Definition

Für Drehen, Fräsen und Bohren

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die wirkende Werkzeugschneide durch das Werkstück bewegt.

Da die Einheit der Schnittgeschwindigkeit durch Konvention in Metern pro Minute angegeben wird, ergänzen wir den Term der Schnittgeschwindigkeit bei drehender Bearbeitung (Drehen, Fräsen, Bohren) im Allgemeinen um einen weiteren Term.
Hierdurch soll das Herauskürzen beim praktischen Rechnen mit dieser Formel vereinfacht werden.

Da sich der angehängte Term vollständig herauskürzen lässt, verändern wir hierdurch die Formel nicht:

Wieso ist sie wichtig?

Durch die Definition der Schnittgeschwindigkeit, kann man einen idealen Drehzahlbereich für die Zerspanung definieren. Hierdurch weiß der Zerspaner an der Maschine, welche Drehzahl er einstellen sollte, damit die Oberflächengüte maximiert ist, und der Werkzeugverschleiß minimiert.

Durch praktische Versuche wurden Tabellen ermittelt, die die ideale Schnittgeschwindigkeit für verschiedene Werkstückmaterialien bei bestimmten Schneidwerkzeugen angeben.

In der Praxis werden manchmal auch direkt die idealen Drehzahlen angegeben. Man findet zum Beispiel auf vielen Bohrmaschinen eine Drehzahltabelle in Abhängigkeit vom Bohrerdurchmesser, meist mit mehreren Tabellenspalten für unterschiedliche Materialien.

Da Drehzahltabellen zu groß und unübersichtlich werden, wenn man in ihr für jedes Werkzeug (insbesondere beim Fräsen), Material (Tausende Legierungen) und Durchmesser eine Angabe haben möchte, gibt man einfach nur die ideale Schnittgeschwindigkeit eines Werkzeugs in Abhängigkeit vom Material an*. Der Zerspaner kann sich dann seine ideale Drehzahl selbst ausrechnen:

*Hierbei spielen auch weitere Bearbeitungsparameter wie Vorschub oder Schnitttiefe eine große Rolle. Beim Bohren gilt die ideale Schnittgeschwindigkeit aus der Tabelle also nicht, wenn wir mit aller Kraft am Hebel ziehen oder nur mit minimaler Zustellung arbeiten.
Auch wenn wir beim Drehen mit sehr großen Schnitttiefen oder sehr hohen Zustellgeschwindigkeiten arbeiten, gilt unsere Schnittgeschwindigkeit aus der Tabelle ggf. nicht mehr und muss bei Bedarf angepasst werden.

Bedeutung in Industrie und Einzelfertigung

Die Schnittgeschwindigkeit ist in der Industrie entscheidend für die Effizienz und Qualität von Zerspanungsprozessen wie Drehen, Fräsen und Bohren. Sie beeinflusst direkt die Werkzeugstandzeit, die Oberflächengüte und die Produktivität. Eine optimal gewählte Schnittgeschwindigkeit minimiert den Werkzeugverschleiß, verhindert übermäßige Wärmeentwicklung und gewährleistet eine präzise Bearbeitung. Zudem wirkt sie sich auf die Kosten und die Dauer der Bearbeitung aus, da eine zu hohe oder zu niedrige Schnittgeschwindigkeit die Werkzeugleistung und die Endqualität negativ beeinflussen kann.

In der Serienfertigung spielt die Beachtung der richtigen Schnittgeschwindigkeit eine größere Rolle als in der Einzelfertigung. Während in der Serienfertigung die Wahl der richtigen Schnittgeschwindigkeit einen großen Unterschied bei den Kosten spielt, da sie direkt Bearbeitungsdauer, Werkzeugverbrauch und Oberflächengüte beeinflusst, haben wir in der Einzelfertigung einen größeren Spielraum: Solange wir eine gute Oberflächengüte erzielen und das Werkzeug nicht bricht, müssen wir hier nicht jeden Schnitt exakt berechnen, sondern greifen als Uhrmacher regelmäßig auf Erfahrungswerte zurück.

