Zerspanen

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Logo des Deutschen Instituts für Normung DIN 8589
Bereich Fertigungsverfahren
Titel Spanen
Kurzbeschreibung:
Letzte Ausgabe 2003-09
ISO

Zerspanen (trennend), nach DIN 8580 auch Spanen (formgebend) genannt, bezeichnet alle mechanischen Bearbeitungsverfahren, bei denen das Material in die gewünschte Form gebracht wird, indem überflüssiges Material in Form von Spänen abgetragen wird. Die Fertigungsverfahren der Gruppe Spanen sind in Deutschland in der DIN 8589 definiert. Zu den wichtigsten und bekanntesten Verfahren gehören Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen und Schleifen.

Innerhalb der Hauptgruppen der Fertigungsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten, Stoffeigenschaften ändern) gehört das Zerspanen zu den trennenden Bearbeitungsverfahren.

Der Begriff Spanen (Zerspanen) wird heute meist im Zusammenhang mit der Metallbearbeitung gebraucht, obwohl auch die spanende Bearbeitung aller anderen festen Werkstoffe wie Holz und Kunststoff dazu gehört. Dazu hat die Industrialisierung und die damit einhergehende Entwicklung der Massenfertigung entscheidend beigetragen. Aus den Maschinenarbeitern in der Metallindustrie entwickelte sich das Berufsbild des Zerspanungsfacharbeiters bzw. Zerspanungsmechanikers. Aber auch die manuellen spanenden Formgebungsverfahren gehören zum Spanen. Das Spanen ist ein Themenfeld der Fertigungsverfahren.

Das Grundprinzip des Spanens beruht auf dem Eindringen einer keilförmigen Werkzeugschneide in die Oberfläche des Werkstücks und anschließendem Abschälen einer dünnen Materialschicht, des Spans. Das Werkzeugmaterial muss dabei stets härter sein als der bearbeitete Werkstoff. Zur Bearbeitung relativ weicher Werkstoffe genügen einfache Stähle als Werkzeugmaterial. Bei härteren Materialien werden spezielle Werkzeugstähle, Hartmetall, Sinterwerkstoffe, Schneidkeramik, Korund oder Diamant als Schneidstoffe eingesetzt. Die Schneide kann eine exakt definierte Schneidengeometrie aufweisen, wie beispielsweise beim Drehen und Bohren (spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide), oder unregelmäßig geformt sein wie beim Schleifen und Läppen (spanende Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide).

Geschichte[Bearbeiten]

Das Spanen gehört zu den ältesten Bearbeitungsmethoden der Menschheit. Bereits in der Altsteinzeit konnten einfache Sägen, Bohrer und Werkzeuge zum Kratzen und Schaben hergestellt werden. In der Antike wurden die Werkzeuge dann aus Bronze bzw. ab etwa 700 v. Chr. aus Eisen gefertigt. Mit dem Einsetzen der Industrialisierung wurden mit Hilfe von Werkzeugmaschinen immer häufiger Werkstücke aus Stahl, statt aus dem bis dahin vorherrschenden Holz bearbeitet. Im 19. Jahrhundert wurde begonnen, industrielle Fertigungsverfahren systematisch zu untersuchen und weiter zu entwickeln, was gegen Ende des Jahrhunderts zu neuen Schneidstoffen, wie dem Schnellarbeitsstahl, führte.

Im 20. Jahrhundert wurden Schneidkeramiken entwickelt, die härter sind als Schneidstoffe aus Stahl. Später kamen sogenannte superharte Schneidstoffe wie kubisches Bornitrid und Diamant hinzu. Auch die Werkzeugmaschinen wurden immer präziser und leistungsfähiger, sodass das Spanen bis heute eine weit verbreitete Gruppe von Fertigungsverfahren ist, die vor allem sehr flexibel einsetzbar ist hinsichtlich des zu bearbeitenden Werkstoffs, der Werkstückgeometrie und der Stückzahl.

Definition nach DIN 8580[Bearbeiten]

„Trennen, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneide eines Werkzeugs Werkstoffschichten in Form von Spänen zur Änderung seiner Form und / oder Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden.“[1]

Bewegungen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Spanungsbewegung

Zerspanung beginnt dort, wo sich Werkstück und Werkzeug im kontaktpunkt treffen. Durch den Hauptantrieb (Getriebekasten), in die Hauptspindel (z. B. Futter), an das Werkstück weiter geleitete Rotationsbewegung (Drehmomentübertragung), (Fertigungsverfahren: Drehen), ermöglicht es, leistungsstarke und kraftvolle Umfangsgeschwindigkeitsverhälnisse zu erzeugen. Die geometrisch bestimmte Werkzeugschneide wird durch sehr hohe Flächenpressung (Vorschubbewegung) in das Rotierende Werkstück (mit einer bestimmten Spanungstiefe "ap") gefahren, wodurch ein Tangentiales berühren der beiden Ebenen zur Relative Spanerzeugung führt. Die tatsächliche Ursache für die Spanabnahme ist die durch die Schnittparameter erzeugte Zerspankraft (Schnitt-, Vorschub-, und Passivkräfte).

