Zerspanen

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Bereich Fertigungsverfahren
Titel Spanen
Kurzbeschreibung:
Letzte Ausgabe 2003-09
ISO

Das Zerspanen oder Spanen ist eine Gruppe von Fertigungsverfahren, die Werkstücken eine bestimmte geometrische Form geben, indem von Rohteilen auf mechanischem Weg, überschüssiges Material in Form von Spänen abgetrennt wird. In der Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 zählt es daher gemeinsam mit den Gruppen Zerteilen und Abtragen und weiteren zur Hauptgruppe des Trennens. Beim Zerteilen wird ebenfalls auf mechanischem Wege getrennt, jedoch ohne Erzeugung von Spänen. Beim Abtragen können auch Späne entstehen; sie werden jedoch thermisch oder chemisch erzeugt. Das Verfahrensprinzip des Spanens beruht darauf, dass eine Schneide des Zerspanungswerkzeuges in das Werkstück eindringt und so Späne abtrennt. Die bei der Bearbeitung wirksamen Teile des Werkzeuges werden als Schneidkeil bezeichnet. Die spanenden Verfahren werden in zwei Gruppen eingeteilt: Beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide sind die Anzahl und die Geometrie der Schneiden bekannt. Dazu zählt vor allem das Drehen, Bohren und Fräsen. Beim Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide dagegen sind weder die Anzahl noch die Geometrie der Schneiden bekannt. Dazu zählt vor allem das Schleifen bei dem die Werkzeuge aus zahlreichen Körnern bestehen, deren Kanten die Schneiden bilden und Späne im Mikrometerbereich abtrennen.

Die meisten spanenden Verfahren sind spätestens seit der Antike bekannt. Das Fräsen jedoch stammt aus dem 19. Jahrhundert. Im Zuge der Industrialisierung wurden die meisten Verfahren maschinisiert, um sie auf Werkzeugmaschinen nutzen zu können. Heute werden sie meistens in der Metallbearbeitung eingesetzt und folgen in der Prozesskette auf das Gießen und Schmieden. Grundsätzlich können jedoch auch Holz, Keramik und Kunststoff zerspant werden. Die spanenden Verfahren sind relativ genau und flexibel, aber eher weniger produktiv und ressourcenschonend als das Gießen oder Schmieden.

Die Spanungsbewegung ist die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Sie wird eingeteilt in die Schnitt- und Vorschubbewegung. Die erzeugten Späne werden in verschiedene Entstehungsarten und Formen eingeteilt die Auswirkungen auf den Prozess haben. Die Werkzeugwerkstoffe werden als Schneidstoff bezeichnet. Zum Einsatz kommen unter anderem Schnellarbeitsstahl, Schneidkeramiken oder Diamant. Die Standzeit beim Spanen, also die Lebensdauer der Werkzeuge wird bei gegebenem Schneidstoff und zu bearbeitendem Material vor allem von der Schnittgeschwindigkeit bestimmt, die den Verschleiß beim Spanen bestimmt. Wegen der auftretenden großen Reibung und Temperatur werden häufig Kühlschmiermittel verwendet. Sondervarianten sind die Minimalmengenschmierung, die Trockenbearbeitung, das Hochgeschwindigkeits-, Mikro- und Hartzerspanen.

Die auf das Werkzeug wirkende Zerspankraft wird in mehrere Komponenten aufgeteilt, darunter die Schnitt- und Vorschubkraft und in der Praxis meist über die Spezifische Schnittkraft berechnet, die die auf den abgespanten Querschnitt bezogene Schnittkraft angibt. Prozessparameter, die an der Maschine eingestellt werden, sind die sogenannten Schnitt- oder Eingriffsgrößen wie die Schnitttiefe oder der Arbeitseingriff. Sie bestimmen die Spanungsgrößen, die die für den Zerspanungsprozess ausschlaggebende Größen sind. Dazu zählt die Spanungsbreite und -dicke.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Drehen im Mittelalter auf einer Wippendrehbank

Das Spanen gehört zu den ältesten Bearbeitungsmethoden der Menschheit. In der Altsteinzeit konnte man mit einfachen Steinwerkzeugen wie dem Faustkeil Schaben, Bohren und Kratzen. In der Jungsteinzeit wurden die steinernen Werkzeuge auch selbst gebohrt, um Schäfte anzubringen. Im Altertum waren das Schleifen, Feilen, Hobeln, Drehen und Sägen bekannt. Für das Schleifen, Drehen und Bohren sind auch einfache Maschinen überliefert.[1]

Beginn der Metallbearbeitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im 16. Jahrhundert ging man allmählich dazu über, auch Metalle spanend zu bearbeiten. Zum Ausbohren von Kanonenrohren aus Gusseisen entstanden große Bohrwerke, die von Muskelkraft angetrieben wurden. Einige Ingenieure schrieben Bücher, in denen auch zahlreiche dieser Bohrwerke abgebildet und beschrieben sind. Zu diesen Autoren zählt unter anderem Biringuccio, der ein zehnbändiges Werk schrieb. Jaque Besson veröffentlichte 1578 sein Buch L’Art de Tourner (‚Die Kunst des Drehens‘), in dem er unter anderem das Kopierdrehen und Ovaldrehen beschrieb.

Im 18. Jahrhundert wurden die Bohrwerke zur Fertigung der gusseisernen Zylinder der Dampfmaschinen benötigt. Die Dampfmaschine selbst ermöglichte und beschleunigte die Industrialisierung, was einen vermehrten Einsatz von Eisenwerkstoffen bedeutete. Im Laufe der Industrialisierung etablierte sich eine Prozesskette für die Metallbearbeitung. Zunächst wurde durch Gießen und Schmieden die zu erzeugende Form grob herausgearbeitet. Anschließend wurde die Form durch Drehen, Bohren und Hobeln genauer herausgearbeitet. Zuletzt wurden die Werkstücke durch Schleifen fertigbearbeitet. Vor allem das Drehen hatte für die Industrialisierung eine große Bedeutung, da damit für die Dampf- und Textilmaschinen Bolzen, Schrauben, Spindeln, Achsen und Wellen gefertigt werden konnten.

