Axialkraft

Axialkraft

Die Axialkraft ist eine Kraft, die parallel zur Längs- oder Rotationsachse eines Werkzeugs, Werkstücks oder Maschinenelements wirkt. In der Zerspanung entsteht sie unter anderem beim Bohren, Fräsen, Drehen, Reiben und Gewindebohren.

Das Formelzeichen lautet häufig Fa. Die Axialkraft wird in Newton oder Kilonewton angegeben.

Kurz gesagt:

Axialkraft = Kraft in Richtung einer Achse

Richtung der Axialkraft

Die Bezeichnung axial beschreibt ausschließlich die Richtung der Kraft. Sie wirkt parallel zur betrachteten Achse.

Welche Achse gemeint ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab:

• Werkzeugachse beim Bohren
• Spindelachse beim Fräsen
• Werkstückachse beim Drehen
• Schraubenachse bei einer Schraubverbindung
• Wellenachse bei einem Lager
• Kolbenachse bei einem Zylinder

Auf einer vertikalen Fräsmaschine verläuft die Werkzeugachse häufig in Z-Richtung. Die Axialkraft wirkt dann ebenfalls überwiegend entlang der Z-Achse.

Bei einer geschwenkten Werkzeugachse stimmt die axiale Kraftrichtung jedoch nicht mehr zwingend mit einer einzelnen Maschinenachse überein.

Einheit der Axialkraft

Die Axialkraft wird angegeben in:

• Newton, kurz N
• Kilonewton, kurz kN

Dabei gilt:

1 kN = 1.000 N

Die tatsächlich auftretende Kraft kann je nach Werkzeugdurchmesser, Vorschub, Werkstoff und Bearbeitungsverfahren von wenigen Newton bis zu mehreren Kilonewton reichen.

Unterschied zwischen Axialkraft und Radialkraft

Axialkraft und Radialkraft unterscheiden sich durch ihre Wirkungsrichtung.

Axialkraft

Die Axialkraft wirkt parallel zur Dreh- oder Werkzeugachse.

Radialkraft

Die Radialkraft wirkt senkrecht zur Achse und ist auf diese zu oder von ihr weg gerichtet.

Zusätzlich kann eine tangentiale Kraftkomponente auftreten. Diese wirkt in Umfangsrichtung und ist wesentlich für das erzeugte beziehungsweise benötigte Drehmoment.

Kraftkomponente	Richtung
Axialkraft	parallel zur Achse
Radialkraft	senkrecht zur Achse
Tangentialkraft	in Umfangsrichtung

Die gesamte Bearbeitungskraft kann in diese einzelnen Komponenten zerlegt werden.

Axialkraft beim Bohren

Beim Bohren wird die Axialkraft häufig als Vorschubkraft oder Bohrdruck bezeichnet. Sie wirkt entlang der Bohrerachse und drückt das Werkzeug in das Werkstück beziehungsweise das Werkstück gegen seine Auflage.

Die Axialkraft entsteht hauptsächlich durch:

• Spanbildung an den Hauptschneiden
• Verdrängung des Werkstoffs an der Querschneide
• Reibung an Führungsfasen und Bohrungswand
• Spantransport in den Spannuten
• Vorschubbewegung des Werkzeugs

Die Querschneide eines Spiralbohrers arbeitet unter ungünstigen Schnittbedingungen. Im Bereich der Werkzeugmitte ist die Schnittgeschwindigkeit sehr gering. Der Werkstoff wird dort teilweise verdrängt, wodurch ein bedeutender Anteil der Axialkraft entstehen kann.

Einflussgrößen beim Bohren

Die Axialkraft wird unter anderem beeinflusst durch:

• Bohrerdurchmesser
• Vorschub pro Umdrehung
• Spitzenwinkel
• Querschneidenlänge
• Anschliff
• Werkstückwerkstoff
• Schneidstoff
• Beschichtung
• Werkzeugverschleiß
• Kühlschmierstoff
• Bohrungstiefe
• Spanabfuhr

Ein größerer Vorschub erhöht normalerweise die Spanungsdicke und damit die Axialkraft. Auch ein stumpfer oder verschlissener Bohrer benötigt eine höhere Vorschubkraft.

Eine ausgespitzte beziehungsweise verkürzte Querschneide kann die erforderliche Axialkraft reduzieren.

