Herstellung von Produkten mit Fertigungssystemen LF2

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1 Fachschulen für Technik Kunststoff- und Kautschuktechnik Herstellung von Produkten mit Fertigungssystemen LF2 Herstellen von Produkten und Betriebsmitteln LF2: Herstellung von Produkten mit Fertigungssystemen LF3: Optimierung von Fertigungssystemen LF7: Planung und Optimierung von Produktionsprozessen und -systemen

2 1 Fertigungsverfahren Entwicklung der spanenden Fertigung Einteilung der Fertigungsverfahren Die Hauptgruppe 3: Trennen Theorie der Zerspanung Schneidkeilgeometrie Schneiden, Flächen und Ecken Bezugsebenen Werkzeugwinkel Wahl der Werkzeugwinkel Spanbildungsvorgang Spanarten Spanformen Spanungs- und Schnittgrößen am Beispiel Drehen Beanspruchungen beim Spanen Mechanische Beanspruchung Kräfte beim Spanen am Beispiel Drehen Thermische Beanspruchung Chemische Beanspruchung Werkzeugverschleiß Verschleißmechanismen und Verschleißarten Mechanischer Abrieb/Abrasion Plastische Verformung Adhäsion und Aufbauschneidenbildung Diffusion und Kolkverschleiß Oxidation - Oxidationsverschleiß Kamm- und Querrisse Schneidstoffe Anforderungen an Schneidstoffe Einteilung der Schneidstoffe Werkzeugstähle Schnellarbeitsstahl Hartmetalle Cermets Schneidkeramiken/Keramiken Oxidkeramik Mischkeramik Whiskersverstärkte Schneidkeramik Nitridkeramik Diamant Monokristalliner Diamant Polykristalliner Diamant Bornitrid Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Fräsen Fräsverfahren Gleichlauffräsen Gegenlauffräsen Planfräsen Seite I

3 5.1.4 Rundfräsverfahren Schraubfräsen Wälzfräsen Profilfräsen Formfräsen Fräswerkzeuge Fräsköpfe/Plan- und Eckfräsköpfe Walzen- und Walzenstirnfräser Winkel- und Winkelstirnfräser Winkelfräser Winkelstirnfräser Scheibenfräser/Nutenfräser Scheibenfräser Nutenfräser Satzfräser Prismenfräser Rundprofilfräser/Kreisprofilfräser Schaftfräser Kopier-/Gesenkfräser T-Nutenfräser/Schlitzfräser Winkel- und Winkelstirn-Schaftfräser Gewinde- Schaftfräser/Kurzgewindefräser Spannmittel für Werkzeuge und Werkstücke Spannmittel für Werkzeuge Spannmittel für Aufsteckfräser Spannmittel für Schaftfräser Spannen der Werkzeugschäfte im Grundhalter Aufnahme der Grundhalter in die Spindel Spannmittel für Werkstücke Spannmittel für große Werkstücke Spannmittel für kleine Werkstücke Ermittlung der Zerspankraftkomponenten Drehen Leistung beim Spanen Fräsen Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Walzenfräsen Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Stirnfräsen Ermittlung der Kräfte und Leistung Bestimmung der Kräfte beim Umfangsfräsen Bestimmung der Korrekturfaktoren beim Umfangsfräsen Ermittlung der Leistung beim Umfangsfräsen Bestimmung der Kräfte beim Stirnfräsen Bestimmung der Korrekturfaktoren beim Stirnfräsen Ermittlung der Leistung beim Stirnfräsen HSM Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Geschichtlicher Hintergrund Vorrangige wirtschaftliche und technische Faktoren für die Entwicklung von HSM Die ursprüngliche Definition von HSM Wie lautet die heutige Definition von HSM? Seite II

