Tabellenbuch für Zerspantechnik

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1 EUROPA-ACHBUCHREIHE für Metallberufe Thomas Apprich Burkhard Heine Thomas Liesch Josef Brenner Armin Hochstatter Alexander Pflug Michael Dambacher Sven Holzberger Dietmar Schmid ranz Dreher abian Holzwarth Taghi Tawakoli Georg ischer Harald Kaiser Rainer Vogel Gerd Greiner Tabellenbuch für Zerspantechnik 1. Auflage Europa-Nr.: VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten

2 2 Autoren: Apprich, Thomas Dipl. Ing. (H), Studiendirektor Aalen Brenner, Josef Dipl. Ing. (H), Studienrat Dorfmerkingen Dambacher, Michael Dipl. Ing., Studiendirektor Aalen Dreher, ranz Technischer Oberlehrer i. R. Denkingen ischer, Georg Dipl. Ing. (H), Studiendirektor Neresheim Greiner, Gerd Dipl. Ing. (H), Studienrat Rosenberg Heine, Burkhard Dr. rer. nat., Prof. Aalen Hochstatter, Armin Technischer Lehrer Neresheim Holzberger, Sven Dipl. Wirt. Ing. (H), Studienrat Kornwestheim Holzwarth, abian Dr.- Ing., Prof. Adelmannsfelden Kaiser, Harald Dr.- Ing., Prof. Heubach Liesch, Thomas Dipl. Ing. (H), Studienrat Westhausen Pflug, Alexander Dipl. Ing., Oberstudienrat Schwäbisch Gmünd Schmid, Dietmar Dr.- Ing., Prof. Essingen Tawakoli, Taghi Dr.- Ing., Prof. reiburg Vogel, Rainer Oberstudienrat Aalen Lektorat und Leitung des Arbeitskreises: Michael Dambacher Bildbearbeitung: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, Rimpar Betreuung der Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlags Europa-Lehrmittel, Ostfildern Die Angaben in diesem Tabellenbuch beziehen sich auf die neuesten Ausgaben der Normblätter, Regelwerke und Herstellerempfehlungen. Es sind jedoch nur auf das Wesentliche beschränkte, ausgewählte Teile der originalen Dokumentationen. Verbindlich für die Anwendung sind nur die Original-Normblätter mit dem Ausgabedatum des DIN (Deutsches Institut für Normung e.v.) selbst oder entsprechende Herstellerunterlagen. DIN-Blätter können durch die Beuth Verlag GmbH bezogen werden. Das vorliegende Tabellenbuch wurde mit aller gebotenen Sorgfalt erarbeitet. Dennoch übernehmen die Autoren, der Herausgeber und der Verlag für die Richtigkeit der Angaben sowie für eventuelle Satz- und Druckfehler keine Haftung. 1. Auflage 2015 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten älle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Umschlaggestaltung: Grafische Produktionen Neumann, Rimpar, unter Verwendung eines Autorenfotos an der Technischen Schule Aalen Satz: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, Rimpar Druck: B.O.S.S Medien GmbH, Goch

3 Vorwort Die Zerspantechnik ist ein innovativer Produktionsbereich der einem beständigen Wandel unterliegt. Moderne Bearbeitungsstrategien, Werkzeug- und Schneidstoffentwicklungen werden in der praktischen Anwendung und in wissenschaftlichen Untersuchungen verbessert und weiterentwickelt. Die dynamische Wettbewerbssituation auf dem Markt führt zu verbesserten Produkten, Bearbeitungstechnologien und Produktionsalternativen. Arbeitsschutz und Umweltschutz A 3 Das vorliegende Tabellenbuch Zerspantechnik soll die Lücke zwischen den überwiegend theorieorientierten Lehrbüchern und den mit meist geringen theoretischen Grundlagen für die Praxis geschriebenen Nachschlage- und Tabellenwerken schließen. Die Autoren haben sich zum Ziel gesetzt, die allgemeinen, physikalischen und technischen Grundlagen gemäß dem heutigen Wissensstand darzustellen. Zur intensiven Auseinandersetzung mit den Technologien sind eine große Anzahl von Schaubildern, Berechnungsgleichungen, Diagrammen und Tabellen zusammengestellt. Das Buch richtet sich an alle, die e aus metallischen Werkstoffen durch spanende ertigungsverfahren professionell herstellen. Lernende und Lehrende in Ausbildung, Beruf und Weiterbildung finden hier Größengleichungen, ormeln, Diagramme, Tabellenwerte und Berabeitungstechnologien die zum Bearbeiten von technischen Grundlagen und angewandten ertigungsverfahren notwendig sind. Die relevanten Themen aus Physik, Mathematik, Werkstofftechnik, Elektrotechnik, Mechanik, estigkeitslehre, Maschinentechnik, Steuerungs- und CNC- Technik und Qualitätstechnik sind im Buch ebenso zu finden wie Hinweise auf Zeichnungsnormen, Arbeits- und Umweltschutz, Produktivität, Wirtschaftlichkeit, Betriebsstoffe und Wartung von Maschinen und Anlagen. Damit ist dieses Buch auch für Meister, Techniker und Ingenieure in der praktischen Umsetzung und Anwendung besonders geeignet, da die ausführlichen Darstellungen der Themengebiete zur Lösung einer speziellen Aufgabenstellung schnell zugeordnet werden können. Die angegebenen Einsatzrichtwerte sind abhängig vom verwendeten Schneidstoff, der Schneidengeometrie, der geometrie und von den Zerspanungsbedingungen. Von den Werkzeugherstellern werden für die verschiedenen Werkstoffgruppen und Bearbeitungsbedingungen eine Vielzahl von Wendeschneidplattensorten, Hartstoffbeschichtungen und optimierten Schneidengeometrien angeboten. Deshalb dienen die Richtwerte in den Tabellen als erste Orientierung für den jeweiligen Einsatzbereich. Grundlagen Technische Kommunikation und Maschinenelemente Werkstofftechnik Zerspantechnik und Betriebstechnik Produktionsmanagement und Qualitätsmanagement G K W Q Die mechanischen Werkstoffkennwerte sind von der Erzeugnisdicke, dem Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren, vom Wärmebehandlungszustand und von der jeweiligen Legierungsgruppe abhängig. Dem zufolge sind Abweichungen von den Kennwerten möglich. Steuerungstechnik und Regelungstechnik S Sommer 2015 Autoren und Verlag