Um die großen Stückzahlen zu erreichen, wurden die meisten bekannten Verfahren maschinisiert: Es entstanden Dreh-, Hobel- und Bohrmaschine. Das Fräsen war ab dem 19. Jahrhundert ein neues Verfahren, das zeitgleich mit der Fräsmaschine entstand.[2]

Beginn der wissenschaftlichen Forschung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Johann Beckmann begann im 18. und 19. Jahrhundert ein neues Fachgebiet zu etablieren, das die bekannten Fertigungsverfahren beschrieb: Die Technologie. Daraus entwickelte sich an den Technischen Hochschulen das Teilgebiet der Mechanischen Technologie. Karl Karmarsch schrieb in der Mitte des 19. Jahrhunderts ein dreibändiges Werk, indem er die zahlreichen Verfahren beschrieb, ordnete und systematisierte. Dies kann als Beginn der wissenschaftlichen Durchdringung der Fertigungstechnik betrachtet werden. Einen wichtigen Impuls bekam die Zerspanungsforschung durch den Amerikaner Frederick Winslow Taylor. Er führte gegen 1900 zahlreiche Experimente durch und schrieb sein Werk „On the Art of Cutting Metals“ (wörtlich: „Über die Kunst Metall zu schneiden“). Nach ihm ist unter anderem die Taylor-Gerade benannt, die einen Zusammenhang zwischen der Standzeit und der Schnittgeschwindigkeit liefert. Im frühen 20. Jahrhundert wurden an zahlreichen Hochschulen und sonstigen Forschungsinstituten die Grundlagen der Zerspanung erforscht. In zahlreichen Experimenten wurden beispielsweise die v60-Werte für die wichtigsten Materialien ermittelt, also diejenigen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen die Standzeit 60 Minuten beträgt. In der zweiten Hälfte des Jahrhunderts fand Otto Kienzle eine einfache Methode die Zerspankraft zu ermitteln.[3]

Entwicklung der Zerspantechnik seit 1900[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die wichtigste Entwicklung zu Beginn des Jahrhunderts war die des Schnellarbeitsstahls von Taylor. Mit ihm waren dreimal höhere Schnittgeschwindigkeiten und damit deutlich niedrigere Bearbeitungszeiten möglich. Über das gesamte Jahrhundert wurden immer härtere Schneidstoffe entwickelt, die immer höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglichten. Im Jahre 2000 benötigte man für eine Arbeit, für die man um 1900 noch 100 Minuten benötigte, nur noch eine einzige Minute.[4]

Mit der Entwicklung der CNC-Maschinen wurde es in der zweiten Jahrhunderthälfte möglich, die CAD-Daten der Konstrukteure direkt den Maschinen zu übergeben, die dann selbstständig die Werkzeuge bewegen und die erforderliche Kontur abfahren.

In der Wende zum 21. Jahrhundert begannen in der Zerspantechnik einige Grenzen zu verschwimmen: Das Schleifen, das lange Zeit ein Feinbearbeitungsverfahren für harte Werkstoffe war, wurde immer leistungsfähiger und konnte nun andere spanende Verfahren ersetzen. Andererseits ermöglichten die superharten Schneidstoffe Diamant und Bornitrid die Bearbeitung von harten Werkstoffen auch durch Drehen, Fräsen und Bohren (Hartzerspanen), die nun ihrerseits das Schleifen ersetzen konnten. Mit dem Hochgeschwindigkeitszerspanen wurden auch diese Verfahren immer leistungsfähiger.[5]

Bedeutung und Einordnung in Prozessketten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Maschinen, Kostenanteile, Werkstoffspektrum und Branchen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Etwa zwei Drittel aller produzierten Werkzeugmaschinen sind spanende Maschinen. Der Kostenanteil von Bauteilen aus dem Maschinenbau oder der Fahrzeugindustrie liegt für die spanende Bearbeitung zwischen 40 % und 70 %. Der Rest teilt sich auf, auf das Schmieden und die Materialkosten. Außerdem wird das Spanen noch in der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Biomedizintechnik, der Geräte- und Antriebstechnik und weiteren Branchen eingesetzt. Hauptsächlich werden damit Metalle bearbeitet, insbesondere Stahl, aber auch Kunststoffe oder Werkstoffe, die sich nicht durch Gießen und Schmieden bearbeiten lassen wie Keramiken oder Gusseisen.[6]

Produktivität und Flexibilität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die spanenden Fertigungsverfahren – als wichtigste Gruppe der Hauptgruppe Trennen – werden häufig mit dem Gießen aus der Hauptgruppe Urformen und dem Schmieden aus der Hauptgruppe Umformen verglichen, da sie miteinander konkurrieren. Hinsichtlich der Produktivität (gefertigte Werkstücke pro Zeit) ist das Spanen den beiden Gruppen meist unterlegen, was am zugrundeliegenden Abbildungsprinzip[7] liegt. Beim Gießen ist die zu erzeugende Form in der Gussform (bei Dauerformen) oder im Modell (bei verlorenen Formen) gespeichert und kann daher häufig und schnell auf das Werkstück übertragen werden. Beim Gesenkschmieden ist die Form im Gesenk enthalten. Beim Spanen dagegen muss die gewünschte Kontur mit dem Werkzeug abgefahren werden, was weniger produktiv ist, dafür jedoch deutlich flexibler. Um eine andere Werkstückgeometrie zu erzeugen, genügt es beim Spanen meist das Werkzeug auf eine andere Bahn zu lenken, beim Gießen und Gesenkschmieden müssen erst neue und teure Werkzeuge hergestellt werden. Beim Spanen ist die Bandbreite der herstellbaren Formen kaum begrenzt und durch die hohe Flexibilität eignet es sich auch für kleine Losgrößen, die im Extremfall auch nur ein einziges Stück betragen kann. Es wird jedoch auch für große Losgrößen eingesetzt, etwa in der Automobilbranche auf Transferstraßen für die Serienproduktion. Für das Gießen und Schmieden sind dagegen gewisse Mindestlosgrößen nötig um eine wirtschaftliche Fertigung sicherzustellen. Aber auch bei manchen spanenden Verfahren ist die Form des Werkzeuges teilweise im Werkzeug enthalten. Beim Bohren etwa entspricht der Durchmesser der Bohrung dem des Bohrers; nur die Tiefe der Bohrung wird über die Bewegung gesteuert.[8]

