The demand for higher productivity and quality, flexibility as well as process safety are marking the development in the field of metal-cutting manufacturing process. Thereby the field of low vibration milling plays a special role. Therefore the development and design of modern milling tools is more and more often affected by novel machining strategies. The article deals with the development and design of a low vibration milling tool including the reversal of conventional chip- cross- section b/h > 1 to the "invers" ratio b/h < 1. For this the difference between the two cross sections will be analysed. The focus of the first experimental research is the determination of the effects of reversing the chip- cross- section on the cutting forces as well as chip formation and - forming. The influence of the tool side rake angle (γf) in milling with "inverse" chip- cross- section will be studied. The results gathered in the field of "inverse" chip- cross- ratio provides the base for formulation of design fundamentals and drafts of a novel milling tool with peeling function

Duc, Tran Minh

Emmer, Emmer

Jakubov, Tschingiz

Nguyen, Trong Hieu

Schmidt, Konrad

Electronic National Technical University &quot;Kharkiv Polytechnic Institute&quot; Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

312 UDK 621.91  Dr.-Ing. Jakubov, Tschingiz; Universität Simferopol, Ukraine Dr.-Ing. Duc, Tran Minh; University of Technology, Thai Nguyen, Vietnam Dr.-Ing. Nguyen, Trong Hieu; University of Science and Technology,  Hanoi, Vietnam Dr.-Ing. Schmidt, Konrad; Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Deutschland Dr.-Ing. Emmer, Emmer; Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Deutschland  GRUNDLEGENDE BETRACHTUNGEN ZUR WIRKUNG EINES „INVER-SEN“ SPANUNGSVERHÄLTNISSES ALS BASIS FÜR DIE FRÄSWERK-ZEUGKONSTRUKTION  The demand for higher productivity and quality, flexibility as well as process safety are marking the development in the field of metal- cutting manufacturing process. Thereby the field of low vibration milling plays a special role. Therefore the development and design of modern milling tools is more and more often affected by novel machining strategies. The article deals with the development and design of a low vibration milling tool including the reversal of conventional chip- cross- section b/h > 1 to the "invers" ratio b/h < 1. For this the difference between the two cross sections will be analysed. The focus of the first experimental research is the determination of the effects of reversing the chip- cross- section on the cutting forces as well as chip formation and - forming. The influence of the tool side rake angle (γf) in milling with "inverse" chip- cross- section will be studied.  The results gathered in the field of "inverse" chip- cross- ratio provides the base for formulation of design fundamentals and drafts of a novel milling tool with peeling function. Kurzfassung Forderungen nach höherer Produktivität und Qualität, Flexibilität sowie Pro-zesssicherheit kennzeichnen alle Entwicklungen im Bereich der spanenden Ferti-gungsprozesse. Dabei kommt dem Bereich der schwingungsarmen Fräsbearbeitung eine besondere Rolle zu. Somit wird die Entwicklung und Auslegung von moder-nen Fräswerkzeugen immer häufiger durch neuartige Bearbeitungsstrategien beein-flusst. Der Beitrag beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Auslegung eines neuen schwingungsarmen Fräswerkzeuges unter Einbeziehung der Umkehr des konventionellen Spanungsverhältnis b/h > 1, hin zum „inversen“ Verhältnis b/h < 1. Hierzu werden die Unterschiede zwischen den beiden Spanungsverhältnis-sen analysiert. Im Mittelpunkt erster experimenteller Untersuchungen steht die Be-stimmung der Wirkungen dieser Umkehr des Spanungsverhältnisses auf die Zerspankraftkomponenten sowie die Spanbildung und -formung. Die Einflüsse des Seitenspanwinkels (γf) beim Fräsen mit „inversen“ Spanungsverhältnissen werden ebenfalls betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse zum „inversen“ Spanungsverhält-nis bildet die Basis für die Formulierung von Gestaltungsgrundlagen und den Ent-wurf eines neuartigen Fräswerkzeuges mit Schälfunktion. 