4 4 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis A Arbeits- und Umweltschutz 5 A1 Arbeitsschutz A3 Erste Hilfe A2 Umweltschutz G Grundlagen 21 G1 Allgemeine Grundlagen G2 Mathematische Grundlagen G3 Physikalische Grundlagen G4 estigkeitsberechnungen G5 Elektrotechnische Grundlagen K Technische Kommunikation und Maschinenelemente 69 K1 Grundlagen K2 Zeichnungsangaben K3 Maschinenelemente W Werkstofftechnik 129 W1 Stoffeigenschaften W2 Werkstoffprüfung W3 Wärmebehandlung W4 Halbzeuge W5 Zerspanbarkeit W6 Stahlwerkstoffe W7 Gusseisenwerkstoffe W8 Nichteisenmetalle W9 Sintermetalle W10 Kunststoffe ertigungs- und Betriebstechnik Grundlagen der Zerspantechnik Schneidstoffe und Beschichtungen Bohren und Senken Reiben Sägen Biegen rästechnik Drehtechnik Automatendrehtechnik Gewindeherstellung Räumen ertigungstechnologien Schleiftechnik Betriebstechnik B1 Wartung und Instandhaltung B2 Betriebstoffe B3 Werkzeugmaschinen B4 Werkzeugspanntechnik B5 spanntechnik B6 Unwucht B7 Anschlagmittel Q Produktions- und Qualitätsmanagement 369 Q1 Produktionsplanung und Produktionssteuerung Q2 Qualitätsmanagement Q3 Geometrische Messtechnik S Steuerungs- und Regelungstechnik 411 S1 Steuerungstechnik S2 Regelungstechnik S3 CNC-Antriebssysteme S4 Robotertechnik S5 Nummerische Steuerungen CNC-Programmiersystem- Drehen CNC-Programmiersystem- räsen Sachwortverzeichnis

5 1 ertigungstechnik Grundlagen der Zerspantechnik 1 Grundlagen der Zerspantechnik Schneidstoffe und Beschichtungen Lamellen 3 Bohren und Senken Reiben Spanunterseite Spanoberseite 5 Sägen Biegen rästechnik Drehtechnik Automatendrehtechnik Gewindeherstellung Räumen ertigungstechnologien Schleiftechnik Betriebstechnik B1 Wartung- und Instandhaltung B2 Betriebsstoffe B3 Werkzeugmaschinen B4 Werkzeugspanntechnik B5 spanntechnik B6 Unwucht B7 Anschlagmittel

6 200 ertigungs- und Betriebstechnik ertigungsverfahren Einteilung der ertigungsverfahren Die ertigungsverfahren werden nach DIN 8580 in sechs Hauptgruppen eingeteilt. 1. Urformen 2. Umformen 3. Trennen 4. ügen 5. Beschichten 6. Stoffeigenschaft ändern 1.1 aus dem flüssigen Zustand Gießen 1.2 aus dem breiigen Zustand Strangpressen 1.3 aus dem festen Zustand Sintern 2.1 Druckumformen Walzen 2.2 Zugdruckumformen Tiefziehen 2.3 Zugumformen Längen, Weiten, Tiefen 2.4 Biegeumformen Biegen 3.1 Zerteilen Scherschneiden, Keilschneiden 4.3 ügen durch Einpressen, Schrumpfen, Schrauben 4.4 ügen durch Umformen Nieten 4.5 ügen durch Schweißen 4.6 ügen durch Löten 4.7 ügen durch Kleben 5.1 aus dem gasoder dampfförmigen Zustand PVD, CVD 5.2 aus dem flüssigen oder breiigen Zustand Lackieren, Verzinken 5.3 aus dem ionisierten Zustand Galvanisieren 5.4 aus dem festen Zustand lammspritzen 6.1 Umlagern von Stoffteilchen Härten 6.2 Aussondern von Stoffteilchen Entkohlen 6.3 Einbringen von Stoffteilchen Nitrieren, Aufkohlen 3.2 Spanen Bohren Reiben Aufbohren Sägen Räumen Werkzeug Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide Drehen räsen Werkzeug Hobeln Stoßen Werkzeug Werkzeug Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide Schleifen Honen Läppen Werkzeug Werkzeug Werkzeug