Werkstoffausnutzung und Energieaufwand[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Werkstoffausnutzung liegt beim Gießen und Schmieden relativ hoch bei 75 % bis 90 %. Bei der spanenden Fertigung dagegen werden zwischen 50 % und 60 % des Materials in Form von Spänen entfernt. Ähnlich sieht es mit der Energiebilanz aus: Für ein Werkstück von einem Kilogramm Masse werden beim Gießen und Schmieden zwischen 30 MJ und 50 MJ benötigt, beim Spanen dagegen zwischen 60 und 80 MJ.[9]

Genauigkeiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die spanenden Verfahren erreichen meist hohe Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten. Die erreichbaren ISO-Toleranzen (kleine Zahlen sind genauer) liegen beim Gießen zwischen IT16 bis IT10, beim Schmieden zwischen IT16 und IT12 (mit Sondermaßnahmen auch bis IT8). Die spanenden Verfahren erreichen dagegen Genauigkeiten zwischen IT10 und IT7, beim Schleifen auch bis IT5. Bei den Oberflächenqualitäten gemessen als gemittelte Rautiefe Rz verhält es sich ähnlich. Beim Gießen und Schmieden liegen die Werte zwischen 1000 µm und 10 µm. Beim Spanen dagegen meist zwischen 250 µm und 10 µm, beim Schleifen sogar zwischen 16 µm und 0,25 µm.[10]

Prozessketten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der spezifischen Vor- und Nachteile, die die verschiedenen Verfahrensgruppen aufweisen, werden sie häufig zu Prozessketten kombiniert. Dabei wird meist zunächst durch Gießen und anschließendes Schmieden die zu erzeugende Form grob herausgearbeitet, um danach durch Spanen die endgültige Kontur zu erhalten. Das Spanen selbst lässt sich wiederum in mehrere Schritte aufteilen. Am Anfang steht die spanende Grobbearbeitung (Schruppen). Da sich die Werkstücke durch die hohen Bearbeitungskräfte verziehen und verfestigen, ist manchmal ein Normalglühen notwendig um das Gefüge zu normalisieren und die anschließende Feinbearbeitung (Schlichten) zu ermöglichen. Für das Schruppen und Schlichten werden Verfahren angewendet, die zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zählen, insbesondere Drehen, Fräsen und Bohren. Danach wird das Werkstück gehärtet beispielsweise durch Vergüten. Die Fertigbearbeitung geschieht dann meist durch Schleifen. Diese Aufteilung hat mehrere Gründe: Zum einen ist das Schleifen nicht sehr produktiv und eignet sich wenig für weiche (ungehärtete) Werkstoffe, zum anderen ist mit dem Drehen, Fräsen und Bohren unter normalen Umständen die Bearbeitung gehärteter Werkstoffe nicht möglich und auch nicht in der gewünschten Genauigkeit. Außerdem verändert sich durch das Härten leicht die Form der Werkstücke, sodass die Fertigbearbeitung erst danach geschehen kann.[11]

Gegen Ende des 20. Jahrhunderts begannen die Grenzen zwischen den einzelnen Prozessschritten zu verschwimmen. Das Gießen und Schmieden wurde immer genauer was nachfolgende Schritte und damit vor allem die spanende Bearbeitung teilweise überflüssig werden ließ. Dies betrifft vor allem das Druckgießen und das Thixogießen sowie das Präzisionsschmieden, Thixoschmieden und Fließpressen. Auf der anderen Seite wurden Sondervarianten der spanenden Verfahren entwickelt, die die Produktivität deutlich verbesserten. Dazu zählt beispielsweise das Hochgeschwindigkeitszerspanen. Auch innerhalb der spanenden Verfahren kam es zu Veränderungen. Das Schleifen wurde immer produktiver und konnte nun das Drehen oder Fräsen ersetzen. Diese Verfahren wiederum wurden immer genauer und konnten so das Schleifen ersetzen. Außerdem konnte man mit den superharten Schneidstoffen nun auch durch Drehen und Fräsen gehärtete Werkstoffe bearbeiten (Hartzerspanen).[12][13]

Bewegungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Spanungsbewegungen beim Drehen: Drehzahl, Schnittgeschwindigkeit, Zustellung und Vorschub

Die Spanungsbewegung besteht aus zwei verschiedenen Komponenten. Ihre Art und Richtung untereinander wird dazu genutzt, die verschiedenen Verfahren gegeneinander abzugrenzen. Grundsätzlich ist nur die relative Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück von Bedeutung. Ob das Werkzeug die Bewegung durchführt und das Werkstück stillsteht, oder anders herum ist nicht von Bedeutung.

Die Schnittbewegung dient der Spanabnahme während einer Umdrehung oder eines Hubes. Bei Verfahren mit rotierender Bewegung, also dem Drehen, Bohren, Fräsen und Sägen mit Kreissägen, handelt es sich bei der Schnittbewegung jeweils um die rotatorische Bewegung. Beim Hobeln, Stoßen, Feilen und Sägen mit Bandsägen handelt es sich um die hin- und hergehende Bewegung. In die Richtung der Schnittbewegung weisen auch die Schnittgeschwindigkeit v_c und die Schnittkraft F_c (c; englisch cutt = Schnitt).

Die Vorschubbewegung ist die Komponente die eine fortdauernde Spanabnahme erlaubt. Beim Bohren beispielsweise das Eindringen des Bohrers in die Bohrung, bei den Sägeverfahren das Eindringen in die Nut. Sie kann schrittweise erfolgen zwischen den Hüben wie beim Hobeln, Stoßen und Feilen oder kontinuierlich wie beim Bohren, Fräsen, Drehen und Sägen. In Richtung der Vorschubbewegung weisen auch die Vorschubgeschwindigkeit v_f und die Vorschubkraft F_f (f; englisch feed = Vorschub).

