Verständnis von CNC-Vorschüben und Geschwindigkeiten

Jeder CNC-Bediener möchte die magischen Zahlen wissen:

Bei welcher Drehzahl sollte ich fahren?
Wie schnell sollte ich den Vorschub einstellen?
Mit welchen Einstellungen erhalte ich einen sauberen Schnitt, ohne dass es zu Verbrennungen, Ruckeln oder zum Bruch des Bohrers kommt?

Die ehrliche Antwort lautet: Das kommt darauf an.

Die Vorschübe und Drehzahlen bei der CNC-Bearbeitung hängen von Ihrer Maschine, Ihrem Fräser, Ihrem Werkstoff, Ihrer Spindel, Ihrem Werkzeugweg, Ihrer Werkstückspannung und sogar von der Steifigkeit Ihrer Aufspannung ab. Deshalb sind Tabellen und Rechner für Vorschübe und Drehzahlen zwar nützlich – sie sind jedoch nur Ausgangspunkte und keine endgültigen Antworten.

Die gute Nachricht ist, dass Vorschub und Drehzahl viel leichter zu verstehen sind, sobald man sich auf ein Schlüsselkonzept konzentriert: die Spanbelastung.

Auf einen Blick

• Die Tabellen zu Vorschub und Drehzahl sind empfohlene Anhaltspunkte, keine allgemeingültigen Regeln.
• Das Ziel ist eine angemessene Spanabnahme: Es sollen Späne entstehen, kein Staub.
• Die Vorschubgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich das Schneidwerkzeug durch das Material bewegt; sie wird in der Regel in Zoll pro Minute (IPM) gemessen.
• Die Spindeldrehzahl gibt an, wie schnell sich das Werkzeug dreht, und wird in Umdrehungen pro Minute (U/min) gemessen.
• Wenn Ihre CNC-Maschine Staub erzeugt oder Holz verbrennt, kann eine Verlangsamung das Problem möglicherweise noch verschlimmern.
• Führen Sie immer einen Probeschnitt an Restmaterial durch und passen Sie jeweils nur eine Variable an.

Was sind Vorschub und Drehzahl?

Beim CNC-Fräsen beziehen sich Vorschub und Drehzahl auf das Verhältnis zwischen der Drehzahl des Fräsers und seiner Bewegungsgeschwindigkeit durch das Material.

Unter „Drehzahl“ versteht man in der Regel die Spindeldrehzahl oder die Fräsdrehzahl, gemessen in U/min.

Unter „Vorschub“ versteht man die Vorschubgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkzeug durch das Material bewegt; diese wird in der Regel in IPM gemessen.

Diese beiden Einstellungen wirken zusammen. Wenn sich die Spindel zu schnell dreht, während sich die Maschine zu langsam bewegt, kann es passieren, dass der Bohrer am Material reibt, anstatt es zu schneiden. Dadurch entsteht Wärme, das Werkzeug wird stumpf, und Holz kann verbrennen oder Kunststoff schmelzen. Ist die Vorschubgeschwindigkeit für das Werkzeug, das Material oder die Maschine zu hoch, kann der Bohrer flattern, aus der Spur geraten oder brechen.

Das Ziel besteht nicht einfach darin, schneller oder langsamer zu fahren. Das Ziel ist es, dass der Fräser mit jeder Schneide genau die richtige Materialmenge abträgt.

Das wichtigste Konzept: die Spanbelastung

Die Spanabnahme ist die Materialmenge, die von jeder Schneide bzw. jeder Schneidnut während einer Umdrehung des Werkzeugs abgetragen wird.

Praktisch gesehen ist die Spanabnahme die Größe bzw. Dicke des Spans, den Ihr Fräser beim Fräsen erzeugt.

Die Grundformel lautet:

Spanabnahme = Vorschubgeschwindigkeit ÷ (Drehzahl × Anzahl der Schneiden)

Wenn Sie beispielsweise den Vorschub erhöhen, dabei aber die Drehzahl und den Bohrer beibehalten, nimmt jede Schneide einen größeren Span auf. Wenn Sie die Drehzahl erhöhen, dabei aber den Vorschub beibehalten, nimmt jede Schneide einen kleineren Span auf.