Woher bekomme ich Angaben für Schnittgeschwindigkeiten

Es gibt jede Menge Quellen um Anhaltspunkte für Schnittgeschwindigkeiten zu finden, zum Beispiel:

• Technische Datenblätter der Hersteller von Drehwerkzeugen oder Fräsern
• Fachliteratur wie „Fachkunde Metall“ oder „Zerspanungstechnik“
• Normen für Bearbeitungsverfahren
• Angaben Fertigungssoftware beim CNC
• Anleitungen von Maschinenherstellern
• Tabellen auf Schildern direkt auf Maschinen
• Foren, Internetbeiträge, Videos
• Fachzeitschriften und technische Artikel

Zusammenhänge

Höhere Schnittgeschwindigkeiten:

• Weiche oder leicht zerspanbare Werkstoffe
  • Für Uhrmacher bei Messing
• Schneidwerkzeug aus Hartmetall
• Schlichtbearbeitung für hohe Oberflächengüte, typischerweise einhergehend mit geringer Schnitttiefe
• Bei der Verwendung von Kühlschmierstoffen

Niedrigere Schnittgeschwindigkeiten:

• Harte oder schwer zerspanbare Werkstoffe
• HSS-Werkzeuge (Schnellarbeitsstahl)
• Schruppen (Grobzerspanung)
• Empfindliche Maschinen oder Werkstücke
  • Lagerung und Vibrationsverhalten der Uhrmacherdrehbank
  • Kleine Werkstücke und Wellen sind die Regel als Uhrmacher
• Trockenbearbeitung (ohne Kühlschmierstoffe)

Materialien in der Uhrmacherei

Schnittgeschwindigkeit mit HSS-Werkzeugen

• „Silberstahl“ 1.2210 oder 115CrV3 ungehärtet Schnittgeschwindigkeit vc ≈ 20 bis 30 m/min abhängig von der Schmierung, Werkzeug, Maschinen, Werkstücken usw.
• Messing Ms58 oder CuZn39Pb3 Schnittgeschwindigkeit vc ≈ 60 bis 120 m/min
• Sandvik 20AP Schnittgeschwindigkeit ungehärtet vc ≈ 25 bis 30 m/min
• Blauharter Stahl (115CrV3 oder vergleichbare legierte Stähle) vc ≈ 8 bis 15 m/min

Schnittgeschwindigkeit mit Hartmetall-Werkzeugen

• „Silberstahl“ 1.2210 oder 115CrV3 ungehärtet Schnittgeschwindigkeit vc ≈ 50 bis 70 m/min abhängig von der Schmierung, Werkzeug, Maschinen, Werkstücken usw.
• Messing Ms58 oder CuZn39Pb3 Schnittgeschwindigkeit vc ≈ 160 bis 400 m/min
• Sandvik 20AP Schnittgeschwindigkeit ungehärtet vc ≈ 50 bis 70 m/min
• Blauharter Stahl (115CrV3 oder vergleichbare legierte Stähle) vc ≈ 25 bis 40 m/min

Auch wenn man die Schnittgeschwindigkeit nicht exakt einhält, kann man einige Faustregeln aus den Empfehlungen ableiten.

1. Messing wird in der Regel mit der dreifachen Schnittgeschwindigkeit gedreht wie Stahl
2. Beim Einsatz von Hartmetallwerkzeugen Verdoppelung der Schnittgeschwindigkeit (Höchste Werte für Wendeplatten, noch mehr als Hartmetall-Drehmeißel)
3. Blauharter Stahl wird in der Regel mit einem Drittel der Schnittgeschwindigkeit gedreht, wie normaler Stahl. Wegen niedrigem Drehmoment bei sehr langsamer Drehzahl auf der Uhrmacherdrehbank reduzieren wir stattdessen regelmäßig Schnitttiefe und Zustellgeschwindigkeit.