Die Wirkbewegung ist die Resultierende aus Schnitt- und Vorschubbewegung. Entsprechend ist auch die Wirkgeschwindigkeit v_e (e; englisch effective = Effektiv) die Resultierende der beiden Komponenten. Die resultierende Kraft wird Aktivkraft F_a genannt; sie ist ein Teil der Zerspankraft F.

Der Winkel zwischen der Schnitt- und Vorschubrichtung ist der Vorschubrichtungswinkel \varphi (phi). Bei Verfahren mit rotierendem Werkzeug wie dem Fräsen ändert er sich während einer Umdrehung. Bei den anderen Verfahren beträgt er konstant 90°. Der Winkel zwischen Schnitt- und Wirkrichtung wird Wirkrichtungswinkel \eta genannt.[14][15]

Definition und Einteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der DIN 8580 wird Spanen definiert als „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.“[16]

In der DIN 8589, die sich mit den spanenden Verfahren befasst, werden die spanenden Verfahren in zwei Gruppen eingeteilt, die beide direkt der Hauptgruppe des Trennens zugeordnet sind: Das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, bei dem die Geometrie und Anzahl der Schneidkeile bekannt ist und das Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, bei dem weder die Anzahl noch die Geometrie der Schneidkeile bekannt ist. Meist kann man nur statistische Angaben machen. Die einzelnen Verfahren werden dann ohne weitere Untergliederung diesen beiden Gruppen zugeordnet. In der Fachliteratur dagegen werden sie noch nach weiteren Kriterien unterteilt. Dazu zählen die Art der Schnittbewegung (rotierend, linear) und der Vorschubrichtungswinkel (konstant 90° oder variabel). Weitere Einteilungsmöglichkeiten sind:

In der DIN werden alle Verfahren nach einem einheitlichen Schema weiter unterteilt das auf einem Nummernsystem basiert. Alle spanenden Verfahren beginnen mit der Folge 3.2 (Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide) bzw. 3.3 (Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide). Die erste Ziffer bezieht sich dabei auf die Hauptgruppe des Trennens. Die dritte Ziffer bezieht sich auf das Verfahren (Drehen, Schleifen, ...). An der vierten Stelle wird einheitlich unterschieden nach der erzeugten Oberfläche in Plan-, Rund-, Schraub-, Profil- und Formspanen. An der fünften Stelle wird nach Lage der erzeugten Fläche unterschieden (Außen- und Innenspanen). Die sechste Stelle macht Angaben über das Werkzeug (z. B. Walz- oder Stirnfräser), die siebte über die Kinematik (Längs- und Querspanen). Die Ordnungsnummer 3.3.1.1.1.1.1 bedeutet demnach das Plan-Umfangs-Längs-Schleifen.[17]

Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese Gruppe wird in den Normen in insgesamt neun Untergruppen eingeteilt. Von Bedeutung sind vor allem das Drehen, Bohren und Fräsen.[18]

Hinweis: Die nachfolgenden Beschreibungen sind möglichst einfach und allgemeinverständlich gehalten und daher zum Teil stark vereinfachend. Für die genauen Definitionen der einzelnen Verfahren, die zugehörigen Werkzeuge, Maschinen und erreichbaren Genauigkeiten siehe Liste der spanenden Fertigungsverfahren.

  1. Drehen: Hier rotiert meist das Werkstück um seine eigene Achse und das Werkzeug fährt die zu erzeugende Kontur ab. Es dient zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Achsen, Wellen, Bolzen, Schrauben, Spindeln oder Radnaben.
  2. Bohren, Senken und Reiben: Sie werden wegen der ähnlichen Kinematik zusammengefasst. Bohren ist ein Schruppverfahren, Senken eine präzisere Variante davon. Am genauesten ist das Reiben, mit dem jedoch nur noch Oberflächen- und Maßfehler korrigiert werden können, aber nicht mehr Lagefehler.
  3. Fräsen: Hier rotiert ein meist mehrschneidiges Werkzeug um seine eigene Achse. Die Vorschubbewegung ist im Gegensatz zum Bohren senkrecht zur Rotationsachse. Es dient vor allem der Herstellung von ebenen Flächen wie Nuten und Führungen für bewegte Maschinenteile. Mit modernen CNC-Maschinen lassen sich auch beliebig geformte dreidimensionale Geometrien erzeugen.
  4. Hobeln und Stoßen: Werden wegen ihrer identischen Kinematik ebenfalls zusammengefasst. Beim Hobeln steht das Werkzeug still und das Werkstück wird geradlinig hin- und herbewegt um die Schnittbewegung zu erzeugen. Zwischen zwei Hüben wird das Werkstück oder -zeug senkrecht dazu einen Schritt weiterbewegt. Beim Stoßen dagegen erzeugt das Werkzeug die Schnittbewegung. Beide wurden in beinahe allen Bereichen vom Fräsen verdrängt.
  5. Räumen: Wird mit einer sogenannten Räumnadel durchgeführt, bei der die einzelnen Schneiden hintereinanderliegen und immer größer werden. Der Vorschub ist daher im Werkzeug integriert.
  6. Sägen: Zum Schlitzen oder Abtrennen von Werkstücken mit einem vielzahnigen Werkzeug. Die Schnittbreite ist sehr klein.
  7. Feilen, Raspeln: Wird meist manuell, manchmal auch maschinell eingesetzt. Das Werkzeug (Feile oder Raspel) verfügt über viele Schneiden, die dicht hintereinander angeordnet sind.
  8. Bürstspanen: Spanen mit Bürsten. Dient meist zur Oberflächenveränderung.
  9. Schaben, Meißeln: Spanen mit einschneidigem Werkzeug. Beim Schaben wird das Werkzeug geschoben oder gezogen, beim Meißeln schlägt man mit einem Hammer darauf.

Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verfahrensprinzip des Läppens

Beim Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide bestehen die Werkzeuge aus kleinen, harten Körnern. Sie können mit einem Bindemittel zu Schleifscheiben, -steinen oder -bändern gefügt werden, was als Spanen mit gebundenem Korn bezeichnet wird. Sie können auch lose sein und in Form von Pasten oder Pulvern vorliegen wie beim Läppen, was als Spanen mit losem Korn bezeichnet wird. Die erreichbaren Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten sind besser als beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, dafür sind die Verfahren weniger produktiv, eignen sich aber auch für sehr harte Werkstoffe. Die Fertigbearbeitung der meisten Werkstücke geschieht durch Schleifen; nur in seltenen Fällen sind andere Verfahren nötig. Die schleifenden Verfahren und das Honen zählen zum Spanen mit gebundenem Korn, die übrigen zum Spanen mit losem Korn.[19]

Hinweis: Die nachfolgenden Beschreibungen sind möglichst einfach und allgemeinverständlich gehalten und daher zum Teil stark vereinfachend. Für die genauen Definitionen der einzelnen Verfahren, die zugehörigen Werkzeuge, Maschinen und erreichbaren Genauigkeiten siehe Liste der spanenden Fertigungsverfahren.

  1. Schleifen mit rotierendem Werkzeug: Verwendet rotierende Schleifscheiben. Es wird kurz auch einfach als Schleifen bezeichnet.
  2. Bandschleifen: Verwendet Bänder, die um zwei Rollen laufen.
  3. Hubschleifen: Verwendet Schleifsteine mit hin- und hergehender Bewegung.
  4. Honen: Hier wird eine hin- und hergehende Schnittbewegung mit einer rotierenden Vorschubbewegung überlagert, sodass auf der Oberfläche gekreuzte Riefen entstehen. Das Honen dient der Oberflächenverbesserung insbesondere für die Innenflächen von Zylindern von Kolbenmotoren.
  5. Läppen: Arbeitet mit losem Korn, das auf die Werkstückoberfläche gedrückt wird. Die Körner rollen über die Oberfläche und trennen mikroskopische Späne ab. Eine nicht genormte Präzisionsvariante wird als Polieren bezeichnet.
  6. Strahlspanen: Hier werden die Körner mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück geschossen. Eine Variante ist das Wasserstrahlschneiden, falls dem Wasserstrahl Körner zugesetzt werden.
  7. Gleitspanen: Hier befinden sich die Werkstücke und Schleifkörper (Werkzeuge) in einer Trommel, die sich dreht und so eine Relativbewegung zwischen Werkstück und -zeug bewirkt.

Späne[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verschiedene Spanformen und ein Block aus gepressten Spänen
Hauptartikel: Span (Fertigungstechnik)

Spanbildung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Spanbildung

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.[20]

Spanarten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Selbst bei gleichem zu zerspanendem Werkstoff können durch Verändern der Prozesskenngrößen unterschiedliche Spanarten entstehen:[21]

  • Fließspan: Ein gleichmäßiger Span. Diese Spanart ist meist die gewünschte, da das Werkzeug gleichmäßig belastet wird.
  • 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 eine schlechte Oberflächenqualität zur Folge hat.

Spanformen[Bearbeiten | Quelltext 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 und hängt von der Geometrie der Schneide, Vorschub- und Schnittgeschwindigkeit ab. Lange Späne sorgen für eine gleichmäßige Belastung der Schneide, können sich aber in der Maschine verheddern und somit das Werkstück zerkratzen oder 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.[22][23]

Werkzeuge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Fräser mit eingesetzten Wendeschneidplatten (gelb)
Hauptartikel: Zerspanungswerkzeug

Die Werkzeuge bestehen aus mehreren Teilen: Einem Schaft, einem Griff für die manuelle Fertigung oder einer Maschinenschnittstelle für Maschinenwerkzeuge und dem schneidenden Teil. Sie können als Massivwerkzeuge aus einem einzigen, durchgängigen Material bestehen. Wenn die Schneiden stumpf werden, werden sie nachgeschliffen. In der Industrie werden jedoch meist Wendeschneidplatten verwendet, die in die Werkzeuge eingesetzt werden. Ihre Kanten fungieren dann als Schneiden. Wenn sie abstumpfen, werden sie gedreht und schließlich ausgetauscht.

Schleifwerkzeuge dagegen bestehen aus einer Vielzahl an Körnern, die zum Werkzeug zusammengefügt werden. Bei sehr teuren Werkzeugwerkstoffen (Schleifmittel) bestehen sie aus einem günstigen Trägermaterial, das außen mit dem Schleifmittel beschichtet wird.[24]

Werkzeugmaterialien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eigenschaften der verschiedenen Schneidstoffe
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:

Um das Spanen wirtschaftlich zu gestalten, werden einerseits hohe Schnittgeschwindigkeiten angestrebt, was die Bearbeitungszeit möglichst gering hält. 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).[25]

Standzeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Standzeit (Zerspanen)

Die Standzeit ist die Zeit, bis das Werkzeug ausgetauscht oder nachgeschliffen werden muss. Dazu zählt jedoch nur die Zeit, in der das Werkzeug auch tatsächlich für die Bearbeitung genutzt wird. Werkstückwechselzeiten beispielsweise zählen also nicht dazu. In der industriellen Metallbearbeitung sind Standzeiten von 15 bis 30 Minuten üblich, auf Transferstraßen wegen der langen Werkzeugwechselzeiten auch mehrere Stunden. Sie hängt von zahlreichen Einflussgrößen ab; für gegebene Werkzeug- und Werkstück-Paarungen ist sie jedoch vor allem von der Schnittgeschwindigkeit abhängig. Einen mathematischen Zusammenhang liefert die Taylor-Gerade.