Auswirkungen einer hohen Axialkraft beim Bohren

Eine zu hohe Axialkraft kann folgende Probleme verursachen:

• Bohrer verbiegt sich
• Werkzeug bricht
• Werkstück verschiebt sich
• dünner Werkstückboden verformt sich
• Bohrung wird ungenau
• Gratbildung am Austritt nimmt zu
• Spindel und Vorschubantrieb werden überlastet
• Werkstück wird von seiner Auflage abgehoben oder in diese hineingedrückt
• Bohrer zieht beim Austritt ruckartig in das Material

Besonders beim Durchbruch einer Bohrung verändern sich die Schnittbedingungen. Die verbleibende Materialstärke nimmt ab und kann unter der Axialkraft verformt werden.

Axialkraft beim Fräsen

Beim Fräsen hängt die axiale Kraftkomponente stark von der Werkzeuggeometrie ab.

Einfluss haben insbesondere:

• Anstellwinkel
• Drallwinkel
• Schneidengeometrie
• Eingriffsbreite
• axiale Schnitttiefe
• Vorschub pro Zahn
• Werkzeugdurchmesser
• Bearbeitungsstrategie

Ein Fräser mit schrägen beziehungsweise gedrallten Schneiden erzeugt neben radialen und tangentialen Kräften auch eine axiale Kraftkomponente.

Abhängig von Drallrichtung und Spindeldrehrichtung kann die Axialkraft:

• das Werkzeug in die Aufnahme ziehen
• das Werkzeug aus der Aufnahme herausziehen
• das Werkstück gegen seine Auflage drücken
• das Werkstück von seiner Auflage abheben

Diese Kraftrichtung muss bei Werkzeugspannung und Werkstückaufspannung berücksichtigt werden.

Hochvorschubfräsen

Hochvorschubfräser besitzen einen kleinen Anstellwinkel. Dadurch wird ein großer Anteil der Bearbeitungskraft entlang der Werkzeugachse geleitet.

Vorteile können sein:

• geringere radiale Werkzeugabdrängung
• gute Eignung für lange Auskraglängen
• geringere Biegebelastung des Werkzeugs
• hohe Vorschubgeschwindigkeiten
• stabile Schruppbearbeitung

Die hohe Axialkraft muss jedoch von Spindellagern, Werkzeugaufnahme, Werkstück und Spannmitteln sicher aufgenommen werden.

Bei dünnen Werkstückböden oder schwach abgestützten Bauteilen kann die axiale Belastung zu Verformungen führen.

Axialkraft beim Tauchfräsen

Beim Tauchfräsen erfolgt die Vorschubbewegung überwiegend parallel zur Werkzeugachse. Die Bearbeitungskräfte werden dadurch verstärkt axial in die Spindel eingeleitet.

Das kann bei langen Werkzeugen vorteilhaft sein, weil die Aufnahme in axialer Richtung häufig steifer ist als gegenüber seitlicher Biegung.

Tauchfräsen wird deshalb unter anderem eingesetzt bei:

• tiefen Taschen
• langen Werkzeugauskragungen
• instabilen Maschinenbedingungen
• schwer zerspanbaren Werkstoffen
• großen Kavitäten

Werkzeug und Spindel müssen für die auftretenden axialen Kräfte geeignet sein.

Axialkraft beim Drehen

Beim Längsdrehen entspricht die axiale Kraftkomponente bezogen auf die Werkstückachse im Wesentlichen der Vorschubkraft.

Die Bearbeitungskraft wird üblicherweise in folgende Komponenten zerlegt:

• Hauptschnittkraft
• Vorschubkraft
• Passivkraft

Die Vorschubkraft wirkt beim Längsdrehen parallel zur Werkstückachse und belastet unter anderem:

• Werkzeughalter
• Revolver
• Vorschubantrieb
• Spannfutter
• Werkstückanschlag
• Reitstock

Der Anstellwinkel der Hauptschneide beeinflusst die Verteilung der Kräfte. Ein kleinerer Anstellwinkel kann den Kraftanteil in radialer und axialer Richtung verändern.

Axialkraft beim Plandrehen

Beim Plandrehen bewegt sich das Werkzeug radial zur Werkstückachse. Die Zuordnung der einzelnen Kraftkomponenten verändert sich dadurch gegenüber dem Längsdrehen.

