Schnittgeschwindigkeit berechnen: Formel, Richtwerte und Rechenbeispiele

Drehzahl und Vorschub einer Maschine ergeben sich aus einem einzigen Ausgangswert, der Schnittgeschwindigkeit. Sie beschreibt, wie schnell sich die Werkzeugschneide im Kontakt mit dem Werkstück bewegt, und hängt vom Material des Werkstücks sowie vom Werkzeug ab. Wer die Schnittgeschwindigkeit berechnen und in eine Drehzahl umrechnen kann, stellt jede Maschine ohne Tabelle des Werkzeugherstellers passend ein.

Definition und Masseinheit

Beim Bohren und Fräsen dreht sich das Werkzeug, deshalb gilt der Werkzeugdurchmesser als Bezugsgrösse. Beim Drehen rotiert das Werkstück, hier zählt der Durchmesser an der Bearbeitungsstelle. Die Schnittbewegung entsteht in beiden Fällen aus der Rotation, die Richtung der Zustellung ändert daran nichts.

Die Umrechnung zwischen den Einheiten ist einfach: 60 m/min entsprechen 1 m/s. Trennscheiben und Schleifkörper tragen aus diesem Grund eine zulässige Umfangsgeschwindigkeit in m/s auf dem Etikett, häufig 80 Meter pro Sekunde.

Formel: Schnittgeschwindigkeit und Drehzahl berechnen

Zwischen Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Durchmesser besteht ein fester Zusammenhang. Aus zwei bekannten Werten lässt sich der dritte immer berechnen.

Der Faktor 1000 rechnet den Durchmesser d von Millimeter in Meter um. Das Zeichen z steht für die Anzahl der Schneiden eines Fräsers, fz für den Vorschub pro Zahn. Die Antriebsdrehzahl der Maschine begrenzt das Ergebnis nach oben, weshalb bei kleinen Werkzeugdurchmessern häufig nur ein Teil der rechnerischen Drehzahl erreichbar ist.

Rechenbeispiel Bohren

Ein HSS-Spiralbohrer mit 8 mm Werkzeugdurchmesser soll ein Loch in Baustahl bohren. Der Richtwert der Schnittgeschwindigkeit für diese Kombination liegt bei 30 m/min.

1.      Werte einsetzen: n = (30 × 1000) / (3,1416 × 8)

2.      Nenner berechnen: 3,1416 × 8 = 25,13

3.      Drehzahl berechnen: n = 30 000 / 25,13 = 1194 U/min

An der Bohrmaschine wird die nächstgelegene einstellbare Drehzahl gewählt, im Zweifel die kleinere. Nach demselben Muster lassen sich alle Grössen berechnen, zum Beispiel 5 mm mit 1910 U/min. Für harte Werkstoffe eignen sich kobaltlegierte Werkzeuge wie ein HSS-Co Spiralbohrer nach DIN 338, der höhere Werte zulässt als unbeschichtetes HSS.

Rechenbeispiel CNC-Fräsen

Ein Vollhartmetallfräser mit 10 mm Werkzeug-Durchmesser und vier Schneiden bearbeitet Aluminium mit 300 m/min. Die Drehzahl beträgt n = (300 × 1000) / (3,1416 × 10) = 9549 U/min. Bei einem Vorschub von 0,05 mm pro Zahn ergibt sich eine Vorschubgeschwindigkeit von vf = 9549 × 0,05 × 4 = 1910 mm/min. Diese beiden Werte bilden zusammen die Schnittdaten für das Programm der CNC-Maschine.

Beispiel Drehen

Beim Drehen zählt der Durchmesser des Werkstücks. Ein Rundstahl mit 60 mm Durchmesser wird mit einer Hartmetallwendeplatte bei 250 m/min bearbeitet. Für diese Bearbeitung gilt eine Geschwindigkeit von 250 m/min an der Werkzeugschneide. Die Rechnung lautet n = (250 × 1000) / (3,1416 × 60) = 1326 Umdrehungen pro Minute. Sinkt der Durchmesser auf 40 mm, steigt die nötige Drehzahl auf 1989 U/min, damit die Geschwindigkeit an der Schneide gleich bleibt. Moderne Drehmaschinen übernehmen das automatisch.

Richtwerte für die Schnittgeschwindigkeit nach Werkstoff

Die folgenden Werte gelten als Ausgangspunkt für die Berechnung. Das Material des Werkstücks und der Werkzeugwerkstoff bestimmen die Spanne gemeinsam.

Beschichtete Werkzeuge aus TiN oder TiAlN vertragen etwa 20 bis 50 Prozent mehr als unbeschichtete. Ein HSS-E Spiralbohrer-Set mit 5 Prozent Kobaltanteil liegt zwischen HSS und Hartmetall und eignet sich für den gemischten Einsatz in der Werkstatt.

Warum das Material die Werte bestimmt

Jede Art von Werkstoff reagiert anders auf die Schnittbewegung. Weiche Materialien wie Aluminium lassen sich mit hoher Schnittgeschwindigkeit zerspanen, weil die Späne leicht abfliessen und wenig Wärme entsteht. Zähe Materialien wie Edelstahl verfestigen unter der Schneide, deshalb liegt die Schnittgeschwindigkeit dort um den Faktor drei niedriger.

