So wählen Sie gängige CNC-Werkzeuge aus: Anpassung von Material, Bearbeitungsprozess und Schnittparametern

So wählen Sie CNC-Werkzeuge aus: ausgehend von Werkstoff, Merkmalen und Bearbeitungsprozess rückwärts ableiten

Viele Bearbeitungsprobleme werden der Maschinengenauigkeit zugeschrieben, tatsächlich können sie bereits bei der Auswahl des CNC-Werkzeugs beginnen. Wenn Werkzeugdurchmesser, Schneidenzahl, Beschichtung und Auskraglänge nicht zum Werkstoff des Werkstücks und zum Bearbeitungsprozess passen, kann dies gleichzeitig zu Spanverstopfungen, Aufbauschneiden, Schwingungen, Überhitzung, Maßabweichungen und Nacharbeit führen. Der erste Schritt bei der Werkzeugauswahl besteht nicht darin, ein „Universalwerkzeug“ zu suchen, sondern zunächst Werkstoff, Bearbeitungsmerkmale und die endgültigen Qualitätsanforderungen eindeutig festzulegen.

Beim Fräsen dreht sich das Werkzeug um die Spindel und bewegt sich entlang der programmierten Bahn. Die axiale Schnitttiefe ap bestimmt, wie tief das Werkzeug entlang der Achse in das Werkstück eintaucht, während die radiale Schnittbreite ae die bei jedem Durchgang quer abgetragene Breite festlegt. Beide beeinflussen gemeinsam die Schnittbelastung, den Spanraum und die verbleibenden Oberflächenrillen. Beim Schruppen steht üblicherweise eine hohe Zerspanungsleistung im Vordergrund, beim Schlichten dagegen ein gleichmäßiges Aufmaß, stabile Maße und eine gute Oberflächenstruktur. Daher erfordert ein und dasselbe Bauteil häufig die Kombination verschiedener Werkzeuge und Werkzeugbahnen.

Grundtypen von CNC-Werkzeugen anhand der Bearbeitungsmerkmale festlegen

Ebenen, schmale Nuten, Taschen, tiefe Kavitäten, 2D-Konturen und 3D-Freiformflächen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Zugänglichkeit und Steifigkeit des Werkzeugs. Für ebene Böden, rechtwinklige Schultern, Nuten und zweidimensionale Konturen werden in der Regel zunächst Vierkant-Schaftfräser in Betracht gezogen. Für kontinuierliche Freiformflächen oder Formenbaukonturen werden häufig Kugelfräser verwendet. Wenn ein ebener Boden mit einem Übergangsradius benötigt wird und gleichzeitig eine höhere Schneidenspitzenfestigkeit gewünscht ist, kann ein Eckenradiusfräser eingesetzt werden. Für den Abtrag von Aufmaß auf großen Stirn- oder ebenen Flächen sind dagegen Planfräser die naheliegendere Wahl.

• Zuerst den Werkstoff prüfen: Die Mechanismen von Anhaftung, Verschleiß und Wärmeentwicklung unterscheiden sich bei Aluminiumlegierungen, rostfreiem Stahl, Werkzeugstahl und Titanlegierungen.
• Anschließend die Merkmale prüfen: minimale Nutbreite, Innenradius, maximale Tiefe und den zugänglichen Raum in geschlossenen Taschen bestimmen.
• Die Bearbeitungsstufen unterscheiden: Beim Schruppen haben Spanabfuhr, Steifigkeit und Abtragsleistung Vorrang, beim Schlichten Rundlauf, Aufmaß und Oberflächenqualität.
• Zum Schluss Maschine und Spannung überprüfen: Spindeldrehzahl, Leistung, Steifigkeit des Werkzeughalters, Kühlmethode und Werkzeugauskragung begrenzen die möglichen Lösungen.

