Spanende Fertigungsverfahren - Zusammenfassung

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1 Spanende Fertigungsverfahren - Zusammenfassung Zerspanen mit geometrisch bestimmter Schneide Schneidenanzahl bestimmt, Geometrie des Schneidkeils ist bekannt, Lage der Schneiden zum Werkstück ist definiert Spanbildungsmechanismus: Eindringen der Werkzeugschneide in den Werkstoff 3 Phasen: 1. Kontakt (Flächenpressung) zwischen Werkzeugschneide und Werkstoff elastische Verformung des Werkstoffs 2. Überschreitung der Schubfließgrenze plastische Verformung (Anstauchen) des Werkstoffs 3. Überschreitung der Schubfestigkeit Werkstofftrennung (Abscheren) am Ort der max. Schubspannungen (Scherebene) Abfließen des abgetrennten Materials Spanarten: Reißspan: kurzer (abgerissener) Span mit einzelnen zusammenhängenden Spanelementen und rauer Oberfläche ohne wesentliche Verformung entsteht bei Bearbeitung spröder Werkstoffe bzw. bei geringen Schnittgeschw. in Verbindung mit zu kleinen Spanwinkeln Scherspan: kurzer Span mit einzelnen zusammenhängenden Spanelementen und einer stark gezackten Oberfläche Spanlamellen werden in Scherzone nur geringfügig verformt, gegeneinander verschoben und anschließend wieder verschweißt entsteht bei Bearbeitung duktiler Werkstoffe bzw. bei geringen Schnittgeschw. in Verbindung mit zu kleinen Spanwinkeln Fließspan: Span mit zusammenhängenden Spanelementen und glatter Unterseite, kontinuierliches Abfließen des WS ohne Trennung in Scherebene entsteht bei Bearbeitung duktiler Werkstoffe bzw. bei hohen Schnittgeschw. in Verbindung mit großen Spanwinkeln Spanformen: ungünstig: Bandspan, Wirrspan, Schrägwendelspan befriedigend: Bröckelspan, zylindrischer Schraubenspan gut: Spiralspan, Spanlocken, Schraubenspanstücke Verbesserung Spanbrechung durch: - Verringerung Schnittgeschwindigkeit ( Verringerung Zeitspanvolumen, evtl. Aufbauschneidenbildung) - Verringerung Schnitttiefe ( Verringerung Zeitspanvolumen) - Verringerung Spanwinkel ( Spanbildung wird erschwert) - Erhöhung Vorschub ( Verschlechterung Rauheit) - Verwendung von Automatenstählen (Spanbrecher zulegiert) und Werkzeugen mit prozessangepassten Spanleitstufen Kinematik bei der Zerspanung: Bewegungen die an Spanentstehung beteiligt sind: - Schnittbewegung: (Hauptbewegung) bewirkt (ohne Vorschubbewegung) einmalige Spanabnahme während einer Umdrehung/Hub Schnittgeschwindigkeit: Relativgeschwindigkeit des betrachteten Schneidpunktes in Schnittrichtung, für rot. gilt: = = 1

2 - Vorschubbewegung: bewirkt mehrmalige/stetige Spanabnahme während mehrerer Umdrehungen/Hübe Relativgeschwindigkeit des Werkzeugs in Vorschubrichtung, für rot. gilt: = = - Wirkbewegung : bewirkt Zerspanvorgang, resultierende Bewegung aus Schnitt- und Vorschubbewegung - (Zustellbewegung): bestimmt Dicke der abzutragenden Schicht Schnittgrößen Parameter die zur Spanabnahme eingestellt werden müssen Vorschub f: Weg in Vorschubrichtung, der vom WZ/Wst pro Umdrehung/Hub zurückgelegt wird Zahnvorschub : Weg in Vorschubrichtung zwischen zwei unmittelbar nacheinander entstehenden Schnittflächen: = Spanungsverhältnis G: Verhältnis zwischen Schnitttiefe zu Vorschub bzw. Schnittbreite zu Vorschub: = Schnitttiefe/-breite: Breite/Tiefe des Eingriffs der Hauptschneide Spanungsgrößen werden aus Schnittgrößen und Werkzeuggeometrie abgeleitet Spanungsdicke h: Dicke des abzunehmenden Spans: h= sin Spanungsbreite b: Breite des abzunehmenden Spans: = Spanungsquerschnitt A, Fläche des abzunehmenden Spans: Zeitspanungsvolumen Q: vom WS in einer best. Zeiteinheit abzuspanendes Volumen, Maß für Effektivität des Spanungsvorganges Drehen, Hobeln, Stoßen: = = h =, Fräsen, Kreissägen: =, Bohren ins Volle: = = Geometrie des Schneidteils siehe Folien Zerspankraftkomponenten siehe Folien Zerspankraft : ist die bei einem Zerspanvorgang von einem Schneidteil auf das Werkstück wirkende Gesamtkraft. Sie setzt sich zusammen aus: - Aktivkraft (in Arbeitsebene), Zerlegung in: = + o Schnittkraft (in Schnittrichtung) o Vorschubkraft (in Vorschubrichtung) - Drangkraft (senkrecht zur Schnittfläche), Zerlegung in: : = + o Passivkraft (senkrecht zur Arbeitsebene) und Vorschubkraft - Stützkraft (nur beim Fräsen) (in Arbeitsebene senkrecht zur Vorschubrichtung) = + = + = + + 2