Der Schneidstoff des Werkzeugs wirkt in die Gegenrichtung. Hartmetall behält seine Härte bis rund 900 Grad Celsius, HSS verliert sie ab etwa 600 Grad. Die zulässige Geschwindigkeit an der Schneide folgt dieser Temperaturgrenze. Ein Werkzeug aus Vollhartmetall verträgt im selben Material daher ein Vielfaches der Schnittgeschwindigkeit eines HSS-Werkzeugs. Für die Wahl der Schnittdaten zählt immer die Kombination aus beidem, die Art des Materials und der Werkstoff des Werkzeugs.

Für einen einzelnen Handgriff reicht ein Richtwert aus der Tabelle. In der Produktion lohnt sich die genaue Berechnung, weil schon 10 Prozent Unterschied die Standzeit des Werkzeugs verändern.

Vorschub als zweite Kenngrösse

Die Schnittgeschwindigkeit allein bestimmt die Qualität der Bohrung noch nicht. Erst der Vorschub legt fest, wie dick der einzelne Span wird und welche Oberflächengüte beim Schneiden entsteht. Beim Bohren gilt als Anhaltswert ein Vorschub von 0,02 bis 0,03 mm pro Umdrehung je Millimeter Bohrerdurchmesser, bei 8 mm also rund 0,16 bis 0,24 mm/U.

·        Zu hoher Vorschub: Der Span wird zu dick, es entstehen Ausbrüche an der Werkzeugschneide und im Extremfall Werkzeugbruch

·        Zu niedriger Vorschub: Die Schneide reibt, statt sauber zu schneiden, der Verschleiss steigt

·        Zu hohe Schnittgeschwindigkeit: Die Schneidkante wird heiss und verliert ihre Härte

·        Zu niedrige Schnittgeschwindigkeit: Aufbauschneiden und eine raue Oberfläche

Faktoren, die die berechneten Werte verschieben

Die Formel liefert einen theoretischen Wert. In der Fertigung verschieben mehrere Faktoren ihn nach unten:

·        Bohrungstiefe: Ab einer Bohrungstiefe von drei Durchmessern werden Schnittgeschwindigkeit und Vorschub um etwa 10 bis 20 Prozent reduziert, ab fünf Durchmessern deutlicher

·        Kühlung: Ohne Kühlschmierstoff sind nur 50 bis 70 Prozent des Richtwerts sinnvoll

·        Stabilität: Lange Auskraglängen, dünne Werkstücke und Handmaschinen vertragen weniger als eine stabile CNC-Maschine

·        Zustand des Werkzeugs: Eine verschlissene Schneide braucht mehr Kraft und erzeugt mehr Wärme

·        Unterbrochener Schnitt: Bei Bohrungen in Profilen und über Kanten hinweg gelten niedrigere Werte

Ausnahmen betreffen vor allem das Kernbohren mit grossen Durchmessern, wo die Drehzahl wegen des grossen Werkzeugs schon aus geometrischen Gründen niedrig bleibt. Die Abstimmung von Drehzahl und Vorschub in solchen Fällen beschreibt der Ratgeber zum richtigen Einsatz von Kernbohrern.

Häufige Fragen zur Schnittgeschwindigkeit

Gilt die Schnittgeschwindigkeit für Werkzeug oder Werkstück? Bei Bohrern und Fräsern zählt der Durchmesser des Werkzeugs, beim Drehen der des Werkstücks.

Wie lässt sich die Schnittgeschwindigkeit ohne Rechner bestimmen? Der Richtwert in m/min wird durch den Werkzeugdurchmesser in Millimeter geteilt und mit 320 multipliziert. Das kommt der exakten Rechnung sehr nahe.

Warum weichen die Angaben verschiedener Hersteller voneinander ab? Werkzeughersteller beziehen ihre Angaben auf eine bestimmte Beschichtung, Kühlung und Maschine. Diese Informationen sind einem allgemeinen Richtwert vorzuziehen.

Schnittgeschwindigkeit berechnen und im Betrieb anpassen

Die Berechnung folgt einer einzigen Formel, in die Werkzeugdurchmesser und Richtwert des Werkstoffs eingesetzt werden. Der berechnete Wert ist ein Startwert, der sich am Verhalten der Maschine überprüfen lässt: Blaue Späne, ein singendes Geräusch oder starke Rattermarken am Werkstück zeigen ein Problem in der Abstimmung an. Ein weiterer Hinweis ist eine Schneide, die nach wenigen Umdrehungen bereits Verschleiss zeigt. Wird die Schnittgeschwindigkeit in Stufen um 10 Prozent verändert, ist die passende Einstellung schnell gefunden.

Für den täglichen Einsatz lohnt sich eine Liste der wichtigsten Kombinationen aus Material, Werkzeug und Drehzahl. Der Zweck dieser Liste liegt darin, die Berechnung nur einmal je Werkzeug durchführen zu müssen. Passende Werkzeuge für Bohren, Trennen und Schleifen finden sich in der Kategorie Schneid- und Trennwerkzeug, etwa Trennscheiben für den Winkelschleifer mit den zugehörigen Angaben zur zulässigen Umfangsgeschwindigkeit.