313 Einführung und Zielsetzung der Werkzeugentwicklung Bei der spanenden Bearbeitung von Planflächen durch Stirnfräsen mit leis-tungsfähigen Fräsköpfen nimmt die Schwingungsproblematik ein entscheidendes Produktivitätskriterium dar. Allgemeine theoretische Ansätze gehen davon aus, dass die Spanungsdicke h einen stabilisierenden und die Spanungsdicke b einen destabilisierenden Effekt bewirken. Somit sollte eine Verringerung des Spanungs-verhältnisses (SV = b/h) zu einer deutlichen Verbesserung des dynamischen Ver-haltens führen, was für das Fräsen unter labilen und semistabilen Bearbeitungsbe-dingungen von großer praktischer Bedeutung ist. Verfolgt man die Strategie zur Realisierung kleiner Spanungsverhältnisse bis zu SV < 1, dann stößt man in einen bisher völlig neuen und unbekannten sowie unerforschten Bereich der Frästechnik vor, in dem sich viele Spanungskenngrößen und Wirkmechanismen umkehren. Man spricht von einer „inversen“ Spanungstechnik (lat. invers ≙ umgekehrt, entge-genwirkend).    Bild 1 – Grundprinzip der inversen Spanbildung  Das Grundprinzip der inversen Spanbildung ist im Bild 1 schematisch für ei-nen konstanten Spanungsquerschnitt A dargestellt. Die Grenze des Bereiches der inversen von der konventionellen Spanbildung ist SV < > 1 und die Lage der Hauptschneide unter dem Einstellwinkel κr = 0° bzw. κr = 90°, sowie durch die Umkehrung der Spanablaufrichtung vsp gegeben. Abgeleitet aus dem dargestellten Grundprinzip ergibt sich eine völlig neue Konstellation der Spanungskenngrößen mit folgenden Besonderheiten und Veränderungen:   314 Tabelle 1 – Parametervergleich zwischen konventioneller- und inverser Spanbil-dung konventionelle Spanbildung κr ≤ 90° SV ≥ 1 ap fz Ff max Fp min        inverse Spanbildung κr = 0° SV ≤ 1 fz bzw. fu ap Ff min Fp max  Mit den aufgeführten Veränderungen werden folgende Auswirkungen für das Spanungsverhalten im Bereich der inversen Spanbildung erwartet:  Erhöhung der dynamischen Stabilität im Fräsprozess durch die Maximie-rung der Passivkraft Fp und deren Ableitung in die Maschinenspindel so-wie die Minimierung der Vorschubkraft Ff und die Verringerung der Werkzeugabbiegung  Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität, da der Vorschub fu mit der Länge der Werkzeugschneide erhöht werden kann.  Optimierung der Spanentstehung des Spanablaufs durch eine stark negati-ve Anstellung der Schneide (Seitenspanwinkel γf = negativ). Es entsteht ein sogenannter „ziehender“ Schnitt mit einem sehr erwünschten Schälef-fekt. Dabei dürfte es zu einer geringeren Spanstauchung und niedrigeren Spantemperaturen kommen  Die partielle Schneidenbelastung sinkt mit der Länge der im Einsatz be-findlichen Schneide. Ein großer Vorschub fu führt nicht nur zur Steigerung der Produktivität, sondern verringert gleichzeitig den Schneidenverschleiß.  Das Verschleißverhalten wird auch durch die grundsätzlich veränderten Auftreffbedingungen begünstigt. Der Erstaufschlag erfolgt nicht an einer Schneidenecke (Standkriterium Eckenverschleiß ist nicht vorhanden!!) Außerdem liegt eine wesentlich größere Eindringzeit vor (Zeit vom ersten Kontakt bis zum vollen Eingriff), was den Aufschlagimpuls relevant ver-ringert.  Die lange Schneidekante unter κr = 0° führt zu einer Verbesserung der Oberflächengüte  Da die Werkzeugschneidenden im inversen Fräskopf axial gestuft anzu-ordnen sind, kommen bei kleinsten Schnitttiefen  nicht alle Schneiden zum Einsatz, was eine Einsparung an Schneidstoffen zufolge hat. Beim norma-len Fräsen verschleißen alle Schneiden unabhängig von der Schnitttiefe.  