Flötenlänge, Ausladung und Steifigkeit: Die unterschätzten Variablen beim Fräsen mit CNC-Fräsen

Wenn beim Fräsen mit CNC-Fräsen Fehler auftreten – Rattern, schlechte Oberflächenqualität, gebrochene Werkzeuge –, sind in der Regel die Vorschubgeschwindigkeiten, Beschichtungen oder sogar die Maschine selbst die ersten Verdächtigen.

Einer der am häufigsten übersehenen Faktoren, die die Schneidleistung beeinträchtigen, insbesondere bei CNC-Fräsen, ist jedoch die Werkzeugsteifigkeit – genauer gesagt, wie viel des Werkzeugs nicht abgestützt ist.

In vielen Fällen kann die einfache Wahl eines Fräsers mit kürzerer Spannutlänge (oder reduzierter Auskragung) einen größeren Unterschied bewirken als die Änderung der Beschichtung, der Spannutanzahl oder der Drehzahl.

Dieser Artikel erklärt, warum die Länge der Fräser und der Überstand bei CNC-Fräsmaschinen so wichtig sind und wie man bei der Auswahl von Schaftfräsern die Steifigkeit berücksichtigen sollte.

Warum Steifigkeit bei CNC-Fräsen wichtiger ist als bei Fräsmaschinen

Im Vergleich zu vertikalen Bearbeitungszentren arbeiten CNC-Fräsen in der Regel mit:

• Höhere Spindeldrehzahlen
• Geringere Gesamtmasse und Steifigkeit
• Längerer Werkzeugüberstand
• Geringere inhärente Dämpfung im Portal und in der Z-Achse

Infolgedessen reagieren Router wesentlich empfindlicher auf Werkzeugverformungen und Vibrationen.

Wenn sich ein Fräser unter Belastung verbiegt:

• Die Chipdicke wird ungleichmäßig.
• Die Schnittkräfte schwanken
• Chatter erscheint
• Oberflächenbeschaffenheit verschlechtert sich
• Werkzeugstandzeit sinkt

Die Verringerung der Durchbiegung ist oft der schnellste Weg, um einen Schnitt zu stabilisieren – und die nicht abgestützte Werkzeuglänge ist einer der größten Faktoren, die zu dieser Durchbiegung beitragen.

Flötenlänge vs. Überstand vs. nicht abgestützte Länge (was sich tatsächlich verbiegt)

Diese Begriffe werden oft synonym verwendet, sind aber nicht genau dasselbe.

• Flötenlänge: der Schneidteil des Werkzeugs
• Überstand: Wie weit das Werkzeug aus der Spannzange herausragt
• Nicht unterstützte Länge: Der Teil des Werkzeugs, der sich unter Schnittlast verbiegen kann.

Nicht unterstützte Länge umfasst:

• Freiliegende Flötenlänge
• Jeder freiliegende Schaft unterhalb der Spannzange
• Jeder Hals mit reduziertem Durchmesser

Stickout ist das, was Sie messen.
Die nicht abgestützte Länge ist das, was sich verbiegt.

Beim Schneiden von Aluminium auf einer CNC-Fräsesind kürzere Spannutlängen vorzuziehen,da Steifigkeit und Vibrationskontrolle weitaus wichtiger sind als die Reichweite.

Warum kleine Längenveränderungen große Auswirkungen haben

Aus mechanischer Sicht nimmt die Werkzeugauslenkung mit der dritten Potenz der nicht abgestützten Länge zu.

In der Praxis bedeutet das:

Durch Verdoppeln der nicht abgestützten Länge eines Fräsers kann die Steifigkeit um etwa das Achtfache verringert werden.

Das bedeutet:

• Ein Werkzeug mit doppelter freiliegender Länge ist nicht „ein wenig“ weniger steif – es ist deutlich weniger steif.
• Geringfügige Erhöhungen der Flügellänge oder des Überstands können überproportionale Auswirkungen auf das Rattern und die Oberflächengüte haben.

Aus diesem Grund können sich zwei Fräser mit gleichem Durchmesser völlig unterschiedlich verhalten, je nachdem, wie viel des Werkzeugs nicht abgestützt ist.

Warum „Mindestlänge der Flöte“ eine erfolgreiche Strategie ist

Ein häufiger Fehler – insbesondere bei neuen Router-Anwendern – ist die Wahl von Fräsern mit einer viel größeren Schneidenlänge, als für den eigentlichen Schnitt erforderlich ist.

Beispiele:

• Schneiden einer 6 mm starken Platte mit einer 25 mm langen Rille
• Flache Taschen mit langreichweitigen Werkzeugen

Übermäßige Flötenlänge:

• Reduziert die Steifigkeit
• Fördert Vibrationen
• Erschwert die Kontrolle der Schnittkräfte

Ein effektiverer Ansatz ist einfach:

Wählen Sie die kürzeste Spannutlänge, mit der die erforderliche Schnitttiefe bequem erreicht werden kann.

Viele Benutzer finden, dass diese einzige Änderung:

• Reduziert sofort das Rattern
• Verbessert die Kantenbearbeitung
• Ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei gleicher Schnitttiefe

Router-spezifische Kompromisse: Steifigkeit vs. Spanabfuhr

Kürzere Fräser sind keine universelle Lösung. Bei CNC-Fräsen benötigen Sie weiterhin:

• Ausreichende Spanabfuhr
• Freigabe für adaptive oder trochoidale Werkzeugwege
• Ausreichende Flötenlänge, um ein Reiben am Schaft zu vermeiden

Das Ziel ist nicht die kürzestmögliche Flöte, sondern die kürzeste geeignete Flöte.