Deshalb ist der alte Ratschlag aus dem Geschäft so nützlich:

Du willst Chips, keinen Staub.

Staub ist in der Regel ein Zeichen dafür, dass der Fräser nicht tief genug in das Material eindringt. Anstatt effizient zu fräsen, reibt der Fräser möglicherweise nur am Material, erhitzt sich und nutzt sich schneller ab als nötig.

Warum die Spanbelastung wichtig ist

Die richtige Wahl der Spanabnahme beeinflusst nahezu jeden Aspekt Ihres CNC-Schnitts.

• Standzeit: Eine zu geringe Spanabnahme kann zu Reibung, Wärmeentwicklung und vorzeitigem Abstumpfen führen. Eine zu hohe Spanabnahme kann den Bohrer überlasten und zu Bruch führen.
• Schnittqualität: Eine angemessene Spanabnahme trägt zu einer saubereren Kante und einer glatteren Oberflächenbeschaffenheit bei.
• Wärmeregulierung: Späne leiten die Wärme vom Schnitt weg. Staub ist dabei bei weitem nicht so effektiv.
• Produktivität: Mit den richtigen Vorschüben und Drehzahlen können Sie das Material effizient abtragen, anstatt den Schnitt unnötig zu schonen.

Wenn Ihre Einstellungen stimmen, klingt der Schnitt gleichmäßiger, die Späne sehen einheitlicher aus, der Bohrer bleibt kühler und die Schnittkante fällt in der Regel besser aus.

Vorschubgeschwindigkeit: Wie schnell sich das Werkzeug bewegt

Die Vorschubgeschwindigkeit gibt an, wie schnell die CNC das Schneidwerkzeug durch das Material bewegt. In den Vereinigten Staaten wird sie üblicherweise in Zoll pro Minute( IPM) gemessen.

Ein höherer Vorschub bedeutet, dass sich der Bohrer schneller durch das Material bewegt. Dies führt in der Regel zu einer größeren Spanbelastung. Ein niedrigerer Vorschub führt zu einer geringeren Spanbelastung.

Aber langsamer ist nicht immer sicherer. Wenn Sie die Vorschubgeschwindigkeit zu stark verringern, während die Drehzahl hoch bleibt, kann der Bohrer anfangen, Staub statt Späne zu erzeugen. Das kann zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führen, das Werkzeug abstumpfen und Verbrennungen verursachen.

Spindeldrehzahl: Wie schnell sich das Werkzeug dreht

Die Spindeldrehzahl gibt an, wie schnell sich der Fräser dreht, und wird in Umdrehungen pro Minute( U/min) gemessen.

Eine höhere Drehzahl bedeutet nicht automatisch einen besseren Schnitt. Ist die Drehzahl im Verhältnis zur Vorschubgeschwindigkeit zu hoch, entfernt jede Schneidnut zu wenig Material. Dies kann zu Reibung, Hitzeentwicklung, Verbrennungen oder Schmelzen führen.

Eine niedrigere Drehzahl kann in manchen Situationen hilfreich sein, insbesondere beim Zerspanen von Kunststoffen oder Aluminium, muss jedoch weiterhin mit der Vorschubgeschwindigkeit, der Spanabfuhr und den Leistungsmöglichkeiten der Maschine in Einklang gebracht werden.

Anzahl der Rillen

Auch die Anzahl der Schneidrillen am Bohrer beeinflusst die Spanbelastung.

Ein 2-schneidiger Bohrer hat zwei Schneidkanten. Ein 1-schneidiger Bohrer hat eine. Bei gleicher Drehzahl und gleichem Vorschub nimmt ein 1-schneidiger Bohrer pro Schneide einen größeren Span auf als ein 2-schneidiger Bohrer.

Das ist ein Grund, warum Ein- und O-Nuten-Bohrer häufig für Kunststoffe und Aluminium verwendet werden. Sie schaffen mehr Platz für den Spanabtransport und können dazu beitragen, die Wärmeentwicklung in Materialien zu verringern, die leicht schmelzen oder verschweißen.

