FERTIGUNGSTECHNIK - MATURA

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1 6.1 Spanbildung FERTIGUNGSTECHNIK - MATURA 6. GRUNDLAGEN DER ZERSPANUNGSTECHNIK von Thomas Lieber Die Spanbildung ist eine annähernd plastische Verformung des Werkstoffs, die durch den, in den Werkstoff eindringenden, Schneidkeil hervorgerufen wird. Der Werkstoff wird dabei gestaucht bis die Stauckraft so groß ist, um die Scherung des Werkstoffs entlang der Scherebene, in dünne Lamellen zu bewirken. Spanbildung θ... Scherwinkel 6.2 Spanarten Die Spanart ist vom Werkstoff und den Spanungsbedingungen abhängig (Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Kühlung, Schmierung, Werkzeug/Werkstück-Kombination, Spanwinkel, Schnittiefe, Schneidengeometrie, Werkzeug/Werkstück-Schwingungen,...). Man unterscheidet, je nach ihere Entstehung und Struktur der Späne, vier Arten: 1. Fließspan (duktile Werkstoffe, hohe Schnittgeschw., kleiner Spanwinkel, geringe Schnittiefe) 2. Lamellenspan (diese Spanart wird in der vollautomatischen Fertigung angestrebt) 3. Scherspan (vollkommene Trennung der Späne in der Scherebene und anschließendes Wiederverschweißen, geringe Verformbarkeit des Materials) 4. Reißspan (spröde Werkstoffe, kleiner Spanwinkel, Spanteile werden von der Oberfläche abgerissen, es entsteht eine rauhe Oberfläche) 1

2 6.3 Spangrößen Nach DIN 6580 werden folgende Spanungsgrößen definiert: - Die Spanungsbreite b ist die Breite des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnittrichtung, gemessen in der Schnittfläche - Die Spanungsdicke h ist die Dicke des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnirrichtung, gemessen senkrecht zur Schnittfläche - Der Spanungsquerschnitt A ist der Querschnitt des abzunehmenden Spanes senkrecht zur Schnittrichtung. In den meisten Fällen gilt: A z = a. s z bzw. A = a. s = b. h a...schnittiefe s...vorschub pro Umdrehung s z...vorschub pro Zahn und Umdr. b...spanungsbreite h...spanungsdicke A...Spanquerschnitt A z...spanquerschnitt pro Zahn Haben die Werkzeuge gerade Schneiden und keinen Eckenradius, so können die Größen b und h wie folgt berechnet werden: b = a h = s. sin κ sin κ Spanungsgrößen nach DIN

3 6.4 Verschleiß und Standzeitbegriffe Als Verschleiß wird die Abnutzung des unter Schnitt stehenden Schneidenteils des Werkzeugs, durch die mechanischen und thermischen Belastungen, während des Schnitts bezeichnet. Man unterscheidet folgende Verschleißarten: 1) Freiflächenverschleiß Als Freiflächenverschleiß bezeichnet man den annähernd gleichmäßigen Abtrag von Schneidstoff an der Freifläche des Werkzeugs, wobei die Verschleißfläche, die s.g. Verschleißmarke, etwa parallel zur Schnittrichtung liegt. 2) Kolkverschleiß Als Kolkverschleiß bezeichnet man den muldenförmigen Abtrag von Schneidstoff an der Spanfläche. Es bildet sich der s.g. 'Kolk'. 3) Spanflächenverschleiß 4) Verschleiß der Schneidkante bzw. des Schneidradius Bei Schnellarbeitsstählen kommt es z.b. nach Erreichen der s.g. Erliegungstemperatur (ca. 600 C) zum Abschmelzen und Ausbrechen der Schneide. Das Werkzeug mit abgeschmolzener Schneidkante erzeugt auf dem Werkstück einen glänzenden Streifen ('Blankbremsen'); es schneidet nicht mehr, sondern reibt nur noch. ( Abstumpfung durch Temperatur) Größenordnung der Verschleißmarkenbreiten Verschleißarten bei verschiedenen Werkzeugmaterialien 3