315 Grundanliegen der Werkzeugentwicklung Im Ergebnis der Auswertung von umfangreichen praktischen Erfahrungen und theoretischen Überlegungen konnten die genannten Erkenntnisse über die Beson-derheiten und Vorteile der inversen Spanungstechnik sowie das Grundanliegen der Werkzeugentwicklung formuliert werden. Das Grundanliegen der Werkzeugent-wicklung besteht darin, sowohl theoretische Grundlagen zu den veränderten spa-nungsgeometrischen Gegebenheiten zu schaffen, ebenso aber auch den wissen-schaftlichen Nachweis über die praktische Realisierbarkeit zu erbringen (siehe Bild 2).   Bild 2 – Mechanismen der Spanentstehung im Vergleich von konventioneller und inverser Spanentstehung  Konkrete Vorschläge für die konstruktive Entwicklung von Schneideinsätzen (Rundschaftprinzip) mit optimierten Geometrien und praxisrelevanten Spanungs-kenngrößen sowie Konstruktionsvarianten für die Fräsköpfe sind zu erarbeiten. Dabei ist für die Umsetzung ein axialer und radialer Versatz (spiralförmige Anord-nung der Schneideneinsätze) der Einzelschneiden erforderlich Die bereits angedeu-teten Vorteile sowie die aufgezeigten Möglichkeiten zur Erhöhung der Produktivi-tät (größeres fu und Anzahl der Spiralen > 1) sind im Bild 2 schematisch dargestellt. Ergebnisse der bisher durchgeführten Untersuchungen Erste versuchspraktische Untersuchungen haben ergeben, dass die bisher dar-gelegten Besonderheiten und Veränderungen im Bereich der inversen Spanbildung tatsächlich auftreten. Mit dafür entwickelten Schneideinsetzen wurden zunächst erste grundlegende Versuche mit κr = 0° im Vergleich zu κr = 90° im Einzahnverfahren  durchgeführt. Es wurden die Schnittkraft Fc sowie die Vorschub- und Passivkraft Ff und Fp über dem Spanungsverhältnis SV gemessen. In den Bil-dern 3, 4 und 5 wird gezeigt das Schnittkraft und Vorschubkraft mit geringerem 316 Spanungsverhältnis fallen, während - wie vorausgesagt - die Passivkraft ansteigt. Diese Veränderungen der Kräftekonstellation für den inversen Spanungsbereich konnte also durch die ersten praktischen Experimente bestätigt werden.   020040060080010001200N160010 2,5 1 0,4 0,1Schnittkraft F cSpanungsverhältnis ap / fzA = 1,27 mm²A = 0,8 mm²A = 0,53 mm²0°0°102,510,40,1==A [mm²]; [mm]; [mm]A=0,53=2,3 =0,225=1,19 =0,44=0,714 =0,714=0,47 =1,125=0,24 =2,25=1,79 =0,714=1,125 =1,125=0,71  =1,786=0,356 =3,57A=0,8=2,8 =0,286=1,4 =0,571=0,893 =0,893=0,56 =1,429=0,28 =2,857Werkstoff:WSP:===3,56 =0,357AlSi7Mg0,31196-78 (Fette)97m/min90°ap/fz A=1,27ap fzγfγpvcκrap ap apap ap apap ap apap ap apap ap apfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fz  Bild 3 – Schnittkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90°   020040060080010001200N1600Vorschubkraft F f10 2,5 1 0,4 0,1Spanungsverhältnis ap / fzA = 1,27 mm²A = 0,8 mm²A = 0,53 mm²0°0°102,510,40,1==A [mm²]; [mm]; [mm]A=0,53=2,3 =0,225=1,19 =0,44=0,714 =0,714=0,47 =1,125=0,24 =2,25=1,79 =0,714=1,125 =1,125=0,71  =1,786=0,356 =3,57A=0,8=2,8 =0,286=1,4 =0,571=0,893 =0,893=0,56 =1,429=0,28 =2,857Werkstoff:WSP:===3,56 =0,357AlSi7Mg0,31196-78 (Fette)97m/min90°A=1,27ap fzγfγpvcκrap ap apap ap apap ap apap ap apap ap apfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fzap/fz Bild 4 – Vorschubkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90° 317 020040060080010001200N1600Passivkraft F p10 2,5 1 0,4 0,1Spanungsverhältnis ap / fzA = 1,27 mm²A = 0,8 mm²A = 0,53 mm²0°0°102,510,40,1==A [mm²]; [mm]; [mm]A=0,53=2,3 =0,225=1,19 =0,44=0,714 =0,714=0,47 =1,125=0,24 =2,25=1,79 =0,714=1,125 =1,125=0,71  =1,786=0,356 =3,57A=0,8=2,8 =0,286=1,4 =0,571=0,893 =0,893=0,56 =1,429=0,28 =2,857Werkstoff:WSP:===3,56 =0,357AlSi7Mg0,31196-78 (Fette)97m/min90°A=1,27ap fzγfγpvcκrap ap apap ap apap ap apap ap apap ap apfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fzfz fz fzap/fz Bild 5 – Passivkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90°  Bei der Betrachtung der erzeugten Späne hat sich erwiesen dass sich die Span-formung und der Spanfluss völlig anders verhalten als im normalen Bereich. Bild 6 zeigt die Umkehr des Spanungsverhaltens, wobei die sich in der Simulation erge-benen Temperaturen im Bereich SV < 1 (SV = 0,1 gegenüber SV = 10) offensicht-lich auf eine geringere Verformungsarbeit hinweisen.  