Auf einer höheren Abstraktionsebene, CNC-Bearbeitungsvorgänge Der Prozess lässt sich in zwei Phasen unterteilen: CNC-Schruppen und CNC-Schlichten. Dem Schlichten wird üblicherweise die gebührende Aufmerksamkeit geschenkt, während das Schruppen oft unterschätzt wird.
Aufgrund des aggressiven Charakters und des hohen Materialabtrags könnte man meinen, dass das Schruppen nicht der kritischste Bearbeitungsschritt sei. In der Praxis gelangt jedoch kein Werkstück ohne einen kontrollierten Schruppvorgang in die Schlichtbearbeitung, und diese Kontrolle erfordert Kenntnisse über die richtigen Werkzeuge und Bearbeitungstechniken.
Um dieses Wissen abzudecken, behandelt dieser technische Leitfaden den CNC-Schruppprozess, die verwendeten Werkzeuge und die verfügbaren Optimierungsforschungsmethoden in Bezug auf Bearbeitungsparameter, Werkzeugwege und die gesamte Schnittstrategie.
Was ist CNC-Schruppen?
Das CNC-Schruppen ist die erste Phase der CNC-Bearbeitung, bei der überschüssiges Material durch hohe Vorschubgeschwindigkeiten und tiefe Schnitte schnell entfernt wird, wobei die Stabilität des Werkstücks erhalten bleibt und ein ausreichendes Spiel für die Schlichtbearbeitung gelassen wird.
Im Bearbeitungsprozess wird durch das Schruppen die Grundform geschaffen, durch das Vorschlichten wird sie verfeinert und durch das Schlichten erhält das Teil seine endgültigen Abmessungen und die Oberflächenbeschaffenheit.
Die CNC-Schruppbearbeitung ist nicht auf einen einzelnen Bearbeitungsvorgang beschränkt. Sie findet Anwendung beim Fräsen, DrehungBohren und Plandrehen – überall dort, wo grobes Material effizient entfernt werden muss, bevor die Präzisionsbearbeitung beginnen kann.
CNC-Schruppen vs. Schlichten
Schruppen und Schlichten werden oft im Gegensatz zueinander erklärt, was einen guten Einblick in die Unterschiede hinsichtlich Zeitaufwand, Schnittstrategie und Endergebnissen gibt.
Das Schruppen beansprucht einen erheblichen Teil der gesamten Bearbeitungszeit. Aufgrund der großen Schnitttiefen, der Zustellungen und der hohen Abtragsraten, die den Werkzeugeinsatz permanent gewährleisten, sind mehrere Durchgänge erforderlich, um größere Materialmengen abzutragen. Ein weiterer wichtiger Punkt: Der Fokus liegt nicht auf Präzision oder Oberflächengüte, sondern auf der Effizienz des Materialabtrags.
In der CNC-Schlichtbearbeitungsphase liegt der Fokus auf Genauigkeit und Oberflächengüte. Das Werkzeug führt flache Schnitte mit geringen Zustellungen aus, um enge Toleranzen und die gewünschte Oberflächengüte zu erzielen. Die Werkzeugwege sind hier feiner, oft langsamer, aber es sind deutlich weniger Durchgänge erforderlich, da der Großteil des Materials bereits beim Schruppen abgetragen wurde.
| Schruppen | Konfektionierung | |
| Ziel | Schüttgutabtransport | Endgültige, präzise Form |
| Bearbeitungszeit | Länger | Kürzere |
| Schnitttiefe | 2 zu 10 mm | 0.1 zu 0.5 mm |
| Oberflächenfinish | Keine Priorität | Glatte Oberfläche |
CNC-Schruppstrategien
Zerspanungsmechaniker müssen die Bewegungsmuster der Werkzeugwege beim Schruppen verstehen, da diese Bewegungen direkt bestimmen, wie das Werkzeug mit dem Material interagiert. Sobald dies klar ist, lässt sich leichter die richtige Vorgehensweise wählen oder diese sogar rückwärts optimieren.
Traditionelle Werkzeugwege
Quelle: SiemensCommunity
Herkömmliche Werkzeugwege sind meist geometriegesteuert. Das Werkzeug folgt einfach einem vordefinierten Muster, das auf der Form des Werkstücks basiert. Unter den Optionen sind diese drei Werkzeugwege für die Schruppbearbeitung recht gebräuchlich:
- Bei versetzten (konturparallelen) Fräsbahnen bewegt sich der Fräser entlang der Kontur und tritt dabei schrittweise nach innen. Sie eignen sich gut für Taschen, können aber in Ecken zu einer ungleichmäßigen Belastung führen.
