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Kappa klein, Fläche fein

Technik
Kappa klein, Fläche fein

Schräg gestellte, kegelförmige Werkzeuge arbeiten viel sauberer als normale Fräser oder Hobelwellen, so die Erkenntnis von Dr. Jochen Tröger vom Institut für Werkzeugmaschinen an der Universität Stuttgart. Dieses alternative Verfahren können Tischler und Schreiner nutzen.

Das Umfangsplanfräsen oder das Hobeln, das in den normalen Tischlereimaschinen (Abricht- und Dickenhobelmaschinen oder Tisch- und Oberfräsmaschinen) angewandt wird, dient der Erzeugung ebener oder profilierter Flächen. Jedoch kann die Rotationsachse des Werkzeugs nicht nur parallel zur Werkstückoberfläche stehen, sondern in einem beliebigen Winkel. Schwenkt man die Achse um 90°, handelt es sich um das Stirnplanfräsen. Entsprechende Anwendungen gibt es als kleine Dickenhobelmaschinen für Tischler und Schreiner oder als bis zu drei Meter breite Kalibrieranlagen für die Holzwerkstoffindustrie. Prismen- und Abplattfräswerkzeuge arbeiten um einen Winkel zwischen 0 und 90° geneigt zur Werkstückoberfläche und besitzen eine kegelförmige Gestalt. Hier spricht man vom Kegelstirnplanfräsen. Diese Werkzeuge unterscheiden sich zwar durch ihre Stellung der Werkzeugachse, können aber alle als kegelstumpfförmige Körper mit nur unterschiedlichem Kegelwinkel beschrieben werden.

Bemerkenswert sind die Qualitätsunterschiede innerhalb der Bearbeitungsverfahren. Wer mit einem Abplattfräser gearbeitet hat, dem wird im Vergleich zum Hobeln die mit diesem Werkzeug erzeugte äußerst schöne und glatte Fläche aufgefallen sein. Warum ist diese Oberfläche so sichtbar glatt und kein Messerschlag erkennbar? Hier besteht ein Zusammenhang zwischen Spandicke und Oberflächengüte: Die Bearbeitungsqualität nimmt mit wachsender Vorschubgeschwindigkeit oder abnehmender Schneidenanzahl – d.h. mit zunehmender Spandicke – ab. Entscheidend für die Spandicke ist der Winkel k (Kappa) zwischen der Rotationsebene des Werkzeugs und der Schneide: Je kleiner dieser Winkel, desto schlanker die Späne und feiner die Oberfläche. Die Spandicke sinkt beispielsweise auf rund ein Zehntel, wenn k von 90° (Hobeln) auf 5° (Abplattfräsen) verringert wird.
Damit ist aber noch nicht erklärt, warum keine Messerschläge mehr erkennbar sind. Ursache ist die Durchdringungsfigur von Werkzeug und Werkstück auf der Werkstückoberfläche. Sie entspricht je nach Kegelwinkel einer Geraden beim Stirnplanfräsen und Kreissägen, einer Parabel beim Kegelstirnplanfräsen und Prismenfalzfräsen sowie einem Kreis beim Umfangsplanfräsen. Dabei spielt für die Erkennbarkeit der Messerschläge der Krümmungsradius des Bogens, den das Werkzeug auf dem Werkstück hinterlässt, eine entscheidende Rolle. Bei einem um 5° geneigten Kegelstirnplanfräser mit einem Durchmesser von nur rund 180 mm beträgt der Durchmesser des Durchdringungsbogens immerhin etwa zwei Meter. Dabei wird die Wellenhöhe der Messerschläge so gering, dass diese visuell nicht mehr erkennbar sind. In diesem Zusammenhang ist die Art und Weise der Qualitätsbildung bei den verschiedenen Bearbeitungsverfahren wichtig. Beim Kreissägen trifft der Sägezahn mit seiner Hauptschneide und einem kleinen Abschnitt der Nebenschneide auf den Werkstoff auf. Dabei entsteht ein Kantenausbruch, der von den nachfolgenden Schneiden nicht mehr beseitigt werden kann. Es ist verständlich, dass hier sehr viele Schneiden notwendig sind, um die Spandicke gering zu halten und damit die Kantenausbrüche zu begrenzen.
Anders verhält es sich beim Umfangsplanfräsen. Im Bereich der maximalen Spandicke entstehen relativ große Kantenausbrüche; diese fallen mit abnehmender Spandicke immer geringer aus. An der dicksten Stelle des Kommaspanes beträgt ihre Größe je nach Zerspanungsbedingungen und Verschleiß des Schneidkeils etwa 0,5 bis 1 mm. Diese Ausbrüche (bei Massivholz sind dies Deformationen unterhalb des Schneidkeils) werden von den nachfolgenden Schneiden beseitigt. Der auf der erzeugten Schnittkante verbleibende Kantenausbruch ist kleiner, er entsteht nahe dem Auslauf des Kommaspanes. In rund einem Drittel des Eingriffswinkels werden die Kantenausbrüche nicht mehr von den nachfolgenden Schneiden wieder abgetragen, sodass hier die Qualität der Oberfläche bestimmt wird.
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