a) b) b)    Bild 6 – Simulation des Spanablaufs unter den Verhältnissen von  a) ap/fz =10 und b) ap/fz =0,1  Die im Bild 7 dargestellten Späne zeigen sehr deutlich das der Seitenspan-winkel γf die Spanbildung wesentlich verbessert. Bei γf = -40° entsteht ein sehr günstiger Wendelspan, der durch den Schäleffekt und einen „ziehenden“ Schnitt verursacht wird.  318     a) γf = 0°    b) γf = -40°  Bild 7 – Vergleich der Späne bei einem Seitenspanwinkel a) γf = 0°; b) γf = -40°  Weiterhin konnte in den bisher durchgeführten Fräsversuchen bereits nach-gewiesen werden, dass sich auch das dynamische Verhalten im inversen Spanbe-reich verbessert. Es ist ein deutlich ruhigeres Schnittverhalten aufgetreten. Offen-sichtlich ist dies auf die extrem veränderten Auftreffbedingungen zurückzuführen.  Bild 8 – Auftreffbedingungen beim inversen Fräsen  In Bild 8 ist das Anschnittverhalten im Fräsvorgang schematisch dargestellt. Die Werkzeugschneide tritt im Punkt A erstmalig in Kontakt mit dem Werkstück in 319 der Eintrittsebene. Mit zunehmendem Eingriffswinkel dringt das Werkzeug weiter ein und ist erst im Punkt B voll mit dem Werkstoff im Eingriff.  Diese relativ lange Anschnittsstrecke führt zu einem „sanfteren“ Aufschlag mit einem geringen Schwingungsimpuls. Vergleicht man hierzu die Auftreffzu-stände beim konventionellen Fräsen, dann kann grob eingeschätzt werden, dass hier die Aufschlaghärte etwa um den Faktor 10 größer ist.  Bild 8 macht verdeutlicht weiterhin, dass der Ort des ersten Kontaktes der Schneide mit dem Werkstück völlig anders liegt. Nicht in einer gefährdeten Schneidenecke, sondern vorschubabhängig immer innerhalb der Werkzeugschnei-de. Es ist mit hoher Sicherheit davon auszugehen, dass die angeführten Gegeben-heiten zu einem deutlich verbesserten Verschleißverhalten führen werden. Zusammenfassung Die vorliegende Beitrag beschäftigte sich mit der Analyse und der theoreti-schen Durchdringung des „inversen“ Spanungsverhältnis b/h < 1 sowie dem Ver-gleich mit dem konventionellen Spanungsverhältnis b/h > 1, mit dem Ziel einer weiterführende konstruktiven Auslegung eines Schälfräswerkzeuges. Ziel der Un-tersuchungen war es, die Vorteile des Zerspanens mit „inversem“ Spanungsquer-schnitt im Hinblick auf die Kraftkomponenten und die Spanformung darzulegen. Die Untersuchungen zur Umkehr des Spanungsverhältnisses bei der Fräsbear-beitung für eine Wendenschneidplattengeometrie mit Einstellwinkel von κr = 90° der Hauptschneide und κr` = 0° der Nebenschneide ergaben folgende Ergebnisse:  Minderung der Schnittkraft um 30 - 40%,  Reduzierung der Vorschubkraft bis 70%,  Erhöhung der Passivkraft um circa 100 -110%. Das dynamische Verhalten des Fräsprozesses verbessert sich gravierend. Aus der Änderung des Seitenspanwinkels von 0 auf -40° und dem „inversen“ Spanungsquerschnitt resultiert eine positive Wirkung auf das Anschnittsverhaltens. Die Endringzeit der Schneide verlängert sich erheblich und somit wird der Aufschlagimpuls reduziert. Zusätzlich werden durch diese Schneidenstellung Späne in Wendelform erzeugt, die vom Werkzeug weggeleitet werden. Die gewon-nenen Erkenntnisse zum „inversen“ Spanungsverhältnis und der  Schneiden-anstellung unter einem negativen Seitenspanwinkel bilden die Grundlage für die Formulierung von Gestaltungs- und Auslegungsvorgaben für die konstruktive Aus-legung eines neuen Schälfräswerkzeuges. 

