Zerspanen

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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 konnte man einfache Sägen, Bohrer und Werkzeuge zum Kratzen und Schaben herstellen. 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]

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 des Schneidteils abläuft.[5]

Spanarten[Bearbeiten]

Die Spanarten sind abhängig von der Spanbildung. Es wird unterschieden zwischen:

  • Fließspan: Ein gleichmäßiger Span. Diese Spanart ist meist die gewünschte da das Werkzeug gleichmäßig belastet wird.
  • Lamellenspan: Span der reißt und noch während des Spanvorgangs wieder zusammenschweist
  • Reißspan: Auch Bröckelspan. Ein Span der abgerissen wird und nicht abgeschnitten was schlechte Oberflächenqualität zur Folge hat.

Spanformen[Bearbeiten]

Die Spanform beschreibt die Form des Spans nach Verlassen des Werkzeugs. 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 verheddern und somit auch die Bediener gefährden. Kurze Späne lassen sich leicht abtransportieren, sorgen aber durch die ungleichmäßige Werkzeugbelastung (Entlastung bei Spanbruch, Belastung bei erneuter Spanbildung) für einen erhöhten Werkzeugverschleiß.

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.[6]

Zerspanbarkeit[Bearbeiten]

Hauptartikel: Zerspanbarkeit

Zerspanbarkeit ist die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen. Sie richtet sich nach[7]

  • 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 auch die Temperaturbelastung hoch, was zu erhöhtem Verschleiß und geringerer Härte des Werkzeugs führt. Andererseits kann man den Vorschub erhöhen, 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).[8]

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. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 271 ff.
  6. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 239.
  7. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 259.
  8. 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]

  • Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4.
  • Engelbert Westkämper, Hans-Jürgen Warnecke: Einführung in die Fertigungstechnik. 8. aktualisierte und erweiterte Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0835-6.
  • 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.