Je größer der Werkzeugdurchmesser, desto günstiger sind in der Regel Steifigkeit und Materialabtragsleistung. Allerdings wird der Zugang zu kleinen Nuten, kleinen Innenradien und tiefen, schmalen Taschen schwieriger. Ein Verhältnis des Werkzeugdurchmessers zur Breite einer geschlossenen Tasche von etwa 50 % bis 70 % kann als erste Schätzung dienen. Dies ist jedoch lediglich ein gängiger Erfahrungswert und ersetzt nicht die Prüfung der konkreten Werkzeugbahn, Radien, Tiefe und Maschinensteifigkeit. Letztlich sollte die Auswahl in der Reihenfolge „Werkstoff → Merkmale → Schrupp- und Schlichtbearbeitung → Maschine und Spannung → Schnittparameter“ bestätigt werden, anstatt das Werkzeug nur anhand seiner Bezeichnung auszuwählen.

Für welche Bearbeitungsaufgaben eignen sich gängige CNC-Fräser jeweils?

Bei der Auswahl von CNC-Fräsern sollte zunächst geprüft werden, welches Material am Werkstück abgetragen und welche Geometrie erzeugt werden soll. Danach wird der Werkzeugtyp festgelegt. Die Schnittkräfte bei Planflächen, Schultern, schmalen Nuten, Taschen und 3D-Flächen unterscheiden sich, sodass ein „Universalwerkzeug“ Spanabfuhr, Steifigkeit und Oberflächenqualität nur schwer gleichzeitig optimal abdecken kann. Beim Schruppen stehen die Abtragsleistung und Prozessstabilität im Vordergrund, während beim Schlichten Rundlauf, gleichmäßiges Aufmaß und das endgültige Bearbeitungsbild entscheidender sind.

Der Durchmesser eines CNC-Werkzeugs muss gleichzeitig die Zugänglichkeit und die Steifigkeit gewährleisten

Je größer der Werkzeugdurchmesser, desto besser ist in der Regel die Steifigkeit und desto günstiger ist auch die Materialabtragsleistung; allerdings kann das Werkzeug möglicherweise nicht in schmale Nuten, kleine Innenecken oder tiefe Kavitäten eindringen. Vor der Auswahl sollten die minimale Nutbreite, der Innenkantenradius, die maximale Tiefe und der verfügbare Platz für den Werkzeughalter geprüft werden. Bei geschlossenen Kavitäten kann ein Werkzeugdurchmesser von etwa 50 bis 70 % der Kavitätenbreite als erste Schätzung dienen. Dies ist jedoch lediglich ein typischer Erfahrungswert; letztlich müssen auch der Eckenradius, die Werkzeugbahn, der Überhang und die Maschinensteifigkeit berücksichtigt werden. Je länger das Werkzeug, desto höher das Risiko von Durchbiegung und Rattern. Daher sollte möglichst die kürzeste Ausführung verwendet werden, die die erforderliche Bearbeitungstiefe erfüllt.

Bei offenen Konturen aus Aluminiumlegierungen werden beispielsweise häufig scharfe Schaftfräser mit großem Spanraum eingesetzt. Bei tiefen Nuten in Edelstahl darf jedoch nicht nur ein kleiner Werkzeugdurchmesser angestrebt werden; auch der Überhang, die Wärmeentwicklung und die Spanabfuhr müssen kontrolliert werden. 3D-Flächen aus Werkzeugstahl werden üblicherweise zunächst mit einem Schruppwerkzeug bearbeitet, um das Aufmaß zu entfernen, und anschließend mit einem Kugelkopffräser oder einem Torusfräser fertigbearbeitet. Die konkrete Anzahl der Schneiden, die Beschichtung und die Schnittparameter sollten sich nach dem jeweiligen Werkzeugkatalog und den Ergebnissen von Probebearbeitungen richten.