Das Ende der Standzeit wird durch sogenannte Standkriterien bestimmt. Es kann sich um die auftretende Zerspankraft und erreichte Oberflächenqualität handeln. Häufig wird jedoch eine Verschleißgröße gewählt. Die Standzeit gilt jeweils für bestimmte Standbedingungen, die mit angegeben werden. T_{VB 0,2; 200} = 30 \ min beispielsweise ist eine Standzeit von 60 Minuten für eine bestimmte Werkstoff-Werkzeug-Paarung bei einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min, bis am Werkzeug eine Verschleißmarkenbreite VB von 0,2 mm erreicht ist.[26][27]

Verschleiß[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kolkverschleiß auf der Spanfläche (oben im Bild). Der Freiflächenverschleiß ist dunkelgrau unterlegt.
Hauptartikel: Verschleiß (Spanen)

Verschleiß ist die Ursache für die begrenzte Standzeit. Er wird durch die hohen thermischen und mechanischen Belastungen verursacht, denen die Werkzeuge unterliegen. Die Kräfte können mehrere tausend Newton betragen und die Temperaturen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten über 1000 °C. Für den Verschleiß sind mehrere Mechanismen verantwortlich: Mechanischer Abrieb, mikroskopische Pressschweißungen zwischen Span und Werkzeug, Oxidation, Diffusion und Oberflächenzerrüttung. An den Werkzeugen macht sich der Verschleiß in verschiedenen Formen bemerkbar. Am häufigsten sind der Freiflächenverschleiß und der Kolkverschleiß der sich als Vertiefung auf der Spanfläche bemerkbar macht.[28][29]

Zerspanbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Zerspanbarkeit

Zerspanbarkeit ist die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen. Sie richtet sich nach[30] der erzielbaren Oberflächengüte, dem Werkzeugverschleiß, der Form der Späne und der Größe der Zerspankraft.

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. Das Standvermögen ist die Fähigkeit eines Wirkpaares (Werkzeug und Werkstück), einen bestimmten Zerspanvorgang durchzustehen. Es wird von der Qualität des Werkzeugs und der Zerspanbarkeit des Werkstoffs beeinflusst.

Kühlschmierstoffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Kühlschmierstoff

Kühlschmierstoffe sollen durch Schmierung Wärmeentstehung vermeiden, heiße Späne abtransportieren und heiße Werkzeuge/-stücke kühlen, um eine zu große Wärmeausdehnung zu vermeiden. Sie ermöglichen dadurch ein hohes Leistungsniveau zahlreicher Fertigungsprozesse. Da Kühlschmierstoffe teuer und gesundheitsgefährdend sind, wird versucht sie zu vermeiden. Eine Möglichkeit besteht in der Minimalmengenschmierung. Die Trockenbearbeitung dagegen kommt vollständig ohne Kühlschmierstoffe aus.[31]

Hochgeschwindigkeitszerspanen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Spanen mit hohen Geschwindigkeiten erfordert geringere Kräfte und ermöglicht bessere Oberflächen und Formgenauigkeiten sowie bei gleichem Spanungsquerschnitt niedrigere Bearbeitungszeiten. Die Grenze zwischen konventionellem Spanen und Hochgeschwindigkeitsspanen ist nicht genau definiert. Für das Drehen liegt es bei Schnittgeschwindigkeiten oberhalb von 500 m/min bis 1500 m/min.[32] Nachdem um die Jahrtausendwende die technischen Voraussetzungen vorlagen, die an die Maschinentechnik gestellt werden, fand es in der Industrie zunehmende Verbreitung.[33]

Mikrozerspanen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unter Mikrozerspanen versteht man die Bearbeitung von Werkstücken mit Werkzeugen, die im Mikrometerbereich liegen. Die Durchmesser von Fräsern oder Bohrern liegen zwischen 10 und 50 Mikrometern. Die Größe der erzeugten Strukturen liegt zwischen 10 und 1000 µm. Das Mikrospanen weist deutlich höhere Abtragraten auf als die konventionellen Verfahren der Mikrobearbeitung wie das Ätzen.[34]

Hartzerspanen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vom Hartzerspanen spricht man bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit einer Härte von über 47 HRC mit Verfahren, die zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zählen. Bis zur Entwicklung der superharten Schneidstoffe Bornitrid und den Schneidkeramiken war die Bearbeitung solcher Werkstoffe nur mit Schleifen und Honen möglich. Die Hartbearbeitung wird vor allem eingesetzt, wenn dadurch die nachfolgende Feinbearbeitung durch Schleifen entfallen kann, wodurch sich die Prozessketten verkürzen. Außerdem bietet sie Vorteile bezüglich der Energieeffizienz und der Umweltfreundlichkeit. Letzteres[35] liegt daran, dass die entstehenden Späne deutlich größer sind und sich leicht vom Kühlschmiermittel trennen lassen, sodass beide recycelt werden können. Beim Schleifen dagegen muss die Span-Schmiermittel-Mischung häufig als Sondermüll entsorgt werden. Beim Hartzerspanen treten besonders hohe mechanische Belastungen der Werkzeuge auf und besondere Spanbildungsvorgänge, bei denen sich der Werkstoff des Werkstücks trotz seiner großen Härte wegen der hohen Verformungsgeschwindigkeiten und mechanischen Spannungen plastisch verhält, also wie ein weicher Werkstoff. Wegen der hohen Werkzeugbelastungen sind die Schnittgeschwindigkeiten auf etwa 200 m/min begrenzt.[36][37]

Zerspankraft und Leistungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einflüsse von Vorschub, Schnitttiefe, Einstellwinkel und Schnittgeschwindigkeit auf die Zerspankraftkomponenten
Hauptartikel: Zerspankraft

Die auf das Werkzeug wirkende Kraft wird als Zerspankraft bezeichnet. Sie setzt sich aus drei Komponenten zusammen: der Schnittkraft F_c in Richtung der Schnittrichtung, sowie der Vorschubkraft F_f in Vorschubrichtung und der Passivkraft F_p, die mit den anderen beiden jeweils einen rechten Winkel bildet. Bei den meisten Verfahren ist die Schnittkraft deutlich größer als die anderen beiden, sodass oftmals nur sie betrachtet wird. Der Betrag der Schnittkraft kann über verschiedene Methoden ermittelt werden, in der Praxis etabliert ist das Verfahren von Otto Kienzle, dass sie aus der Spanungsfläche und der spezifischen Schnittkraft k_c ermittelt. Letztere ist die auf die Spanungsfläche bezogene Schnittkraft.

k_c = \frac{F}{A}

Sie ist jedoch keine Werkstoffkonstante, sondern hängt von mehreren Einflüssen ab, insbesondere der Spanungsdicke.[38]

Die für die Zerspanung benötigte Leistung, die Wirkleistung P_e, ergibt sich als Produkt aus der Wirkgeschwindigkeit v_e und der Zerspankraft.