Aus diesem Grund kombinieren erfahrene Router-Benutzer häufig:

• Kurze Flötenlängen
• Minimaler Überstand
• Leichter radialer Eingriff
• Werkzeugwege mit konstantem Eingriff

Zusammen reduzieren diese die Schnittkraftspitzen und sorgen gleichzeitig für Stabilität.

Wie die Länge der Flute mit der Anzahl der Flutes zusammenwirkt

Die Länge der Flöte beeinflusst auch das Verhalten der Flötenanzahl.

Bei CNC-Fräsen:

• Einflügelige Werkzeuge mit kurzen Schneiden fühlen sich oft extrem stabil an.
• Mehrschneidige Werkzeuge profitieren überproportional von einer reduzierten Schneidenlänge.
• Längere Schneiden verstärken die Vibration, insbesondere bei 2- und 3-schneidigen Fräsern.

Dies erklärt, warum einige Anwender berichten, dass Mehrschneidige Fräser in Aluminium „besser resonieren“ – nicht unbedingt aufgrund der Anzahl der Schneiden allein, sondern weil sich die Steifigkeit verbessert hat.

Extra lange Fluten sind beiFräsern zum Schneiden von Schaumstoff üblich, da Schaumstoff einen sehr geringen Schnittwiderstand bietet und somit tiefe Schnitte ohne die bei Metallen auftretenden Probleme hinsichtlich der Steifigkeit ermöglicht. Diese Werkzeuge sind auf Reichweite und Freiraum ausgelegt, nicht auf Steifigkeit.

Praktische Richtlinien zur Steifigkeit für CNC-Fräsen

Obwohl jede Maschine und jede Konfiguration unterschiedlich ist, gelten diese Grundsätze für viele Router-Plattformen:

• Bevorzugen Sie nach Möglichkeit kurze Flötenlängen.
• Minimieren Sie den Werkzeugüberstand aus der Spannzange.
• Verwenden Sie den Werkzeugdurchmesser, um die Steifigkeit zu erhöhen, bevor Sie die Schnitttiefe erhöhen.
• Bevorzugen Sie Werkzeugwege mit konstanter Bearbeitung gegenüber vollständigen Nutenfräsungen.
• Behandeln Sie Starrheit als Variable erster Ordnung und nicht als Nebensache.

Sobald die Steifigkeit behoben ist, stellen viele Benutzer Folgendes fest:

• Feeds und Geschwindigkeiten werden toleranter
• Beschichtungen sind für die Stabilität weniger wichtig.
• Die Standzeit verbessert sich auf natürliche Weise.

Checkliste zur Steifigkeit (Schnelle Selbstprüfung vor der Änderung von Vorschub und Geschwindigkeit)

Verwenden Sie diese kurze Checkliste, um Rattern, schlechte Oberflächenqualität oder unvorhersehbare Standzeiten zu beheben – insbesondere bei CNC-Fräsen.

• ☐ Ich verwende die kürzeste Flügellänge, mit der die erforderliche Schnitttiefe bequem erreicht werden kann.
• ☐ Der Werkzeugüberstand wird minimiert (nur so viel wie für den Freiraum und die Werkzeugwege erforderlich).
• ☐ Das Werkzeug wird in einer sauberen, ordnungsgemäß festgezogenen Spannzange gehalten (keine Späne, Staub oder Rückstände auf dem Konus/der Spannzange).
• ☐ Ich vermeide Werkzeuge mit langem Griff/Hals, es sei denn, die Geometrie erfordert dies wirklich.
• ☐ Wenn die Steifigkeit einschränkend ist, ziehe ich einen größeren Werkzeugdurchmesser in Betracht, bevor ich die Schnitttiefe erhöhe.
• ☐ Ich verwende nach Möglichkeit Werkzeugwege mit konstanter Eingriffstiefe (adaptiv/trochoidal).
• ☐ Ich beschränke das Fräsen über die gesamte Breite und schwere „Trenching“-Schnitte auf Maschinen mit geringer Steifigkeit.
• ☐ Ich achte auf die ersten Anzeichen von Rattern und reduziere die Variablen, die zu Lastspitzen führen (radialer Eingriff, Auskragung, Nutlänge).
• ☐ Die Späneabfuhr wird gesteuert (Luftstrahl, Vakuum oder andere Methode), sodass die Späne nicht erneut schneiden und die Vibrationen verstärken.

Das Fazit

Bei CNC-Fräsen wird die Schneidleistung oft weniger durch die Spindelleistung als vielmehr durch die Stabilität eingeschränkt.

Die Länge der Bohrwelle und die freie Werkzeuglänge spielen eine wichtige Rolle für diese Stabilität, werden jedoch häufig zugunsten von Vorschüben, Geschwindigkeiten oder Beschichtungen übersehen.

Bevor Sie eine dieser Variablen ändern, sollten Sie sich eine einfachere Frage stellen:

Ist mein Fräser so kurz und steif, wie es für diese Aufgabe sinnvoll ist?

In vielen Fällen reicht das allein schon aus, um das Ergebnis zu verändern.