkel richtet sich nach Bearbeitungsverfahren, Werkstückform, Werkzeugstabilität und Aufspannsituation.

Anstellwinkel und Einstellwinkel

Die Bezeichnungen Anstellwinkel und Einstellwinkel werden in der Praxis häufig gleichbedeutend verwendet. In technischen Werkzeugdaten ist „Einstellwinkel“ die verbreitete Bezeichnung.

Beispiele:

• Anstellwinkel 90°
• Einstellwinkel κr = 90°
• Entering angle 90°
• Lead angle, je nach internationaler Darstellungsweise

Gemeint ist jeweils die Lage der Hauptschneide in Bezug auf die Vorschubbewegung. Bei internationalen Werkzeugangaben muss beachtet werden, dass Winkel teilweise von einer anderen Bezugslinie aus angegeben werden. Dadurch können sich ergänzende Winkelangaben ergeben.

Abgrenzung zu anderen Werkzeugwinkeln

Der Anstellwinkel darf nicht mit den Winkeln am Schneidkeil verwechselt werden.

Spanwinkel

Der Spanwinkel beeinflusst den Spanfluss, die Schnittkräfte und das Schneidverhalten des Werkzeugs.

Freiwinkel

Der Freiwinkel verhindert, dass die Freifläche des Werkzeugs am Werkstück reibt.

Keilwinkel

Der Keilwinkel bestimmt die Stabilität des Schneidkeils.

Neigungswinkel

Der Neigungswinkel beschreibt die Neigung der Schneide und beeinflusst unter anderem die Richtung des Spanflusses.

Anstellung der Werkzeugachse

Bei der 5-Achs-Bearbeitung wird ebenfalls von einem Anstellen des Werkzeugs gesprochen. Damit ist meist die Neigung der gesamten Werkzeugachse gegenüber der Werkstückoberfläche gemeint. Dieser Werkzeuganstellwinkel ist nicht automatisch mit dem Einstellwinkel κr einer Hauptschneide gleichzusetzen.

Einfluss auf die Spanbildung

Der Anstellwinkel beeinflusst die Form des ungeschnittenen Spans.

Bei kleiner werdendem Anstellwinkel verteilt sich der Materialeingriff auf eine längere Schneidenstrecke. Dadurch wird der Span bei gleichem Vorschub dünner und breiter.

Vereinfacht gilt für die Spanungsdicke:

h = f × sin κr

Dabei gilt:

• h = theoretische Spanungsdicke
• f = Vorschub
• κr = Anstell- beziehungsweise Einstellwinkel

Bei einem Anstellwinkel von 90° entspricht die theoretische Spanungsdicke annähernd dem Vorschub. Bei 45° ist sie kleiner, weil sich die Belastung auf eine größere Schneidenlänge verteilt.

Der Vorschub kann bei kleineren Anstellwinkeln unter geeigneten Bedingungen erhöht werden, ohne dass die Spanungsdicke im gleichen Verhältnis steigt.

Einfluss auf die Schnittkräfte

Der Anstellwinkel verändert nicht nur die Größe, sondern auch die Richtung der Bearbeitungskräfte.

Je nach Winkel werden die Kräfte unterschiedlich aufgeteilt in:

• Schnittkraft
• Vorschubkraft
• Passivkraft
• radiale Kraftkomponente
• axiale Kraftkomponente

Diese Verteilung ist besonders bei dünnwandigen, langen oder instabil gespannten Werkstücken wichtig.

Eine ungünstige Kraftrichtung kann:

• das Werkstück wegdrücken
• Maßabweichungen verursachen
• Schwingungen auslösen
• die Werkzeugaufnahme belasten
• dünne Werkstückbereiche verformen

Bei der Werkzeugauswahl muss deshalb nicht nur die Schneidenstabilität, sondern auch die Richtung der entstehenden Kräfte berücksichtigt werden.

Anstellwinkel beim Drehen

Beim Drehen wird der Anstellwinkel durch den Werkzeughalter und die Lage der Wendeschneidplatte festgelegt.

Typische Winkel sind:

• 45°
• 75°
• 90°
• 93°
• 95°

Anstellwinkel von 90°

Ein Werkzeug mit 90° Anstellwinkel kann eine rechtwinklige Schulter bearbeiten. Es eignet sich besonders für Längsdrehbearbeitungen, bei denen ein Absatz mit annähernd 90° erzeugt werden soll.

Eigenschaften:

• geeignet für rechtwinklige Schultern
• Spanungsdicke entspricht annähernd dem Vorschub
• vergleichsweise kurze wirksame Schneidenlänge
• häufig bei Längs- und Schulterbearbeitungen eingesetzt
• geringere passive Kraftkomponente als bei deutlich kleineren Winkeln

Anstellwinkel über 90°

Drehhalter werden häufig mit Anstellwinkeln von 93° oder 95° angeboten. Solche Werkzeuge ermöglichen Längsdrehbearbeitungen und können abhängig von der Bauform auch zum Plandrehen eingesetzt werden.