Anlauf- und Eintauchvorschubgeschwindigkeiten

Die Vorschubgeschwindigkeit muss nicht für jeden Abschnitt des Schnitts gleich sein.

Wenn sich das Werkzeug seitlich durch das Material bewegt, kann es oft mit der Hauptschnittvorschubgeschwindigkeit arbeiten. Wenn das Werkzeug jedoch abbremst oder in das Material eintaucht, muss die Vorschubgeschwindigkeit in der Regel verringert werden.

Als allgemeine Richtlinie reduzieren viele CNC-Anwender den Rampen- oder Eintauchvorschub auf etwa die Hälfte der Hauptvorschubgeschwindigkeit. Der richtige Wert hängt vom Bohrer, vom Werkstoff, von der Schnitttiefe und von der Werkzeugwegstrategie ab.

Warum Tabellen zu Vorschub und Drehzahl nur als Ausgangspunkt dienen

Tabellen zu Vorschub und Drehzahl sind äußerst hilfreich. Sie bieten Ihnen eine sichere und fundierte Ausgangsbasis.

Allerdings können sie nicht alle Variablen berücksichtigen, die in der Praxis in Ihrem Betrieb auftreten.

Ein und derselbe Fräser, der dasselbe Material bearbeitet, erfordert unter Umständen unterschiedliche Einstellungen, abhängig von:

• Maschinenleistung
• Maschinensteifigkeit
• Spindel- oder Fräserqualität
• Werkzeugdurchmesser
• Anzahl der Rillen
• Schnitttiefe
• Werkzeugüberstand
• Werkstückspannung
• Materialdicke und -dichte
• Staubabsaugung oder Späneabtransport
• Bitschärfe
• Climb-Verfahren im Vergleich zum herkömmlichen Schneiden

Deshalb sollten Tabellen und Rechner nur als Richtwerte betrachtet werden. Sie helfen Ihnen zwar, willkürliche Schätzungen zu vermeiden, ersetzen aber keine Probeschnitte.

Die Maschinensteifigkeit verändert alles

Einer der Hauptgründe für Schwankungen bei Vorschub und Drehzahl ist die Maschinensteifigkeit.

Eine leistungsstarke industrielle CNC-Maschine kann einen Kompressionsbohrer mit Vorschubgeschwindigkeiten durch MDF treiben, bei denen eine Desktop-CNC-Maschine ins Ruckeln geraten, sich verbiegen oder an Präzision verlieren würde.

Der Bohrer hat sich nicht verändert. Das Material hat sich nicht verändert. Die Maschine schon.

Eine steife Maschine kann den Fräser unter Belastung stabiler halten. Eine weniger steife Maschine kann sich verbiegen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit, die Schnitttiefe oder die Spanbelastung zu hoch sind. Diese Verbiegung kann sich in Form von Ratter Spuren, rauen Kanten, mangelnder Genauigkeit oder gebrochenen Fräsern äußern.

Aus diesem Grund können zwei CNC-Anwender dieselbe Tabelle befolgen und dennoch unterschiedliche Ergebnisse erzielen. Bei der richtigen Einstellung geht es nicht nur um den Bohrer, sondern um das gesamte Zerspanungssystem.

Beispiel: Warum ein Bediener 260 IPM und ein anderer 720 IPM erreicht

Im obigen Video erwähnt Jeff den 2-schneidigen Kompressionsbohrer 46172-K von Amana Tool. In der Tabelle zu dieser Baureihe wird für das Bearbeiten von MDF eine Vorschubgeschwindigkeit von 260 IPM empfohlen.

Das ist ein guter Ausgangspunkt.

Da Jeff jedoch eine leistungsstarke, starre 7-HP-Maschine einsetzt, kann er mit einer deutlich höheren Vorschubgeschwindigkeit arbeiten – etwa 720 IPM.