7 1 Grundlagen der Zerspantechnik 201 Spanungsvorgang Spanungsbewegungen Bewegung Definition Geschwindigkeit Schnittbewegung Spanungsbewegung in Schnittrichtung. Sie bewirkt die Spanabnahme bei einer - oder Werkzeugumdrehung. Vorschubbewegung Positionierbewegungen Anstellbewegung Zustellbewegung Nachstellbewegung Wirkbewegung Bohren Werkzeug Spanungsbewegung in Vorschubrichtung. Sie bewirkt zusammen mit der Schnittbewegung eine kontinuierliche Spanabnahme. Bringt das Werkzeug in Startposition. Bestimmt die Spanungsdicke h bzw. die Spanungsbreite b. Korrigierbewegung der Position. Aus der Schnitt- und Vorschubbewegung resultierende Spanungsbewegung in Wirkrichtung. Drehen Schnittgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit v c eines Schneidenpunktes in Schnittrichtung. Vorschubgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit v f des Werkzeuges in Vorschubrichtung. Positioniergeschwindigkeit Die Stellgeschwindigkeit beim Positionieren (Eilganggeschwindigkeit). Wirkgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit v e eines Schneidenpunktes in Wirkrichtung. Geschwindigkeiten der Hauptbewegungen v e v c räsen Schleifen Werkzeug Werkzeug v f Anstellen Zustellen Nachstellen Geschwindigkeiten Schnittgeschwindigkeit v c Schnittgeschwindigkeit in m/min d Durchmesser in mm n Drehzahl (Drehfrequenz) in min 1 Beispiel 1: Bohrerdurchmesser d = 8 mm, Schnittgeschwindigkeit v c = 40 m/min Gesucht: Drehzahl n 40 m/min mm/m n = = p 8 mm min Schnittgeschwindigkeit bei rotatorischer Schnittbewegung Drehzahl v c = p d n n = v c p d Vorschubgeschwindigkeit v f Vorschubgeschwindigkeit in mm/min n Drehzahl (Drehfrequenz) in min 1 f z Vorschub pro Zahn in mm f Vorschub in mm z Zähnezahl Vorschubgeschwindigkeit v f = f z z n v f = f n

8 202 ertigungs- und Betriebstechnik Spanungsgeometrie Einstellwinkel Bohren Drehen räsen ød ød (Kappa) k = j 2 j Spitzenwinkel (Sigma) k e k Einstellwinkel (Kappa) Eckenwinkel (Epsilon) e Arbeitsebene Arbeitsebene Der Einstellwinkel k gibt die Lage der Hauptschneide zur Arbeitsebene an k Schnittgrößen Schnittgrößen sind technologische Kenngrößen, die zur Spanabnahme eingestellt werden müssen. Vorschub Schnitttiefe Schnittbreite Der Vorschub f ist der Spanungsweg in Vorschubrichtung, der bei einer - oder Werkzeugumdrehung in Millimeter zurückgelegt wird. Die Schnittiefe a p ist die Eingriffstiefe der Hauptschneide. Sie wird in axialer Werkzeugrichtung senkrecht zur Arbeitsebene in Millimeter gemessen. Die Schnittbreite a e (Arbeitseingriff) ist die Eingriffsbreite der Hauptschneide. Sie wird in radialer Werkzeugrichtung parallel zur Arbeitsebene in Millimeter gemessen. ød f f z a p a p a p = D 2 Spanungsgrößen Spanungsgrößen werden aus den Schnittgrößen abgeleitet und beschreiben die Größe und die orm des abzutrennenden Spanungsquerschnitts. Spanungsdicke Spanungsbreite Spanungsquerschnitt Die Spanungsdicke h entspricht der Dicke des Spans in Millimeter. f Die Spanungsbreite b entspricht der Breite des Spans in Millimeter. a e Der Spanungsquerschnitt A ist der Querschnitt des abzutrennenden Spans in mm 2. f A k a p b a p b h h Spanungsdicke Spanungsbreite Spanungsquerschnitt h = f sin k b = a p sin k A = a p f = b h

9 1 Grundlagen der Zerspantechnik 203 Spanformen Spanbildung h Ä Spanungsdicke Scherwinkel Scherebene Ä Scherwinkel g Spanwinkel g h Spandickenstauchung Scherwinkel tan Ä = cos g l h sin g Spanwinkel l h Spandickenstauchung l h < 1 h 1 gestauchte Spandicke h undeformierte Spandicke v sp Spangeschwindigkeit v c Schnittgeschwindigkeit v h Spandickenstauchung h 1 Spandicke Schneidkeil Spandickenstauchung l h = h 1 h Spangeschwindigkeit v sp = v c l h m sp Spanflächenreibwert r Reibwinkel R Reibkraft N Normalkraft N f R C g Spanflächenreibwert tan Ä = e m sp p/2 m sp = tan r = R N ür g ; 0 gilt: R ; f und N ; c f Vorschubkraft c Schnittkraft tan Ä = cos g l h sin g Spanformen Ungünstige Spanformen Brauchbare Spanformen Günstige Spanformen Bandspäne Schrägwendelspäne Kurze zylindrische Wendelspäne Wirrspäne Lange zylindrische Wendelspäne Spiralwendelspäne lachwendelspäne Spanlocken, Bröckelspäne Spiralspäne Spanraumzahl Spanform Spanraumzahl R Bandspäne 6 90 Wirrspäne 6 90 lachwendelspäne 6 50 lange zyl. Wendelspäne 6 50 kurze zyl. Wendelspäne 6 25 Spiralspäne 6 8 Spanlocken 6 8 Bröckelspäne 6 3 R Spanraumzahl Spanraumzahl Q sp Spanvolumen Werkstoffvolumen R = Q sp Q w Q w Q sp Spanvolumen in mm 3 /min Werkstoffvolumen Q w zerspantes Werkstoffvolumen in mm 3 /min a p Schnitttiefe in mm f Vorschub in mm Schnittgeschwindigkeit in m/min v c Q w = a p f v c Spanvolumen Q sp = R Q w