4 Verschleißarten am Drehmeißel Verscheliß abhängig von der Temperatur 6.5 Standgrößen Mit den Standgrößen wird das Standvermögen (= Belastbarkeit) des Werkzeugs angegeben. Die folgenden Standgrößen werden verwendet: - Standzeit - Standweg - Standmenge Die Standzeit ist jene Zeit, die ein Werkzeug zwischen zwei Anschliffen auf Grund eines gegebenen Stand-kriteriums, unter bestimmten Zerspanungsbedingungen, einsatzfähig bleibt, d.h. Zerspanarbeit leistet. Der Standweg und die Standmenge sind analog definiert. Üblicherweise wird die Standzeit verwendet; der Standweg wird z.b. beim Bohren verwendet, die Standmenge in der Massenproduktion Standkriterien Die Standkriterien sind kennzeichnende Merkmale für die Grenze einer unerwünschten Veränderung von Werkstück oder Werkzeug durch die Zerspanung. Die Auswahl richtet sich nach: - nach der Art des Bearbeitungsverfahrens - nach den Anforderungen, die an das Werkstück gestellt werden - nach wirtschaftlichen Überlegungen. Standkriterien können am Werkzeug, am Werkstück oder durch den Zerspanungsvorgang festgelegt werden. Man unterscheidet zwischen absoluten und relativen Kriterien: - Absolute Kriterien z.b. jene Zeit (= Standzeit) bis das Werkzeug bricht, oder bis das Werkzeug seine Schneidfähigkeit vollständig verliert ('Blankbremsung') - Relative Kriterien Sie basieren alle auf der Messung der Zeit, die verstreicht, bis am Werkstück ein bestimmter Verschleiß feststellbar ist, oder bis am Werkstück festgelegte Toleranzen nicht meht eingehalten werden können. z.b. Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Schneidkantenversatz,... Übersicht über Standkriterien 6.6 Zerspanungskräfte 4

5 Die Zerspanungskräfte entstehen durch: - Scherwiderstand, - Reibungskräfte auf der Frei- und Spanfläche Zerspanungskräfte F Z... resultierende Zerspanungskraft F S... Hauptschnittkraft (Hauptkomponente von F Z, leistungsbestimmende Größe) F V... Vorschubkraft F P... Passivkraft Hauptschnittkraft Kienzle-Gleichung: F S = A. k S A... Spanquerschnitt [mm 2 ], k S... spezifische Schnittkraft [N/mm 2 ] k S = k S1.1. K h. K γ. K v. K ver. K St k S spezifische Schnittkraft für b=h=1 mm [N/mm 2 ] (vom Werkstoff abhängig) Wird durch Versuche ermittelt. K h... Korrekturfaktor der Spanungsdicke h K h = h -z z= 0,2... 0,3 abhängig von der Werkzeug/Werkstoff-Kombination K γ... Korrekturfaktor für den Spanwinkel K v... Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v K ver...korrekturfaktor für den Verschleiß des Werkzeuges K St... Korrekturfaktor für die Spanstauchung K = K γ. K v. K ver. K St F S = A. k S1.1. h -z. K = k S1.1. b. h 1-z. K Schnittleistung: P S = F S. v Korrekturfaktor K mit neuen Werkzeugen mit abgestumpften Werkzeugen HM SS HM SS Außendrehen 1-1,15 1,15-1,2 1,3-1,7 1,5-1,8 Innendrehen, 1,2-1,35 1,4-1,45 1,55-2 1,8-2,2 Bohren Fräsen, Räumen 1,2-1,4 1,4-1,45 1,5-2 1,8-2,2 5

6 Spezifische Schnittkraft k f Ermittlung der Korrekturfaktoren 1. Korrekturfaktor für den Spanwinkel K = 1 - γ γ γ ο 100 γ o = 6 für Stahl γ o = 2 für Guß Bei Verkleinerung von γ nimmt die Hauptschnittkraft F S zu. 2. Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v K v = 1,03-0,0003. v K v = 1,15 K v = 1,2... 1,25 für Hartmetall-Werkzeuge bei v= m/min für Schnellarbeitsstahl bei v= m/min bei v<25 m/min 3. Korrekturfaktor für die Spanstauchung K St Außendrehen 1 Ein- und 1,3 Abstechdrehen Innendrehen 1,2 Bohren 1,2-1,3 Fräsen 1,2 Hobeln 1,1 Räumen 1,1-1,2 6