P_e = F \cdot v_e

Diese Leistung muss der Antrieb der Maschine mindestens abgeben können. Häufig beschränkt man sich darauf die Schnittleistung P_c zu ermitteln die in etwa der Wirkleistung entspricht. Sie ergibt sich aus der Schnittkraft und der Schnittgeschwindigkeit.

P_c = F_c \cdot v_c

Energieumsetzung, Wärme und Temperaturen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Temperaturverteilung am Schneidkeil.

Die mechanische Energie wird fast vollständig in Wärme umgewandelt. Dies geschieht zum einen durch Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, zum anderen durch die Verformung des Spans. Der größte Teil der Wärme (ca. 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 Erkenntnisse beruhen auf Messungen.[39]

Die umgesetzte Energie wird an verschiedenen Stellen und durch verschiedene Mechanismen umgewandelt. Die für die Verformung benötigte Energie lässt sich aufteilen in die Scherarbeit zum Scheren des Spanes in der Scherzone und die Trennarbeit um den Span vom Werkstück abzutrennen. Reibungsarbeit ist nötig um die Reibung zwischen Werkstück und der Freifläche des Schneidkeils und diejenige zwischen Span und Spanfläche zu überwinden. Ihre Anteile hängen von der Spanungsdicke ab. Bei sehr kleinen Dicken sind die Freiflächenreibung und die Trennarbeit vorherrschend. Bei größeren Dicken die Scherarbeit.[40]

Geometrien am Werkzeug[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Flächen am Drehmeißel, der auch in allen Normen als Referenz herangezogen wird
Hauptartikel: Schneidteil

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 Schnittrichtung 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.[41]

Eingriffs- und Spanungsgrößen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zusammenhang zwischen Eingriffs- uns Spanungsgrößen beim Drehen

Eingriffsgrößen sind Größen, die an der Maschine eingestellt werden. Dazu zählen die Schnitttiefe a_p und die Schnittbreite, auch Zustellung und Vorschub f genannt. Sie beeinflussen den Spanungsquerschnitt A = a_p \cdot f und gemeinsam mit der Schnittgeschwindigkeit v_c das pro Zeit abgespante Volumen, das Zeitspanvolumen Q = A \cdot v_c das eine wichtige Produktivitätskennzahl ist. Spanungsgrößen sind Größen, die die Spanbildung beeinflussen. Dazu zählt die Spanungsbreite b und die Spanungsdicke h, die die Dicke und Breite der abzutrennenden Werkstoffschicht beschreiben. Davon zu unterscheiden sind die Spandicke und -breite, die die Geometrie des abgetrennten Spanes beschreiben und wegen der Spanstauchung sich von den Spanungsgrößen unterscheiden. Zwischen den Eingriffs- und Spanungsgrößen bestehen mit dem Werkzeug-Einstellwinkel \kappa folgende Zusammenhänge:[42]

h = f \cdot \sin \kappa
b = \frac{a_p}{\sin \kappa}
A = a_p \cdot f = b \cdot h
Q = A \cdot v_c

Oberflächen- und Randzoneneigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Insbesondere beim Drehen sind die Spuren des Werkzeuges als Rillen oder Riefen in der Oberfläche des Werkstücks zu erkennen, die auch die Rauheit beeinflussen. Die theoretisch maximal erreichbare Rauhigkeit ergibt sich aus dem Vorschub f und dem Schneidkantenradius r zu

R_{t} = \frac{f^2}{8r}.

Daher wird beim Schlichten (Feinbearbeitung) ein kleinerer Vorschub gewählt als beim Schruppen. Die praktisch erreichbaren Rauigkeiten sind jedoch immer schlechter wegen Riefen am Werkzeug, die durch Verschleiß hervorgerufen werden. Auch das Gefüge des Werkstücks ändert sich in Oberflächennähe. Durch die hohen Bearbeitungskräfte werden einige Schichten von Körnern plattgedrückt und in Bearbeitungsrichtung gestreckt. Dadurch werden Eigenspannungen in die Werkstücke eingebracht.[43] Außerdem treten plastische Verformungen, Härteveränderungen und Risse auf.[44]

Wahl und Optimierung der Schnittwerte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Falls für ein bestimmtes Werkstück bereits der Rohling, das Werkzeug und die Maschine für die Bearbeitung feststehen, können immer noch zahlreiche Prozessparameter frei gewählt werden. Die wichtigsten sind der Vorschub, die Schnitttiefe und die Schnittgeschwindigkeit. Es existieren zahlreiche Tabellen mit Richtwerten, die bei kleineren Stückzahlen verwendet werden können sowie als Ausgangspunkt für Experimente für die Optimierung dienen. Dabei sind jedoch gewisse Grenzen zu beachten. Die Schnitttiefe wird meist so groß wie möglich gewählt, um mit möglichst wenigen Schnitten das Werkstück zu bearbeiten, falls das Aufmaß größer ist als die maximal mögliche Schnitttiefe. Sie wird sonst durch die Stabilität des Werkzeuges begrenzt, da es bei großen Schnitttiefen zu Schwingungen kommen kann, die die Oberflächenqualität beeinflussen.

Für den Vorschub sind weitere Begrenzungen zu beachten. Er ist grundsätzlich ebenfalls so groß wie möglich zu wählen, da er das Zeitspanvolumen erhöht und damit die Bearbeitungszeit senkt. Eine obere Grenze ergibt sich durch den Einfluss auf die Rauheit des Werkstücks und durch die steigende Zerspankraft. Falls das Drehmoment des Antriebes nicht ausreicht, um an der Wirkstelle die entsprechende Kraft zu erzeugen, lassen sich hohe Vorschübe nicht realisieren. Vor allem für die automatisierte Fertigung spielt die Spanform eine Rolle, die mit steigendem Vorschub günstiger wird. Eine weitere Begrenzung ist die Mindestspanungsdicke die notwendig ist, um überhaupt eine Spanbildung zu gewährleisten.