- Zickzack- oder Rasterbahnen bewegen sich über das Material hin und her und decken große offene Flächen schnell ab, aber die ständigen Richtungswechsel und Eintrittspunkte führen zu einer Unberechenbarkeit der Schnittkräfte.
- Beim Z-Level-Schruppen wird Material in abgestuften Tiefen abgetragen, wobei jeweils eine Ebene abgetragen wird, bevor es tiefer geht. Das Verfahren ist zwar vorhersagbar, aber bei komplexen Geometrien nicht unbedingt effizient.
Adaptive Werkzeugwege
Die modernen CAD/CAM-Softwareentwickler (Autodesk Fusion 360 CAM, Mastercam und SolidCAM) haben einige adaptive Werkzeugwege entwickelt, um die Einschränkungen herkömmlicher Wege zu beheben.
Sie folgen keiner strengen Geometrie; sie sind so konstruiert, dass ein gleichmäßiger Eingriff des Schneidwerkzeugs gewährleistet ist, wobei abrupte, vollflächige Schnitte vermieden werden. Die Bahn passt sich dynamisch an, oft in trochoidalen Mustern, sodass das Werkzeug in kontrolliertem tangentialem Kontakt mit dem Material bleibt.
Schnittparameter beim CNC-Schruppen
Dies ist eines der meistdiskutierten Themen unter Zerspanungsmechanikern, doch die Schnittparameter sind stark vom Bearbeitungsprozess, dem Material, den Werkzeugen und der Maschinenleistung abhängig. Es gibt keine allgemeingültige, feste Zahl.
Ausgehend von Bearbeitungsforen, Werkzeugdaten und Materialreferenzen lassen sich jedoch einige praktische Bereiche und Muster identifizieren.
Materialentfernungsrate (MRR)
Die Materialabtragsrate (MRR) definiert, wie viel Material pro Zeiteinheit abgetragen wird. Mathematisch gesehen ist sie eine Funktion der Vorschubgeschwindigkeit und der Schnitttiefe bzw. -breite.
MRR (Fräsen) = ap × eine ×f
Wo einp ist Axial DOC (Zoll), eine ist Radial DOC (Zoll) und f ist die Vorschubgeschwindigkeit (Zoll/min)
MRR (Drehung) = f × ap × vc
Dabei ist f die Vorschubgeschwindigkeit (Zoll/Umdrehung), ap ist DOC (Zoll) und vc ist die Schnittgeschwindigkeit (Zoll/min)
Beim Schruppen besteht das Hauptziel darin, die Materialabtragsrate (MRR) zu maximieren und gleichzeitig die sicheren Grenzen der Werkzeugbelastung und der Maschinenleistung einzuhalten.
Wie in verschiedenen Foren zu lesen ist, ist eine Materialabtragsrate (MRR) von 100 cm³/min oder mehr bei gängigen Metallen üblich. Bei leichteren Werkstoffen wie Aluminium liegt die MRR beim Schruppen üblicherweise über 500 cm³/min.
Je höher die Materialabtragsrate (MRR), desto schneller wird das Material abgetragen, aber gleichzeitig erhöhen sich auch die Schnittkräfte, die Wärmeentwicklung und der Werkzeugverschleiß. Wie wir dem entgegenwirken, wird später erläutert.
Schnitttiefe (DOC)
Die Schnitttiefe definiert die in einem Arbeitsgang abgetragene Materialstärke. Beim Schruppfräsen erfolgt der Schnitt in zwei Richtungen: axial (ADOC) entlang der Werkzeugachse und radial (RDOC) entlang der Eingriffsbreite.
Bei axialer Eingriffstiefe wird ein größerer Teil der Werkzeuglänge beansprucht, was insbesondere im Spitzenbereich zu einer hohen Belastung und damit zu vorzeitigem Verschleiß führen kann, wenn die Auswuchtung nicht korrekt erfolgt. Radiale Eingriffstiefe verteilt die Last über die Schneidkante und ist im Allgemeinen stabiler.
Bei der Schruppbearbeitung werden die Schnitttiefenwerte bewusst hoch gehalten, um den Materialabtrag zu maximieren. Eine der Quellen gibt an, dass die axiale Eingriffstiefe beim Schruppen etwa 1-2× Werkzeugdurchmesser beträgt, bei einem radialen Eingriff von 40-60%.
Spindel- und Schnittgeschwindigkeiten
Die Schnittgeschwindigkeit (Oberflächengeschwindigkeit) bestimmt, wie schnell das Werkzeug mit dem Material interagiert. Die Spindeldrehzahl wird anhand des Werkzeugdurchmessers daraus abgeleitet. Beim Schruppen wird zuerst die Schnittgeschwindigkeit und anschließend die Spindeldrehzahl gewählt.