4 7.5 Merkmale bei moderner HSM von gehärtetem Werkzeugstahl Praktische Definition des Begriffes HSM Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen Die Steuerung von HSC- Maschinen Abnahmerichtlinien/-teil für HSC-Systeme Hochgeschwindigkeitsfräsen Vorteile und Nachteile des HSC-Fräsens HSC-Fräser Frässtrategie beim HSC-Fräsen Schneidstoffe und Werkstück-Werkstoffe Technologie Hartfräsen Drehen Drehverfahren Plandrehen Runddrehen Schraubdrehen Profildrehen Formdrehen Drehwerkzeuge Werkzeuge für die Außenbearbeitung Schneidplatten und deren Bezeichnung Bezeichnung der Klemmhalter für die Außenbearbeitung Weitere Klemmhaltersysteme für die Außenbearbeitung Einstechen und Abstechen Gewindedrehen Werkzeuge für die Innenbearbeitung Schneidplatten für die Innenbearbeitung Bezeichnung der Klemmhalter für die Innenbearbeitung Weitere Klemmhalterformen für die Innenbearbeitung Besondere Merkmale der Innenbearbeitung Richtlinien zur Werkzeugauswahl Spannmittel für Werkzeuge und Werkstücke Spannmittel für Werkzeuge/Werkzeughalter Aufnahme der Werkzeuge im Werkzeughalter Aufnahme der Werkzeughalter im Revolver Spannmittel für Werkstücke Spannfutter und Spannbacken Planscheiben Spanndorne/Dehnspanndorne Spannzangen Stirnmitnehmer und Zentrierspitzen Zentrierspitzen und Drehgreifer Lünette/Setzstock Richtlinien für die Auswahl der Werkstück-Spannmittel Oberflächengüte Technologie und Anwendungsbeispiele Allgemeine Kriterien zur Technologieauswahl Technologie beim Längs-, Plan- und Formdrehen Seite III

5 Technologie beim Schruppen Technologie beim Schlichten bis mittlere Zerspanung Technologie beim Feinstschlichten Technologie beim Ein- und Abstechen Technologie beim Gewindedrehen Hartbearbeitung/Hartdrehen Schleifen Schleifverfahren Gleich- und Gegenlaufschleifen Pendel- und Tiefschleifen Schneidengeometrie und Spanbildung Schneidengeometrie Spanbildung Kinematische Grundlagen beim Schleifen Kenngrößen beim Schleifen Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Planschleifen Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Rundschleifen Schleifwerkzeuge/Schleifscheiben Aufbau und Zusammensetzung von Schleifwerkzeugen Schleifmittel / Schleifkorn Anforderungen und Einteilung Natürliche Schleifmittel Synthetische Schleifmittel Körnung/Korngröße Konzentration Bindungen Aufgaben und Anforderungen an Bindungen Bindungsarten Härte Zulässige Umfangsgeschwindigkeiten Formen von Schleifwerkzeugen Spezifikation von Schleifscheiben Profilieren, Abrichten und Unwucht Abrichtverfahren und -werkzeuge für Korund- und Siliziumkarbid-Schleifscheiben Abrichten von Diamant- und CBN-Schleifscheiben Unwucht Randzonenbeeinflussung Technologie und Anwendungsbeispiele Verschleißarten Verschleißformen Verschleißkenngrößen Technologie Schleifmittel und Einsatzgebiete Tiefschleifen Abrichten von Schleifscheiben Herstellungsverfahren von Abrichtwerkzeugen Abrichtverfahren Einflussgrößen beim Abrichten Geometrie und Kinematik Seite IV

6 Diamantierung Stehende Abrichter Formrollen Profilrollen Seite V

7 Seite VI

8 1 Fertigungsverfahren Die Aufgabe der Fertigungstechnik ist die wirtschaftliche Herstellung von Werkstücken mit definierter Form und festgelegten Eigenschaften. Die Werkstückform und die Werkstückeigenschaften werden vom Konstrukteur/Entwickler festgelegt. 1.1 Entwicklung der spanenden Fertigung Die Entwicklung der modernen spanenden Fertigung ist sehr eng mit der Entwicklung der Werkzeugmaschinen und der Schneidstoffe verbunden. In den Jahren 1750 bis 1850, das ist die Zeit des Übergangs der reinen Handarbeit in die Maschinenarbeit, wurden die Werkzeugmaschinen mit den wesentlichen Grundtechnologien für Drehen, Fräsen, Bohren und Hobeln entwickelt. Maschinenarbeit bedeutet hier, dass die Werkzeugmaschine einen automatischen Vorschub besitzt und die Werkzeuge führt. Im Jahre 1830 entwickelte /Maudslay/ die erste Drehmaschine mit selbsttätigem Längsvorschub. Ende des 19ten Jahrhunderts, begleitet von der Gründung Technischer Hochschulen - in Karlsruhe wurde im Jahr 1825 die erste Technische Hochschule gegründet - wurden die ersten Arbeiten, die Zerspanungstechnologie wissenschaftlich zu erforschen, durchgeführt. Die Forschungen in der Zerspanungstechnik sind gerade 100 Jahre alt. Einen wesentlichen Durchbruch brachte neben der Entwicklung leistungsfähiger Werkzeugmaschinen die Entwicklung neuer Schneidstoffe, wie: - Schnellarbeitsstahl (durch F. W. Taylor im Jahre 1900) - Stellite, das sind gegossene Hartlegierungen (durch E. Haynes im Jahre 1915). - Hartmetalle, das sind gesinterte Hartlegierungen (durch K. Schröder im Jahre 1923). - Schneidkeramiken (durch Osenberg im Jahre 1938). - Polykristalliner Diamant (durch ASEA im Jahre 1953). Durch den Einsatz von Schnellarbeitsstahl statt Werkzeugstahl konnte die Bearbeitungszeit von 100 Minuten auf 25 Minuten verringert werden, während die Bearbeitungszeit beim Einsatz vom unbeschichteten Hartmetall auf 5 Minuten und beim beschichteten Hartmetall auf 1 Minute reduziert wurde. Die Produktivität wurde um den Faktor 100 gesteigert. 1.2 Einteilung der Fertigungsverfahren In der DIN 8580 werden die Fertigungsverfahren nach verschiedenen Ordnungskriterien eingeteilt. Die Ordnungskriterien erhalten Ordnungsnummern (Abk. ON). Die Einteilung nach Hauptgruppen, das entspricht der ersten Stelle der Ordnungsnummer, erfolgt unter dem Kriterium stofflicher Zusammenhalt. Bild 1: Einteilung der Fertigungsverfahren Seite 1