Grundlegende betrachtungen zur wirkung eines "inversen" spanungsverhältnisses als basis für die fräswerk-zeugkonstruktion

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

312 
UDK 621.91 
 
Dr.-Ing. Jakubov, Tschingiz; Universität Simferopol, Ukraine 
Dr.-Ing. Duc, Tran Minh; University of Technology, Thai Nguyen, Vietnam 
Dr.-Ing. Nguyen, Trong Hieu; University of Science and Technology,  
Hanoi, Vietnam 
Dr.-Ing. Schmidt, Konrad; Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Deutschland 
Dr.-Ing. Emmer, Emmer; Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Deutschland 
 
GRUNDLEGENDE BETRACHTUNGEN ZUR WIRKUNG EINES „INVER-
SEN“ SPANUNGSVERHÄLTNISSES ALS BASIS FÜR DIE FRÄSWERK-
ZEUGKONSTRUKTION 
 
The demand for higher productivity and quality, flexibility as well as process safety are marking the 
development in the field of metal- cutting manufacturing process. Thereby the field of low vibration 
milling plays a special role. Therefore the development and design of modern milling tools is more and 
more often affected by novel machining strategies. 
The article deals with the development and design of a low vibration milling tool including the reversal 
of conventional chip- cross- section b/h > 1 to the "invers" ratio b/h < 1. For this the difference between 
the two cross sections will be analysed. The focus of the first experimental research is the determination 
of the effects of reversing the chip- cross- section on the cutting forces as well as chip formation and - 
forming. The influence of the tool side rake angle (γf) in milling with "inverse" chip- cross- section will 
be studied.  
The results gathered in the field of "inverse" chip- cross- ratio provides the base for formulation of 
design fundamentals and drafts of a novel milling tool with peeling function. 
Kurzfassung 
Forderungen nach höherer Produktivität und Qualität, Flexibilität sowie Pro-
zesssicherheit kennzeichnen alle Entwicklungen im Bereich der spanenden Ferti-
gungsprozesse. Dabei kommt dem Bereich der schwingungsarmen Fräsbearbeitung 
eine besondere Rolle zu. Somit wird die Entwicklung und Auslegung von moder-
nen Fräswerkzeugen immer häufiger durch neuartige Bearbeitungsstrategien beein-
flusst. 
Der Beitrag beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Auslegung eines 
neuen schwingungsarmen Fräswerkzeuges unter Einbeziehung der Umkehr des 
konventionellen Spanungsverhältnis b/h > 1, hin zum „inversen“ Verhältnis 
b/h < 1. Hierzu werden die Unterschiede zwischen den beiden Spanungsverhältnis-
sen analysiert. Im Mittelpunkt erster experimenteller Untersuchungen steht die Be-
stimmung der Wirkungen dieser Umkehr des Spanungsverhältnisses auf die 
Zerspankraftkomponenten sowie die Spanbildung und -formung. Die Einflüsse des 
Seitenspanwinkels (γf) beim Fräsen mit „inversen“ Spanungsverhältnissen werden 
ebenfalls betrachtet. Die gewonnen Erkenntnisse zum „inversen“ Spanungsverhält-
nis bildet die Basis für die Formulierung von Gestaltungsgrundlagen und den Ent-
wurf eines neuartigen Fräswerkzeuges mit Schälfunktion. 
313 
Einführung und Zielsetzung der Werkzeugentwicklung 
Bei der spanenden Bearbeitung von Planflächen durch Stirnfräsen mit leis-
tungsfähigen Fräsköpfen nimmt die Schwingungsproblematik ein entscheidendes 
Produktivitätskriterium dar. Allgemeine theoretische Ansätze gehen davon aus, 
dass die Spanungsdicke h einen stabilisierenden und die Spanungsdicke b einen 
destabilisierenden Effekt bewirken. Somit sollte eine Verringerung des Spanungs-
verhältnisses (SV = b/h) zu einer deutlichen Verbesserung des dynamischen Ver-
haltens führen, was für das Fräsen unter labilen und semistabilen Bearbeitungsbe-
dingungen von großer praktischer Bedeutung ist. Verfolgt man die Strategie zur 
Realisierung kleiner Spanungsverhältnisse bis zu SV < 1, dann stößt man in einen 
bisher völlig neuen und unbekannten sowie unerforschten Bereich der Frästechnik 
vor, in dem sich viele Spanungskenngrößen und Wirkmechanismen umkehren. 
Man spricht von einer „inversen“ Spanungstechnik (lat. invers ≙ umgekehrt, entge-
genwirkend).  
 