10 204 ertigungs- und Betriebstechnik Spanungsvolumen Spanbruchdiagramm Im Spanbruchdiagramm ist der Zusammenhang zwischen der Spandickenstauchung l h und dem Scherwinkel Ä dargestellt. Spanformdiagramm Im Spanformdiagramm ist der Zusammenhang zwischen der Schnitttiefe a p und dem Vorschub f dargestellt. Scherwinkel Ä Richtwerte für Ä: Reißspäne: Ä < 20 Scherspäne: 20 < Ä < 30 ließspäne: Ä < 30 ließspangebiet Scherspangebiet Reißspangebiet Vorschub f 0,8 mm U 0,4 0,2 Kriterium Oberfläche Günstige Spanformen Kriterium Spanbruch mm l h 3 Spandickenstauchung l h Schnitttiefe a p Werkstoff: C45 v c = 200 m min Zeitspanvolumen Das Zeitspanvolumen Q entspricht dem abzuspanenden Werkstoffvolumen pro Zeiteinheit (min). Q Zeitspanvolumen in mm 3 /min Zeitspanvolumen A Spanungsquerschnitt in mm 2 v c Schnittgeschwindigkeit in m/min Q = A v c D Bohrerdurchmesser a p Schnitttiefe in mm Spanungsquerschnitte a e Schnittbreite in mm Bohren Drehen räsen f Vorschub in mm h m Mittlere Spanungsdicke in mm A A z e Zähne im Eingriff D = a p f = a p h m Z e A B = D f b Spanungsbreite in mm 2 A D = b h A = a e h m Z e h Spanungsdicke in mm Leistungsbezogenes Zeitspanvolumen Das Zeitspanvolumen Q p entspricht dem in einer Zeiteinheit (min) abzuspanende Werkstoffvolumen in mm 3 bezogen auf die an der Schneide verfügbaren Schnittleistung P c in Watt. Q P Leistungsbezogenes Zeitspanvolumen in mm 3 /min 1/W Leistungsbezogenes Zeitspanvolumen Q P = Q P c = A vc P c Beispiel: Wendeplattenbohrer mit zwei Schneiden, Durchmesser D = 40 mm, Vorschub f = 0,16 mm, Schnittgeschwindigkeit v c = 100 m/min, gemessene Schnittleistung P c = 8,1 kw. Spanungsquerschnitt Bohren A B = D f = 40 mm 0,16 mm 2 2 A B = 3,2 mm 2 Leistungsbezogenes Zeitspanvolumen Q P = Q = A v c mm/m P c P c = 3,2 mm2 100 m/min mm/m W Q P = 39,5 mm 3 min W

11 1 Grundlagen der Zerspantechnik 205 Zerspankräfte Zerspankraftkomponenten Die Zerspanungskräfte entstehen durch den Scherwiderstand des Werkstoffs und durch die Reibung auf der Spanfläche und an der reifläche des Schneidkeils. In vereinfachter orm kann man die am Schneidkeil angreifenden Kräfte in Kraftvektoren darstellen. Schnittkraft c Vorschubkraft f Zerspankraft z Passivkraft p Bohren Drehen räsen z p p f c f Aktivkraft Nebenkraft z Vorschubkraft und Passivkraft Beispiel: Längsdrehen, Werkstoff C45E, Schnitttiefe a p = 4 mm, Spanwinkel g = 6, Einstellwinkel k = 75, Neigungswinkel l = 0, Schnittgeschwindigkeit n c = 120 m/min, Vorschub f = 0,21 mm Bestimmen Sie die Zerspankraftkomponenten. h = f sin k = 0,21 mm sin 75 = 0,2 mm A = a p f = 4 mm 0,21 mm = 0,84 mm 2 c = A k c = 0,84 mm = 2756 N 0,20,14 p = A k p = 0,84 mm = 619 N 0,20,43 f = A k f = 0,84 mm = N 0,20,73 z = 2 c + 2 p + 2 f = 3068 N Abhängigkeit der Zerspankraftkomponenten p Werte für k c1.1, k p1.1 und k f1.1 auf Seite 211 c N z spezifische Schnittkraft k c spezifische Vorschubkraft k f spezifische Passivkraft k p a Arbeitsebenbe 4000 N/mm f a p a c k c ,08 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0mm2,0 Spannungsdicke h a f kf1.1 k p1.1 Diagramm: Spezifische Kräfte beim Zerspanen Ermittelt beim Drehen mit Spanwinkel g = 6, Einstellwinkel k = 75, Neigungswinkel l = 0, Schnittgeschwindigkeit n c = 120 m/min, Werkstoff: C45E c c c f c c f p f f p p p Vorschub f v c Einstellwinkel k Schnitttiefe a p

12 206 ertigungs- und Betriebstechnik Schnittkraft Schnittkraftberechnung Hauptschnittkraft c Hauptschnittkraft in N A Spanungsquerschnitt in mm 2 b Spanungsbreite in mm h Spanungsdicke in mm a p Schnitttiefe in mm f Vorschub in mm k c Spezifische Schnittkraft in N/mm 2 k c1.1 Hauptwert der spez. Schnittkraft in N/mm 2 m c Werkstoffkonstante Bestimmung von k c siehe ab Seite 207 Hauptschnittkraft Spezifische Schnittkraft Spanungsquerschnitt A = b h c = A k c k c = k c1.1 h m c A = a p f Spanungsquerschnitt Bohren Drehen räsen ød f z A 1 A 2 f 2 a p a e h m A = A 1 + A 2 A = 2 D f 2 2 D 2 f Spanungsquerschnitt Spanungsquerschnitt Spanungsquerschnitt A B = D f 2 A D = a p f A = a e h m z e ür zweischneidigen Wendelbohrer a p Schnitttiefe in mm f Vorschub in mm Weitere Bestimmungsgleichungen für Bohren siehe ab Seite 228. Spezifische Schnittkraft a p Schnitttiefe in mm f Vorschub in mm Weitere Bestimmungsgleichungen für Drehen siehe ab Seite 271. a e räsbreite in mm h m Mittlere Spanungsdicke in mm z e Zähne im Eingriff Weitere Bestimmungsgleichungen für räsen siehe ab Seite 249. Einflüsse auf die spezifische Schnittkraft orm des Spanungsquerschnitts Die spezifische Schnittkraft k c ist erforderlich, um Die geometrische orm des Spanungsquerschnitts den Spanungsquerschnitt A = 1 mm 2 eines Werkstoffs zu (A = b h) beeinflusst die spezifische Schnittkraft k c. zerspanen. Werkstoff, k c1.1, m c Spanungsdicke, h Spanungsquerschnitt, A k c Spanungsquerschnitt: A 1 = A 2 = A 3 = konstant=1mm 2 A = a p f = b h =1mm 2 Spanwinkel, g k c Schnittgeschwindigkeit, v c k c1.1 Werkzeugverschleiß ertigungsverfahren, Spanstauchung h b 1 mm h A 1 A 2 A 3 b h = 2 0,5 b h = 1 1 b h = 0,5 2