Die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug (Wirkpaar) ist Ursache für die Spanabnahme. Die Schnittbewegung in Richtung des Vektors der Schnittgeschwindigkeit sorgt für die Spanabnahme während einer Helix Umdrehung (Drehen, Fräsen, Bohren,…) oder während eines Hubes (Hobeln, Stoßen). Sie wird auch Hauptbewegung genannt. Die Vorschubbewegung sorgt für eine kontinuierliche Spanabnahme, beim Fräsen ist es die Verfahrbewegung des Fräsers, beim Bohren das Eindringen in die Bohrung.

Die Resultierende aus Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit ist die Wirkgeschwindigkeit. Der Winkel zwischen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit heißt Einstellwinkel. Er kann entweder konstant 90° betragen oder im Bezug auf dem Rechtenwinkel in positiver oder negativer Richtung tendieren. Hierbei ist die Wendeschneidplattengeometrie zu betrachten. Im Allgemeinen ist der Einstellwinkel gleich dem Keilwinkel. Bei 90° wirkende Schneidplatten entspricht die Zerspankraft (Zn) gleich der Vorschubkraft (Ff) sowie die Spanungstiefe (ap) gleich der Spanungsbreite (b) und der Vorschub (f) gleich der Spanungshöhe (h) entspricht. Bei klein werdenden Einstellwinkel (kleiner Spanwinkel großer Freiwinkel) z. B. 60°, 45° usw. wird die Passivkraft größer und der Spanungsquerschnitt (A=f*ap oder A=b*h , mm²) erhöht. Der Winkel zwischen Schnitt- und Wirkgeschwindigkeit heißt Wirkrichtungswinkel.[2] [3]

Geometrien am Werkzeug[Bearbeiten]

Der idealisierte Schneidkeil besteht aus zwei Flächen - der Spanfläche und der Freifläche - die sich in der Schneide treffen. Der Winkel zwischen beiden ist der Keilwinkel. Des Weiteren wird zwischen Haupt- und Nebenschneide unterschieden. An der Nebenschneide liegen die Span- und Nebenfreifläche. Die Werkzeug-Bezugsebene liegt senkrecht zur angenommenen Schnittrichung und liegt im betrachteten Punkt der Schneide. Sie bildet zusammen mit der Werkzeug-Schneidenebene und der Werkzeug-Orthogonalebene ein rechtwinkliges Koordinatensystem. Die Werkzeug-Schneidenebene enthält die Schneide und liegt senkrecht zur Werkzeug-Bezugsebene. Die Werkzeug-Orthogonalebene schneidet die beiden anderen im rechten Winkel und verläuft auch durch den betrachteten Punkt der Schneide. In diesen Ebenen sind weitere Winkel definiert, unter anderem der Werkzeug-Einstellwinkel und der Spanwinkel.[4]

Kräfte, Leistungen und Energieumwandlung[Bearbeiten]

Die auf das Werkzeug wirkende Kraft wird als Zerspankraft bezeichnet. Sie setzt sich aus drei Komponenten zusammen: der Schnittkraft Fc in Richtung der Schnittrichtung, sowie der Vorschubkraft Ff in Vorschubrichtung und der Passivkraft Fp die mit den anderen beiden jeweils einen rechten Winkel bildet. Bei den meisten Verfahren ist die Schnittkraft deutlich größer als die anderen beiden sodass oftmal nur sie betrachtet wird.

Aus der allgemeinen Formel für Leistung P=Fv ergeben sich entsprechende Leistungen der Komponenten. Die Schnittkraft ergibt zusammen mit der Schnittgeschwindigkeit die Schnittleistung, die der Motor abgeben muss.[5]

Die mechanische Energie wird fast vollständig in Wärme umgewandelt. Dies geschiet zum einen durch Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, zum anderen durch die Verformung des Spans. Der größte Teil der Wärme (c.a. 95%) verbleibt im Span selbst, sodass die Erwärmung des Werkzeugs und des Werkstücks vergleichsweise gering ausfällt. Da die verschiedenen Reibungen und Verformungen äußerst komplex sind ist es bisher noch nicht gelungen ein theoretisches Modell zu entwickeln mit dem sich die entstehende Wärme vorausberechnen ließe. Die bisherigen Erkenntise beruhen auf Messungen.[6]

Späne[Bearbeiten]

Hauptartikel: Metallspan

Spanbildung[Bearbeiten]