Die Wahl der Schnittgeschwindigkeit hängt vor allem mit dem Verschleiß zusammen. Bei hohen Geschwindigkeiten steigt er oft überproportional, es sinken jedoch die Bearbeitungszeiten.

Die optimalen Schnittwerte ergeben sich durch die gesamten Fertigungskosten.[45] Sie setzen sich zusammen aus den Maschinenkosten, den Lohnkosten und den Werkzeugkosten.[46]

Simulation und Modellierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Simulationen der Bearbeitungsvorgänge basieren auf Modellen, die mehr oder weniger genau und detailliert sein können. Für die Arbeitsvorbereitung in Industriebetrieben ist in Standard-Software ein Programm enthalten, das ein virtuelles Abbild der Maschine, Werkzeuge und Werkstücke bereitstellt. Sie dienen zum Überprüfen der geplanten Bearbeitung und zur Berechnung einfacher Prozessparameter wie Kräften und Temperaturen. Als Basis für diese Simulationen dienen entweder direkt die geometrischen CAD-Daten oder der CNC-Code der Werkzeugmaschinen.[47]

Mit der Finite-Elemente-Methode existiert eine Möglichkeit die Bearbeitung sehr viel genauer zu modellieren. Sie dient zur Berechnung der Verteilung der mechanischen Spannung oder des Temperaturfeldes am Werkzeug oder zur Simulation von Spanbildungsvorgängen. Dazu werden die Werkzeuge oder Werkstücke in endlich viele (finite) Elemente zerlegt. Zwischen ihnen bestehen Beziehungen die in Form von Gleichungen, die mechanische Spannungen, Geschwindigkeiten, Reibung oder Wärmekonvektion ausdrücken und zu Gleichungssystemen mit sehr vielen Gleichungen und Unbekannten führen. Im Allgemeinen ist man bestrebt diese Beziehungen zu vereinfachen und durch lineare Gleichungen auszudrücken; bei der Zerspanung würde dies jedoch zu unbrauchbaren Ergebnissen führen. Beispielsweise gilt das Hookesche Gesetz, das einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung herstellt, nicht mehr, da die auftretenden Verformungen zu groß sind. Daher führt die FEM-Simulation bei der Zerspanung zu Gleichungssystemen mit zahlreichen nichtlinearen Gleichungen und Nebenbedingungen, die nur noch numerisch zu lösen sind. Dies kann mit Standard-FEM-Software geschehen. Es existieren jedoch auch mehrere kommerzielle Lösungen, die speziell auf die Zerspantechnik zugeschnitten sind.[48][49]

Rattern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

  • zu schlanker Werkzeuggestalt, also zu geringer dynamischer Steifigkeit
  • zu hohen Schnittparametern
  • dem Treffen einer Eigenfrequenz der Maschine
  • falsch eingespannten Werkstücken (z. B. beim Drehen: fliegend eingespannt, also nur auf einer Seite (wenn die freie Länge größer ist als der dreifache 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.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen. 1991, S. 25f., 36, 46.
  2. AB Sandvik Coromant (Hrsg.): Handbuch der Zerspanung. 1995, S. 2 f.
  3. Heisel, Klocke, Uhlmann, Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 9.
  4. AB Sandvik Coromant (Hrsg.): Handbuch der Zerspanung. 1995, S. 42.
  5. Heisel, Klocke, Uhlmann, Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 12, 17f.
  6. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 3f.
  7. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 2.
  8. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 3f.
  9. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 4f.
  10. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 3–5.
  11. Heisel, Klocke, Uhlmann, Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 19–21.
  12. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 202.
  13. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, S. 297.
  14. Pauksch: Zerspantechnik. 12. Auflage, S. 3f.
  15. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage, Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S 41f.
  16. Hiersig (Hrsg.): Lexikon der Produktionstechnik' Verfahrenstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995.
  17. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 283f.
  18. Heisel, Klocke, Uhlmann, Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 23f.
  19. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 337–339.
  20. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 271 ff.
  21. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 5. Auflage, Springer 1997, S 69f.
  22. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen 5. Auflage, Springer 1997, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 225f
  23. Eberhard Pauksch: Zerspantechnik. Vieweg, 1996, 11. Auflage, S. 37–39
  24. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, S. 201–205.
  25. 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.
  26. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 306f.
  27. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 148–150.
  28. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 302f.
  29. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 135f.
  30. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 259.
  31. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 239.
  32. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 304.
  33. Denkena, Tönshoff: Spanen. Springer, 3. Auflage, S. 201f.
  34. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 305f.
  35. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011,S. 218f.
  36. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 305.
  37. Pauksch: Zerspantechnik. Vieweg, 12. Auflage, S. 429f.
  38. Böge: Zerspantechnik in: Böge (Hrsg.): Handbuch Maschinenbau. Springer, 21. Auflage, 2013, N6–N8
  39. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze (Hrsg.): Fertigungstechnik. 10., neu bearb. Auflage. Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3-642-29785-4, S. 276.
  40. Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 85.
  41. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, ISBN 978-3-540-23458-6, S. 43f.
  42. Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 285f.
  43. Pauksch, Holsten, Linß, Tikal: Zerspantechnik. Vieweg+Teubner, 12. Auflage, S. 36–38.
  44. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 370.
  45. Pauksch, Holsten, Linß, Tikal: Zerspantechnik. Vieweg+Teubner, 12. Auflage, S. 92–97.
  46. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, S. 371-374.
  47. Berend Denkena, Hans Kurt Tönshoff: Spanen - Grundlagen. Springer, 3. Auflage, 2011, S. 109f.
  48. Wilfried König, Fritz Klocke: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Bohren, Fräsen. 8. Auflage. Springer 2008, S. 226, 232.
  49. Pauksch: Zerspantechnik. S. 431–435.