Anmerkung

Bei bestimmten Situationen können die Schnittgeschwindigkeiten stark abweichen, zum Beispiel beim Schlichten mit geringer Schnitttiefe. Beim Feinschlichten können die angegebenen Werte teils verdoppelt werden. Hier ist je nach Problematik der gesunde Menschenverstand gefragt, im Endeffekt zählt das Ergebnis!

Zusammenfassung für Bohren, Drehen und Fräsen

Aufgrund Einzelfertigung, unserer häufig kleinen Werkstücke, empfindlichen Maschinen (Vibration), Trockenbearbeitung und meist HSS-Werkzeugen sollten wir uns als Uhrmacher eher unterhalb allgemeiner Empfehlungen bei den Schnittgeschwindigkeiten halten oder dort einsteigen. Erst bei Schwierigkeiten erhöhen wir die Schnittgeschwindigkeit (üblicherweise durch Erhöhung der Drehzahl)

Ausnahmen sind hier sehr kleine Bohrungen, sehr geringe Schnitttiefen oder sehr kleine Werkstücke, bei denen wir im Rahmen des gesunden Menschenverstands die Drehzahlkapazität unserer Maschinen voll ausnutzen.
Bei Bohrungen unter 0,3mm oder dem Drehen von Zapfen von 0,1mm bis 0,3mm errechnen wir meist Drehzahlen weit oberhalb der maximal möglichen Drehzahlen unserer Maschinen. Hier sollten dann die Parameter Vorschub und Schnitttiefe reduziert werden. Einige Beispiele finden sich weiter unten bei „Berechnungen und Beispiele“.

Schnittgeschwindigkeiten in anderen Anwendungsfällen

Auch beim Feilen, Hobeln oder Sägen kann die Schnittgeschwindigkeit angegeben werden, hierbei wird in der Formel der Wert π*d ersetzt durch 2*L wobei L=Werkstücklänge.

Berechnungen und Beispiele

Aufgabe: Welche Schnittgeschwindigkeiten ergeben sich aus folgenden Beispielen:

Bohren von 1mm, 3mm und 8mm Bohrung in 2mm Messingblech

Bohren von 1mm, 3mm und 8mm Bohrung in 2mm Stahlblech

Drehen einer Unruhwelle mit HSS aus blauhartem Stahl

Drehen einer Aufzugwelle aus Silberstahl

Drehen eines Pfeilers von 2mm aus Messing für eine Taschenuhr

Drehen eines Federhauses aus Messing von 50mm

Drehen einer Welle aus Sandvik AP20 von 3mm und 6mm

Zapfeneinbohren 0,2mm Vergleich gehärtet und angelassen

Feilen eines Werkstücks aus Messing von 50mm Länge

Stabwerk

Meine erste Tischuhr hat mich viele Stunden mühevoller Handarbeit gekostet, insbesondere das Feilen der Platinen nach meinem filigranen Entwurf war eine große Herausforderung. Zusätzlich fertigte ich einen kompletten Graham Anker mitsamt Paletten an. Die ersten Lager nach dem Federhaus sind Kugellager, für die feineren Räder sind Rubinlager verbaut worden. Ein einfacher Stundenschlag vollendet die Konstruktion.

Nicht viele Uhrmacher besitzen die Maschinen und die Fähigkeiten, auch Uhrenteile für Kleinuhren anfertigen zu können. Für Restaurierung, bei der Herstellung von Sonderanfertigungen oder für die Reparatur von Einzelstücken ist manchmal die Anfertigung einer Brücke oder eines Klobens nötig.