13 1 Grundlagen der Zerspantechnik 207 Spezifische Schnittkraft Bestimmung der spezifischen Schnittkraft mit der k c -Geraden k c -Gerade für 16MnCr5 Spezifische Schnittkraft k c = k c1.1 = k c1.1 h (1 m c ) h mc log k c in N/mm 2 a 1 k c1.1 = 2100 N/mm 2 tan a = m c = 0,26 log h in mm Werkstoffkonstante k c Spezifische Schnittkraft in N/mm 2 k c1.1 Hauptwert der spezifischen Schnittkraft gültig für einen Spanungsquerschnitt A = b h = 1 mm 1 mm = 1 mm 2 m c Werkstoffkonstante h Spanungsdicke in mm Der Steigungswinkel tan a der Geraden ist werkstoffabhängig und wird als Werkstoffkonstante m c bezeichnet. Näherungsformel für Stahlwerkstoffe aktor 4 für größere Spanungsdicken h Näherungsformel für aktor 6 für kleinere Spanungsdicken h k R m Zugfestigkeit in N/mm 2 Stahlwerkstoffe c ; (4 bis 6) R m Näherungswerte für die spezifischen Schnittkräfte der Zerspanungshauptgruppen Zerspannungshauptgruppe R m in N/mm 2 tan a = Dk c Dh = m c k c1.1 in N/mm 2 Stahl Unlegierte, weiche Baustähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt < ,2 Unlegierte Stähle mit geringem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt, C < 0,5 % Einsatzstähle, Vergütungsstähle, Automatenstähle < ,2 Niedrig legierte Stähle mit geringem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt, P Einsatzstähle, Vergütungsstähle, Stahlguss, ferritische < ,24 rostfreie Stähle, Nitrierstahl Normalharte Werkzeugstähle, Kaltarbeitsstähle, härtere Vergütungsstähle, martensitische rostfreie Stähle < ,27 Schwer zerspanbare Werkzeugstähle, hochlegierte Stähle, harter Stahlguss < ,25 Hochfeste Stähle, gehärtete Stähle, schwer zerspanbare Stähle > ,23 Nichtrostende Stähle M Gut bearbeitbare rostfreie Stähle ,24 Austenitische rostfreie Stähle ,2 Gusseisen Grauguss, GJL ,23 K Kugelgraphitguss, GJS, Temperguss, Niedrig legierter Guss ,25 Gusseisen mittlerer Härte, Temperguss, Niedrig legierter Guss ,28 Höher legierter Guss, Temperguss, schwer zerspanbar ,19 N NE-Metalle Gut zerspanbare NE-Legierungen, Aluminium, Magnesium, Messing 470 0,27 Aluminiumlegierungen mit hohem Si-Anteil (> 16 % Si) 680 0,27 Super-Legierungen und Titanlegierungen S Nickel-, Kobalt-Eisenlegierungen, Warmfeste Stähle, Härte < 30 HRC ,22 Nickel-, Kobalt-Eisenlegierungen, Warmfeste Stähle, Härte > 30 HRC ,24 Titanlegierungen ,22 m c