Die genaue Bearbeitungsrichtung und Kollisionsfreiheit hängen von der Wendeschneidplattenform und der Konstruktion des Halters ab.

Anstellwinkel von 75°

Ein Winkel von 75° bietet eine stabile Schneidenanordnung und kann für allgemeine Längs- und Schruppbearbeitungen verwendet werden.

Die Schnittkraft verteilt sich auf eine größere Schneidenlänge als bei einem 90°-Werkzeug. Eine vollständig rechtwinklige Schulter kann damit jedoch nicht ohne zusätzliche Bearbeitung hergestellt werden.

Anstellwinkel von 45°

Ein 45°-Werkzeug verteilt den Schnitt auf eine vergleichsweise lange Schneidenstrecke. Dadurch entsteht bei gleichem Vorschub eine geringere Spanungsdicke.

Vorteile können sein:

• stabile Schneidenbelastung
• gute Eignung für Schruppbearbeitungen
• größere wirksame Schneidenlänge
• Wärmeverteilung auf einen größeren Schneidenbereich
• Möglichkeit höherer Vorschübe

Eine rechtwinklige Schulter lässt sich mit einem solchen Werkzeug nicht direkt herstellen.

Anstellwinkel beim Fräsen

Bei Fräswerkzeugen beschreibt der Anstellwinkel die Lage der Hauptschneide zur erzeugten Oberfläche beziehungsweise zur Vorschubrichtung.

Typische Fräserausführungen sind:

• 90°-Eckfräser
• 75°-Planfräser
• 45°-Planfräser
• Hochvorschubfräser mit sehr kleinem Anstellwinkel
• Rundplattenfräser mit veränderlichem wirksamem Anstellwinkel

90°-Fräser

Ein Fräser mit 90° Anstellwinkel wird hauptsächlich zum Eck- und Schulterfräsen eingesetzt.

Typische Eigenschaften sind:

• Herstellung rechtwinkliger Schultern
• definierte radiale Bearbeitungsbreite
• gute Zugänglichkeit an Absätzen
• vergleichsweise große Spanungsdicke
• hohe radiale Werkzeugbelastung

Ein exakter 90°-Winkel der Wendeschneidplatte bedeutet nicht automatisch, dass die gefertigte Schulter ohne Abweichung genau 90° besitzt. Rundlauf, Werkzeugdurchbiegung, Schneidengeometrie und Maschinenbewegung beeinflussen das tatsächliche Ergebnis.

45°-Planfräser

Planfräser mit 45° Anstellwinkel werden häufig zur Bearbeitung größerer ebener Flächen eingesetzt.

Durch den kleineren Winkel wird die Spanungsdicke reduziert und die wirksame Schneidenlänge vergrößert.

Mögliche Vorteile sind:

• gleichmäßigere Schneidenbelastung
• höhere Vorschübe möglich
• gute Oberflächenqualität
• weicherer Eintritt in das Werkstück
• günstige Kraftverteilung bei stabilen Werkstücken
• gute Eignung für Planbearbeitungen

Eine rechtwinklige Schulter kann mit einem 45°-Planfräser nicht erzeugt werden.

Hochvorschubfräser

Hochvorschubfräser besitzen einen sehr kleinen Anstellwinkel. Dadurch wird ein großer Teil der erzeugten Kraft in Richtung der Werkzeugachse geleitet.

Die tatsächliche Spanungsdicke bleibt trotz eines hohen Vorschubs pro Zahn vergleichsweise klein. Dies ermöglicht hohe Vorschubgeschwindigkeiten bei geringer axialer Schnitttiefe.

Typische Eigenschaften sind:

• hohe Vorschübe
• geringe axiale Schnitttiefe
• hohe Produktivität beim Schruppen
• günstige Belastung stabiler Maschinenspindeln
• gute Eignung für lange Werkzeugauskragungen
• keine Herstellung rechtwinkliger Schultern

Der Begriff Hochvorschub bedeutet nicht, dass automatisch ein großes Zeitspanvolumen erreicht wird. Die geringe Schnitttiefe muss bei der Beurteilung der Abtragsleistung berücksichtigt werden.

Rundplattenfräser

Bei Rundplattenfräsern verändert sich der wirksame Anstellwinkel abhängig von:

• Schnitttiefe
• Plattendurchmesser
• Eingriffsposition
• Werkzeugweg

Bei geringer Schnitttiefe entsteht ein kleiner wirksamer Anstellwinkel. Mit zunehmender Schnitttiefe verändert sich die Richtung der Kontaktzone.

