Zeitspanvolumen

Zeitspanvolumen

Das Zeitspanvolumen gibt an, welches Werkstoffvolumen bei einem spanenden Fertigungsverfahren innerhalb einer bestimmten Zeit vom Werkstück entfernt wird. Es ist eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Produktivität eines Zerspanungsprozesses.

Das Formelzeichen lautet üblicherweise Q. Typische Einheiten sind Kubikmillimeter pro Minute oder Kubikzentimeter pro Minute.

Kurz gesagt:

Zeitspanvolumen = zerspantes Werkstoffvolumen pro Zeit

Definition des Zeitspanvolumens

Das Zeitspanvolumen wird allgemein mit folgender Formel beschrieben:

Q = V ÷ t

Dabei gilt:

• Q = Zeitspanvolumen
• V = zerspantes Werkstoffvolumen
• t = Bearbeitungszeit

Beträgt das entfernte Werkstoffvolumen beispielsweise 500 cm³ und die reine Zerspanungszeit zehn Minuten, ergibt sich:

Q = 500 cm³ ÷ 10 min

Q = 50 cm³/min

Während der tatsächlichen Schnittzeit werden somit durchschnittlich 50 cm³ Werkstoff pro Minute entfernt.

Unterschied zur Abtragsleistung

Die Begriffe Zeitspanvolumen und Abtragsleistung werden in der Praxis häufig gleichbedeutend verwendet. Der Zahlenwert kann bei einem spanenden Verfahren identisch sein. Der Unterschied liegt vor allem im Anwendungsbereich.

Abtragsleistung ist der allgemeine Oberbegriff für das innerhalb einer bestimmten Zeit entfernte Materialvolumen. Er kann auch für andere abtragende Verfahren verwendet werden, beispielsweise Erodieren, Laserbearbeitung oder Wasserstrahlschneiden.

Zeitspanvolumen ist dagegen die fachlich genauere Bezeichnung für die Abtragsleistung eines spanenden Fertigungsverfahrens.

Beim Fräsen, Drehen oder Bohren gilt deshalb:

Die Abtragsleistung des Zerspanungsprozesses entspricht dem Zeitspanvolumen Q.

Bei einem nicht spanenden Verfahren kann zwar von einer Abtragsleistung gesprochen werden, die Bezeichnung Zeitspanvolumen ist dort jedoch nicht immer fachlich passend.

Zeitspanvolumen und tatsächliches Spanvolumen

Das Zeitspanvolumen beschreibt das vom Werkstück entfernte Materialvolumen vor der Spanbildung. Es darf nicht mit dem äußeren Volumen der gesammelten Späne verwechselt werden.

Späne sind:

• gekrümmt
• aufgelockert
• gestaucht
• ineinander verschachtelt
• von Zwischenräumen umgeben

Ein Behälter mit 100 Litern Spänen enthält deshalb nicht zwangsläufig 100 Liter massiven Werkstoff. Das Zeitspanvolumen wird aus dem entfernten Werkstückvolumen beziehungsweise den Bearbeitungsdaten berechnet und nicht aus dem Platzbedarf der losen Späne.

Zeitspanvolumen beim Fräsen

Beim Fräsen ergibt sich das Zeitspanvolumen aus der axialen Schnitttiefe, der radialen Eingriffsbreite und der Vorschubgeschwindigkeit.

Die Formel lautet:

Q = ap × ae × vf

Werden alle Maße in Millimetern angegeben, ergibt sich das Zeitspanvolumen zunächst in mm³/min.

Für eine Ausgabe in cm³/min gilt:

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

Beispiel Fräsen

Gegeben sind:

• ap = 6 mm
• ae = 8 mm
• vf = 1.500 mm/min

Berechnung:

Q = 6 × 8 × 1.500 ÷ 1.000

Q = 72 cm³/min

Der Fräsprozess entfernt theoretisch 72 cm³ Werkstoff pro Minute.

Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit

Ist die Vorschubgeschwindigkeit nicht direkt bekannt, kann sie beim Fräsen aus Vorschub pro Zahn, Schneidenzahl und Drehzahl berechnet werden:

vf = fz × z × n

Dabei gilt:

• vf = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min
• fz = Vorschub pro Zahn in mm
• z = Anzahl der wirksamen Schneiden
• n = Drehzahl in U/min

Setzt man diese Formel in die Berechnung des Zeitspanvolumens ein, ergibt sich:

Q = ap × ae × fz × z × n ÷ 1.000

Damit wird deutlich, dass eine Erhöhung des Vorschubs pro Zahn, der Drehzahl oder des Spanquerschnitts das Zeitspanvolumen vergrößert.

Zeitspanvolumen beim Drehen

Beim Längsdrehen kann das Zeitspanvolumen näherungsweise aus Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Vorschub berechnet werden:

Q = vc × ap × f

Dabei gilt:

• Q = Zeitspanvolumen in cm³/min
• vc = Schnittgeschwindigkeit in m/min
• ap = Schnitttiefe in mm
• f = Vorschub in mm/U

Beispiel Drehen

Gegeben sind:

• vc = 200 m/min
• ap = 2,5 mm
• f = 0,30 mm/U

Berechnung:

Q = 200 × 2,5 × 0,30

Q = 150 cm³/min

Der Drehprozess erreicht somit ein theoretisches Zeitspanvolumen von 150 cm³/min.

Die Formel ist eine praxisnahe Berechnung für gleichmäßige Drehbearbeitungen. Bei wechselnden Durchmessern, komplexen Konturen oder unterbrochenen Schnitten verändert sich das Zeitspanvolumen während des Bearbeitungsablaufs.

Zeitspanvolumen beim Bohren

Beim Bohren wird das Zeitspanvolumen aus der Querschnittsfläche der Bohrung und der axialen Vorschubgeschwindigkeit berechnet:

Q = (π × D² ÷ 4) × vf

Für ein Ergebnis in cm³/min gilt bei Eingaben in Millimetern:

Q = (π × D² ÷ 4) × vf ÷ 1.000

Dabei gilt:

• Q = Zeitspanvolumen in cm³/min
• D = Bohrerdurchmesser in mm
• vf = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min

Die Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich aus:

vf = f × n

Dabei gilt:

• f = Vorschub in mm/U
• n = Drehzahl in U/min

Beispiel Bohren

Gegeben sind:

• D = 16 mm
• f = 0,20 mm/U
• n = 1.200 U/min

Zunächst wird die Vorschubgeschwindigkeit berechnet:

vf = 0,20 × 1.200

vf = 240 mm/min

Anschließend wird das Zeitspanvolumen bestimmt:

Q = (π × 16² ÷ 4) × 240 ÷ 1.000

Q ≈ 48,3 cm³/min

Bezogenes Zeitspanvolumen

Das bezogene Zeitspanvolumen setzt das Zeitspanvolumen ins Verhältnis zu einer wirksamen Bearbeitungsbreite. Das Formelzeichen lautet häufig Q‘ beziehungsweise beim Schleifen Q’w.

Die vereinfachte Formel lautet:

Q‘ = Q ÷ b

Dabei gilt:

• Q‘ = bezogenes Zeitspanvolumen
• Q = Zeitspanvolumen
• b = wirksame Bearbeitungsbreite

Eine typische Einheit ist:

mm³/(mm × s)

Das bezogene Zeitspanvolumen wird besonders beim Schleifen verwendet. Durch die Bezugnahme auf die Bearbeitungsbreite lassen sich Prozesse mit unterschiedlichen Schleifscheibenbreiten besser vergleichen.

Beispiel

Gegeben sind:

• Zeitspanvolumen Q = 800 mm³/s
• wirksame Bearbeitungsbreite b = 20 mm

Berechnung:

Q‘ = 800 ÷ 20

Q‘ = 40 mm³/(mm × s)

Theoretisches und tatsächliches Zeitspanvolumen

Das aus Schnittwerten berechnete Zeitspanvolumen ist ein theoretischer Wert für den Zeitraum, in dem sich das Werkzeug im vollständigen Eingriff befindet.

In der Praxis entstehen zusätzliche Zeiten, in denen kein Material abgetragen wird:

• Anfahrbewegungen
• Rückzugsbewegungen
• Positionierungen
• Werkzeugwechsel
• Beschleunigungs- und Bremsvorgänge
• Eintauchbewegungen
• Messvorgänge
• Unterbrechungen des Werkzeugeingriffs

Deshalb kann zwischen dem Zeitspanvolumen während des tatsächlichen Schnitts und dem durchschnittlichen Zeitspanvolumen über die gesamte Bearbeitungszeit unterschieden werden.