Bei einer kleineren Desktop-CNC-Maschine erfordern dasselbe Bohrwerkzeug und dasselbe Material möglicherweise eine wesentlich langsamere Vorschubgeschwindigkeit, beispielsweise 120 IPM. Der Unterschied liegt nicht nur im Bohrwerkzeug. Es kommt auch auf die Leistung, die Steifigkeit, die Einstellung und die Fähigkeit der Maschine an, die Schnittkräfte aufzunehmen.

Genau deshalb sind Probeschnitte so wichtig. Eine Tabelle kann Ihnen zwar eine ungefähre Vorstellung vermitteln, aber erst Ihre Maschine verrät Ihnen die Wahrheit.

Wie das Material die Vorschübe und Drehzahlen beeinflusst

Verschiedene Materialien lassen sich unterschiedlich schneiden. Eine Einstellung, die bei MDF hervorragend funktioniert, kann für Acryl oder Aluminium völlig ungeeignet sein.

Häufige Probleme bei Vorschub und Drehzahl

Wenn Ihre CNC-Maschine Staub erzeugt

Wenn beim Schneiden statt Spänen nur feiner Staub entsteht, ist Ihre Spanabnahme möglicherweise zu gering.

Mögliche Lösungen:

• Erhöhen Sie den Vorschub.
• Verringern Sie die Drehzahl.
• Verwenden Sie einen Bohrer mit weniger Schneiden.
• Prüfen Sie, ob der Bohrer stumpf ist.

Wenn Ihr Fräser das Holz verbrennt

Ein Verbrennen ist oft ein Anzeichen für zu hohe Hitze. Eine häufige Ursache ist, dass man sich zu langsam bewegt, während sich das Bohrmeißel zu schnell dreht.

Mögliche Lösungen:

• Erhöhen Sie den Vorschub.
• Verringern Sie die Drehzahl.
• Verwenden Sie einen scharfen Bohrer.
• Verbesserung der Staubabsaugung und des Späneabtransports.
• Verkürzen Sie die Verweildauer des Werkzeugs in Ecken oder engen Bereichen.

Wenn Plastik schmilzt

Kunststoff muss sauber geschnitten und darf nicht geschmolzen werden. Wenn die Späne den Schnitt nicht ungehindert passieren können, kann sich schnell Wärme stauen.

Mögliche Lösungen:

• Verwenden Sie einen O-Flute-Bohrer, der für Kunststoffe ausgelegt ist.
• Verringern Sie gegebenenfalls die Drehzahl.
• Erhöhen Sie den Vorschub so weit, dass Späne entstehen.
• Die Spanabfuhr verbessern.
• Vermeiden Sie es, Späne erneut zu schneiden.

Wenn die Maschine rattert

Es kann zu Vibrationen kommen, wenn der Fräser, das Material oder die Maschineneinstellung für den Schnitt nicht stabil genug sind.

Mögliche Lösungen:

• Verringern Sie die Vorschubgeschwindigkeit.
• Die Schnitttiefe verringern.
• Verwenden Sie einen kürzeren Werkzeugüberstand.
• Die Werkstückspannung verbessern.
• Verwenden Sie eine stabilere Konstruktion.
• Überprüfen Sie, ob der Bohrer und die Spannzange ordnungsgemäß montiert sind.

Wenn der Bit kaputtgeht

Ein gebrochener Bohrer kann durch zu hohe Schnittkräfte, unzureichende Spanabfuhr, eine zu große Schnitttiefe oder eine falsche Abstimmung zwischen Bohrer und Werkstoff verursacht werden.

Mögliche Lösungen:

• Die Schnitttiefe verringern.
• Verringern Sie den Vorschub, wenn die Spanzufuhr zu hoch ist.
• Die Spanabfuhr verbessern.
• Verwenden Sie den für das Material geeigneten Bohrer.
• Überprüfen Sie den Werkzeugüberstand und die Werkstückspannung.
• Stellen Sie sicher, dass die Spannzange sauber und fest angezogen ist.

So stellen Sie Zufuhrmenge und Drehzahl ein

Der beste Weg, die richtigen Vorschübe und Drehzahlen zu ermitteln, besteht darin, zunächst eine zuverlässige Empfehlung zu beherzigen und die Werte dann je nach Schnitt anzupassen.

