Trochoidal-Fräsen: Schleifenbahn, Eingriffswinkel und Vorschub

Thema: Fräsen, Drehen & Zerspanung

Trochoidal-Fräsen gilt oft als Kniff, mit dem eine kleine Maschine schneller schruppt. Die Strategie verlagert die Last: Statt eines Vollschnitts mit dem halben Fräserumfang im Eingriff arbeitet ein kleiner Bogen über die ganze Schneidenlänge, dafür fährt die Maschine viele kleine Kreise. Ob sich das lohnt, hängt von Eingriffswinkel, Zahnvorschub und Achsdynamik ab.

Wie die Schleifenbahn eine Nut fräst

Beim Trochoidal-Fräsen bewegt sich der Fräser auf Kreisschleifen und rückt dabei in Nutrichtung vor. Die Hoffmann Group beschreibt es als Schruppvorgang mit kreisförmigen Bewegungen, bei dem die maximale Spanungsdicke konstant bleibt. Je Schleife nimmt der Fräser nur einen sichelförmigen Streifen an der Nutfront ab; auf dem Rückweg läuft er durch die bereits gefräste Nut.

Seco Tools kennzeichnet die Strategie durch geringe radiale und hohe axiale Schnitttiefe; Wärme und Verschleiß verteilen sich so auf eine längere Schneidenstrecke. Da die Schleife die Nutbreite bestimmt, fräst ein Werkzeug mehrere Nutbreiten. Als Faustregel soll die Nut mindestens 60 % breiter sein als der Werkzeugdurchmesser, damit die Bahn einen Bogen beschreiben kann und die Späne Platz finden. Konventionelles Ausräumen behandelt der Artikel zum Schruppen beim CNC-Fräsen.

Eingriffswinkel und Spanungsdicke auf der Schleife

Für eine gerade Bahn gilt näherungsweise h_max = f_z × sin φ_s mit cos φ_s = 1 − 2 × a_e/D, solange a_e ≤ D/2 ist; der Span wird dünner als der Zahnvorschub. Diese radiale Spanverdünnung tritt laut Gorilla Mill bei Schnittbreiten unter 50 % von D auf; Seco Tools empfiehlt, sie mit erhöhtem Vorschub auszugleichen. Die Tabelle gilt für einen angenommenen Zielwert h_max = 0,03 mm.

Auf der Schleife reicht diese Rechnung nicht. Die Nutfront ist ein Innenbogen, den der Fräser teilweise umschlingt; bei gleicher Zustellung ist mehr Umfang im Eingriff. Laut Hoffmann Group kann der Umschlingungswinkel an Innen- und engen Konturen von 5° oder 10° auf 115° und mehr steigen; die trochoidale Bahn begrenzt ihn.

Eigenes Rechenbeispiel: 10-mm-Nut mit 6-mm-Fräser

Wir nehmen eine 10 mm breite, 12 mm tiefe Nut in einer Aluminiumlegierung an: dreischneidiger Fräser D = 6 mm, n = 18.000 min⁻¹, also v_c ≈ 339 m/min. Das ist ein Lehrbeispiel, keine Schnittdatenfreigabe; maßgeblich bleiben die Herstellerangaben. Der Mittelpunkt läuft auf Schleifen mit r = (10 − 6)/2 = 2 mm und rückt je Schleife s = 0,6 mm vor; Zielwert sei h_max = 0,03 mm.

Nach der Formel für gerade Bahnen ergäben a_e = 0,6 mm einen Eingriffswinkel von 36,9° und f_z = 0,05 mm. An der Nutfront umschlingt der Fräser aber einen Innenbogen mit 5 mm Radius: Geometrisch nachgerechnet sind rund 54° im Eingriff, h_max ≈ 0,81 × f_z. Mit 0,05 mm entstünde ein Span von 0,040 mm, ein Drittel mehr als geplant. Passend sind f_z ≈ 0,037 mm und mit v_f = f_z × n × z_c rund 2.000 mm/min.