Die theoretische Kenngröße eignet sich besonders zum Vergleich verschiedener Schnittdaten. Für die Kalkulation einer vollständigen Fertigungszeit müssen dagegen sämtliche Nebenzeiten berücksichtigt werden.

Einflussgrößen beim Fräsen

Das Zeitspanvolumen beim Fräsen wird unmittelbar beeinflusst durch:

• axiale Schnitttiefe ap
• radiale Eingriffsbreite ae
• Vorschub pro Zahn fz
• Anzahl der Schneiden z
• Drehzahl n
• Vorschubgeschwindigkeit vf

Eine Verdoppelung der Schnitttiefe verdoppelt theoretisch das Zeitspanvolumen, sofern alle anderen Werte unverändert bleiben.

Das bedeutet jedoch nicht, dass jede beliebige Erhöhung möglich ist. Größere Spanquerschnitte und Vorschübe führen zu höheren Schnittkräften und einem steigenden Leistungsbedarf.

Begrenzung durch die Maschine

Das erreichbare Zeitspanvolumen wird durch die Leistungsfähigkeit der Maschine begrenzt. Wichtige Faktoren sind:

• Spindelleistung
• Spindeldrehmoment
• Achsantriebe
• Maschinensteifigkeit
• Werkzeugaufnahme
• maximale Drehzahl
• zulässige Maschinenbelastung

Bei hohen Drehzahlen kann die verfügbare Spindelleistung begrenzend wirken. Bei niedrigen Drehzahlen und großen Werkzeugdurchmessern ist häufig das Drehmoment entscheidend.

Wird die Maschine überlastet, können Drehzahleinbrüche, Vibrationen, Werkzeugbruch oder eine automatische Abschaltung auftreten.

Einfluss des Werkstoffs

Die erreichbare Größe des Zeitspanvolumens hängt stark vom Werkstückwerkstoff ab.

Bei Aluminium können häufig hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe eingesetzt werden. Dadurch sind große Zeitspanvolumen möglich.

Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen wie:

• Edelstahl
• Titan
• gehärtetem Stahl
• Nickelbasislegierungen

müssen die Schnittwerte häufig reduziert werden. Gründe sind höhere Schnittkräfte, stärkere Wärmeentwicklung und eine größere Belastung der Werkzeugschneiden.

Ein direkter Vergleich des Zeitspanvolumens ist deshalb nur sinnvoll, wenn Werkstoff, Werkzeug und Bearbeitungsbedingungen berücksichtigt werden.

Einfluss des Werkzeugs

Das Werkzeug muss für das angestrebte Zeitspanvolumen geeignet sein. Wichtige Eigenschaften sind:

• Werkzeugdurchmesser
• Anzahl der Schneiden
• Spanraumgröße
• Schneidengeometrie
• Schneidstoff
• Beschichtung
• Werkzeugauskragung
• innere Kühlmittelzufuhr

Ein Werkzeug mit vielen Schneiden kann bei stabilen Bedingungen hohe Vorschübe ermöglichen. Bei langspanenden Werkstoffen können zu kleine Spanräume jedoch zu Spanstaus führen.

Eine große Auskraglänge reduziert die Werkzeugsteifigkeit und kann das praktisch erreichbare Zeitspanvolumen deutlich begrenzen.

Einfluss der Spanabfuhr

Mit steigendem Zeitspanvolumen wächst auch die pro Minute entstehende Spanmenge. Diese muss sicher aus dem Bearbeitungsbereich entfernt werden.

Eine unzureichende Spanabfuhr kann verursachen:

• Spanstau
• erneutes Zerschneiden von Spänen
• Beschädigung der Werkstückoberfläche
• Wärmestau
• Verstopfung von Spannuten
• Werkzeugbruch
• Überlastung des Späneförderers

Bei tiefen Taschen oder Bohrungen kann die Spanabfuhr die mögliche Zerspanungsleistung stärker begrenzen als die Spindelleistung.