14 208 ertigungs- und Betriebstechnik Spezifische Schnittkraft Bestimmung der spezifischen Schnittkraft unter Berücksichtigung von Einflussgrößen Unter Berücksichtigung der Zerspanungsbedingungen lässt sich die spezifische Schnittkraft k c durch Korrekturfaktoren K an die jeweilige Bearbeitungssituation anpassen. K Korrekturfaktoren K g für den Spanwinkel K vc für die Schnittgeschwindigkeit K ver für den Werkzeugverschleiß K sp für die Spanstauchung Korrekturfaktor Schnittgeschwindigkeit Schneidstoff v c -Bereich K vc HSS 30 bis 60 m/min 1,2 HM 60 bis 300 m/min 1,0 Keramik 180 bis 500 m/min 0,85 Spezifische Schnittkraft k c = k c1.1 h K mc g K vc K sp K ver Korrekturfaktor Werkzeugverschleiß K ver = 1,2 bis 1,5 Korrekturfaktor Spanwinkel K g = 1 g g g 0 Basisspanwinkel: + 6 für Stahl, + 2 für Gusseisen g tatsächlich vorhandener Spanwinkel Werte für siehe k c1.1 und m c siehe Seite 209, 210 Korrekturfaktor Spantauchung ertigungsverfahren K sp Außenrunddrehen 1,0 Räumen, Hobeln Stoßen 1,1 Bohren, räsen, Innendrehen 1,2 Abstechdrehen, Einstechdrehen 1,3 Beispiel: Außendrehen, Werkstoff 42CrMo4, Werkstoffkonstante m c = 0,26, k c1.1 = 2500 N/mm 2, v c =180 m/min, Vorschub f = 0,2 mm, HM-Schneidplatte, Spanwinkel g = 18, Einstellwinkel k = 90 geringer Verschleiß h = f sin k = 0,2 mm sin 90 = 0,2 mm K g = 1 g g 0 = = 0,88, K vc = 1,0, K ver = 1,2, K sp = 1,0 100 k c = k c1.1 h K mc g K vc K ver K sp = ,88 1,0 1,2 1,0 = N/mm2 0,20,26 Tabellenwert der spezifischen Schnittkraft Der Tabellenwert k der spezifischen Schnittkraft (Werte siehe Seite 209, 210) kann durch Korrekturfaktoren K (K g, K vc, K ver, K sp ) an die jeweilige Bearbeitungssituation angepasst werden. Beispiel: Außendrehen, Werkstoff 42CrMo4, Schnittgeschwindigkeit v c = 180 m/min, Spanungsdicke h = 0,2 mm, HM-Schneidplatte, Spanwinkel g = 18, geringer Verschleiß. k c = 3799 N/mm 2 0,88 1,0 1,2 1,0 k c = 4011 N/mm 2 Spezifische Schnittkraft k c = k K g K vc K ver K sp K Korrekturfaktoren K g für den Spanwinkel K vc für die Schnittgeschwindigkeit K ver für den Werkzeugverschleiß K sp für die Spanstauchung Korrekturfaktoren siehe oben.

15 1 Grundlagen der Zerspantechnik 209 Spezifische Schnittkraft Richtwerte für die spezifische Schnittkraft, Tabelle 1 Die für das Drehen ermittelten k c -Richtwerte (nach Kienzle und König), die zur Berechnung der Schnittkraft zum Einsatz kommen sind mit Korrekturfaktoren K auch für andere spanende Verfahren anwendbar. Werkstoffbezeichnung k c1.1 in Tabellenwert k in N/mm 2 für Spanungsdicke h in mm N/mm 2 m c 0,06 0,08 0,10 0,20 0,25 0,40 0,60 0,80 1,00 1,60 Unlegierter Stahl S235JR , S275JR , E , E , Einsatzstahl C15E , CrNi , MnCr , MnCr , CrNi , CrMo , Vergütungsstahl C , C , C , C45E , C60E , CrS , CrMo , Cr , CrV , CrMo , MnSi , CrMo , CrNiMo , Automatenstahl 9SMnPb , Nitrierstahl 34CrAlMo , Werkzeugstahl 100Cr , C45W , CrMnMoS , X210Cr , MnCrV ,

16 210 ertigungs- und Betriebstechnik Spezifische Schnittkraft Richtwerte für die spezifische Schnittkraft, Tabelle 2 Werkstoffbezeichnung k c1.1 in Tabellenwert k in N/mm 2 für Spanungsdicke h in mm N/mm 2 m c 0,06 0,08 0,10 0,20 0,25 0,40 0,60 0,80 1,00 1,60 Rostfreier Stahl X46Cr , X30Cr , NiCr20TiAl , X5CrNi , X10CrNiMo , X5CrNiMo , Gusseisen GJS , GJS , GJS , GJS , GJL , GJL , Stahlguss GE , GE , Temperguss GJMW , GJMB , Aluminiumgusslegierung AlSi17Cu4eMg 402 0, AlSi10Mg 440 0, AlSi , AlSi9Cu , Aluminiumknetlegierung AlMg4,5Mn0, , AlMg , AlCu4Mg , AlZn5,5MgCu 540 0, Magnesiumlegierung MgAl7Mn 280 0, Titanlegierung TiAl6V , Messing CuZn39Pb ,

17 1 Grundlagen der Zerspantechnik 211 Spezifische Schnittkraft Richtwerte für die spezifische Vorschubkraft und die spezifische Passivkraft Bei Stahlwerkstoffen mit mittlerer estigkeit beträgt die spezifische Vorschukraft k f1.1 etwa 1/5 und die spezifische Passivkraft k p1.1 etwa 1/6 der k c1.1 - Werte. Die Werte für k f1.1 und k p1.1 können wegen der großen Anzahl von Einflussfaktoren nur für Näherungslösungen zur Bestimmung der Vorschubkraft und der Passivkraft verwendet werden. Werkstoffbezeichnung k c1.1 in k N/mm 2 m f1.1 in k c N/mm 2 m p1.1 in f N/mm 2 E295 (St50) , , ,5 E360 (St70) , , ,5 C , , ,54 C , , ,54 C , , ,48 C45E , , ,43 15CrMo , , ,56 16MnCr , , ,46 18CrNi , , ,47 20MnCr , , ,53 30CrNiMo , , ,44 34CrMo , , ,63 37MnSi , , ,26 42CrMo , , ,48 50CrV , , ,39 X10CrNiMo , , ,6 GJL , , ,46 GJS , , ,44 AlMg4SiMn 487 0,2 20 1, ,75 NiCr20TiAl , , ,4 A Spanungsquerschnitt in mm 2 k f Spezifische Vorschubkraft in N/mm 2 k f1.1 Hauptwert der spez. Vorschubkraft in N/mm 2 m f Werkstoffkonstante m p Werkstoffkonstante k p Spezifische Passivkraft in N/mm 2 k p1.1 Hauptwert der spez. Passivkraft in N/mm 2 h Spanungsdicke in mm spezifische Schnittkraft k c spezifische Vorschubkraft k f spezifische Passivkraft k p 4000 N/mm a p a c a f k c1.1 k f1.1 k p ,08 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,0 mm2,0 Spannungsdicke h Vorschubkraft f = A k f Spezifische Vorschubkraft k f = k f1.1 h mf Passivkraft f = A k p m p Spezifische Passivkraft k p = k p1.1 h mp Beispiel: Drehen mit Spanwinkel g = 6, Einstellwinkel k = 70, Neigungswinkel l = 4, Schnittgeschwindigkeit n c = 120 m/min, HC-P10, Werkstoff: 18CrNi6 Spezifische Schnittkraft k c1.1 = 2260 N/mm 2 m c = 0,30 t Steigungswinkel a c = 16,69 Spezifische Vorschubkraft k f1.1 = 325 N/mm 2, m f = 0,73 t Steigungswinkel a f = 36,12 Spezifische Passivkraft k p1.1 = 250 N/mm 2 m p = 0,47 t Steigungswinkel a p = 25,17