Deshalb muss immer angegeben werden, auf welche Achse sich der Begriff Axialkraft bezieht. Eine Kraft kann bezogen auf das Werkzeug axial, bezogen auf das Werkstück jedoch anders gerichtet sein.

Axialkraft beim Gewindebohren

Beim synchronen Gewindebohren sollte die axiale Werkzeugbewegung exakt zur Drehzahl und Gewindesteigung passen.

Bei korrekter Synchronisierung wird das Werkzeug durch sein eigenes Gewinde geführt. Trotzdem entstehen Axialkräfte durch:

• Schneiden oder Umformen des Gewindes
• Reibung
• Spantransport
• Rundlauffehler
• Umkehr der Drehrichtung

Stimmen Vorschub und Gewindesteigung nicht exakt überein, entstehen zusätzliche Zug- oder Druckkräfte.

Mögliche Folgen sind:

• Gewindebohrer wird auseinandergezogen
• Werkzeug wird gestaucht
• Gewindeflanken werden beschädigt
• Gewinde wird zu groß
• Anschnittzähne brechen aus
• Werkzeug bricht

Ein Gewindeschneidfutter mit Längenausgleich oder Minimalausgleich kann kleinere Synchronisationsfehler ausgleichen.

Axialkraft beim Gewindeformen

Beim Gewindeformen wird der Werkstoff plastisch verdrängt. Dadurch entstehen häufig höhere Drehmomente und Axialkräfte als beim spanenden Gewindeschneiden.

Besonders wichtig sind:

• richtiger Vorbohrdurchmesser
• ausreichende Schmierung
• exakte Synchronisierung
• stabile Werkzeugaufnahme
• korrekte Fluchtung

Ein zu kleines Kernloch erhöht Umformkraft und Werkzeugbelastung erheblich.

Axialkraft beim Reiben

Beim Reiben entsteht die Axialkraft durch die Schneidarbeit im Anschnitt und die Reibung der Führungs- und Kalibrierbereiche.

Eine ungewöhnlich hohe Axialkraft kann auf folgende Probleme hinweisen:

• Aufmaß zu groß
• Reibahle stumpf
• schlechte Spanabfuhr
• unzureichende Schmierung
• Bohrung zu klein
• Werkzeug fluchtet nicht
• Anschnitt beschädigt

Eine gleichmäßige Axialkraft unterstützt einen stabilen Reibprozess und eine gute Bohrungsqualität.

Einfluss auf das Werkstück

Die Axialkraft muss über das Werkstück in die Aufspannung und den Maschinentisch abgeleitet werden.

Dabei können auftreten:

• elastische Verformung
• bleibende Verformung
• Verschieben des Werkstücks
• Abheben von der Auflage
• Eindrücken dünner Flächen
• Maßabweichungen
• Beschädigung der Spannstellen

Bei dünnwandigen Bauteilen sollte die Bearbeitungsstelle möglichst direkt abgestützt werden.

Einfluss auf die Werkzeugspannung

Axialkräfte können ein Werkzeug in die Aufnahme drücken oder aus ihr herausziehen.

Eine unzureichende Werkzeugspannung kann dazu führen, dass sich das Werkzeug während der Bearbeitung axial verschiebt.

Mögliche Folgen sind:

• zunehmende Bearbeitungstiefe
• Maßfehler
• Kollision
• Werkzeugbruch
• Beschädigung des Werkstücks
• Herausziehen des Werkzeugs aus der Aufnahme

Besonders bei großen Fräsern, hohen Vorschüben und großen Drallwinkeln muss die Auszugssicherheit der Werkzeugaufnahme beachtet werden.

Geeignete Aufnahmen sind beispielsweise:

• Schrumpffutter
• Hydrodehnspannfutter
• Weldon-Aufnahmen
• Hochleistungs-Kraftspannfutter
• formschlüssig gesicherte Aufnahmen

Die Auswahl richtet sich nach Werkzeug, Drehzahl und Belastung.

Axialkraft und Spindellager

Maschinenspindeln besitzen Lager, die radiale und axiale Kräfte aufnehmen. Die zulässige Belastung hängt von Aufbau, Lagertyp, Vorspannung und Betriebszustand ab.

Eine dauerhaft zu hohe Axialkraft kann verursachen:

• erhöhte Lagertemperatur
• vorzeitigen Lagerverschleiß
• Veränderung der Lagervorspannung
• schlechteren Spindelrundlauf
• reduzierte Lebensdauer
• Spindelschaden

Die zulässigen Belastungswerte des Maschinenherstellers dürfen nicht überschritten werden.