7 4. Korrekturfaktor für den Verschleiß Für stumpfe Werkzeuge ist mit einem erhöhtem Kraftaufwand zu rechnen. K ver = 1,3... 1,5 Ausbruch eines Meißels, und sein Einfluß auf die Schnittkraft Diese Werte werden mittel Dehnmeßstreifen ermittelt. Weitere Einflußgrößen sind das Spanungsverhältnis G, sowie Kühlung, Schmierung, Vorschub- und Passivkraft Die Zusammensetzung der resultierenden Zerspanungskraft F z aus den drei Teilkräften zeigt das Bild. F v ~ 0,1... 0,4 F z F p ~ 0, ,4 F z Vorschubleistung: P v = F v. u Verhältnis der Zerspanungskräfte F v = F R = F N. µ = µ.( F S + m s.g ) bzw. F v ~ 0,3 F S Unter Vernachlässigung der Vorschubleistung folgt: PS P = 7 Antr η mech PAntr PS P el = = ηel ηmech. ηel 6.7 Werkzeugmaterialien - Schneidstoffe

8 Als Schneidstoff bezeichnet man den Werkstoff, aus dem der aktive Teil des Werkzeugs - der eigentliche Schneidenteil - besteht. Einteilung der Schneidstoffe: a) Unlegierte und legierte Werkzeugstähle b) Schnellarbeitsstähle c) Gegossene Hartlegierungen d) Gesinterte Hartmetalle e) Schneidkeramik f) Superharte Schneidstoffe (Diamant, Bornitrit) g) Schleifmittel Übersicht über Schneidstoffe Die Schneidstoffe unterliegen mechanischen (Zug, Druck, Biegung, Schub), thermischen und chemischen (Oxidation, Diffusion) Belastungen. Anforderungen an Schneidstoffe: - große Härte und Druckfestigkeit (gegen Abtrennen der Werkstückteilchen) - hohe Biegefestigkeit und Zugfestigkeit (unempfindlich gegenüber Stößen) - hohe Verschleißfestigkeit (Kombination von Härte und Zähigkeit für günstige Standzeit) - Kantenfestigkeit - hohe Temperaturbeständigkeit (Wärmehärte, gute Temperaturwechselbeständigkeit) - chemisch inaktiv (geringe Neigung zu Verzunderung, Oxidation und Diffusion) Wärmehärte der Schneidstoffe 8