Zeitspanvolumen und Werkzeugstandzeit

Ein hohes Zeitspanvolumen verkürzt die Bearbeitungszeit, erhöht aber häufig die Belastung des Werkzeugs.

Mögliche Folgen einer zu aggressiven Bearbeitung sind:

• schneller Freiflächenverschleiß
• Schneidkantenausbrüche
• plastische Verformung
• thermische Risse
• Werkzeugbruch
• schlechte Oberflächenqualität

Das technisch größtmögliche Zeitspanvolumen ist deshalb nicht automatisch wirtschaftlich. Entscheidend ist ein stabiler Prozess mit einem günstigen Verhältnis aus Bearbeitungszeit, Werkzeugkosten und Standzeit.

Zeitspanvolumen und Bearbeitungszeit

Wenn das zu entfernende Werkstoffvolumen bekannt ist, kann die theoretische Zerspanungszeit berechnet werden:

t = V ÷ Q

Dabei gilt:

• t = Zerspanungszeit
• V = abzutragendes Werkstoffvolumen
• Q = Zeitspanvolumen

Beispiel

Von einem Werkstück sollen 1.500 cm³ Material entfernt werden. Das Zeitspanvolumen beträgt 75 cm³/min.

t = 1.500 ÷ 75

t = 20 Minuten

Die theoretische reine Zerspanungszeit beträgt 20 Minuten. Positionierbewegungen, Werkzeugwechsel und andere Nebenzeiten sind darin nicht enthalten.

Möglichkeiten zur Erhöhung des Zeitspanvolumens

Das Zeitspanvolumen kann unter anderem durch folgende Maßnahmen erhöht werden:

• größere axiale Schnitttiefe
• größere radiale Eingriffsbreite
• höheren Vorschub
• optimierte Schnittgeschwindigkeit
• leistungsfähigere Werkzeuge
• kürzere Werkzeugauskragung
• stabilere Werkstückspannung
• verbesserte Kühlmittelzufuhr
• zuverlässigere Spanabfuhr
• angepasste Werkzeugwege
• dynamische oder trochoidale Frässtrategien

Die Werte sollten schrittweise erhöht und anhand von Maschinenlast, Spanbildung, Werkzeugverschleiß und Oberflächenqualität kontrolliert werden.

Typische Fehler bei der Berechnung

Bei der Berechnung des Zeitspanvolumens treten häufig folgende Fehler auf:

• Einheiten nicht korrekt umgerechnet
• Millimeter und Meter verwechselt
• Division durch 1.000 vergessen
• Vorschub pro Zahn mit Vorschubgeschwindigkeit verwechselt
• Schneidenzahl nicht berücksichtigt
• theoretische Schnittzeit mit Gesamtbearbeitungszeit verwechselt
• wechselnde Eingriffsbreite nicht berücksichtigt
• loses Spanvolumen statt Werkstückvolumen verwendet

Besonders bei der Umrechnung von mm³/min in cm³/min gilt:

1 cm³ = 1.000 mm³

Bedeutung für die Prozessoptimierung

Das Zeitspanvolumen ermöglicht einen objektiven Vergleich verschiedener Werkzeuge, Schnittwerte und Bearbeitungsstrategien.

Es kann verwendet werden, um:

• Schruppstrategien zu vergleichen
• Bearbeitungszeiten abzuschätzen
• Maschinenkapazitäten zu beurteilen
• Werkzeugtests auszuwerten
• Fertigungskosten zu reduzieren
• Leistungsreserven zu erkennen
• Prozesse wirtschaftlich zu optimieren

Der Wert darf jedoch nie isoliert betrachtet werden. Eine erfolgreiche Bearbeitung benötigt neben einem hohen Zeitspanvolumen auch ausreichende Prozesssicherheit, gute Werkzeugstandzeit und die geforderte Bauteilqualität.

Kurz erklärt

Das Zeitspanvolumen (Q) gibt an, welches Werkstoffvolumen bei einem spanenden Fertigungsverfahren innerhalb einer bestimmten Zeit entfernt wird. Es entspricht bei der Zerspanung der Abtragsleistung, ist jedoch der fachlich genauere Begriff für das in Späne umgewandelte Materialvolumen pro Zeit.