Resthöhe-Rechner

Was ist die Kammhöhe beim Kugelkopffräsen?

Wenn ein Kugelfräser parallele Schlichtbahnen fährt, hinterlässt er zwischen benachbarten Bahnen bogenförmige Grate (Scallops). Die Scallop-Höhe ist die maximale Spitze-Tal-Höhe dieser Grate und bestimmt unmittelbar die erreichbare Oberflächenrauheit. Ein kleinerer Zeilenabstand erzeugt niedrigere Scallops, verlängert aber die Bearbeitungszeit.

Die Scallop-Höhe ist eine geometrische Funktion von Werkzeugradius und Zeilenabstand: h = r − √(r² − (Zeilenabstand/2)²). Bei kleinen Zeilenabständen relativ zum Werkzeugradius nähert sich dies h ≈ Zeilenabstand²/(8r) an. Die theoretische Oberflächenrauheit Ra beträgt für ein Scallop-Profil näherungsweise 0,25 × Scallop-Höhe.

In der Praxis fällt die Oberflächengüte schlechter aus als die geometrische Berechnung — wegen Werkzeugrundlauffehler, Maschinenschwingungen, Werkstückabdrängung und Aufbauschneide (BUE). Bei der Abschätzung der tatsächlichen Rauheit sollte ein Sicherheitsfaktor von 1,5-2× auf die theoretische Scallop-Höhe angewendet werden. Fünfachsbearbeitung kann auf Freiformflächen eine gleichmäßigere Scallop-Höhe einhalten.

Formula: Scallop-Höhe: h = r − √(r² − (s/2)²) Näherung: h ≈ s² / (8r) für s << r Oberflächenrauheit: Ra ≈ h / 4 Zeilenabstand für Ziel-h: s = 2 × √(2rh − h²)

Berechnungsbeispiel

Kugelfräser R5 (Ø10) mit 0.3 mm Zeilenabstand: h = 5 − √(25 − 0.0225) = 5 − 4.99775 = 0.00225 mm = 2.25 μm. Theoretisches Ra ≈ 2.25/4 = 0.56 μm. Für Ziel-Ra 1.6 μm (h ≈ 6.4 μm): Zeilenabstand = 2 × √(2×5×0.0064) = 2 × 0.253 = 0.506 mm.

Wann diesen Rechner verwenden

• Programmierung von 3D-Schlichtbahnen mit einem Kugelfräser und Bestimmung des Zeilenabstands für eine Ziel-Oberflächenrauheit
• Abschätzung der Bearbeitungszeit für das 3D-Schlichten — der Zeilenabstand bestimmt direkt die Bahnanzahl und die Gesamtzykluszeit
• Bewertung, ob ein größerer Werkzeugradius die Schlichtzeit verkürzen könnte und dennoch die Oberflächenspezifikation einhält
• Einrichten der Schlichtparameter in der CAM-Software und Verifizierung der theoretischen Oberflächenqualität vor dem Programmlauf

Häufige Fehler vermeiden

• Gleichsetzen der theoretischen Scallop-Höhe mit der tatsächlichen Oberflächenrauheit — Rundlauffehler, Schwingungen und Materialeffekte machen die reale Oberfläche 1,5-2× rauer als die geometrische Berechnung
• Verwendung desselben Zeilenabstands für alle Flächenorientierungen eines 3D-Teils — steile Wände erzeugen bei 3-Achs-Bearbeitung für denselben Zeilenabstand viel kleinere Scallops als flache Bereiche
• Vernachlässigung des Werkzeugrundlauffehlers — schon 0,01 mm Rundlauffehler an einem Kugelfräser addiert sich direkt zur Scallop-Höhe und kann den theoretischen Ra-Wert verdoppeln
• Wahl eines extrem kleinen Zeilenabstands für Spiegelglanz — ab einem gewissen Punkt begrenzen Maschinensteifigkeit und Werkzeugzustand die Oberflächenqualität, nicht der Zeilenabstand; unter 0,1 mm Zeilenabstand setzt abnehmender Grenznutzen ein

Ergebnisse interpretieren

• Die Ra-Ausgabe ist der theoretische geometrische Wert (≈ Cusp-Höhe / 4) — gemessene Rauheit liegt durch Rundlauffehler und Vibration typischerweise 1,5-2× höher; daher ein theoretisches Ra von etwa der Hälfte der Zeichnungsangabe anstreben
• Die Cusp-Höhe wächst mit dem Quadrat des Zeilenabstands (h ≈ s²/8r) — das Halbieren des Zeilenabstands viertelt den Cusp, verdoppelt aber die Bearbeitungszeit; Oberflächengüte gegen Zykluszeit abwägen
• Ist das Ergebnis grenzwertig zur Spezifikation, ist ein größerer Kugelradius oft günstiger als ein kleinerer Zeilenabstand — er senkt die Cusp-Höhe bei gleichem Zeilenabstand und gleicher Bahnanzahl
• Die Werte gelten für Flächen, die in der 3-Achs-Bearbeitung etwa senkrecht zur Werkzeugachse liegen — steile Wände haben eine andere effektive Geometrie und weichen messbar von dieser Vorhersage ab

Relevante Normen & Referenzen

• ISO 4287 — Oberflächenbeschaffenheit: Kenngrößen (Ra-, Rz-Definitionen zur Verifizierung der erzielten Oberfläche)
• ISO 12085 — Geometrische Produktspezifikation — Oberflächenbeschaffenheit: Motif-Verfahren
• VDI 3400 — Funkenerosive Bearbeitung (EDM) — Oberflächenklassifizierung (zum Vergleich mit gefrästen Oberflächen)

Häufig gestellte Fragen

Wie wähle ich die optimale Zustellung (Stepover) für das 3D-Schlichten?

Gehen Sie von der geforderten Oberflächengüte (Ra) aus. Berechnen Sie die maximal zulässige Rillenhöhe (h ≈ 4 × Ra). Berechnen Sie dann die Zustellung aus Rillenhöhe und Werkzeugradius. Wenden Sie für den ersten Probeschnitt einen Sicherheitsfaktor von 50 % an. Für Ra 1.6 μm mit einem R5-Kugelfräser: h = 6.4 μm, theoretische Zustellung = 0.51 mm, praktischer Startwert = 0.35 mm. Anhand der tatsächlichen Oberflächenmessung anpassen.

Beeinflusst die Flächenneigung die Rillenhöhe?

Ja, erheblich. An steilen Wänden (nahezu senkrecht) vergrößert sich der effektive Werkzeugradius, und die Rillen werden bei gleicher Zustellung kleiner. Auf flachen Bereichen (nahezu waagerecht) verkleinert sich der effektive Radius, und die Rillen werden größer. Die Fünf-Achs-Bearbeitung hält einen konstanten Werkzeugkontaktwinkel (typischerweise 10–15° Anstellung) aufrecht, um eine gleichmäßige Rillenhöhe über komplexe Flächen zu erzielen. Drei-Achs-Maschinen erzeugen je nach Flächenausrichtung eine variable Oberflächenqualität.