3 Die Schnittkraft wird umso größer, je - größer: die Schnitttiefe, der Vorschub f, die spezifische Schnittkraft - kleiner: der Freiwinkel, der Spanwinkel, Neigungswinkel - stärker der Werkzeugverschleiß, geringer die Schmierung außerdem ist abhängig von dem Zerspanungsverfahren und dem Werkzeugschneidenmaterial (HSS, Hartmetal, ) Verschleißformen und Verschleißursachen und entgegenwirkende Maßnahmen: - Ausbrüche mechanische Überbeanspruchung höhere Festigkeit der Schneide - Freiflächenverschleiß Abrasion höhere Härte - Aufbauschneidenbildung Adhäsion geringe Adhäsionsneigung zum bearb. WS - Kolkverschleiß Diffusion (+Abrasion) Diffusionsbeständigkeit (chem. Stabilit.) - Kerbverschleiß Oxidation (+Abrasion) Oxidationsbeständ. (chem. Stabilität) - Plastische Verform. mechan./therm. Überbeanspr. hohe Härte/Druckfestigkeit - Querrisse zu hohe mechan. Wechselbeanspruch. Zähigkeit - Kammrisse therm. Wechselbeanspruchung Thermoschockbeständigkeit Typische Eigenschaften und Anwendungen von Schneidstoffen - Werkzeugstähle: hohe Härte, verschleißbeständig, zäh - Kaltarbeitsstähle: Härte/Zähigkeit über Kohlenstoffanteil einstellbar Für HandarbeitsWZ (Feilen, WZ zum Gewindeschneiden, Sägeblätter) - Schnellarbeitsstähle HSS: hohe Warmhärte/Anlassbeständigk. Gute Duktilität Bohrer, Reibahlen, Fräser, Kreissägeblätter, Räumwerkzeuge - WC-basierte Hartmetalle: höhere Warmhärte/Verschleißbeständigk., aber spröder Erhöhung Karbidanteil (TiC, NbC) führt zur Reduzierung des Diffusionsverschleißes Erhöhung Kobaltanteil führt zur Verbesserung der Kantenstabilität Wendeschneidplatten, Bohrer, Reibahlen, Kreissägeblätter, Gewindeschneid-WZ - Cermets: höhere Härte, Verschleißfest., Temp-/Oxidationsbeständ. als Hartmetalle durch Beschichten (PVD) Verbesserung der Zähigkeit/Duktilität Wendeschneidplatten/Fräser zum Schlichten v. Stählen, Schruppbearbeitung - Schneidkeramiken (Oxid-, Misch-, whiskerverstärkte-, nichtoxidische Keramik): sehr hohe Härte, hohe Verschleiß-/Temperatur- und chem. Beständigkeit, sprödbruchanf. Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschw. (Stahl-/Gusswerkstoffe in Serie) - Kubisches Bornitrid (CBN): zweithärtester, sehr hohe Temp.best./chem. Beständ. 3