Spindeldrehzahl = (Schnittgeschwindigkeit × 1000)/( Π × D)
Die Spindeldrehzahl wird beim Schruppen oft missverstanden. Anders als beim Schlichten, wo höhere Drehzahlen zu einer besseren Oberflächenqualität beitragen, wird beim Schruppen typischerweise in einem kontrollierteren, mittleren Drehzahlbereich gearbeitet.
Die Schruppgeschwindigkeiten bleiben für die meisten Werkstoffe im mittleren Bereich. Bei Stahl liegen sie bei 300–500 SFM. Bei Aluminium sind sie deutlich höher, oft bei 800–1500+ SFM. Härtere Werkstoffe erfordern also niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und umgekehrt.
Wir haben aus verschiedenen Quellen eine Tabelle mit Schnittgeschwindigkeit und Vorschub für einige Materialien zusammengestellt:
| Material | Werkzeugmaterial | Schnittgeschwindigkeit (SFM) | Vorschub pro Zahn (Zoll/Zahn) |
| Stahl (Baustahl/Legierter Stahl) | Karbid | ~ 300 - 500 | ~ 0.002 |
| Aluminium 6061-T6 | Karbid | ~ 800 - 1500 | ~ 0.0035 |
| Titan Ti-6Al-4V | Karbid | 160. - 230 | ~ 0.0015 |
| Inconel 718 | Karbid | 80 -110 | 0.002-0.003 |
| Hastelloy C | Karbid | 230. - 300 | ~ 0.002 |
| Magnesium AZ91D | Karbid | ~300 –1000 | 0.004-0.008 |
Werkzeuge für CNC-Schruppen
Ein bearbeitungsintensiver Prozess wie das Schruppen erfordert zudem spezielle Werkzeuge, die all diesen Belastungen, dem Verschleiß und der Beanspruchung standhalten. 
Werkzeugmaterial
Schruppwerkzeuge werden aus Schnellarbeitsstahl (HSS) oder Hartmetall gefertigt, um anspruchsvolle Bearbeitungsprozesse wie Stöße, Hitze und hohe Schnittkräfte zu bewältigen. Manchmal werden Beschichtungen (TiAlN) aufgebracht, um die Hitze- und Verschleißbeständigkeit zu verbessern.
Hartmetall-Schruppen Schaftfräser HSS-Werkzeuge ermöglichen höhere Vorschübe und Schnitttiefen für einen schnelleren Materialabtrag, während HSS-Werkzeuge flachere Schnitte erfordern, aber für weichere Materialien kostengünstiger sind.
Konstruktion von Schruppfräsern
Schruppfräser verwenden typischerweise weniger Schneiden (etwa 3–6) und größere Spankammern, was das Zusetzen verhindert und einen effizienten Spanabtransport bei hohem Materialabtrag ermöglicht. In einigen Fällen können die Schneidkanten … kleine Fasen um das Risiko von Absplitterungen unter dem Einfluss schwerer Lasten zu verringern.
Einige Schruppwerkzeuge verwenden wellenförmige Verzahnungen oder „Maiskolben“-Designs, die kontinuierliches Schneiden in segmentierte Schläge umwandeln. Diese Konstruktion reduziert Vibrationen und verbessert die Maschinenstabilität.
Materialspezifisches Schruppen: Eine detaillierte Betrachtung
Unterschiedliche Werkstoffe verhalten sich beim Zerspanen aufgrund von Eigenschaften wie Härte, Hitzebeständigkeit und Spanbildung unterschiedlich. Daher müssen die Schruppparameter und Werkzeuge entsprechend angepasst werden.
Nichteisenmetalle
Diese Metalle (wie Aluminium und Magnesium) lassen sich zwar leichter bearbeiten, neigen aber zum Anhaften und zur Bildung von Aufbauschneiden. Daher werden die Werkzeuge poliert oder mit ZrN beschichtet und mit hohen Spiralwinkeln (40–45°) versehen, um den Spanabtransport zu verbessern.
Die Schnittgeschwindigkeiten und Spanbelastungen sind höher, bei tieferen axialen Schnitten. Der radiale Eingriff wird kontrolliert (~8–12 %), insbesondere in tiefen Taschen, wo adaptive Werkzeugwege häufig zum Einsatz kommen.
Eisen- und Stahllegierungen
Stahl erzeugt mehr Wärme und erfordert daher präzisere Schnittbedingungen. Aus diesem Grund werden Werkzeuge mit 4–5 Schneiden verwendet, die über TiAlN- oder AlTiN-Beschichtungen zur Hitzebeständigkeit verfügen und oft einen abgerundeten Eckenradius zur Verstärkung der Schneide aufweisen.