 
Bild 1 – Grundprinzip der inversen Spanbildung 
 
Das Grundprinzip der inversen Spanbildung ist im Bild 1 schematisch für ei-
nen konstanten Spanungsquerschnitt A dargestellt. Die Grenze des Bereiches der 
inversen von der konventionellen Spanbildung ist SV < > 1 und die Lage der 
Hauptschneide unter dem Einstellwinkel κr = 0° bzw. κr = 90°, sowie durch die 
Umkehrung der Spanablaufrichtung vsp gegeben. Abgeleitet aus dem dargestellten 
Grundprinzip ergibt sich eine völlig neue Konstellation der Spanungskenngrößen 
mit folgenden Besonderheiten und Veränderungen: 
 
 
314 
Tabelle 1 – Parametervergleich zwischen konventioneller- und inverser Spanbil-
dung 
konventionelle Spanbildung 
κr ≤ 90° 
SV ≥ 1 
ap 
fz 
Ff max 
Fp min 
 
 
 
 
 
 
 
inverse Spanbildung 
κr = 0° 
SV ≤ 1 
fz bzw. fu 
ap 
Ff min 
Fp max 
 
Mit den aufgeführten Veränderungen werden folgende Auswirkungen für das 
Spanungsverhalten im Bereich der inversen Spanbildung erwartet: 
 Erhöhung der dynamischen Stabilität im Fräsprozess durch die Maximie-
rung der Passivkraft Fp und deren Ableitung in die Maschinenspindel so-
wie die Minimierung der Vorschubkraft Ff und die Verringerung der 
Werkzeugabbiegung 
 Möglichkeiten zur Steigerung der Produktivität, da der Vorschub fu mit 
der Länge der Werkzeugschneide erhöht werden kann. 
 Optimierung der Spanentstehung des Spanablaufs durch eine stark negati-
ve Anstellung der Schneide (Seitenspanwinkel γf = negativ). Es entsteht 
ein sogenannter „ziehender“ Schnitt mit einem sehr erwünschten Schälef-
fekt. Dabei dürfte es zu einer geringeren Spanstauchung und niedrigeren 
Spantemperaturen kommen 
 Die partielle Schneidenbelastung sinkt mit der Länge der im Einsatz be-
findlichen Schneide. Ein großer Vorschub fu führt nicht nur zur Steigerung 
der Produktivität, sondern verringert gleichzeitig den 
Schneidenverschleiß. 
 Das Verschleißverhalten wird auch durch die grundsätzlich veränderten 
Auftreffbedingungen begünstigt. Der Erstaufschlag erfolgt nicht an einer 
Schneidenecke (Standkriterium Eckenverschleiß ist nicht vorhanden!!) 
Außerdem liegt eine wesentlich größere Eindringzeit vor (Zeit vom ersten 
Kontakt bis zum vollen Eingriff), was den Aufschlagimpuls relevant ver-
ringert. 
 Die lange Schneidekante unter κr = 0° führt zu einer Verbesserung der 
Oberflächengüte 
 Da die Werkzeugschneidenden im inversen Fräskopf axial gestuft anzu-
ordnen sind, kommen bei kleinsten Schnitttiefen  nicht alle Schneiden zum 
Einsatz, was eine Einsparung an Schneidstoffen zufolge hat. Beim norma-
len Fräsen verschleißen alle Schneiden unabhängig von der Schnitttiefe. 
 
315 
Grundanliegen der Werkzeugentwicklung 
Im Ergebnis der Auswertung von umfangreichen praktischen Erfahrungen und 
theoretischen Überlegungen konnten die genannten Erkenntnisse über die Beson-
derheiten und Vorteile der inversen Spanungstechnik sowie das Grundanliegen der 
Werkzeugentwicklung formuliert werden. Das Grundanliegen der Werkzeugent-
wicklung besteht darin, sowohl theoretische Grundlagen zu den veränderten spa-
nungsgeometrischen Gegebenheiten zu schaffen, ebenso aber auch den wissen-
schaftlichen Nachweis über die praktische Realisierbarkeit zu erbringen (siehe Bild 
2). 
 
 
Bild 2 – Mechanismen der Spanentstehung im Vergleich von konventioneller und inverser 
Spanentstehung 
 
Konkrete Vorschläge für die konstruktive Entwicklung von Schneideinsätzen 
(Rundschaftprinzip) mit optimierten Geometrien und praxisrelevanten Spanungs-
kenngrößen sowie Konstruktionsvarianten für die Fräsköpfe sind zu erarbeiten. 
Dabei ist für die Umsetzung ein axialer und radialer Versatz (spiralförmige Anord-
nung der Schneideneinsätze) der Einzelschneiden erforderlich Die bereits angedeu-
teten Vorteile sowie die aufgezeigten Möglichkeiten zur Erhöhung der Produktivi-
tät (größeres fu und Anzahl der Spiralen > 1) sind im Bild 2 schematisch dargestellt. 
Ergebnisse der bisher durchgeführten Untersuchungen 
Erste versuchspraktische Untersuchungen haben ergeben, dass die bisher dar-
gelegten Besonderheiten und Veränderungen im Bereich der inversen Spanbildung 
tatsächlich auftreten. Mit dafür entwickelten Schneideinsetzen wurden zunächst 
erste grundlegende Versuche mit κr = 0° im Vergleich zu κr = 90° im 
Einzahnverfahren  durchgeführt. Es wurden die Schnittkraft Fc sowie die Vorschub- 
und Passivkraft Ff und Fp über dem Spanungsverhältnis SV gemessen. In den Bil-
dern 3, 4 und 5 wird gezeigt das Schnittkraft und Vorschubkraft mit geringerem 
316 
Spanungsverhältnis fallen, während - wie vorausgesagt - die Passivkraft ansteigt. 
Diese Veränderungen der Kräftekonstellation für den inversen Spanungsbereich 
konnte also durch die ersten praktischen Experimente bestätigt werden.  
 