9 Seite 2 Hauptgruppe 1 (ON 1): Beim Urformen wird der stoffliche Zusammenhalt geschaffen, z. B. Gießen, Spritzgießen, Sintern, Keramikgießen, Papierherstellung. a a Bild 2: a Gussteile, b gesinterte Schneidplatten (Werkfotos a Fa. Rösler Oberflächentechnik GmbH, b Fa. CeramTec GmbH) Hauptgruppe 2 (ON 2): Beim Umformen wird der stoffliche Zusammenhalt beibehalten, z. B. Walzen, Tiefziehen, Schmieden, Längen, Verdrehen, Biegen. b Fertigungsverfahren a b Bild 3: a Walzen, b Gesenkschmieden, c Biegen, d Tiefziehen (Werkfotos a Fa. Felix Böttcher GmbH & Co., b Enselmann-Institut für Spanende Fertigung, c marquardt Metallwaren und Werkzeugbau GmbH) Hauptgruppe 3 (ON 3): Beim Trennen wird der stoffliche Zusammenhalt vermindert oder lokal aufgehoben, z. B. Stanzen, Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Honen, Erodieren. c d a b c d Bild 4: a Stanzteile, b Ventilgehäuse, c Ventilklappe,d Fräsen eines Laufrades (Werkfotos Fa. b MAPAL Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG, c TBT Tiefbohrtechnik GmbH & Co, d Rolls-Royce Deutschland LtD & Co KG) Hauptgruppe 4 (ON 4): Beim Fügen wird der stoffliche Zusammenhalt vermehrt, z. B Verschrauben, Vernieten, Schweißen, Löten, Kleben, Nähen. a b c Bild 5: a Schrauben, b Schweißen c Kleben (Werkfoto b Fa. Dörßliger Metallwaren AG) Hauptgruppe 5 (ON 5): Beim Beschichten wird der stoffliche Zusammenhalt vermehrt, z. B. Lackieren, Galvanisieren, lieren, Verchromen, Plasmaspritzen, Schmelzauftragsschweißen. a b c d Bild 6: a Lackieren, b lieren, c Plasmaspritzen, d Verchromen (Werkfotos a+b+c Fa. Riess GmbH & Co. KG, d Karl Wenk GmbH) Hauptgruppe 6 (ON 6): Beim Stoffeigenschaftändern wird die Eigenschaft eines Werkstückwerkstoffs im festen Zustand durch Umlagern (z. B. Härten, Vergüten, Anlassen), durch Einbringen (z. B: Aufkohlen, Nitrieren) oder durch Aussondern ( z. B. Entkohlen) verändert. a b c Bild 7: a Induktionshärten, b induktiv gehärtetes Hohlrad, c Härteofen (Werkfotos a+b+c Fa. EFD Lohnhärterei Fritz Düsseldorf GmbH)