Der Werkstoff wird zunächst am Werkzeug angestaucht, wodurch sich die Schubspannungen erhöhen bis die Fließgrenze erreicht ist. Es bildet sich ein Span aus, der über die Spanfläche der Schneidplatte abläuft.[7] Die Spanbildung sowie das ausgewählte Schneidstoff (Härte/Zähigkeit)(angepasst aufs Werkstoff des Werkstückes) hängt sehr stark vom Bearbeitungsverfahren ab und dessen seine Wendeschneidplattengeometrie, Hinblick auf Spanleitstufe, Schneidenradius, Keilwinkel und/oder positiv- oder negativen Neigungswinkel (Grundform), sowie den relativ-frei einstellbaren (kommt auf die Revolveraufnahme drauf an oder dem Wendeschneidplatten halter) Einstellwinkel, Span- und Freiwinkel. Bei nicht veränderbaren Einstellwinkel z. B. bei KM-Aufnahmen oder Bohrstangen gilt die Faustregel „Einstellwinkel = Keilwinkel“. Darüber hinaus kann sich die Spanbildung während der Bearbeitung negativ durch diverse Verschleißkriterien (Freiflächenverschleiß, Spanflächenverschleiß: Kolkverschleiß und Kerbverschleiß, Schneidkantenverschleiß) der Schneidplatte entwickeln.

Spanarten[Bearbeiten]

Selbst bei gleichem zu zerspanendem Werkstoff können durch Verändern der Prozesskenngrößen unterschiedliche Spanarten/Spanformen entstehen:

  • Fließspan: Ein gleichmäßiger Span, der die Schneide durch die Wirktemperatur und dem ständigen Abfließen an der Spanfläche zum Spanflächenverschleiß (Auskolkung) heran gezogen wird. Durch diese Verschleißform wird die Spanbildung gestört und die Schnittkraftrichtung geändert. Ursachen sind Abrasionsverschleiß (Abtragen durch Schleifen oder Scheuern) und Diffusionsverschleiß (Änderung der chemischen Zusammensetzung des Schneidstoffs). Eher unerwünscht, da sehr lange Späne entstehen und diese im Extremfall zur Beschädigung von Werkzeugen durch Aufwicklung während der Drehung des Werkstückes führen können oder die Oberflächenbeschaffenheit zerkratzen und somit Form- und Lagetoleranzen ruinieren. Beim Schlichten nicht immer vermeidbar, da mit erhöhter Schnittgeschwindigkeit und langsamen Vorschub zerspant wird, um die gegebenen Form- Lagetoleranzen oder Passungen erreichen zu können.
  • Scherspan: In der Scherzone getrennte Spanteile die sich teilweise wieder zusammen verschweißen. Schuppiger Span.
  • Reißspan: Auch Bröckelspan. Ein Span der abgerissen wird und nicht abgeschnitten was schlechte Oberflächenqualität zur Folge hat. Diese Spanart entsteht beim Schruppen, weil durch die, so zu sagen, Vorbearbeitung der Kontur, die Oberfläche keine Rolle spielt sondern lediglich ein hohes Zeitspanungsvolumen zu erzeugen um möglichst wirtschaftlich Produziert zu haben.

Spanformen[Bearbeiten]

Die Spanform beschreibt die Form des Spans während das Schneidwerkzeug im Eingriff ist. Sie reichen von langen Band- und Wirrspänen über Spiralspäne bis hin zu kurzen Bruchspänen. Lange Späne sorgen für eine gleichmäßige Belastung der Schneide, können sich aber in der Maschine aufwickeln und somit auch die Bediener (bei Konvezionellen Drehmaschinen) gefährden oder Maschinenraumteile sowie das gerade zu bearbeitende Werkstück beschädigen. Kurze Späne lassen sich leicht abtransportieren jedoch erreicht die Schneide durch hohe Schnitttiefen und Wirktemperaturen (erzeugt durch die Schnittgeschwindigkeit) leicht seine Standzeit sodass diverse Verschleißkriterien auftauchen können. Optimal ist ein Span, der die Vorteile der Fließspanbildung besitzt gleichzeitig in kurzen Stücken vorliegt. Fließspäne können durch so genannten Spanformer bzw. Spanleitstufe , die sich auf die Spanfläche befindet, gebrochen werden sodass optimale und erwünschte Bedingungen erzeugt werden.

