Spindeldrehzahl-Rechner

Ein Spindeldrehzahl-Rechner ermittelt die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min), mit der die Spindel einer Werkzeugmaschine bei einer vorgegebenen Schnittgeschwindigkeit und einem bestimmten Werkzeugdurchmesser laufen muss. Zerspanungsmechaniker verwenden ihn, um Fräsmaschinen, Drehmaschinen, Tischbohrmaschinen und CNC-Maschinen vor der Bearbeitung einzurichten.

Was ist die Spindeldrehzahl?

Die Spindeldrehzahl gibt an, wie schnell sich die Spindel dreht, gemessen in U/min. Die Spindel ist die rotierende Welle, die das Schneidwerkzeug (beim Fräsen und Bohren) oder das Werkstück (beim Drehen) hält. Läuft die Spindel zu schnell oder zu langsam, kann das Werkzeug rasch verschleißen, das Material verbrennen oder eine raue Oberfläche entstehen.

Die richtige Spindeldrehzahl hängt von zwei Größen ab: davon, wie schnell sich die Schneide durch das Material bewegen soll (die Schnittgeschwindigkeit), und davon, wie breit das Werkzeug oder das Werkstück ist (der Durchmesser).

Formel für die Spindeldrehzahl

$\text{Spindeldrehzahl (U/min)} = \frac{\text{Schnittgeschwindigkeit} \times 1000}{\pi \times \text{Werkzeugdurchmesser}}$

• Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Schneide relativ zum Material in Metern pro Minute (m/min). Sie hängt vom zu bearbeitenden Material und vom Werkzeugwerkstoff ab.
• Der Werkzeugdurchmesser ist der Durchmesser des Schneidwerkzeugs in Millimetern (mm). Beim Drehen ist stattdessen der Durchmesser des Werkstücks gemeint.
• Der Faktor 1000 rechnet Meter in Millimeter um, damit die Einheiten zusammenpassen. In Zoll-Einheiten lautet dieselbe Regel N = 12 V ÷ (π D), wobei V in Fuß pro Minute (Schnittgeschwindigkeit) und D in Zoll angegeben wird.
• π (Pi) beträgt etwa 3,14159. Es tritt auf, weil die Schneide des Werkzeugs bei jeder Umdrehung einen Kreis beschreibt und der Umfang dieses Kreises das π-Fache des Durchmessers ist.

Ein breiteres Werkzeug legt pro Umdrehung eine größere Strecke zurück und braucht daher weniger Umdrehungen pro Minute, um dieselbe Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. Ein schmaleres Werkzeug braucht mehr Umdrehungen pro Minute.

So berechnen Sie die Spindeldrehzahl

1. Ermitteln Sie die empfohlene Schnittgeschwindigkeit für das verwendete Material und Werkzeug in m/min. Werkzeug- und Materialhersteller veröffentlichen diese Werte.
2. Messen Sie den Werkzeugdurchmesser (beim Drehen den Werkstückdurchmesser) in mm.
3. Multiplizieren Sie die Schnittgeschwindigkeit mit 1000.
4. Multiplizieren Sie den Werkzeugdurchmesser mit π (etwa 3,14159).
5. Teilen Sie das erste Ergebnis durch das zweite. Das Ergebnis ist die Spindeldrehzahl in U/min.

Beispiel

Ein Zerspanungsmechaniker fräst Baustahl mit einem 10 mm großen Schaftfräser aus Schnellarbeitsstahl (HSS). Eine Schnittgeschwindigkeit von etwa 30 m/min (100 Fuß pro Minute) ist für diese Paarung ein vorsichtiger Wert.

$\text{RPM} = \frac{30 \times 1000}{\pi \times 10} = \frac{30{,}000}{31.42} \approx 954.9 \text{ RPM}$

Der Zerspanungsmechaniker stellt die Spindel auf etwa 955 U/min ein.

Typische Spindeldrehzahlen nach Material

Die folgenden Schnittgeschwindigkeiten stammen aus den empfohlenen Schnittgeschwindigkeiten für HSS-Werkzeuge der University of Florida und wurden von Fuß pro Minute in Meter pro Minute umgerechnet. Die Universität bezeichnet diese Werte als vorsichtig; sie sind für eine Lehrwerkstatt gewählt. Für Hartmetallwerkzeuge empfiehlt sie, sie mit 2,5 zu multiplizieren. In der Spalte mit den Drehzahlen wird ein Werkzeugdurchmesser von 10 mm zugrunde gelegt.

Weichere Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium vertragen deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten als härtere oder hitzeempfindliche Metalle wie Titan.