Die Bildfolge zeigt die Entstehung eines Unruhklobens:

Ein Bericht von Yannik Weber, Uhrmacher Auszubildender, 15. April 2023

Am Anfang steht die Planung

Die Zähnezahl und der Modul sollten mindestens bekannt sein. Ferner noch die
Abmessungen des Triebes, auf welches das Rad aufgenietet werden soll. Dann beginnt
das Ausrechnen der fehlenden Größen:

• Teilkreisdurchmesser = Modul•Zähnezahl
• Kopfkreisdurchmesser = (Zähnezahl +2,76)•Modul
• Fußkreisdurchmesser = (Zähnezahl-3,14)•Modul
• Zahnhöhe = (Kopfkreisdurchmesser-Fußkreisdurchmesser):2
• Breite des Zahngrundes = Zahnhöhe •1,627
• Innenradius = Fußkreisdurchmesser-2•Breite des Zahngrundes
• Kernradius = Teilkreisradius des Triebes•1,5
• Schenkelbreite = (3:7)•(Innenradius-Kernradius)

Nachdem alle Werte ausgerechnet wurden wird noch eine Zeichnung in
geeignetem Vergrößerungsmaßstab erstellt.

Die Anfertigung

Dann kann mit der Arbeit begonnen werden. Zunächst wird ein Stück Messingblech grob zugeschnitten und beidseitig abgeschliffen, um Spannungen aus dem Material zu nehmen und plane Oberflächen zu erhalten.

Anschließend wird das Rad mit Zirkel, Reißnadel und Stahllineal angerissen. Dazu wird das Blech zunächst mit einem Filzstift schwarz angemalt um die Anreißlinien besser erkennen zu können. Um den Zirkel sauber ansetzen zu können, sollte vorher noch
gekörnt werden.

Möchte man den Zirkel möglichst genau einstellen, so kann man sich behelfen, indem man das gewünschte Maß zunächst mit dem Höhenreiser auf
einem Stück Blech anreist und dann mit dem Zirkel abgreift.

Nachdem alle Kreise gezeichnet wurden, gilt es die Schenkel anzureisen. Hierzu müssen weitere Berechnungen vorgenommen werden.

Das Rad soll fünf Schenkel erhalten. Um diese durch die Mitte anreisen zu können muss der Kreis in zehn gleiche Teile geteilt werden, also jeweils 36 Grad. Mit Hilfe des Cosinussatzes wird der Abstand zweier benachbarter Punkte auf dem Kreisumfang ausgerechnet. Die Formel lautet: X=r^2•r^2–2•r•r•cos(36)

Das gefundene Maß wird am Zirkel eingestellt und an einer beliebigen Stelle des Kreises angesetzt. Jetzt arbeitet man sich von einem Punk zum nächsten bis der Kreis geschlossen ist. Sollte man hierbei nicht wieder genau auf den Anfangspunkt stoßen, kann man die Einstellung des Zirkels leicht korrigieren und etwas versetzt einen neuen Versuch starten. Die alten Markierungen sind dabei zu übermalen.
Nach diesem Arbeitsschritt wird der Zirkel auf die Schenkelbreite eingestellt und von jedem Punkt aus ein weiterer Anriss vorgenommen. Jetzt können die Punkte mit dem Stahllineal und der Reisnadel verbunden werden.

Als nächstes werden Löcher gebohrt: zunächst ein kleines in der Mitte und eines in jeden Zwischenraum zwischen den Schenkeln. Anschließend wird begonnen die Form grob auszusägen. Besonders außen sollte ein reichliches Übermaß zum Runddrehen und später zum Verzahnen stehen bleiben.

Anschließend wird das Rad rund gedreht. Dazu wird es auf einen Drehstift oder eine Lackscheibe aufgespannt. Das angestrebte Maß sollte gut einen halben Millimeter größer sein als der spätere Kopfkreisdurchmesser. Die Schenkel des Rades werden nun noch mit immer feiner werdenden Feilen in ihre endgültige Form gebracht. Dabei kann mit einem Messschieber nachgemessen werden, wichtiger ist aber dass das Rad gleichmäßig aussieht.

Nach diesem Arbeitsschritt wird das Rad nochmals beidseitig abgeschliffen um Reste von Anreisslinien zu entfernen und schließlich werden alle Kanten entgratet.