CNC-Werkzeuge nach Werkstoff auswählen: Aluminiumlegierungen, Stahl, Edelstahl und Titanlegierungen

Der Werkstoff bestimmt die Schnittwärme, die Adhäsion, den Verschleiß und die Art der Spanabfuhr. Daraus lässt sich jedoch nicht einfach ableiten: „Aluminium mit 2 Schneiden, Stahl mit 4 Schneiden“. Die Schneidenzahl, der Hartmetallkörper, die Beschichtung, der Spanwinkel und der Drallwinkel müssen außerdem gemeinsam mit dem Werkzeugdurchmesser, der Nuttiefe, der Kühlmethode, der Maschinensteifigkeit und der Werkzeugbahn festgelegt werden. Bei der Auswahl von CNC-Werkzeugen sollten zunächst Werkstoffbezeichnung und Härte geprüft und anschließend die empfohlenen Bereiche im Katalog des jeweiligen Werkzeugs kontrolliert werden.

CNC-Werkzeuge für Aluminiumlegierungen: Scharfe Schneiden und gute Spanabfuhr

Bei einer offenen Kontur aus einer Aluminiumlegierung bestehen die wesentlichen Risiken typischerweise in zurücklaufenden Spänen, Aufbauschneiden und an der Schneide anhaftendem Aluminium. Eine schärfere Geometrie, ein größerer Spanraum und eine gleichmäßige Kühlung helfen dabei, die Späne aus der Schnittzone abzuführen. Werkzeuge mit wenigen Schneiden bieten häufig mehr Spanraum. Die Auswahl für offene Konturen, schmale Nuten oder die Schlichtbearbeitung muss jedoch weiterhin anhand des Werkzeugaufbaus und des Vorschubs pro Zahn getroffen werden. Auch bei der Beschichtung gilt nicht grundsätzlich: je mehr, desto besser. Ihre Eignung für Aluminium und Nichteisenmetalle sollte geprüft werden.

CNC-Werkzeuge für Edelstahl und Titanlegierungen: Wärme und Steifigkeit kontrollieren

Bei der Bearbeitung tiefer Nuten in Edelstahl stehen Kaltverfestigung, behinderte Spanabfuhr und Wärmestau stärker im Vordergrund. Das Werkzeug sollte möglichst kurz gespannt werden, und die Spannung muss stabil sein. Die Belastung lässt sich durch schichtweise Bearbeitung sowie geeignete axiale Schnitttiefe ap und radiale Schnittbreite ae kontrollieren. Die Schneide muss sowohl Wärmebeständigkeit als auch Ausbruchfestigkeit bieten. Die konkrete Beschichtung und Schneidenzahl dürfen nicht unabhängig von Werkstoffbezeichnung und Nuttiefe beurteilt werden. Auch Titanlegierungen neigen zu Wärmestau. Dies lässt sich nicht allein durch eine Verringerung der Drehzahl lösen; zusätzlich müssen Kühlschmierstoff, Werkzeugbahn, Werkzeugüberhang und der tatsächliche Eingriffsbogen geprüft werden.

CNC-Werkzeuge für 3D-Flächen aus Werkzeugstahl: Auswahl nach Härte und Aufmaß

Für 3D-Flächen aus Werkzeugstahl werden üblicherweise Kugelkopffräser oder Torusfräser benötigt. Der Werkzeugtyp hängt jedoch auch von der Werkstoffhärte, der Krümmung und dem verbleibenden Aufmaß ab. Kugelkopffräser eignen sich für die Bearbeitung kontinuierlicher Flächen, während Torusfräser einen Kompromiss zwischen ebenen Übergängen und Schneidenfestigkeit ermöglichen. Bei größerem Aufmaß sollte das Material zunächst mit einem geeigneten Schruppwerkzeug entfernt werden, bevor der Kugelkopffräser die Schlichtbearbeitung übernimmt. Ein Kugelkopffräser gewährleistet nicht automatisch eine gute Oberfläche; auch Zustellung, Werkzeugbahnausrichtung, Rundlauf und Kühlung beeinflussen die verbleibenden Rattermarken. Letztlich sollten die Angaben des jeweiligen Werkzeugherstellers zu Hartmetallkörper, Beschichtung, Vc und fz herangezogen und anhand der Ergebnisse von Probebearbeitungen angepasst werden.