Die Schnittgeschwindigkeit variiert je nach Werkstoffgüte. Baustahl wird typischerweise mit 300–500 SFM bearbeitet, während legierte Stähle mit 200–350 SFM bearbeitet werden. Bei Edelstählen wird die Schnittgeschwindigkeit um etwa 30 % reduziert, und der Spanabtransport ist entscheidend, um Kaltverfestigung zu vermeiden. Einen detaillierteren Vergleich des Verhaltens von legiertem Stahl und Edelstahl beim Schruppen und der Wärmebehandlung finden Sie in unserer Leitfaden zu legiertem Stahl vs. Edelstahl.
Harte Materialien
Zu dieser Gruppe gehören Titan, Inconel und gehärtete Stähle, die ein stabiles und kontrolliertes Schneiden erfordern. Werkzeuge für solche Werkstoffe verfügen über mikrofeine Hartmetallsubstrate.
Die Schnittgeschwindigkeiten sind deutlich geringer. Titan wird typischerweise mit 80–150 SFM, Inconel mit 50–100 SFM und gehärtete Stähle mit etwa 100–200 SFM bearbeitet.
Bei diesen Werkstoffen ist die Werkzeugstabilität von entscheidender Bedeutung. Das Werkzeug sollte nicht im Schnitt verharren, da dies zu Kaltverfestigung und Werkzeugfresser führen kann. Eine kontinuierliche Werkzeugbewegung ist notwendig, um die Schnittleistung aufrechtzuerhalten.
| Materialgruppe | Werkzeugbau | Schnittgeschwindigkeit (SFM) | Spanbelastung (in/Zahn) | Axial DOC (ap) | Radial DOC (ae) |
| Nichteisenmetalle (Al, Mg) | 2–3 Nuten, hohe Helix, poliert/ZrN | 800–1200 (Hartmetall) | 0.004-0.010 | 0.5–1.5×D | 30–50 % (8–12 % adaptiv) |
| Stahl (Baustahl/Legierter Stahl) | 4–5 Nuten, TiAlN/AlTiN, Eckradius | 300–500 (mild), 200–350 (Legierung) | 0.002-0.006 | 0.5–1×D | 20-40% |
| Harte Materialien (Titan, Inconel) | Feinteilung, variable Geometrie | 50-200 | 0.001-0.003 | 0.3–0.5×D | 5-15% |
Häufige Herausforderungen beim CNC-Schruppen (und wie man sie löst)
Hohe Abtragsraten sind beim Schruppen das A und O, können aber bei unsachgemäßer Handhabung Werkzeug oder Werkstück beschädigen. Aufgrund dieser aggressiven Schneidwirkung treten einige häufige Herausforderungen auf.
Werkzeugverschleiß
Der kontinuierliche Kontakt des Werkzeugs mit dem Material führt zu Reibung und Wärmeentwicklung. Dies beschleunigt mit der Zeit den Werkzeugverschleiß, insbesondere an den Schneidkanten.
Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, besteht in der Verwendung adaptiver Werkzeugwege, bei denen der Werkzeugeingriff gleichmäßig und nicht über die gesamte Werkzeugbreite erfolgt. Auch der Einsatz von Kühlmittel und beschichteten Hartmetallwerkzeugen kann den Verschleiß verringern.
Vibration
Größere Schnitttiefen und längere Werkzeugeingriffszeiten erhöhen ebenfalls die Schnittkräfte. Bei einem langen Werkzeugüberhang führt dies zu Vibrationen (Rattern), die die Maßstabilität des Werkstücks beeinträchtigen.
Um dem entgegenzuwirken, können Sie (wenn möglich) den Werkzeugüberhang verringern, steifere Werkzeuge und Halter verwenden oder den radialen Eingriff anpassen, anstatt nur die Tiefe zu verringern.
Spanbildung und Wärme
Eine hohe Materialabtragsrate (MRR) bedeutet, dass kontinuierlich große Mengen an Spänen entstehen. Werden diese Späne nicht ordnungsgemäß abgeführt, können sie erneut schneiden, was zu erhöhter Wärmeentwicklung und beschleunigtem Werkzeugverschleiß führt. Daher ist die Wärmekonzentration in der Schnittzone beim Schruppen ein wichtiger Faktor.
Daher ist es wichtig, die Späne durch Kühlmittelzufuhr effektiv abzuführen und eine geeignete Werkzeuggeometrie zu wählen. Die Kontrolle des radialen Eingriffs kann ebenfalls dazu beitragen, die Wärmeentwicklung bei tiefen Schruppbearbeitungen zu reduzieren.