Es empfiehlt sich noch einige Messingscheiben mit gleichem Außendurchmesser anzufertigen, um beim Verzahnen ein paar Probestücke zu haben.
Jetzt wird das Rad in das Sechsbackenfutter der Drehbank gespannt und das mittlere Loch auf den Teilkreisdurchmesser des Triebes aufgebohrt, sofern das Rad auf einen Trieb aufgenietet werden soll. Hierbei sollte möglichst kleinschrittig vorgegangen werden, um ein Herausreißen des Rades aus dem Futter zu vermeiden.

Danach muss das Loch beidseitig entgratet werden.

Um das Rad verzahnen zu können muss eine Aufnahme gedreht werden. Diese benötigt an einer Seite einen Ansatz, der in eine Spannzange passt und an der anderen Seite
einen Ansatz, auf den sich das Rad spielfrei aufschieben lässt. Der mittlere Teil sollte
etwas dünner als der Fußkreisdurchmesser sein. Als Gegenstück zu diesem Aufnahmedorn ist eine Art Glocke zu drehen, die außen so dick ist wie der dickste
Durchmesser des Aufnahmedorns, des Weiteren benötigt sie eine Ausdrehung und
ein mittiges Loch, welches etwas größer als das Loch im Rad sein sollte.

Nun gilt es die Maschine einzurichten. Zunächst wird in der Tabelle nachgeschlagen, welche Wechselräder für die gewünschte Zahnzahl verwendet werden müssen. Als nächstes muss ein passender Fräser ausgewählt werden, der dem gewünschten Modul entspricht und den Bereich der Zahnzahl abdeckt. Eventuell muss jetzt noch eine Hülse gedreht werden, um den Fräser in die Maschine spannen zu können. Nachdem Fräser und Wechselräder montiert wurden, wird durch die dafür vorgesehene Bohrung mit Hilfe einer feststehenden Spitze überprüft, ob der Fräser mittig steht. Ein weißes Blatt Papier erhöht dabei den Kontrast. Jetzt wird der Aufnahmedorn in die untere Spannzange eingespannt. Das Rad wird aufgelegt und mit Hilfe der Aufnahmeglocke und einer mitlaufenden Spitze gut fest geklemmt.

Das Fräsen kann beginnen. Der Fräser arbeitet dabei im Gegenlauf und sollte mit einer Fräspaste geschmiert werden. Er wird zunächst soweit zugestellt, bis die Zahnspitzen sauber geformt werden. Dann
wird das komplette Rad gefräst und der Durchmesser gemessen. Jetzt lässt sich
ermitteln, wie weit noch zugestellt werden muss, um den gewünschten
Kopfkreisdurchmesser zu erhalten.

Nachdem nun alle Zähne nochmal nachgefräst wurden, sollte der gewünschte Durchmesser erreicht sein. Das Rad kann ausgespannt und auf einer Schleifplatte entgratet werden. Unterm Mikroskop zeigt sich nun, ob die Verzahnung in Ordnung ist, oder ob noch feine Korrekturen an der Maschine vorgenommen werden müssen.
Wenn alles passt können die restlichen Rohlinge in jeweils einem Durchgang verzahnt
werden. Dabei können auch mehrere Rohlinge übereinander eingespannt werden.

Nachdem das Fräsen abgeschlossen ist werden alle Räder plan geschliffen und
anschließend mit einem Zierschliff versehen.

Dazu werden sie entweder mit einer
Schutzfolie ins Sechsbackenfutter gespannt oder mit doppelseitigem Klebeband auf
eine Lackscheibe geklebt. Dabei muss das Rad mit dem Bohrreitstock zentriert werden.
Jetzt wird die Drehbank angeschaltet und mit Schleifpapier ein Kreisschliff
aufgebracht. Danach werden die Räder im Ultraschallbad gereinigt. Mit einem
angeschliffenen Ölgeber wird jeder Zahn einzeln entgratet.

Zum Schluss werden die Räder noch einmal gereinigt.