18 212 ertigungs- und Betriebstechnik Maschinen-Antriebsleistung Zerspanungsleistung Zerspanungsleistung aus der Vorschubkraft P f Vorschubleistung in W f Vorschubkraft in N v f Schnittgeschwindigkeit in m/min n Drehzahl in min 1 f Vorschub in mm Vorschubleistung P f = f v f P f = f f n Zerspanungsleistung aus der Hauptschnittkraft P c Schnittleistung in W Schnittleistung c Hauptschnittkraft in N v c Schnittgeschwindigkeit P c = c v c in m/min d Durchmesser in mm n Drehzahl in min 1 P c = c d p n Beispiel: 680 N 0,1 mm 1200 min 1 P f = f f n = 60 s/min P f = 1360 W Beispiel: 2800 N 180m/min P c = c v c = 60 s/min P c = 8400W Gesamte Zerspanungsleistung Da die Vorschubgeschwindigkeit v f im Vergleich zur Schnittgeschwindigkeit v c klein ist, kann die Vorschubleistung P f zur Bestimmung der Gesamtzerspanungsleistung P e vernachlässigt werden. P e = P c + P f Wirkleistung P e ; P c Maschinen-Antriebsleistung P M Maschinen-Antriebsleistung in kw P c Schnittleistung in kw h M Maschinenwirkungsgrad Bei Werkzeugmaschinen liegt der Wirkungsgrad h M = 0,7 bis 0,85. Maschinen-Antriebsleistung P = P c h M P M = c v c h M Richtwerte für Maschinen-Antriebsleistung bei Stahlwerkstoffen mit mittlerer estigkeit Bohren Außenrunddrehen Planfräsen ø D f c P ø d f c P ø D z f z c P mm mm N kw mm mm N kw mm mm N kw 2 0, ,2 20 0, , ,08 842,9 3,1 4 0, ,6 30 0, , , ,1 5,4 6 0, ,2 40 0, , , ,2 8,8 8 0, ,8 50 0, , ,2 3512,1 12,9 10 0, ,9 60 0, , , ,2 16,2 12 0, ,8 70 0, , , ,4 20,7 14 0, ,9 80 0, , , ,1 25,8 16 0, ,1 90 0, , , ,8 36,1 18 0, , , ,2 Hartmetall-Wendeschneidplatten (z) 20 0, ,6 Einstellwinkel k = 45, Spanwinkel g durchmesser d, = 12, v c = 220 m/min, räsbreite a e = Vollhartmetallbohrer, Bohrerdurchmesser D, Spitzenwinkel Hartmetall-Wendeschneidplatte, Einstellwinkel k = 45, 2/3 D (räsdurchmesser), räser außermittig, j = 118, Schnittgeschwin- Spanwinkel g = 18, v c = 220 m/ über, digkeit v c = 80 m/min min, Schnittiefe a p = 3 mm Schnitttiefe a p = 3,5 mm

19 1 Grundlagen der Zerspantechnik 213 Werkzeugverschleiß Gesamtbetrachtung Werkzeugverschleiß Verschleißursache Verschleißmechanismus Verschleißformen Abrieb, Diffusion, Oxidation, Adhäsion, Thermische und mechanische Belastung reiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Schneidkantenverrundung, Schneidkantenausbröckelung, Schneidkantenbruch, Deformation, Aufbauschneide, Kammrissbildung Verschleißbeurteilung Technologisch Technologisch Verschleißoptimierung Verschleißmarkenbreite, Kolkverhältnis, Schneidkantenversatz, Zerspanungsleistung, Zerspankräfte Standzeit, Standmenge, Standweg, Standvolumen Schneidstoffsorte, Schnittwerte, Beschichtung, Kühlschmierung, Werkzeugwinkel Verschleißmechanismus Verschleißursache Abrieb (Abrasion) Der Abriebverschleiß ist die am häufigsten auftretende Verschleißursache. Durch abrasive Hartstoffpartikel im werkstoff wird durch Reibung die Schneide an der reifläche, der Spanfläche und an der Schneidkante abgetragen. Diffusion Die Diffusion ensteht durch unterschiedliche Konzentrationen zwischen Werkstoff- und Schneidstoffbestandteilen (Kohlenstoff) bei höheren Temperaturen. Der Diffusionsverschleiß ist von der Schneidstoffhärte unabhängig. Oxidation Der Oxidationsverschleiß (Verzunderung) entsteht auf metallischen Oberflächen bei hohen Temperaturen zusammen mit Luftsauerstoff. Besonders anfällig sind das Wolframkarbid und das Kobalt im Hartmetall, da die die poröse Oxidschicht vom ablaufenden Span auf der Spanfläche leicht abgetragen werden kann. Verschleißform reiflächenverschleiß Spanflächenverschleiß Schneidkantenverrundung Kolkverschleiß Kerbverschleiß Kolkverschleiß Adhäsion Bei der Adhäsion verschweißen bei hohen Temperaturen und großer Spanpressung zwischen der Spanunterseite, der Schneidkante und der Spanfläche Werkstoffpartikel schichtweise aufeinander. Aufbauschneide Pressschweißverschleiß Thermische und mechanische Belastungen Durch hohe Zerspankräfte, schlagartige Beanspruchungen, hohe Zerspanungstemperaturen und starke Temperaturwechsel wird der Schneidstoff überlastet. Kammrissbildung Ermüdungsbruch Ausbröckelung Werkzeugbruch Plastische Verformung