Wie die Geometrie von CNC-Werkzeugen Spanabfuhr, Steifigkeit und Oberflächenqualität beeinflusst

Nach der Auswahl des Werkzeugtyps muss auch geprüft werden, ob die Werkzeuggeometrie zu Werkstoff, Nuttiefe und Maschinensteifigkeit passt. Werkzeugdurchmesser, Schneidenzahl, Spanraum, Spanwinkel, Freiwinkel, Drallwinkel und Eckenradius beeinflussen gemeinsam die Schnittkräfte, Spanabfuhr, Wärmeentwicklung und Oberflächenstruktur. Ein größerer positiver Spanwinkel ist beispielsweise in der Regel vorteilhaft für die Bearbeitung weicherer, klebriger Werkstoffe. Eine robustere Schneidengeometrie eignet sich dagegen meist besser für Stahl oder abrasive Werkstoffe. Der konkrete Winkel sollte jedoch anhand der Katalogdaten des Werkzeugherstellers für die jeweilige Werkstoffbezeichnung festgelegt werden.

Wie Schneidenzahl und Spanraum eines CNC-Werkzeugs die Spanabfuhr beeinflussen

Weniger Schneiden bedeuten in der Regel ein größeres Spanvolumen und eignen sich für offene Profile aus Aluminiumlegierungen, bei denen lange Späne schnell abgeführt werden müssen. Eine größere Schneidenzahl bietet bei gleicher Drehzahl mehr Schneiden im Eingriff und wird häufig bei Stahlteilen oder zur Schlichtbearbeitung eingesetzt. Die Regel „Aluminium immer mit 2 Schneiden, Stahl immer mit 4 Schneiden“ ist jedoch nicht allgemein gültig. Nuttiefe, Kühlmethode, Werkzeugdurchmesser, Vorschub pro Zahn und die konkrete Schneidengeometrie können das Ergebnis verändern. Bei unzureichender Spanabfuhr sollten zunächst Spanvolumen, Drallrichtung und die Fähigkeit der Kühlung, die Späne abzuführen, überprüft werden, anstatt nur die Spindeldrehzahl anzupassen.

CNC-Werkzeugdurchmesser und Auskraglänge: Abwägung zwischen Steifigkeit und Zugänglichkeit

Je größer der Werkzeugdurchmesser, desto vorteilhafter sind in der Regel Biegesteifigkeit und Materialabtragsleistung; außerdem entstehen durch geringfügigen Rundlauf weniger leicht sichtbare Rattermarken. Werkzeuge mit großem Durchmesser können jedoch möglicherweise nicht in schmale Nuten, kleine Innenecken oder tiefe Kavitäten eindringen. Bei geschlossenen Kavitäten kann ein Werkzeugdurchmesser von etwa 50 % bis 70 % der Kavitätenbreite als erste Schätzung dienen. Dies ist jedoch nur ein typischer Erfahrungswert; minimale Nutbreite, Innenradius, Tiefe und der verfügbare Bahnraum müssen weiterhin geprüft werden. Bei einem Werkzeugdurchmesser von 3.175 mm lassen sich theoretisch auch keine scharfen Innenecken mit weniger als etwa 1.59 mm bearbeiten.

Auswahl von CNC-Werkzeugen für Schrupp- und Schlichtbearbeitung: Warum ein einziges Werkzeug nicht für den gesamten Prozess empfohlen wird

Schrupp- und Schlichtbearbeitung erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Daher sollten CNC-Werkzeuge nicht nur danach beurteilt werden, ob sie überhaupt schneiden können. Beim Schruppen geht es zunächst darum, Aufmaß schnell abzutragen; entscheidend sind Spanabfuhr, Steifigkeit, Schnittlast und Vibrationskontrolle. Beim Schlichten stehen dagegen Rundlauf des Werkzeugs, Zustand der Schneidkante, Gleichmäßigkeit des Aufmaßes, Bahnabstand und die endgültigen Oberflächenrattermarken stärker im Vordergrund. Wird ein Schruppwerkzeug direkt für die Endoberfläche eingesetzt, werden häufig größere Schnittspuren, verbleibendes Aufmaß und Schneidkantenverschleiß in den letzten Bearbeitungsschritt übertragen.