Axialkraft bei Lagern

Auch außerhalb der Zerspanung ist die Axialkraft eine wichtige Größe.

Axiallager sind speziell dafür ausgelegt, Kräfte entlang einer Wellenachse aufzunehmen. Dazu gehören beispielsweise:

• Axialkugellager
• Axialrollenlager
• Schrägkugellager
• Kegelrollenlager
• Axial-Nadellager

Rillenkugellager können begrenzte Axialkräfte aufnehmen. Für hohe oder dauerhaft wirkende Axialbelastungen sind speziell geeignete Lager erforderlich.

Axialkraft und Schraubenverbindungen

Bei einer angezogenen Schraube entsteht eine axiale Vorspannkraft. Sie zieht die verbundenen Bauteile zusammen.

Die Vorspannkraft muss groß genug sein, um die Verbindung unter Betriebsbelastung geschlossen zu halten. Gleichzeitig darf sie Schraube, Gewinde und Bauteile nicht überlasten.

Eine ebene Auflagefläche beziehungsweise Anspiegelung verbessert die gleichmäßige Einleitung der Axialkraft in das Werkstück.

Messung der Axialkraft

Axialkräfte können mit unterschiedlichen Systemen gemessen oder überwacht werden:

• Kraftmessdose
• piezoelektrischer Kraftsensor
• Dynamometer
• Werkzeughalter mit Sensorik
• Spindellastüberwachung
• Achslast der CNC-Steuerung
• Stromaufnahme des Vorschubantriebs

Die Maschinenlast zeigt häufig nur einen indirekten Wert. Für genaue Messungen werden kalibrierte Kraftsensoren benötigt.

Möglichkeiten zur Verringerung der Axialkraft

Je nach Bearbeitung kann die Axialkraft reduziert werden durch:

• Vorschub anpassen
• Werkzeug schärfen oder ersetzen
• Querschneide verkürzen
• geeigneten Spitzenwinkel wählen
• Pilotbohrung verwenden
• Schneidengeometrie optimieren
• Reibung reduzieren
• Kühlschmierstoff verbessern
• Spanabfuhr sicherstellen
• passenden Anstellwinkel verwenden
• Aufmaß reduzieren
• Werkzeugrundlauf verbessern

Die Axialkraft darf jedoch nicht durch einen so kleinen Vorschub reduziert werden, dass die Schneide nur noch reibt.

Typische Probleme und Ursachen

Problem	Mögliche Ursache
Axialkraft steigt während des Bohrens	Spanstau oder Werkzeugverschleiß
Werkstück hebt ab	unzureichende Spannung oder ungünstige Kraftrichtung
Bohrer bricht	zu hoher Vorschub, Spanstau oder falscher Anschliff
Gewindebohrer wird gezogen	falsche Synchronisierung
Fräser wandert aus der Aufnahme	unzureichende Spannkraft oder hohe Auszugskraft
Dünner Boden verformt sich	fehlende Abstützung oder zu hohe Vorschubkraft
Spindellast ungewöhnlich hoch	stumpfes Werkzeug oder ungeeignete Schnittwerte

Unterschied zwischen Axialkraft und Axialvorschub

Der Axialvorschub beschreibt eine Bewegung parallel zur Achse. Die Axialkraft beschreibt dagegen die Kraft, die in dieser Richtung wirkt.

• Axialvorschub: Weg pro Zeit oder Umdrehung
• Axialkraft: mechanische Belastung entlang der Achse

Ein höherer Axialvorschub kann zu einer höheren Axialkraft führen. Beide Größen sind jedoch nicht identisch.

Kurz erklärt

Die Axialkraft Fa wirkt parallel zur Achse eines Werkzeugs, Werkstücks oder Maschinenelements. Sie entsteht beispielsweise beim Bohren, Gewindebohren, Reiben, Fräsen und Drehen.

Ihre Höhe und Richtung beeinflussen Werkzeugstandzeit, Werkstückspannung, Maßhaltigkeit, Spindellager und Prozesssicherheit. Besonders bei hohen Vorschüben, großen Werkzeugdurchmessern und instabilen Werkstücken muss die Axialkraft berücksichtigt werden.