Spezifische Schnittkraft

Die Spezifische Zerspankraft $k$ ist die auf den Spanungsquerschnitt $A$ bezogene Zerspankraft $F$. Es gilt:

$k={\frac {F}{A}}$

Sie wird in Experimenten ermittelt und in Tabellen festgehalten, die dazu dienen die Zerspankraft zu berechnen. Sie ergibt sich dann zu

$F=k\cdot A$.

Häufig beschränkt man sich dabei auf die Berechnung der wichtigsten Komponente, der Schnittkraft $F_{c}$ (von engl.: cut für Schnitt). Sie ergibt sich aus der spezifischen Schnittkraft $k_{c}$. Analog dazu existieren auch die spezifische Vorschubkraft $k_{f}$ und die spezifische Passivkraft $k_{p}$.

Die spezifische Zerspankraft und ihre Komponenten sind jedoch keine Konstanten, sondern hängen von einer Vielzahl an Einflüssen ab. Die wichtigsten sind der Werkstoff und die Spanungsdicke $h$. Der Wert $k_{c1.1}$ ist die spezifische Schnittkraft, die für eine Spanungsdicke von 1 mm und einer Spanungsbreite $b$ von 1 mm gilt. Falls nur die Spanungsdicke als Einfluss berücksichtigt wird, gilt folgender Zusammenhang:

$k_{c}=k_{c1.1}\cdot h^{-m_{c}}$.

mit:

$m_{c}$ Werkstoffkonstante

Die Schnittkraft ergibt sich dann zu $F_{c}=k_{c}\cdot A=k_{c1.1}\cdot h^{-m_{c}}\cdot h\cdot b=k_{c1.1}\cdot b\cdot h^{1-m_{c}}$

Bestimmung der spezifischen Schnittkraft

Die spezifische Schnittkraft $k_{c}$ hängt von einer Vielzahl an Einflüssen ab. Als Konstante wird der Wert $k_{c1.1}$ verwendet der für gewisse Standardbedingungen gilt. Zu diesen zählt vor allem eine Spanungsbreite und -dicke von 1 mm. Die weiteren Einflüsse werden über sogenannte Korrekturfaktoren berücksichtigt. Allgemein gilt:

$k_{c}=k_{c1.1}\cdot h^{-m_{c}}\cdot K_{c\gamma }\cdot K_{v}\cdot K_{\text{st}}\cdot K_{\text{ver}}\cdot K_{css}\cdot K_{ckss}$

mit

$K_{c\gamma }$ Korrekturfaktor für den Spanwinkel.

$K_{v}$ Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit

$K_{\text{st}}$Korrekturfaktor für die Spanstauchung

$K_{\text{ver}}$ Korrekturfaktor für den beim Spanen auftretenden Verschleiß

$K_{css}$ Korrekturfaktor für den Schneidstoff

$K_{ckss}$ Korrekturfaktor für das Kühlschmiermittel

Werkstoff	$k_{c1.1}$ [N/mm²]	$m_{c}$	Spezifische Schnittkraft $k_{c}$ für $h=0{,}1\,{\text{mm}}$ [N/mm²]	Spezifische Schnittkraft $k_{c}$ für $h=0{,}63\,{\text{mm}}$ [N/mm²]
Messing	780	0,18	1180	850
S 275 JR (St 44)	1780	0,17	2630	1930
E 335 (St 60)	2110	0,17	3120	2280
16 MnCr5	2100	0,26	3820	2370
42 CrMo4	2500	0,26	4550	2820
GG 30	1130	0,3	2255	1298

Spanwinkel

$K_{c\gamma }$ erfasst den Einfluss des Spanwinkels. Wenn er klein ist, kann der Span leichter über die Spanfläche abgleiten. Es gilt

$K_{c\gamma }=1-{\frac {\gamma _{\text{tat}}-\gamma _{0}}{100}}$.

Dabei ist $\gamma _{0}$ der Referenzspanwinkel und $\gamma _{\text{tat}}$ der tatsächlich vorliegende Spanwinkel. Der Referenzspanwinkel beträgt +6° für Stahl und +2° für die Bearbeitung von Gusseisen.

Schnittgeschwindigkeit

$K_{v}$ gibt den Einfluss der Schnittgeschwindigkeit an, der nur gering ist und selten berücksichtigt wird. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit sinkt die Schnittkraft. Außerdem tritt der Einfluss meist nur im Bereich kleiner Schnittgeschwindigkeiten (v < 80 m/min) auf. Im Bereich zwischen 80 und 250 m/min kann der Einfluss abgeschätzt werden mit

$K_{v}=1{,}03-{\frac {3\cdot v_{c}}{10^{4}}}$.

Für den Bereich zwischen 30 und 50 m/min kann er mit $K_{v}=1{,}15$ angesetzt werden. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit lässt sich auf zwei Ursachen zurückführen: Einerseits erhöht sich mit steigender Schnittgeschwindigkeit die Temperatur des Werkstoffs was seine Festigkeit reduziert, andererseits hat sie Einfluss auf die Aufbauschneidenbildung. Allgemein gilt

$K_{v}=\left({\frac {100}{v_{c}}}\right)^{0,1}$.

Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min beträgt er 0,93.

Spanstauchung

Bei der Bearbeitung wird der Werkstoff vor dem Abscheren gestaucht. Der Einfluss dieser Spanstauchung wird mit dem Faktor $\lambda$ ($K_{\text{st}}$in der obigen Formel) berücksichtigt. Er liegt für das Außendrehen bei 1 und beim Innendrehen, Bohren und Fräsen bei 1,2. Beim Einstechen und Abstechen beträgt er 1,3 und beim Hobeln, Stoßen und Räumen beträgt er 1,1.

Verschleiß

Siehe auch: Verschleiß (Spanen)

Der am Werkzeug auftretende Verschleiß kann unterschiedliche Wirkungen haben, je nachdem wo der Verschleiß auftritt. Freiflächenverschleiß führt zu vermehrter Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug und damit zu steigenden Kräften. Kolkverschleiß dagegen vergrößert den tatsächlichen Spanwinkel und verringert damit die Kräfte. Da der Verschleiß während der Bearbeitung selten bekannt ist, wird der Korrekturfaktor $K_{\text{ver}}$ meist mit dem Erfahrungswert von 1,5 angesetzt.

Schneidstoff

Der Wert $K_{css}$ gibt den Einfluss des Schneidstoffs wieder. Er beruht maßgeblich auf den verschiedenen Reibungskoeffizienten zwischen Spanfläche des Werkzeuges und dem Span. Er liegt für Schnellarbeitsstahl bei 1,2 für Hartmetall bei 1,0 und für Schneidkeramiken bei 0,9.

Kühlschmierstoff

Der Faktor $K_{ckss}$ berücksichtigt den Einfluss des Kühlschmierstoffs. Er beruht ebenfalls auf dem Einfluss auf die Reibung. Daher bewirken ölhaltige Kühlschmierstoffe eine niedrigere Schnittkraft als Kühlemulsionen. Bei der Trockenbearbeitung beträgt der Wert 1, bei der Verwendung von Kühlemulsionen 0,9 und bei Öl 0,85.

Literatur

• Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik. Verfahren, Werkzeuge, Berechnung. 7. Aufl. Vieweg, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-44986-1, S. 16–21 (früherer Titel: Praxiswissen Zerspantechnik).
• Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg-Verlag, München 2002, ISBN 3-486-25045-0, S. 16–22.