20 214 ertigungs- und Betriebstechnik Verschleißbeurteilung Technologische Verschleißbeurteilung reiflächenverschleiß Kolkverschleiß Schneidkantenversatz KM SV a K T V B V Bmax V B SV g g KB K L a V B V Bmax V Bzul V Bzul Verschleißmarkenbreite maximale Verschleißmarkenbreite in mm zulässige V B in mm 0,2 bis 0,8 mm K T K M K L K B Kolktiefe in mm Kolkmittenabstand in mm Kolklippenbreite in mm Kolkbreite Kolkverhältnis K = K T K M SV a SVg a g Schneidkantenversatz der reifläche in mm Schneidkantenversatz der Spanfläche in mm reiwinkel Spanwinkel K zul 0,1 bis 0,3 Wirtschaftliche Verschleißbeurteilung Standzeit Die Standzeit T ist die maximale Eingriffszeit einer Werkzeugschneide bis ein vorgegebenes Verschleißkriterium (z. B. Verschleißmarkenbreite, Kolkverhältnis, Schneidkantenverrundung) erreicht wird, ein gefordertes Qualitätskriterium (Oberflächengüte, Maß- oder ormgenauigkeit) am nicht mehr eingehalten werden kann oder der Spanungsvorgang (Spanbildung, Temperatur) sich unerwünscht verändert. Es wird häufig mit dem Standweg L f, der Standmenge N oder dem Standvolumen V T gearbeitet. Standweg Der Standweg L f ist der gesamte Vorschubweg, den eine Schneide oder bei mehrschneidigen Werkzeugen alle Schneiden zusammen mit Vorschubgeschwindigkeit v f innerhalb der Standzeit T zurücklegen. L f Standweg in m T Standzeit in min n Drehzahl in min 1 f z Vorschub/Zahn in mm z Zähnezahl Standmenge Die Standmenge N ist die Anzahl der e, die innerhalb der Standzeit T bearbeitet werden können. N Standmenge in Stück T Standzeit in min Hauptnutzungszeit in min t h Standvolumen Das Standvolumen V T ist das Werkstoffvolumen, das eine Schneide oder bei mehrschneidigen Werkzeugen alle Schneiden zusammen mit Vorschubgeschwindigkeit v f innerhalb der Standzeit T zerspanen. V T Standvolumen in mm 3 v c Schnittgeschwindigkeit in m/min T Standzeit in min A Spanungsquerschnitt in mm 2 Standweg L f = T v f L f = T n f z z Standmenge N = T t h Standvolumen V T = A v c T

21 1 Grundlagen der Zerspantechnik 215 Standzeitdiagramm Standzeitgerade Die Schnittgeschwindigkeit v c hat auf die Standzeit T den größten Einfluss. Die Abhängigkeit der Standzeit von der Schnittgeschwindigkeit wird in einem Standzeitdiagramm (T-v c -Diagramm) dargestellt. T T = 15 min log T T = 15 min a Standzeitgerade V ct15 v c V ct15 log v c T-v c -Kurve in linearer Achsenteilung Ermittlung der Standzeitgeraden T-v c -Gerade in logarithmischer Achsenteilung In Zerspanversuchen werden für verschiedene Schnittgeschwindigkeiten v c und Eingriffszeiten die jeweiligen Verschleißmarkenbreiten VB an der Schneide gemessen. Die T-v c -Geraden werden in ein doppellogarithmisches Diagramm übertragen, log T bzw. log v c bedeutet, dass die Standzeit und die Schnittgeschwindigkeit in logarithmischer Achsenteilung in das Diagramm übertragen werden. Verschleißmarkenbreite v B T 3 T 2 T 1 V c3 Vc2 V c1 V Bzul z. B. 0,4 mm log T T 1 T 2 T 3 Standzeitgerade z. B. für V B = 0,4 mm Zerspanzeit T V c1 V c2 V c3 log v c Bestimmung der Standzeit Taylorgleichung T gesuchte Standzeit in min T 1 bekannte Standzeit in min v c neue Schnittgeschwindigkeit in m/min v c1 Schnittgeschwindigkeit für Standzeit T 1 Standzeit k v T = T 1 c1 ( v c ) v c1 wird auch als v c1t1 bezeichnet, z. B. v c1 = v ct15 für T 1 = 15 min v c1 = v ct30 für T 1 = 30 min, v c1 = v ct60 für T 1 = 60 min Der Steigungswert k der Standzeitgeraden ist abhängig von der Kombination aus Schneidstoff und Werkstoff. Aufgrund der Steigung der Geraden im Diagramm ist der Steigungswert k negativ. Richtwerte für den Steigungswert k Werkstoff Schneidstoff Steigungswert k Stahl Schnellarbeitsstahl Hartmetall Schneidkeramik Gusseisen Hartmetall 3,5 Aluminiumlegierungen Hartmetall 2,5 log T a Steigungswert tan a = k Keramik HM HSS log v c