0
200
400
600
800
1000
1200
N
1600
10 2,5 1 0,4 0,1
S
ch
ni
ttk
ra
ft 
F c
Spanungsverhältnis ap / fz
A = 1,27 mm²
A = 0,8 mm²
A = 0,53 mm²
0°
0°
10
2,5
1
0,4
0,1
=
=
A [mm²]; [mm]; [mm]
A=0,53
=2,3 
=0,225
=1,19 
=0,44
=0,714 
=0,714
=0,47 
=1,125
=0,24 
=2,25
=1,79 
=0,714
=1,125 
=1,125
=0,71  
=1,786
=0,356 
=3,57
A=0,8
=2,8 
=0,286
=1,4 
=0,571
=0,893 
=0,893
=0,56 
=1,429
=0,28 
=2,857
Werkstoff:
WSP:
=
=
=3,56 
=0,357
AlSi7Mg0,3
1196-78 (Fette)
97m/min
90°
ap/fz A=1,27
ap fz
γf
γp
vc
κr
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
 
 
Bild 3 – Schnittkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90°  
 
0
200
400
600
800
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N
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V
or
sc
hu
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F f
10 2,5 1 0,4 0,1
Spanungsverhältnis ap / fz
A = 1,27 mm²
A = 0,8 mm²
A = 0,53 mm²
0°
0°
10
2,5
1
0,4
0,1
=
=
A [mm²]; [mm]; [mm]
A=0,53
=2,3 
=0,225
=1,19 
=0,44
=0,714 
=0,714
=0,47 
=1,125
=0,24 
=2,25
=1,79 
=0,714
=1,125 
=1,125
=0,71  
=1,786
=0,356 
=3,57
A=0,8
=2,8 
=0,286
=1,4 
=0,571
=0,893 
=0,893
=0,56 
=1,429
=0,28 
=2,857
Werkstoff:
WSP:
=
=
=3,56 
=0,357
AlSi7Mg0,3
1196-78 (Fette)
97m/min
90°
A=1,27
ap fz
γf
γp
vc
κr
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
ap/fz
 
Bild 4 – Vorschubkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90° 
317 
0
200
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600
800
1000
1200
N
1600
P
as
si
vk
ra
ft 
F p
10 2,5 1 0,4 0,1
Spanungsverhältnis ap / fz
A = 1,27 mm²
A = 0,8 mm²
A = 0,53 mm²
0°
0°
10
2,5
1
0,4
0,1
=
=
A [mm²]; [mm]; [mm]
A=0,53
=2,3 
=0,225
=1,19 
=0,44
=0,714 
=0,714
=0,47 
=1,125
=0,24 
=2,25
=1,79 
=0,714
=1,125 
=1,125
=0,71  
=1,786
=0,356 
=3,57
A=0,8
=2,8 
=0,286
=1,4 
=0,571
=0,893 
=0,893
=0,56 
=1,429
=0,28 
=2,857
Werkstoff:
WSP:
=
=
=3,56 
=0,357
AlSi7Mg0,3
1196-78 (Fette)
97m/min
90°
A=1,27
ap fz
γf
γp
vc
κr
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
ap ap ap
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
fz fz fz
ap/fz
 
Bild 5 – Passivkraftverläufe bei sinkendem Spanungsverhältnis und κr = 90° 
 
Bei der Betrachtung der erzeugten Späne hat sich erwiesen dass sich die Span-
formung und der Spanfluss völlig anders verhalten als im normalen Bereich. Bild 6 
zeigt die Umkehr des Spanungsverhaltens, wobei die sich in der Simulation erge-
benen Temperaturen im Bereich SV < 1 (SV = 0,1 gegenüber SV = 10) offensicht-
lich auf eine geringere Verformungsarbeit hinweisen. 
 
a) b) 
b)  
 
 
Bild 6 – Simulation des Spanablaufs unter den Verhältnissen von  
a) ap/fz =10 und b) ap/fz =0,1 
 
Die im Bild 7 dargestellten Späne zeigen sehr deutlich das der Seitenspan-
winkel γf die Spanbildung wesentlich verbessert. Bei γf = -40° entsteht ein sehr 
günstiger Wendelspan, der durch den Schäleffekt und einen „ziehenden“ Schnitt 
verursacht wird. 
 