Beim Schruppen mit CNC-Werkzeugen muss zunächst die Schnittlast kontrolliert werden

Bei der Bearbeitung tiefer Kavitäten oder von Teilen aus Werkzeugstahl steigen mit zunehmender Auskraglänge des Werkzeugs in der Regel die Risiken von Durchbiegung und Rattern. Wählen Sie bevorzugt den größten Werkzeugdurchmesser, der in das zu bearbeitende Merkmal eindringen kann, und halten Sie die Auskraglänge möglichst kurz. Wenn eine Bearbeitung in einem Arbeitsgang nicht möglich ist, kann eine Bearbeitung in mehreren Ebenen erfolgen; dabei werden die radiale Zustellung ae oder die axiale Schnitttiefe ap reduziert und mit einer gleichmäßigeren Werkzeugbahn kombiniert. Beim dynamischen Schruppen werden häufig ein kleineres ae und ein größeres ap verwendet, damit das Werkzeug in einem relativ stabilen Eingriffsbogen bleibt und nicht plötzlich über die gesamte Breite in das Material eintaucht. Die konkrete Schnitttiefe und Schnittbreite müssen weiterhin anhand des Werkzeugkatalogs, der Maschinenleistung, der Spannsteifigkeit und der Werkstoffhärte überprüft werden.

CNC-Werkzeuge für die Schlichtbearbeitung: Aufmaß und Oberflächenrückstände kontrollieren

Am Beispiel einer 3D-Freiformfläche aus Werkzeugstahl führen Kugelkopffräser oder Torusfräser nicht automatisch zu einer hochwertigen Oberfläche. Kugelfräserdurchmesser, Schlichtaufmaß, Zustellung, Fräsbahnausrichtung und Resthöhen bestimmen gemeinsam die Riefen auf der Oberfläche; ist die Zustellung zu groß, bleiben deutliche Scallops (Resthöhen) zurück, während eine zu kleine Zustellung die Bearbeitungszeit und den Werkzeugverschleiß erhöhen kann. In Bereichen mit starken Krümmungsänderungen sollte außerdem der wirksame Schneidbereich des Kugelfräsers mit der tatsächlichen Kontaktposition abgeglichen werden, um eine instabile Oberflächenqualität durch langsames Schneiden in der Nähe der Werkzeugspitze zu vermeiden.

Ein meist robusterer Prozess besteht daher aus „Schruppwerkzeug zum Abtragen des Aufmaßes, Vorschlichtwerkzeug zur Homogenisierung und Schlichtwerkzeug zur Fertigbearbeitung der Oberfläche“. Ist das Aufmaß nach dem Schruppen ungleichmäßig verteilt, greift das Schlichtwerkzeug lokal plötzlich stark ein, was zu Vibrationen, Maßabweichungen oder ungewöhnlichen Riefen führen kann. Bei der Auswahl von CNC-Werkzeugen sollten daher gleichzeitig die Werkzeugwegstrategie, das verbleibende Aufmaß, die Spannmethode und die Anforderungen an die Zielfläche geprüft werden, anstatt nur auf Werkzeugbezeichnung oder Durchmesser zu achten.

• Schruppen: Zuerst Spanabfuhr, Steifigkeit, ae/ap und Schnittlast prüfen.
• Vorschlichten: Entscheidend ist eine gleichmäßige Aufmaßverteilung, um die lokale Belastung bei der Schlichtbearbeitung zu reduzieren.
• Schlichten: Rundlauf, Schneidkanten­zustand, Zustellung, Werkzeugwegrichtung und Oberflächenresthöhe prüfen.