10 1.2.1 Die Hauptgruppe 3: Trennen Definition: Unter Trennen versteht man das Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der stoffliche Zusammenhalt örtlich aufgehoben wird. Während die erste Stelle der Ordnungsnummer (Abk. ON) die Hauptgruppe festlegt, wird die Gruppe über die zweite Stelle der ON bestimmt, siehe Bild 8. Das Spanen gehört auch zu den trennenden Fertigungsverfahren. Die Ordnungsnummer 3.2 erfasst alle spanenden Verfahren mit geometrisch definierter Schneide, während die Ordnungsnummer 3.3 alle spanenden Verfahren mit geometrisch undefinierter Schneide erfasst. Bild 8: Einteilung der Fertigungsverfahren (nach DIN 8580) Definition: Spanen ist ein trennendes Fertigungsverfahren, bei dem der örtliche Stoffzusammenhalt des festen Körpers auf mechanischem Wege durch das Eindringen des Werkzeugs in das Werkstück und deren Relativbewegung aufgehoben wird. Die dritte Stelle der Ordnungsnummer legt die Untergruppe fest, wie Sie Bild 9 entnehmen können. So steht beispielsweise in der Untergruppe 3.2 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden die dritte Ordnungsnummer für Drehen, für Fräsen und für Räumen. Bild 9: Einteilung der spanenden Verfahren nach der dritten Stelle der Ordnungsnummer (nach DIN 8589) Ausgehend von einem Rohteil, erfolgt die Trennung des stofflichen Zusammenhalts mit einem mechanischen Werkzeug, das beim Drehen eine Schneide, beim Bohren, Fräsen mehrere Schneiden und beim Schleifen, Honen sehr viele geometrisch unbestimmte Schneiden besitzt. Die Trennung des stofflichen Zusammenhalts bedingt einerseits die Änderung der Werkstückform und damit die Herstellung der gewünschten Werkstückgeometrie und andererseits die Bildung von Spänen. Seite 3

11 Seite 4 Die vierte Stelle der Ordnungsnummer legt die Form der erzeugten Oberfläche fest, siehe Bild 10:. 1 plan, z. B Planfräsen oder Plandrehen. 2 rund, z. B Runddrehen oder Rundläppen. 3 schraubenförmig, z. B Gewindebohren oder Gewindedrehen. 4 wälzförmig, z. B Wälzfräsen. 5 profiliert, z. B Profildrehen oder Profilfräsen. 6 Formoberflächen, z. B Formdrehen oder Formfräsen. Fertigungsverfahren a b c d Profildrehen e f Formfräsen Bild 10: Beispiele spanender Fertigungsverfahren (Werkfotos b+c Fa. Iscar Hartmetall GmbH, d Fa. WFL Werkzeugmaschinenfabrik Linz Ges. m. b. H, e+ffa. Wilhelm Fette GmbH) Die fünfte Stelle der Ordnungsnummer gibt die Richtung der Vorschubbewegung an, z. B. Quer- oder Längsbewegung (siehe Bild 11) oder bestimmte Werkzeugmerkmale. Bild 11: Längs- und Querrunddrehen (Werkfoto a Fa. Iscar Hartmetall GmbH) Die sechste Stelle der Ordnungsnummer kennzeichnet die Lage der erzeugten Fläche, z. B. innen oder außen, siehe Bild 12. Bild 12: Außen- und Innendrehen

12 2 Theorie der Zerspanung Die Grundlagen der Zerspanung werden am Beispiel Drehen, das ein Verfahren mit geometrisch definierter Schneide ist, dargestellt und sind auf die anderen Verfahren, wie Fräsen, Bohren, Reiben, Räumen usw. übertragbar. Da das Drehwerkzeug oft als Drehmeißel bezeichnet - nur eine Schneide hat, sind die grundlegenden Zusammenhänge einfacher zu verstehen. 2.1 Schneidkeilgeometrie Wie kann die Geometrie der Schneide/des Schneidkeils so beschrieben werden, dass sie auf alle Werkzeuge, wie Drehmeißel, Fräser, Bohrer, Räumwerkzeuge, die für den Betrachter sehr unterschiedlich sind, übertragbar ist? Welche Schneiden, Flächen, Bezugsebenen besitzt ein Werkzeug? Schneiden, Flächen und Ecken Das Drehwerkzeug hat grundsätzlich zwei Schneiden, die - Hauptschneide und Nebenschneide. Die Hauptschneide ist die Schneide, die in Vorschubrichtung weist und den Span erzeugt. Die Nebenschneide erzeugt die Werkstückoberfläche und ist daher von großer Bedeutung. Des Weiteren hat das Werkzeug drei wichtige Flächen, siehe Bild 13: - Die Spanfläche, über die der Span gleitet - Die Freiflächen (Haupt- und Nebenfreifläche) stellen sicher, dass das Werkzeug nicht an den erzeugten Schnittflächen reibt. Die Hauptfreifläche liegt in Vorschubrichtung. Die Spanfläche sowie die Haupt- und Nebenfreifläche bilden einen Keil, der als Schneidkeil bezeichnet wird. Bild 13: Flächen und Schneiden an einem Drehwerkzeug (nach DIN 6581) Die Schneidenecke ist der Schnittpunkt der drei Flächen: Spanfläche, Hauptfreifläche und Nebenfreifläche. Sie hat häufig eine Rundung mit dem Eckenradius r ε Bezugsebenen Die oben beschriebenen Flächen liegen nicht in den Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems, sondern weisen einen bestimmten Winkel auf. Um die Werkzeuggeometrie und die Kinematik zu beschreiben, wird ein Bezugssystem definiert, in dem die Bezugsebenen enthalten sind, wie Bild 14 verdeutlicht. Bild 14: Bezugsebenen eines Schneidkeils Durch den betrachteten Schneidenpunkt P (point) werden alle Bezugsebenen P (Ebene = plane) gelegt. Seite 5

