Zerspankraft

Die Zerspankraft ${\displaystyle F}$ (alt: ${\displaystyle F_{z}}$) ist beim Zerspanen die Kraft, die auf das Werkzeug wirkt. Sie wird in mehrere Komponenten zerlegt: Von besonderer Bedeutung ist die Schnittkraft ${\displaystyle F_{c}}$ (von engl. cut=Schnitt), die in die Richtung der Schnittgeschwindigkeit ${\displaystyle v_{c}}$ wirkt. Da sie die betragsmäßig größte Komponente ist, beschränkt man sich in der Praxis häufig darauf, nur sie zu ermitteln. Weitere Komponenten sind beispielsweise die Vorschubkraft ${\displaystyle F_{f}}$ in Richtung der Vorschubgeschwindigkeit ${\displaystyle v_{f}}$ und die Passivkraft ${\displaystyle F_{p}}$ die auf den beiden anderen Komponenten senkrecht steht.

Die Zerspankraft entsteht durch die während der Bearbeitung auftretenden Reibung und das Abtrennen des Spanes. Ihre Größe wird durch zahlreiche Einflüsse bestimmt. Die wichtigsten sind die Geometrie der Schneidkeile, insbesondere der Spanwinkel und der Werkzeug-Einstellwinkel, die Spanungsdicke, der Vorschub und der Werkstoff des Werkstücks. Der Betrag der Zerspankraft wird unter anderem benötigt, um bei der Konstruktion von Werkzeugmaschinen deren Antriebe auszulegen. Aus der Schnittkraft und Schnittgeschwindigkeit lässt sich die benötigte Schnittleistung ${\displaystyle P_{c}}$ berechnen, die in etwa der benötigten Gesamtleistung entspricht:

${\displaystyle P_{c}=F_{c}\cdot v_{c}}$

Zur Berechnung der Zerspan- oder Schnittkraft gibt es mehrere Möglichkeiten. Häufig wird ein von Otto Kienzle entwickeltes empirisches Modell verwendet, das die Spezifische Schnittkraft ${\displaystyle k_{c}}$ als zentrale Größe enthält. Die Schnittkraft ergibt sich dann als Produkt aus der experimentell ermittelten spezifischen Schnittkraft und dem Spanungsquerschnitt ${\displaystyle A}$.

${\displaystyle F_{c}=k_{c}\cdot A}$

Die spezifische Schnittkraft ist jedoch keine Konstante. Sie hängt wie auch die Schnittkraft von zahlreichen Einflussgrößen ab. Die wichtigste ist die Spanungsdicke ${\displaystyle h}$. Daneben gibt es zur Berechnung noch verschiedene analytische Modelle von Ernst, Merchant und Hucks, die auf dem Scherebenenmodell aufbauen, das selbst auf der Plastomechanik aufbaut. Die zentrale Größe ist hier der Scherwinkel, der die Neigung der Scherebene gegenüber der Werkzeug-Orthogonalebene angibt. Außerdem lassen sich mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) Kräfte, Leistungen und weitere Größen simulieren. Sie sind sehr aufwendig, ihre Ergebnisse kommen den tatsächlichen Verhältnissen sehr nahe.^[1]

1. ↑ Denkena, Tönshoff: Spanen, Springer, 2011, S. 51