4 Bearbeitung gehärteter Stähle, Hartguss, Gusseisen, Hartstoffschichten - Diamant (PKD, CVD, MKD, Naturdiamant): härtester Werkstoff, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, geringe Reibwerte, starke Affinität zu Eisen Bearbeitung härtester Werkstoffe (Nichteisenmetalllegierungen), abrasiv wirkender WS, Kunststoffe und Holzwerkstoffe Drehen: Verfahrensprinzip - Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung des Werkstücks und beliebiger, quer zur Schnittrichtung liegender Vorschubrichtung - Schnittbewegung wird durch Rotationsbewegung erzeugt - Vorschub- und Zustellbewegungen werden durch translatorische Bewegungen erzeugt Fräsen: Verfahrensprinzip - Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung des Werkzeugs (WZ meist mehrzahnig) - Schneiden nicht ständig im Eingriff: unterbrochener Schnitt hohe therm. Wechselbeanspruchung des WZs/Schneidstoffs (Spanungsdicke h ist WZabh.) - Vorschub- und Zustellbewegungen werden durch Werkzeug und/oder Werkstück erzeugt -nur eine Schneide im Eingriff Drehen bei unveränderlichen Zerspanungsbedingungen gleichbleibende Kräfte - mehrere Schneiden im Eingriff Fräsen Zerspankraft schwankt in Größe und Richtung (durch Rotationsbewegung) Verfahrensvarianten: Stirnfräsen: an der Stirnseite des WZ liegende Nebenscheiden erzeugen die WS-Oberfläche (vglw. hoher Zeitspanungsvolumen) Umfangsfräsen: am Umfang des WZ liegende Hauptschneiden erzeugen die WS-Oberfläche wellige Oberfläche Stirn-Umfangsfräsen: am Umfang des WZ liegende Hauptschneiden und an der Stirnseite des WZ liegende Nebenscheiden erzeugen gleichzeitig die WS-Oberfläche glatt; Zerspanungsarbeit hauptsächl. von Umfangsschneiden Gleichlauffräsen: im Eingriffsbereich sind die Drehrichtung des Fräsers und die Werkstückbewegung gleichgerichtet genauere und gleichmäßigere Oberflächen, Zerspankraft drückt WS in Richtung Maschinentisch, für schwierig zu spanenden WS geeignet Gegenlauffräsen: im Eingriffsbereich sind die Drehrichtung des Fräsers und die Werkstückbewegung entgegengerichtet Zerspankraft bewirkt Abheben des Werkstücks vom Maschinentisch 4

5 Merkmal Gleichlauffräsen Gegenlauffräsen Bewegungsrichtung Spanungsdicke Auswirkung auf Zerspanungsprozess Vorschubbewegung des Werkstücks und Schnittrichtung des Werkzeugs sind gleich gerichtet bei Fräseintritt: h=h bei Fräsaustritt: h=0 glatte und präzise Oberfläche Durchtrennen von nicht abtransportierten Spänen Vorschubbewegung des Werkstücks und Schnittrichtung des Werkzeugs sind entgegen gerichtet bei Fräseintritt: h=0 bei Fräsaustritt: h=0 wellige Oberfläche hohe Zerspanungstemperatur (Spaneinzug zw. WS/WZ mögl.) Kraftrichtung Werkstück wird auf Maschinetisch gedrückt ( Klettern ) Werkstück wird vom Maschinetisch weggedrückt ( Ansuagen ) Anwendungen Vorzugsvariante (Voraussetzung: ausreichende Steifigkeit der Maschine) bei harten Schichten am Rand (Gusshaut, Schmiehaut, Schweißnähte) Besonderheiten bei der Spanbildung: Drehfräsen: Überlagerung der Hauptschnittbewegung des rotierenden Fräserwerkzeugs mit einer langsamen Drehbewegung des WS und einer Vorschubbewegung Verfahrensvarianten siehe Folie 199/200 HSC-Bearbeitung: High-Speed-Cutting= Zerspanung mit deutlich höherer Schnittgeschwindigkeit Trockenbearbeitung oder Minimalmengenschmierung geringe Schnitttiefen/-breiten und Arbeitseingriffe, hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten - linearer Anstieg des Zeitspanungsvolumens mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit - lineare Verringerung der Schnittzeit mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit - Komponenten der Zerspankraft sind bis zu 30% kleiner (durch die kurzzeitig sehr große Wärmemenge in der Scherzone reduziert sich die Festigkeit des Werkstoffs) - Anstieg der Zerspanungstemperatur mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit bis Maximum (95% Wärmeabfuhr über Span) Bohren: - Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung, - die Drehachse des WZ und die Achse der zu erzeugenden Innenfläche stimmen überein - die Vorschubbewegung verläuft entlang dieser Achse - Erzeugung der rotatorischen Schnittbewegung durch WZ oder WS, Vorschubbewegung erfolgt meist durch WZ Bohrwerkzeuge: siehe Folien einteilige: Wendelboher (zweischneidiger Bohrer, i.d.r. aus HSS) - Dreischneidenbohrer (höhere Vorschubwerte mgl.; gutes Zentrierverhalten, guter Spanabtransport durch große Spanräume): Bohren v. Stahl/Alu/Guss 5