Kühlschmierstoffe[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kühlschmierstoff

Kühlschmierstoffe sollen durch Schmierung Wärmeentstehung vermeiden, heiße Späne abtransportieren und heiße Werkzeuge/-stücke kühlen um eine zu große Wärmeausdehnung der Werkstücke bzw. Temperaturbelastung der Werkzeuge zu vermeiden. Sie ermöglichen dadurch ein hohes Leistungsniveau zahlreicher Fertigungsprozesse.[8]

Zerspanbarkeit[Bearbeiten]

Hauptartikel: Zerspanbarkeit

Zerspanbarkeit ist die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen. Sie richtet sich nach[9]

  • der erzielbaren Oberflächengüte
  • dem Werkzeugverschleiß
  • der Form der Späne
  • und geringe Zerspankräfte

Schneidhaltigkeit ist die Fähigkeit eines Werkzeuges, seine Schneidfähigkeit während des Zerspanens beizubehalten. Schneidfähigkeit ist die Fähigkeit eines Werkzeuges, ein Werkstück oder einen Werkstoff unter gegebenen Bedingungen zu bearbeiten (DIN 6583). Das Standvermögen ist die Fähigkeit eines Wirkpaares (Werkzeug und Werkstück), einen bestimmten Zerspanvorgang durchzustehen (DIN 6583). Es wird von der Qualität des Werkzeugs und der Zerspanbarkeit des Werkstoffs beeinflusst.

Werkzeugmaterialien[Bearbeiten]

Hauptartikel: Schneidstoff und Schleifmittel

Das Werkzeugmaterial beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide wird als Schneidstoff bezeichnet, dasjenige bei geometrisch unbestimmter Schneide meist als Schleifmittel, gelegentlich ebenfalls als Schneidstoff.

An Schneidstoffe werden verschiedene Anforderungen gestellt, die sich nicht alle gleichermaßen verwirklichen lassen. Zu den wichtigsten zählen:

  • Härte und Druckfestigkeit
  • Zähigkeit und Biegefestigkeit
  • Warmfestigkeit

Um das Spanen wirtschaftlich zu gestalten, werden einerseits hohe Schnittgeschwindigkeiten angestrebt, um die Bearbeitungszeit möglichst gering zu halten. Bei hohen Geschwindigkeiten ist allerdings die Temperaturbelastung hoch, was zu erhöhtem Verschleiß und geringerer Härte des Werkzeugs führt. Andererseits kann der Vorschub erhöht werden, was zu einem größeren Spanungsquerschnitt und somit zu größeren Kräften führt.

Wichtige Schneidstoffe, grob sortiert nach aufsteigender Härte und Warmfestigkeit und abnehmender Zähigkeit und Biegefestigkeit, sind:

Beim Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide kann das Werkzeugmaterial entweder gebunden vorliegen (Schleifscheiben und Honsteine) oder lose (Pasten beim Läppen und Polieren).[10]

Spanende Verfahren[Bearbeiten]

Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide[Bearbeiten]

Liegt vor, wenn die Schneidenanzahl, Form der Schneidkeile und Lage zum Werkstück bekannt und beschreibbar sind.

Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide[Bearbeiten]

Liegt vor, wenn Schneidenanzahl, Form der Schneidkante und Lage zum Werkstück nur über statistische Kenngrößen beschreibbar sind.

Maschinen zum Zerspanen[Bearbeiten]

Zerspanwerkzeuge[Bearbeiten]

Rattern[Bearbeiten]

Rattern bezeichnet eine dynamische Instabilität des Zerspanungsprozesses auf Grund von auftretenden Schwingungen beim Zerspanen. Dies kann resultieren aus

  • zu schlanker Werkzeuggestalt, also zu geringe dynamische Steifigkeit
  • zu hohen Schnittparametern
  • treffen einer Eigenfrequenz der Maschine
  • falsch eingespannten Werkstücken (z.B. beim Drehen: fliegend eingespannt, also nur auf einer Seite & freie Länge > dreifacher Werkstückdurchmesser)

Rattern beeinträchtigt die Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstücks und die Standzeit des Werkzeuges und kann im Extremfall zum Bruch der Werkzeugschneide oder des Werkzeuges führen.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hiersig (Hrsg.): Lexikon der Produktionstechnik' Verfahrenstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995.
  2. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S 41f.
  3. Bruno Weihrauch, Elisabeth Hahn, Manfred Einloft, Angelika Becker-Kavan, Reiner Haffer: "Fachkenntnisse Zerspanungsmechaniker (nach Lernfeldern 1-13)ISBN- 978-3-582-03020-7
  4. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S 43f.
  5. Böge: Zerspantechnik in: Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau. Springer, 21. Auflage, 2013, N6-N8
  6. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 276.
  7. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 271 ff.
  8. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 239.
  9. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 259.
  10. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 276ff und S. 317

Literatur[Bearbeiten]

  • Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1 : Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3-540-23458-6.
  • Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 2 : Schleifen, Honen, Läppen. 4. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-23496-9.
  • Industrieverband Massivumformung (Hrsg.): Massivumformteile wirtschaftlich spanen. Inforeihe Massivumformung, April 2010, ISBN 978-3-928726-23-8.