Eine Schleife ist 12,6 mm lang; bei rund 159 Schleifen je Minute wächst die Nut um etwa 95 mm/min, im Mittel also Q = 12 × 10 × 95/1.000 ≈ 11,4 cm³/min. Auf dem 2-mm-Kreis verlangen 2.000 mm/min eine Zentripetalbeschleunigung von v²/r ≈ 556 mm/s². Ist eine Achse auf 300 mm/s² begrenzt (angenommen), sind nur etwa 1.470 mm/min möglich, und h_max sinkt auf rund 0,022 mm.

Was Maschine, Spannung und CAM leisten müssen

Seco Tools nennt als Voraussetzungen genügend Drehzahl, Drehmoment und Beschleunigung für viele kleine Bewegungen, eine sehr steife Werkzeugspannung, etwa im Schrumpf- oder Hydrodehnspannfutter, und ein passendes CAM-System. Die Hoffmann Group fordert zusätzlich eine Auszugssicherung, weil steigende Zustellung den Fräser wie einen Korkenzieher aus dem Futter ziehen kann. Das Glätten kurzer Bahnstücke erklärt der Artikel zum Überschleifen in der CNC-Bahnsteuerung.

Das adaptive Schruppen in Fusion verfolgt dasselbe Ziel wie die Schleifenbahn: Laut Autodesk vermeidet es abrupte Richtungswechsel und hält den Eingriff konstant; dessen Höhe legt der Parameter „Optimal Load“ nach Herstellerangaben fest. Ohne offene Kante braucht der Eintritt eine eigene Strategie, etwa eine Anfahrrampe mit Helix oder Rampenwinkel.

Für trochoidale Fräser beschreibt die Hoffmann Group viele Zähne, kleine Spanräume und Längen bis 5 × D. Schneidenzahl und Spanraum erklärt der Artikel zum Mehrzahnfräser. MAPAL nennt für einen solchen Fräser und eine Stahlgruppe etwa a_e = 14–18 % von D, ausdrücklich als im Versuch zu prüfende Richtwerte.

Typische Fehler und Grenzen

Häufig wird der Vorschub nach der Formel für gerade Bahnen angehoben; der Span wird dann zu dick. Erreicht die Steuerung den Vorschub auf kleinen Kreisen nicht, wird er dagegen dünner, und die Bearbeitung dauert länger.

Gorilla Mill weist darauf hin, dass Eingriff und Eingriffswinkel in Ecken stark steigen und Rattern auslösen können; ein für dünne Späne angehobener Vorschub ist dort zu hoch. Zur Ursachensuche siehe Rattermarken beim Fräsen. Laut Hoffmann Group bricht das Werkzeug, wenn die Spankammer voll ist und der Vorschub weiterläuft; in tiefen Nuten zählt daher die Spanabfuhr, etwa mit Druckluft an der Schneide.

Die Schleifenbahn bleibt ein Schruppverfahren; im Hoffmann-Beispiel bleiben 0,5 mm Aufmaß am Boden für das Schlichten. Die dort genannte Zeitersparnis von bis zu 50 % ist ein Herstellerbeispiel, keine Zusage. Bei flachen Nuten fehlt die große axiale Schnitttiefe; ob sich die Strategie lohnt, zeigt dann ein Zeitvergleich in der Simulation.

Prüfliste vor dem ersten trochoidalen Schnitt

• Nutbreite prüfen: nach der Seco-Faustregel mindestens 1,6 × D.
• Schnittdaten aus einem Datenblatt für trochoidale Bearbeitung nehmen, nicht aus einer Vollnuttabelle.
• Vorschubanhebung mit dem Eingriffswinkel der Schleife rechnen oder den Eingriff im CAM vorgeben.
• v²/r mit den eingestellten Achsbeschleunigungen vergleichen.
• Werkzeug steif und gegen Herausziehen gesichert spannen.
• Eintritt, Ecken und Ausfahrt simulieren, beim Probelauf den erreichten Vorschub beobachten.
• Aufmaß für Wand und Boden vorsehen.