Grundlagen der Zerspanung I

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1 Grundlagen der Zerspanung I Paul Scheer Die grundlegenden Begriffe der Zerspantechnik sind nach DIN 6580/81, DIN 6583/84 und international nach ISO 3002 definiert. Bewegungsgrößen Bestimmend beim Zerspanen ist, zum einen das Werkzeug, zum anderen die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Diese Relativbewegungen setzten sich aus einer Schnitt- sowie Vorschubbewegungen zusammen. Die Schnittbewegung (Schnittgeschwindigkeit=v c ) wird in einem Schneidenpunkt zwischen Werkstück und Werkzeug bestimmt. Zusammen mit der Vorschubbewegung(Vorschubgeschwindigkeit=v f) ist die Spanabnahme möglich. Sie kann stetig oder schrittweise erfolgen Die Wirkbewegung (Wirgeschwindigkeit=v e ) ist die resultierende Bewegung aus diesen beiden Bewegungen. Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 247 Der Vorschubrichtungswinkel φ ist der Winkel zwischen Vorschubrichtung und Schnitttichtung. Der Wirkrichtungswinkel η ist der Winkel zwischen Wirkrichtung und Schnittrichtung. Die Vektoren und der Schneidenpunkt liegen zusammen in der Arbeitsebene P fe. Eingriffsgrößen Die Eingriffsgrößen kennzeichnen den Eingriff eines spanenden Werkzeugs in das Werkstück. Der Vorschub f ist die Ortsveränderung der Schneide bzw. des Werkzeugs in Richtung der Vorschubbewegung je Umdrehung oder je Hub des Werkzeugs oder Werkstücks, gemessen in der Arbeitsebene. Die Schnitttiefe bzw. Schnittbreite a p ist die Tiefe bzw. Breite des momentanen Eingriffs eines Werkzeugs, senkrecht zur Arbeitsebene gemessen. Bei rotierenden Werkzeugen wird zur Bestimmung des Werkzeugeingriffs zusätzlich der Arbeisteingriff a e benötigt. Er beschreibt den momentanen Einfriff des Werkzeugs mit dem Werkstück, gemessen in der Arbeitsebene und senkrecht zur Vorschubrichtung. (Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S.247) Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 248

2 Spanungsgrößen Die Spanungsgrößen beschreiben die Abmessung, der abzutragenden Werstücksschicht. Der Spanungsquerschnit A ist die projizierte Querschnittsfläche eines abzunehmended Spans senkrecht zur Schnittrichtung. Die Spanungsbreite b gibt die Breite, die Spanungsdicke h die Dicke die des Spanungsquerschnitts an. Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 248 Werkzeugwinkel und Ebenen Die Werkzeugwinkel werden druch die Stellung der Flächen am Schneidteil zueinander bestimmt. Zwecks Definition der Winkel am Schneidteil hat man entsprechende Bezugssysteme eingeführt. Man unterscheidet zwischen dem Werkzeug- und dem Wirkbezugssystem. Die im Werkzeugbezugssystem gemessenen Werkzeugwinkel kennzeichnen die Geometrie des Schneidteils und sind für die Herstellung und Instandhaltung der Werkzeuge von Bedeutung. Die im Wirkbezugssystem gemessenen Wirkwinkel sind für die Darstellung des Zerspanungsvorgangs von Bedeutung. Die Bezugssysteme zum bestimmen der Winkel am Schneidteil enthalten außer der jeweiligen Bezugsebene die Schneidenebene und die Keilmessebene. Die Ebenen stehen jeweils aufeinander senkrecht. Als zusätzliche Ebene wird die Arbeitsebene benötigt. Bezugsebene für das Werkzeugsbezugssystem ist die Werkzeugsbezugsebene. Sie wird durch den betrachteten Schneidenpunkt möglichst senkrecht zur angenommenen Schnittrichtung gelegt, aber nach einer Ebene, Achse oder Kante des Werkzeugs ausgerichtet. [...]Bezugsebene für das Wirkbezugssystem ist die senkrecht zur Wirkrichtung stehende Wirkbezugseebene. Die Schneidenebene enthält die die Schneide und steht senkrecht zur Bezugsebene. Die Keilmessebene ist eine Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 250 Ebene, die senkrecht zur [ ] Bezugsebene und senkrecht zur [ ] Schneidenebene steht. (Ebenda, S. 249) Die wichtigsten Winkel sind Spanwinkel α, Keilwinkel γ und Freiwinkel β. Sie liegen in der Keilmessebene. Der Spanwinkel ist der Winkel zwischen Spanfläche und Werkzeugsbezugsebene, der Keilwinkel ist der Winkel zwischen Span- und Freifläche, und der Freiwinkel ist der Winkel zwischen Freifläche und der Werkzeugsschneidebene. Der Werkzeugeinstellwinkel κ wird zwischen Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 249

