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Werkstofftechnik 2 - Zerspanverfahren

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Werkstofftechnik 2

Zerspanverfahren

Unter dem Zerspanen eines Werkstoffes fasst man alle Bearbeitungsverfahren zusammen, bei denen überflüssiges Material mit Hilfe einer Schneide vom Werkstoff in Form von Spänen mechanisch abgetrennt wird. Daher spricht man beim Zerspanen auch von einem trennenden Bearbeitungsverfahren. 

Zerspanen
Zerspanen

Beispiel

Bei vielen handwerklichen Tätigkeiten treten Zerspanungen auf:

  • Bohren
  • Feilen,
  • Sägen
  • Schleifen
  • Hobeln,
  • Polieren,
  • usw.

Beim Zerspanen mit einer Schneide dringt die Schneide wie ein Keil in die Oberfläches des Werkstücks ein und schält eine dünne Materialschicht ab. Letztere bezeichnet man als Span. Der Bereich zwischen Schneide und Werkstück bezeichnet man als Scherzone und die Fläche des Schneidkeils, die der Schnittfläche zugewandt ist als Freifläche. Die andere Seite des Keils, also die Fläche über die der Span abgetragen wird, trägt den Namen Spanfläche. Hauptkriterium für ein erfolgreiches Zerspanen ist die Beschaffenheit des Schneidkeils. Dieser muss in jedem Fall das Material des Werkstücks in Bezug auf die Härte übertreffen. Häufig eingesetzt Keilmaterialien sind Werkzeugstahl, Hartmetall, Schneidekeramiken oder Diamanten. 

Zerspanen
Zerspanen

Spanarten

Spiralspan
Spiralspan

Beim Zerspanen können sich drei unterschiedliche Spanarten ausbilden, die bei verschiedenen Formen des Zerspanens auftreten. Man unterscheidet zwischen Fließspan, Reißspan und Scherspan.
Ein Fließspan liegt vor, wenn der Span durch eine plastische Verformung in der Scherzone gebildet wird. Er ist kontinuierlich ablaufend und meist zusammenhängend. Besonders bei duktilen Werkstoffen bildet sich diese Art von Span. Ein Reißspan stellt das Gegenteil vom Fließspan dar. Hier tritt keine plastische Verformung in der Scherzone auf und die aus der Oberfläche gerissenen Spanteilchen liegen einzeln und nicht zusammenhängend vor. Besonders signifikant ist diese Spanart für Werkstoffe mit sprödem Verhalten. Durch das Zerspanen mit Reißspanbildung ergibt sich ein raues, rissiges Aussehen der Werkstoffoberfläche, wodurch eine Nachbehandlung oft notwendig wird. Der Scherspan oder Lamellenspan stellt die dritte Spanart dar und zeichnet sich dadurch aus, dass die Späne aus einzelnen Segmenten bestehen, die sich jedoch während des Spanvorgangs miteinander verschweißen. 
Allerdings ist nicht allein die Eigenschaft des vorliegenden Werkstoffs ausschlaggebend für die sich bildende Spanart, sondern auch Faktoren wie die Schnittgeschwindigkeit, Spantiefe und Schneidegeometrie.

Problemfall Aufbauschneiden

Bei Aufbauschneiden bilden sich besonders bei duktilen Werkstoffen am Schneidekeil zu Werkstoffanlagerungen infolge von Pressschweißungen. Dies führt zu einer Änderung der Werkzeuggeometrie, die erst dann einen Abschluss findet, wenn die Werkstoffansammlung eine kritsche Größe erreicht hat. Dann bricht sie ab und wird vom Span fortgetragen. Anschließend kommt es zur erneuten Bildung einer Aufbauschneide. Man könnte nun vermuten, dass Problem der Werkstoffansammlung mit dessen Abtragung endet, dieser Schein trügt jedoch, da durch die plötzlichen Abrisse sowohl die Schneide frühzeitig verschleisst als auch die Oberfläche des Werkstück eine besonders hohe Rauhigkeit erhält. 

Zerspanungsverfahren

Grundsätzlich unterteilt man die Zerspanungsverfahren nach der Geometrie der Schneide. So kann die Schneide geometrisch bestimmt beschaffen sein wie beim Drehen, Hobeln, Bohren oder Fräsen, oder eine unbestimmte Geometrie wie beim Schleifen oder Schmirgeln besitzen. Nachfolgend eine weitere Differenzierung der Geometrie:

Geometrisch bestimmt [nach Werkzeug]

  • Einschneidiges Werkzeug $\Longrightarrow $ Drehen, Hobeln
  • Mehrschneidiges Werkzeug $\Longrightarrow $ Bohren Fräsen

Merke

Gerade bei Vorgängen mit mehrschneidigen Werkzeugen treten starke Temperaturwechsel auf, die zu thermischen Rissbildungen an den Schneiden führen und somit deren Einsatz beeinträchtigen können. 

Geometrisch unbestimmt [nach Ziel]

  • Maßgenauigkeit und Oberflächengüte $\Longrightarrow $ Schleifen, Schmirgeln
  • Glänzende Oberfläche $\Longrightarrow $ Polieren, Schwabbeln

Merke

Bei unbestimmten Geometrien enstehen keine großen, sondern mikroskopisch kleine Späne. Das Schneidemittel wird entweder mit Bindemittel zu Scheiben gebunden wie beim Schleifen oder in lose als auf die Werkstückoberfläche aufgetragen wie beim Polieren. 

Trotz viele Vorsichtsmaßnahmen kann natürlich auch das beste Schneidwerkzeug versagen. Die beiden gängigsten Versagensarten sind:

Überbeanspruchung [thermisch oder mechanisch]

Verschleiß [thermisch oder mechanisch]

Der Verschleiß setzt sich aus vier Grundvorgängen zusammen: Abrasion [Abrieb], Diffusion, Adhäsion [Verschweißung] und Oxidation zusammen.

Merke

In welchem Umfang einer dieser Vorgänge auftritt hängt von der Schnittgewindigkeit ab. Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst zudem Schneidetemperatur, wodurch sich alle Vorgänge ausschließlich der Adhäsion nochmals intensivieren.  
CNC-Fräsmaschine
CNC-Fräsmaschine