CNC-Fräsparameter abstimmen: Von Vc und fz bis zur Fehleranalyse beim Probeschneiden

Nach der Auswahl des CNC-Werkzeugs dürfen die Schnittparameter nicht einfach nur anhand des Werkzeugdurchmessers oder der Werkstoffbezeichnung übernommen werden. Zunächst sollten dem Katalog des jeweiligen Werkzeugherstellers die Schnittgeschwindigkeit Vc und der Zahnvorschub fz für das konkrete Werkzeug, die Werkstoffsorte, den Werkzeugdurchmesser und das Bearbeitungsverfahren entnommen und anschließend an die Bedingungen von Maschine und Aufspannung angepasst werden. Die Katalogdaten sind ein Ausgangspunkt, keine universell gültigen Parameter unabhängig von den Bearbeitungsbedingungen.

Spindeldrehzahl und Vorschub mit Vc und fz berechnen

Bei bekanntem Werkzeugdurchmesser D (mm) kann die Spindeldrehzahl mit n≈1000Vc/(πD) geschätzt werden; bei einer Schneidenzahl von z lässt sich der Vorschub mit Vf≈n×z×fz berechnen. Anschließend müssen auch die maximale Drehzahl der Maschine, die Spindelleistung, die Werkzeughalterspannung, der Werkzeugrundlauf sowie die axiale Schnitttiefe ap und die radiale Eingriffsbreite ae geprüft werden. Bei der Bearbeitung tiefer Kavitäten oder großer Auskragungen müssen Schnitttiefe, Schnittbreite oder Vorschub in der Regel reduziert werden. Vorrangig sollten Steifigkeit und Spanabfuhr verbessert werden, statt lediglich die Drehzahl zu erhöhen.

CNC-Werkzeugparameter anhand von Störungsbildern überprüfen

Bei Vibrationen, Aufbauschneiden, Brandstellen, Graten, Maßabweichungen oder ungewöhnlichen Oberflächenriefen kann die Prüfung in folgender Reihenfolge erfolgen: Zunächst ist zu klären, ob Werkzeuggeometrie, Schneidkanten­zustand, Grundkörper und Beschichtung für den Werkstoff geeignet sind; danach werden Auskragung, Spannung im Werkzeughalter und Werkzeugrundlauf geprüft; anschließend wird kontrolliert, ob ap, ae und der Werkzeugweg zu plötzlichen Laständerungen führen; zuletzt werden Drehzahl, Vorschub sowie Kühlung und Spanabfuhr angepasst. Bei Aluminiumlegierungen treten häufig eine unzureichende Spanabfuhr und Materialanhaftungen auf, während tiefe Nuten in Edelstahl stärker durch Wärmeentwicklung, große Auskragungen und unzureichenden Spanraum beeinträchtigt werden. Pro Versuch sollte nur eine wesentliche Variable geändert werden, damit sich die Ursache leichter bestimmen lässt.

Bei der Anfrage von Werkzeuglieferanten oder CNC-Fertigungsbetrieben zu den Parametern sollten mindestens folgende Angaben gemacht werden: Werkstoffsorte und Härte, Zustand des Rohteils, Begrenzung des Werkzeugdurchmessers, kleinster Innenradius, maximale Bearbeitungstiefe, Schrupp- und Schlichtaufmaß, gewünschter Ra-Wert oder optische Anforderungen, maximale Maschinendrehzahl und Leistung, Werkzeughaltertyp, Kühlmethode sowie das geplante ap, ae. Je vollständiger die Angaben sind, desto leichter lassen sich die Empfehlungen zu Vc, fz und zum Probeschneiden auf die tatsächlichen Bearbeitungsbedingungen übertragen.

Häufige Fragen zur Auswahl von CNC-Werkzeugen und zu Schnittparametern

Die folgenden Fragen konzentrieren sich auf einige Beurteilungen bei der Auswahl von CNC-Werkzeugen, die häufig zu stark vereinfacht werden: Schneidenzahl, Werkzeugtyp, Werkzeugdurchmesser und Schnittparameter. In der praktischen Bearbeitung sollten Werkstoff, Werkzeugaufbau, Bearbeitungsmerkmal, Werkzeugweg, Spannsteifigkeit und Maschinenleistung weiterhin gemeinsam betrachtet werden.