3 Werkzeugschneidenebene und Arbeitsebene gemessen, der Eckenwinkel ε zwischen den Schneidenebenen von zusammengehörigen Haupt- und Nebenschneiden und der Neigungswinkel λ zwischen Schneide und Werkzeugs-bezugsebene. Spanarten Man unterscheidet zwischen 4 Spanarten: Reißspäne entstehen hauptsächlich bei spröden Werkstückstoffen, wie Eisenguss und haben Schlechte Oberflächen zur Folge. Sie können auch bei Schnittgeschwindigkeiten von unter 10m/min und negativem Spanwinkel entstehen. Scherspäne sind bei Schnittgeschwindigkeiten von 20-80m/min zu erwarten. Die Spanteile schweißen direkt nach ihrer Trennung wieder zusammen. Fließspäne entstehen beim Drehen von Baustahl bei Schnittgeschwindigkeiten von etw. 80m/min. Das Werkstück fließt kontinuierlich im Bereich der Scherzone und die einzelnen Schweißlamellen verschweißen sehr stark untereinander. Lamellenspäne sind Fließspäne bei denen die Lamellen noch klar erkennbar sind. Sie entstehen vor allem bei nicht zähen, heterogenen Gefügen. Spanformen Neben Spanarten sind auch die Formen der Späne von großer Bedeutung. Charakteristisches Merkmal einer vor ist die Spanraumzahl Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 253 Die Spanform lässte sich beeinflussen durch -Werkstückstoff -kinematische Spanbrechung -Anwendung von Spnformstufen -Ändern der Werkzeuggeometrie -Maschineneinstellbedingungen Kräfte beim Zerspanungsvorgang Die Zerspankraft F kann in Komponenten zerlegt werden. Die Aktivkraft F a ist die Komponente in der Arbeitsebene und leistungsbestimmend bei der Spanentstehung, während die Passivkraft F p senkrecht zur Arbeitsebene liegt. Die Aktivkraft wiederum kann in Schnittkraft F c und Vorschubkraft F f zerlegt werden. Sie ist außerdem gleich der Wirkkraft F e. Die spezifische Schnittkraft F c ist das Verhältnis der Schnittkraft F zum Spanungsquerschnitt A Der Hauptwert der spez. Schnittkraft ist die Schnittkraft eines definierten Wirkpaars auf ein Spanungsquerschnitt von h,b=1mm Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 255 Fritz/Schulze,Fertigungstechnik 2006, S. 250

4 Für die Größe der Schnittkraft sind vor allem folgende Faktoren von Bedeutung: Werkstückstoff Einstellwinkel Vorschub bzw. Spanungsdicke Schnittgeschwindigkeiten Spanitttiefe und bzw. Schnittbreite Schneidstoff Spanungsverhältnis a p /f Kühlung und Schmierung Spanwinkel Werkzeugverschleiß Schneidstoffe und Einsatzgebiete Werkzeugstähle C-Gehalt von 0,6-1,3% Legierte Werkzeugstähle bis 5% Cr, W. Mo, V Carbibildende Lergierungselmente Verschleißfestigkeit, Anlassbeständigkeit,Warmfestigkeit Warmhärte von nur C zu gerin für modere Werkzeugmaschinen Anwendung für im niedrigen Schnittgeschwindigkeitsbereich arbeitende Handwerkzeuge Schnellarbeitsstähle Hochlegierte Werkzeugstähle Grundgefüge aus angelassenem Martensit mit eingelagerten Carbiden Härte und Verschleißwiderstand abhängig von Grundgefüge und den ungelösten Carbiden. Die gute Anlassbeständigkeit und Warmhärte bis etwa 600 C hängt hauptsächlich von den gelösten Legierungselmenten ab. Hartmetalle Hartmetalle sind gesinterte Stoffsysteme mit: Metallcarbiden als Härteträger(Wolframcarbid(WC),Titancarbid(TiC),Tantalcarbid(TaC) etc.) Bindemetall für Zähigkeit(Kobalt, Nickel oder Molybdän) Gemäß der versch. Legierung Einteilung in Zerspanungsandwendungsgruppen P,M,K P (hoher anteil Tic und TaC) für langspanende Stähle K(fast ohne TiC und TaC, sonder aus Wc-Co) für Eisen-Gusswerkstoffe, Nichteisenmetalle und Kunststoffe M(mittlere Gehalte Tic und TaC) übergangsanwendungen Schneidkeramik Schneidstoffe aus Aluminiumoxid(Al 2 O 3 ) oder Siliciumnitrid(Si 3 N 4 ) Warmhärte nicht von Bindemitteln abhängig Anwendung bei hohen Anwendungstemperaturen und Härten(bis 65 HRC) Ermöglicht hohe Schnittgeschwindigkeiten

5 Diamant Härtester Schneidstoff, in monokristlliner Form(MKD) nur begrenzt mechanisch belastbar(bis a p =1,5 mm), in polykristalliner Form (PKD) sind höhere Schnitttiefen( bis a p =12mm) und Vorschübe anwendbar. Anwendung bei der Bearbeitung von: Leichtmetallen Schwermetallen Edelmetallen Rauheit Kunststoffen andere nichtmetallische Werkstoffe Mikrozerspanung Die Rauheit von Oberflächen hängt von vielen Faktoren ab, wie z.b. Fertigungsverfahren Werkzeugausführung Werkstückstoff Schnittgeschwindigkeit Spanart Mittlere Rautiefe Die mittlere Rauheit, dargestellt durch das Symbol R a, gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes,auf der Oberfläche, zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen (bezogen auf die Mittellinie) minimal wird. Die mittlere Rauheit R a entspricht also dem arithmetischen Mittel der Abweichung von der Mittellinie. gemittelte Rautiefe Die so genannte gemittelte Rautiefe (auch Zehnpunkthöhe), dargestellt durch das Symbol R z, wird folgendermaßen ermittelt. Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt. Von fünf dieser Einzelmessstrecken des Profils wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert ermittelt. Aus den somit erhaltenen fünf Einzelrautiefen wird der Mittelwert gebildet. Max. Rautiefe Die max. Rautiefe ensteht in dem man die Differenz aus dem höchsten und dem niedrigsten Wert in der Messtrecke bildet.