318 
 
   a) γf = 0°    b) γf = -40° 
 
Bild 7 – Vergleich der Späne bei einem Seitenspanwinkel a) γf = 0°; b) γf = -40° 
 
Weiterhin konnte in den bisher durchgeführten Fräsversuchen bereits nach-
gewiesen werden, dass sich auch das dynamische Verhalten im inversen Spanbe-
reich verbessert. Es ist ein deutlich ruhigeres Schnittverhalten aufgetreten. Offen-
sichtlich ist dies auf die extrem veränderten Auftreffbedingungen zurückzuführen. 
 
Bild 8 – Auftreffbedingungen beim inversen Fräsen  
In Bild 8 ist das Anschnittverhalten im Fräsvorgang schematisch dargestellt. 
Die Werkzeugschneide tritt im Punkt A erstmalig in Kontakt mit dem Werkstück in 
319 
der Eintrittsebene. Mit zunehmendem Eingriffswinkel dringt das Werkzeug weiter 
ein und ist erst im Punkt B voll mit dem Werkstoff im Eingriff.  
Diese relativ lange Anschnittsstrecke führt zu einem „sanfteren“ Aufschlag 
mit einem geringen Schwingungsimpuls. Vergleicht man hierzu die Auftreffzu-
stände beim konventionellen Fräsen, dann kann grob eingeschätzt werden, dass hier 
die Aufschlaghärte etwa um den Faktor 10 größer ist.  
Bild 8 macht verdeutlicht weiterhin, dass der Ort des ersten Kontaktes der 
Schneide mit dem Werkstück völlig anders liegt. Nicht in einer gefährdeten 
Schneidenecke, sondern vorschubabhängig immer innerhalb der Werkzeugschnei-
de. Es ist mit hoher Sicherheit davon auszugehen, dass die angeführten Gegeben-
heiten zu einem deutlich verbesserten Verschleißverhalten führen werden. 
Zusammenfassung 
Die vorliegende Beitrag beschäftigte sich mit der Analyse und der theoreti-
schen Durchdringung des „inversen“ Spanungsverhältnis b/h < 1 sowie dem Ver-
gleich mit dem konventionellen Spanungsverhältnis b/h > 1, mit dem Ziel einer 
weiterführende konstruktiven Auslegung eines Schälfräswerkzeuges. Ziel der Un-
tersuchungen war es, die Vorteile des Zerspanens mit „inversem“ Spanungsquer-
schnitt im Hinblick auf die Kraftkomponenten und die Spanformung darzulegen. 
Die Untersuchungen zur Umkehr des Spanungsverhältnisses bei der Fräsbear-
beitung für eine Wendenschneidplattengeometrie mit Einstellwinkel von κr = 90° 
der Hauptschneide und κr
` = 0° der Nebenschneide ergaben folgende Ergebnisse: 
 Minderung der Schnittkraft um 30 - 40%, 
 Reduzierung der Vorschubkraft bis 70%, 
 Erhöhung der Passivkraft um circa 100 -110%. 
Das dynamische Verhalten des Fräsprozesses verbessert sich gravierend. 
Aus der Änderung des Seitenspanwinkels von 0 auf -40° und dem „inversen“ 
Spanungsquerschnitt resultiert eine positive Wirkung auf das Anschnittsverhaltens. 
Die Endringzeit der Schneide verlängert sich erheblich und somit wird der 
Aufschlagimpuls reduziert. Zusätzlich werden durch diese Schneidenstellung 
Späne in Wendelform erzeugt, die vom Werkzeug weggeleitet werden. Die gewon-
nenen Erkenntnisse zum „inversen“ Spanungsverhältnis und der  Schneiden-
anstellung unter einem negativen Seitenspanwinkel bilden die Grundlage für die 
Formulierung von Gestaltungs- und Auslegungsvorgaben für die konstruktive Aus-
legung eines neuen Schälfräswerkzeuges. 


http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/17877/1/RITS_2012_82_Jakubov_Grundlegende.pdf

Grundlegende betrachtungen zur wirkung eines "inversen" spanungsverhältnisses als basis für die fräswerk-zeugkonstruktion

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