Wie man die Schruppleistung einer CNC-Maschine optimiert
Beim CNC-Verfahren wird dem Schruppen in der Regel wenig Bedeutung beigemessen, da es die Oberflächenqualität nicht direkt beeinflusst. Wenn es jedoch um Bearbeitungszeit und Werkzeugkosten geht, findet hier der größte Teil der Optimierung statt.
Im Laufe der Zeit haben die Maschinenbediener einige praktische Ansätze entwickelt, die die Schruppleistung verbessern.
Adaptive Werkzeugwege
Eine der wichtigsten Veränderungen beim Schruppen ist der Übergang von konventionellen Werkzeugwegen zu adaptiven Strategien. Anstelle von Vollschnitten gewährleisten diese Werkzeugwege einen gleichmäßigen Werkzeugeingriff während des gesamten Bearbeitungsprozesses.
Dieses dynamische Schneidverfahren ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten ohne Werkzeugüberlastung. Heutzutage werden diese Werkzeugwege üblicherweise durch CAM-Systeme generiert und sind in den meisten modernen Bearbeitungsumgebungen weit verbreitet.
Werkzeugspannung und Rundlaufkontrolle
Die Werkzeugaufnahme ist ein weiterer entscheidender Faktor. Läuft das Werkzeug nicht rund, d. h. leistet eine Schneide mehr Arbeit als die anderen, führt dies zu ungleichmäßigem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall. Deshalb sind starre Halterungen wie Schrumpf- oder Hydraulikhalter vorzuziehen.
Ausnutzung der Schnitttiefe
Eine optimierte Schruppbearbeitung wird effektiver, wenn größere axiale Tiefen anstelle flacher Durchgänge verwendet werden.
Zerspanungsmechaniker verwenden häufig Schnitttiefen von etwa dem Zwei- bis Dreifachen des Werkzeugdurchmessers, insbesondere bei prismatischen Teilen. Dadurch kann die gesamte Schneidkante des Werkzeugs genutzt und der Verschleiß verteilt werden.
Parameteroptimierung: 70/30-Regel
Selbst mit allen genannten Strategien müssen die Schnittparameter noch an die jeweilige Maschinenkonfiguration angepasst werden. Zwar erhalten Werkzeughersteller Startwerte, die eigentliche Optimierung erfolgt jedoch direkt an der Maschine. Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Eingriffslänge müssen schrittweise angepasst werden, bis ein stabiler und effizienter Schnitt erreicht ist.
In einigen Quellen wird die 70/30-Regel für optimierte Bearbeitungsprozesse erwähnt. Zunächst werden 70 % des Materials durch Schruppen mit hoher Abtragsrate abgetragen, die verbleibenden 30 % erfolgen in Präzisionsmaschinen mit Schlichtwerkzeugen, üblicherweise 0.3 bis 1 mm.
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Häufig gestellte Fragen
Warum wird die CNC-Schruppbearbeitung vor der Schlichtbearbeitung durchgeführt?
Das Schruppen wird zuerst durchgeführt, weil es große Mengen an überschüssigem Material schnell und effizient entfernt, indem es mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten und tiefen Schnitten das Werkstück für den präziseren Endbearbeitungsschritt vorbereitet.
Worin besteht der Unterschied zwischen Schruppen und Fertigen?
Beim Schruppen werden hohe Vorschubgeschwindigkeiten und tiefe Schnitte eingesetzt, um schnellstmöglich maximales Material abzutragen, während beim Schlichten niedrige Vorschubgeschwindigkeiten und flache Schnitte verwendet werden, um die Oberflächengüte und die Maßgenauigkeit zu verbessern.
Wie viel Material sollte nach dem Schruppen übrig bleiben?
Nach dem Schruppen wird üblicherweise ein Aufmaß von ca. 0.3 mm bis 1.0 mm belassen, abhängig vom Werkstoff und der Teilegeometrie. Bei Drehbearbeitungen lassen wir üblicherweise 0.2–0.5 mm pro Seite stehen, damit beim Schlichten Oberflächenfehler beseitigt werden können.
Welche G-Codes werden für die Schruppbearbeitung verwendet?
Die wichtigsten Schruppbearbeitungscodes sind G71 (Profilschruppen mit linearen Z-Achsen-Bewegungen), G72 (Plan-/Schruppen in X-Achse) und G73 (Musterwiederholung für vorgeschnittene Profile). Nach dem Schruppen wird G70 für den Schlichtzyklus verwendet, um das Werkstück gemäß den endgültigen Spezifikationen fertigzustellen.