Warum der Werkzeugdurchmesser wichtig ist

Durchmesser und Spindeldrehzahl verhalten sich umgekehrt proportional zueinander. Verdoppelt sich der Werkzeugdurchmesser, halbiert sich die erforderliche Drehzahl, weil die Schneide des größeren Werkzeugs pro Umdrehung bereits die doppelte Strecke zurücklegt. Deshalb dreht sich ein kleiner Bohrer weit schneller als ein großer, wenn dasselbe Material mit derselben Schnittgeschwindigkeit bearbeitet wird.

Drehen im Vergleich zu Fräsen und Bohren

Beim Fräsen und Bohren ist der Durchmesser in der Formel der Durchmesser des rotierenden Schneidwerkzeugs. Beim Drehen rotiert statt des Werkzeugs das Werkstück, daher wird der Werkstückdurchmesser verwendet. Da ein Werkstück beim Abtragen von Material oft schmaler wird, erhöhen manche Drehmaschinen über eine Regelung auf konstante Schnittgeschwindigkeit die Drehzahl automatisch, wenn der Durchmesser abnimmt, und halten so die Schnittgeschwindigkeit konstant.

Anpassen der berechneten Drehzahl

Die Formel liefert einen Ausgangswert. Zerspanungsmechaniker passen ihn häufig an, und zwar aus folgenden Gründen:

• Werkzeugzustand. Ein abgenutztes oder stumpfes Werkzeug kann eine niedrigere Drehzahl erfordern.
• Steifigkeit der Maschine. Eine weniger steife Maschine oder Aufspannung kann bei der berechneten Drehzahl schwingen und eine niedrigere Drehzahl erfordern.
• Kühlung. Bei geringerer Schmierung ist eine niedrigere Drehzahl nötig. Der Werkstattleitfaden der University of Florida etwa setzt Drehzahl und Vorschub auf 60 % zurück, wenn das Öl von Hand statt als Überflutungskühlung aufgetragen wird.
• Verfügbare Drehzahlen. Ältere Maschinen mit Riemenscheibenantrieb bieten nur wenige feste Drehzahlen, daher wählt der Zerspanungsmechaniker die nächstliegende Drehzahl, die dem berechneten Wert entspricht oder darunter liegt.

Läuft die Spindel zu schnell, verschleißt oder bricht das Werkzeug tendenziell, und das Werkstück kann Brandstellen bekommen. Läuft sie zu langsam, entstehen lange, fadenförmige Späne und eine schlechte Oberflächengüte, weil das Werkzeug eher reibt, als sauber zu schneiden.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Spindeldrehzahl in der Zerspanung? Die Spindeldrehzahl ist die Drehgeschwindigkeit der Spindel einer Werkzeugmaschine in U/min. Sie legt fest, wie schnell sich das Schneidwerkzeug oder das Werkstück während des Schnitts dreht.

Wie berechne ich die Spindeldrehzahl? Multiplizieren Sie die Schnittgeschwindigkeit (in m/min) mit 1000 und teilen Sie dann durch π mal den Werkzeugdurchmesser (in mm). Das Ergebnis ist die Spindeldrehzahl in U/min.

Warum ändert der Werkzeugdurchmesser die Spindeldrehzahl? Ein Werkzeug mit größerem Durchmesser legt in einer Umdrehung eine größere Strecke zurück. Um an der Schneide dieselbe Schnittgeschwindigkeit zu halten, muss es sich langsamer drehen als ein kleineres Werkzeug.

Was passiert, wenn die Spindeldrehzahl zu hoch oder zu niedrig eingestellt ist? Bei zu hoher Drehzahl verschleißt das Werkzeug schnell, es kann brechen, und das Werkstück verbrennt oder verfärbt sich. Bei zu niedriger Drehzahl bilden sich die Späne schlecht, die Oberfläche wird rau, und die Bearbeitung dauert länger.

Gilt dieselbe Formel für Drehen, Fräsen und Bohren? Ja. Die Formel ist für alle drei Verfahren dieselbe. Beim Fräsen und Bohren ist der Durchmesser der des Schneidwerkzeugs. Beim Drehen ist es der Durchmesser des Werkstücks an der Eingriffsstelle.

Kann ich Fuß pro Minute statt Meter pro Minute verwenden? Die obige Formel verwendet Meter pro Minute. Um Fuß pro Minute in Meter pro Minute umzurechnen, multiplizieren Sie mit 0,3048, denn 1 Fuß = 0,3048 Meter.

Referenzen

1. University of Florida, Department of Mechanical and Aerospace Engineering. Speeds and Feeds. UF Design and Manufacturing Lab – N = 12 V/(πD); empfohlene HSS-Schnittgeschwindigkeiten nach Material; ×2,5 für Hartmetall; 60 %, wenn das Öl von Hand aufgetragen wird.
2. National Institute of Standards and Technology. NIST Guide to the SI, Appendix B.9: Factors for units listed by kind of quantity or field of science. NIST SP 811 Appendix B.9 – 1 ft = 0,3048 m genau.