9 6.7.1 Legierte und unlegierte Werkzeugstähle Die Stähle enthalten geringe C-Anteile (0,6...1,3 % ), die legierten noch zusätzlich geringe Anteile an W, Cr, Co, V,... Werkzeugstähle erhalten ihre Härte durch eine Wärmebehandlung: Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur, Abschrecken und Anlassen. Werkzeugstähle erlauben eine nur geringe Schnittgeschwindigkeit und haben eine geringe Wärmehärte (~ 300 C); sie werden deshalb in der Metallbearbeitung nur noch für Feilen, Sägeblätter u.a. Handarbeitswerkzeug eingesetzt. Anwendung z.b. in der Holzbearbeitung Schnellarbeitsstähle Mit Hilfe verschiedener karbidbildender Legierungszusätze (W, V, Cr, Co) erhalten die Schnellarbeitsstähle eine höhere Wärmehärte, Verschleißfestigkeit und Schnittgeschwindigkeit als Werkzeugstähle. Schnellarbeitsstähle enthalten bis 20% W, 16% Co, 10% Mo und 5% Cr und V. Angewendet werden Schnellarbeitsstähle hauptsächlich noch bei mehrschneidigen Werkzeugen, wie Spiralbohrer, Senker, Fräser und bei unterbrochenen Schnitten (wegen der Stoßbelastung), wie bei Einstech- und Profil-Drehstählen und Hobelstählen. Durch Beschichten, Nitrieren, Karbonitrieren u.a. Verfahren können die Schnellarbeitsstähle verschleißbeständiger gemacht werden Hartmetalle Man unterscheidet gegossene und gesinterte Hartmetalle. Die gegossenen Hartlegierungen sind C-haltige Gußlegierungen, die aus einem Grundmetall (Fe, Ni, Co) und zum überwiegenden Teil aus Karbidbildnern (17% W, 25% Cr, 35% Co, 20% Fe) bestehen. Die Formgebung erfolgt durch Gießen; eine Wärmebehandlung ist nicht notwendig. Sie weisen eine höhere Wärmehärte gegenüber den Schnellarbeitsstählen auf, und sind verschleißfester als diese. Gegeossene Hartmetalle sind aber sehr spröde, und werden daher heute kaum noch angewendet. Heute werden ausschließlich Sinter-Hartmetalle verwendet. Ein Pulvergemisch aus Wolframkarbiden ( WC ), TiC, TaC, MoC, VC wird mit einem Hilfsmetall (im allgemeinen 5-20% Co) in eine Form gepreßt, und bei Temperaturen zwischen 1300 C und 1600 C gesintert. Die Nachbehandlung erfolgt durch Schleifen mit extraharten Spezialschleifscheiben (Diamant). Ein entscheidender Härteverlust tritt erst bei Temperaturen oberhalb von ca. 800 C ein. Die Hartmetalle enthalten kaum Fe (nur ca.2-3%). Die Hartmetalle sind spröde und teuer; daher wird nicht das gesamte Werkzeug, sondern nur die tatsächlich wirksame Schneide aus Hartmetall hergestellt > ein Plättchen wird auf einem Werkzeug-Halter befestigt (gutezähigkeit und Dämpfung). Die Hartmetall-Plättchen können durch Löten (veraltet) oder Schrauben oder Klemmen befestigt werden. Befestigung der Wendeschneidplättchen Es gibt drei Gruppen von Hartmetallen: P für langspanende Werkstoffe M Mehrzwecksorte K für kurzspanende Werkstoffe dazu Kennzahlen: 01, 10, 20, 30, 40, 50 hoher Verschleißwiderstand große Zähigkeit Schneidkeramik 9

10 Keramische Werkstoffe basieren hauptsächlich auf Al 2 O 3 (Aluminiumoxid). Schneidkeramik-Schneidstoffe erzielen eine weitere Steigerung der Produktivität. Weitere Vorteile sind die Einsparung an teuren Sintermetallen (W, Co, Cr,...) und die höhere Härte als die Hartmetalle. Man unterscheidet zwei Arten der Schneidkeramik: - reine Aluminiumoxide (keine oder kaum Legierungszusätze von anderen Metalloxiden und Metallkarbiden) - legierte Schneidkeramik (bis zu 60% Zusätze von Metallkarbiden) Schneidkeramik ist extrem spröde, und daher nicht für Bearbeitungsvorgänge mit stoßartiger Belastung geeignet (Längsdrehen abgesetzter Wellenteile). Eine Vorbearbeitung der Werkstücke ist notwendig. Eigenschaften der Schneidkeramik: Schneiddiamant Schneiddiamanten (Naturdiamanten oder künstliche Diamanten) verwendet man ausschließlich in der Feinstbearbeitung zur Herstellung von Oberflächen mit - geringsten Maßabweichungen - höchster Oberflächengüte - zumeist beim Drehen. Mit Schneiddiamanten werden alle Metalle mit keinem oder extrem niedrigem C-Gehalt, sowie Kunststoffe und Glas, bearbeitet. Schneiddiamanten sind äußerst hart und spröde, und daher extrem bruchempfindlich. Die Standzeit ist gegenüber Hartmetallen, bei gleichen Zerspanungsbedingungen, 40 bis 50 mal höher. Die Befestigung der Schneiddiamanten auf dem Werkzeugträger erfolgt durch Hartlöten, Einsintern oder Kaltfassen. Die Aufnahme des Schneiddiamanten am Werkzeugträger soll so gestaltet sein, daß keine zusätzlichen Einspann- bzw. Wärmespannungen (Hartlöten!!) entstehen. Diamant-Werkzeughalter Facetten-Diamantwerkzeug Schneidenlänge< 1mm, Einstellung mit Vergrößerungseinrichtung Polykristalline Schneidkörper haben einen Grundkörper aus Hartmetall, auf dem viele kleine Diamanten bei hoher Temperatur (ca C) und hohem Druck (ca. 70 kbar) aufkristalliert werden. 10