6 - NC-Anbohrer: Anbohren von Werkstücken zur besseren Zentrierung des Bohrers - Zentrierbohrer: Herstellung von Zentrierbohrungen - Gewindebohrer: Herstellung von Innengewinden, Voraussetzung ist ein vorhandenes Kernloch, wichtig: Synchronisation von f und n - Mehrfasenstufenbohrer: Bohrer mit (2) unterschiedlichen d zur Einsparung einer Arbeitsstufe Durchgangsbohrung f. Zyl.kopfschrauben - Einlippenbohrer: einschneidiges Bohrwerkzeug zur Herstellung v. Bohrungen mit hoher Maß- und Formgenauigkeit, Oberflächengüte Tiefbohren v. Alu/Guss - Kernbohrer: innen hohler Bohrer zur Erzeugung rot.symm Nuten und Durchgangsbohrungen mehrteilige: mit Wendeschneidplatten bestückter Bohrer (Vorteil, nur Wendeschneidplatten unterliegen Verschleiß) Spatenbohrer: Bohrer besteht aus einem Blatt und einem Halter große Räume für Spanabführung Senkwerkzeuge Kugelsenker: zum Entgraten und Ansenken von Bohrwerkzeugen Entgratungssenker: Vorteil: Späne werden durch Bohrung zum Schaft abgeführt und können so Senkung nicht beschädigen Zapfensenker: Zapfen wird in Bohrung geführt und gewährleistet so zentrischen Sitz der Senkung Herstellung (Planei)senkung f. Zyl.kopfschrauben Reibwerkzeuge Reibahlen: bestehen aus Anschnitt und Führung, zum Erreichen hoher Maßgenauigkeit, Rundheit, guter Oberflächenqualität Zerspanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Spanbildungsmechanismus (im Vergleich zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide) Gemeinsamkeiten: Spanbildung in 3 Phasen: elastische Verformung plastische Verformung Abscherung Unterschiede: - Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidteile und Lage der Schneiden zum Werkstück sind unbestimmt ständiges verändern von Schneidengeometrie und -anzahl durch Verschleiß während des Zerspanprozesses (mikroskopisch) - Schneidstoff: loses oder im Werkzeug gebundenes Korn - Werkzeugschneide ist keine homogener Werkstoff Bildung der Schneide durch viele Schleifmittelkörner (Einzelschneiden) 6

7 Verschleiß -Mikroverschleiß: sehr hohe Drücke/Temperaturen Diffusions- und Oxidationsvorgänge Senkung Abriebwiderstand verstärkte Abrasion -Makroverschleiß: hohe mech.(therm Wechselbelastung Rissbildung im Kristallverbund (Bindungsverschleiß) und in Körnern (Kornverschleiß) Herausbrechen von Körnern Auswirkungen: - Kanten- und Profilveränderungen an den Werkzeugen Formabweichungen am Werkstück - Verschlechterung der Zerspanbedingungen erhöhte Kräfte - Verschlechterung der Oberflächengüte Schleifen: - Zerspanungsverfahren, bei dem die Spanabnahme durch ein vielschneidiges Werkzeug mit geom.uunbest. Schneide erfolgt - Werkzeug führt Schnittbewegung aus, Vorschubbewegung von WZ oder Wst ausgeführt (abh. Vom Arbeitsverfahren) - hohe Schnittgeschwindigkeiten (bis 7200m/min) Schleifen mit rotierendem Werkzeug: kein ständiger Kontakt von Schleifkorn und Werkstück, hohe Schnittgeschwindigkeiten Außen- und Innenschleifen (Lage der zu erzeugenden Fläche); Plan-, Rund-, Form-, und Profilschleifen (Art der zu erzeugenden Fläche) Quer-, Längs- und Schrägschleifen (Richtung d er Vorschubbewegung); Umfangs- und Seitenschleifen (Eingriff des Werkzeuges) Bandschleifen: WZ besteht aus Schleifband (=Schleifkörner auf einer Unterlage), das über mind. 2 rot. Rollen umläuft Schleifband an WS gepresst kein ständiger Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug Hubschleifen: spanen mit nicht rotierendem WZ, meist geradlinige hin-und hergehende Schnittbewegung, ständiger Kontakt zw. WS und Schleifkorn Anwendungen: Endbearbeitung von Werkstücken mit hoher Oberflächengüte und Maßgenauigkeit, Grobbearbeitung von Rohteilen (z.b. Putzen von Gussteilen), Schleifen/Nachschleifen von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide Werkzeug: Zusammensetzung: gekörntes Schleifmittel, Bindemittel (Zusammenhalt), dazwischen Porenraum (Abtransport Späne) Schleifmittel: Korund, Siliziumkarbid, CBN, Diamant Vorteile: gute Bearbeitbarkeit harter und schwer zerspanbarer Werkstoffe, hohe Oberflächenqualität, hohe Maß-, Form- und Lagegenauigkeit Nachteile: geringes Zeitspanvolumen und höherer Energiebedarf im Vgl. zum Drehen/Spanen, geringe Flexibilität bei der Formgebung, sehr hohe Temperaturen in der Kontaktzone Anlauffarben, Gefügeänderungen Abrichten: - Erzeugen einer definierten Werkzeugprofils, Schärfen von Werkzeugen (mit Korund oder SiC) - Wiederherstellen der durch Verschleiß veränderten geometr. Ausgangsform der Scheibe sowie deren Rundlaufgeometrie 7