Dadurch eignen sich Rundplattenfräser für unterschiedliche Bearbeitungsaufgaben, beispielsweise:

• Planfräsen
• Konturfräsen
• Schruppen
• Kopierfräsen
• Bearbeitung wechselnder Werkstückformen

Anstellwinkel in der 5-Achs-Bearbeitung

In der 5-Achs-Bearbeitung wird der Begriff Anstellwinkel häufig für die Neigung der Werkzeugachse verwendet.

Ein Kugelfräser wird beispielsweise bewusst gegenüber der Flächennormalen geneigt, damit nicht mit dem ungünstigen Bereich im Werkzeugzentrum gearbeitet wird. Im Zentrum eines Kugelfräsers nähert sich die wirksame Schnittgeschwindigkeit dem Wert null.

Durch das Anstellen des Werkzeugs können:

• wirksame Schnittgeschwindigkeit erhöht
• Oberflächenqualität verbessert
• Werkzeugverschleiß reduziert
• Kollisionen vermieden
• Kontaktpunkt gezielt verschoben
• bessere Spanbildung erreicht werden

In CAM-Systemen wird häufig zwischen einem seitlichen Neigungswinkel und einem Winkel in Vorschubrichtung unterschieden.

Diese Form des Anstellwinkels beschreibt die Orientierung der Werkzeugachse und nicht den konstruktiven Einstellwinkel der einzelnen Schneide.

Einfluss auf die Oberflächenqualität

Der Anstellwinkel beeinflusst die Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Dadurch wirkt er sich auf die erzeugte Oberfläche aus.

Mögliche Einflüsse sind:

• Richtung der Bearbeitungsspuren
• Höhe der Vorschubmarken
• Übergänge zwischen Fräsbahnen
• Gratbildung
• Schwingungsneigung
• Werkzeugdurchbiegung
• Belastung der Nebenschneide

Ein kleinerer Anstellwinkel kann bei Planbearbeitungen einen weicheren Werkzeugeintritt ermöglichen. Bei instabilen Werkstücken muss jedoch geprüft werden, ob die entstehende axiale oder radiale Kraftkomponente günstig ist.

Einfluss auf die Werkzeugstandzeit

Durch einen kleineren Anstellwinkel verteilt sich der Eingriff auf eine längere Schneidenstrecke. Dadurch können Wärme und mechanische Belastung auf einen größeren Bereich der Schneide verteilt werden.

Ein geeigneter Anstellwinkel kann:

• lokale Schneidenüberlastung reduzieren
• Kerbverschleiß beeinflussen
• Werkzeugstandzeit erhöhen
• Schneidkantenausbrüche vermeiden
• einen ruhigeren Schnitt ermöglichen

Ein ungeeigneter Winkel kann dagegen die Kräfte in eine ungünstige Richtung leiten und Vibrationen oder ungleichmäßigen Verschleiß verursachen.

Auswahl des passenden Anstellwinkels

Bei der Auswahl sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• gewünschte Werkstückgeometrie
• erforderliche Schulterform
• Werkstoff
• Bearbeitungsverfahren
• Schruppen oder Schlichten
• Stabilität der Maschine
• Werkstückspannung
• Werkzeugauskragung
• verfügbare Spindelleistung
• gewünschter Vorschub
• erforderliche Oberflächenqualität

Soll eine rechtwinklige Schulter hergestellt werden, ist meistens ein Werkzeug mit 90° Anstellwinkel erforderlich.

Für reine Planbearbeitungen kann ein 45°-Fräser Vorteile bieten. Für hohe Vorschübe bei geringer Schnitttiefe können Hochvorschubfräser mit kleinem Anstellwinkel geeignet sein.

Typische Fehler bei der Werkzeugauswahl

Häufige Fehler sind:

• Anstellwinkel mit Spanwinkel verwechselt
• Schultergeometrie nicht berücksichtigt
• Kraftrichtung nicht beachtet
• instabiles Werkstück mit ungeeignetem Winkel bearbeitet
• Vorschub nicht an die verringerte Spanungsdicke angepasst
• Hochvorschubwerkzeug mit zu großer Schnitttiefe eingesetzt
• Winkelangaben verschiedener Hersteller falsch verglichen
• Werkzeuganstellung der 5-Achs-Bearbeitung mit κr verwechselt

Kurz erklärt

Der Anstellwinkel beschreibt in der Zerspanung die Lage der Hauptschneide zur Vorschubrichtung. Er wird häufig auch Einstellwinkel genannt und mit κr bezeichnet.

Der Winkel beeinflusst Spanungsdicke, Schneidenbelastung, Schnittkräfte und die mögliche Werkstückgeometrie. Ein 90°-Werkzeug eignet sich für rechtwinklige Schultern, während kleinere Anstellwinkel die Belastung auf eine längere Schneidenstrecke verteilen und höhere Vorschübe ermöglichen können.