1. Beginnen Sie mit der Tabelle oder dem Rechner des Herstellers. Damit erhalten Sie einen guten Anhaltspunkt für die Wahl des Bohrers und des Materials.
2. Führen Sie einen Probeschnitt an Restmaterial durch. Verwenden Sie nach Möglichkeit immer dasselbe Material, dieselbe Dicke und dieselbe Spannmethode.
3. Schau dir die Späne an. Du willst echte Späne, keinen Staub, keine verkohlten, geschmolzenen oder pulverförmigen Teile.
4. Achten Sie auf das Schnittgeräusch. Ein gleichmäßiges, ruhiges Schnittgeräusch ist in der Regel besser als Kreischen, Quietschen oder starke Vibrationen.
5. Überprüfen Sie die Kante. Achten Sie auf Verbrennungen, Ausfransungen, Ratter Spuren, Schmelzspuren, Ausrisse oder eine mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit.
6. Passen Sie jeweils nur eine Variable an. Ändern Sie den Vorschub, die Drehzahl, die Schnitttiefe oder das Werkzeug – ändern Sie jedoch nicht alles auf einmal.
7. Halten Sie fest, was funktioniert. Machen Sie sich Notizen zu jedem Arbeitsschritt, jedem Material und jeder Maschineneinstellung.

Erfordern höhere Drehzahlen auch höhere Vorschubgeschwindigkeiten?

Nicht immer, aber oft hängen sie zusammen.

Wenn Sie die Drehzahl erhöhen und dabei die Vorschubgeschwindigkeit beibehalten, verringert sich Ihre Spanzufuhr. In manchen Fällen kann dies zu Reibung, Staubbildung, Hitzeentwicklung oder Verbrennungen führen. Um die Spanzufuhr konstant zu halten, müssten Sie die Vorschubgeschwindigkeit mit steigender Drehzahl erhöhen.

Das ist jedoch keine Regel, die man blind anwenden kann. Ihre Maschine hat immer noch ihre Grenzen. Ihr Bohrer hat immer noch seine Grenzen. Ihr Material hat immer noch seine Grenzen.

Deshalb lautet die Antwort auf die meisten Fragen zu Vorschub und Drehzahl nicht einfach „schneller“ oder „langsamer“. Die Antwort besteht darin, die richtige Spanabnahme für Ihr Werkzeug, Ihr Werkstück und Ihre Maschine beizubehalten.

Es gibt keine allgemeingültigen Regeln

Vorschub und Drehzahl sind teils Wissenschaft, teils Erfahrung.

Diagramme und Formeln können Ihnen dabei helfen, einen guten Ausgangspunkt zu ermitteln. Sie können jedoch weder den genauen Zustand Ihrer Maschine noch die Schärfe Ihres Bohrers, die Steifigkeit Ihrer Aufspannung oder das Verhalten Ihres jeweiligen Materials berücksichtigen.

Deshalb testen, hören, prüfen und justieren erfahrene CNC-Bediener.

Das Ziel besteht nicht darin, die Einstellungen eines anderen eins zu eins zu kopieren. Das Ziel ist es, die Kombination zu finden, die saubere Späne, eine glatte Oberfläche und minimalen Werkzeugverschleiß an Ihrer Maschine gewährleistet.

Abschließende Überlegungen

Die Tabellen zu Vorschub und Drehzahl sind nicht falsch. Sie sind lediglich Ausgangspunkte.

Beginnen Sie mit den empfohlenen Einstellungen. Führen Sie einen Testschnitt durch. Beobachten Sie die Späne. Achten Sie auf die Geräusche der Maschine. Prüfen Sie die Schnittkante. Passen Sie dann jeweils nur eine Variable an.

Sobald man das Konzept der Spanbelastung verstanden hat, verlieren Vorschub und Drehzahl viel von ihrem Geheimnis. Man verbringt weniger Zeit mit Rätselraten, weniger Zeit damit, Material zu verbrennen, und mehr Zeit damit, sicher zu zerspanen.