13 Seite 6 Werkzeugbezugsebene P r (Index r = reference): Sie liegt parallel zur Auflagefläche des Werkzeugs und liegt senkrecht zur Schnittrichtung. Schneidenebene P s, (Index s = Schneide): Sie enthält die Hauptschneide und steht senkrecht auf der Werkzeug-Bezugsebene. Orthogonalebene P o (Index o = orthogonal): Sie steht senkrecht zur Schneidenebene, also zur Hauptschneide. Diese Ebene wurde früher als Keilmessebene bezeichnet, da in dieser Ebene die Winkel am Schneidkeil gemessen werden. Arbeitsebene P f (Index f = feed für Vorschub): Diese Ebene wird von der Schnitt- und Vorschubrichtung aufgespannt, wie das rechte Bild 14 zeigt. In der Arbeitsebene ergeben die beiden Geschwindigkeitsvektoren - in Schnittrichtung v c und in Vorschubrichtung v f - einen resultierenden Geschwindigkeitsvektor v e der die Wirkrichtung anzeigt. Werden die Bezugsebenen um den Wirkwinkel η geneigt, erhält man das Wirkbezugssystem. Das Werkzeug-Bezugssystem und damit auch die Werkzeugwinkel beziehen sich auf das nicht im Einsatz befindliche Werkzeug. Das Wirk-Bezugssystem ist für die Bestimmung der Winkel (= Wirkwinkel) während des Spanungsvorgangs von Bedeutung. Da, das Wirk-Bezugssystem und damit die Wirkwinkel sich aber nur bedingt durch die Existenz des Wirkrichtungswinkels ändern (Kippung des Werkzeug-Bezugssystems um den Winkel η ; siehe Bild 15),dieser Winkel unter normalen Spanungsbedingungen aber sehr klein ist (wenige Minuten), kann für praktische Bedingungen - ohne größere Fehler zu begehen - das Werkzeug-Bezugssystem auch auf den Spanungsvorgang bezogen werden. Theorie der Zerspanung Bild 15: Gegenüberstellung Werkzeug- Wirkbezugssystem Berücksichtigt werden müssen die Wirkwinkel bei anomalen Spanungsbedingungen. Das ist der Fall, wenn - die Vorschubgeschwindigkeit v f gegenüber der Schnittgeschwindigkeit v c hoch ist, z. B. Drehen oder Fräsen von Gewinden oder Schnecken hoher Steigung, bei relativ niedriger Drehzahl, - das Werkzeug eine zusätzliche Bewegung erfährt, z. B. Ein- oder Abstechen auf der Trommelrevolverdrehmaschine durch die Drehbewegung der Werkzeugaufnahme, d. h. des Revolverkopfes, - das Werkzeug zum Werkstück und zur Werkzeugmaschine falsch justiert ist. Das ist z. B. dann der Fall, wenn der Drehmeißel über oder unter Spitzenmitte eingestellt wird. Die Ebenen und Winkel im Wirk-Bezugssystem werden zur Unterscheidung vom Werkzeugbezugssystem mit dem zusätzlichen Index e (e = effektiv) versehen.

14 2.1.3 Werkzeugwinkel In der Werkzeugbezugsebene liegen zwei Werkzeugwinkel, siehe Bild 16: Bild 16: Winkel in der Werkzeugbezugsebene (links) und Orthogonalebene (rechts Schnitt A-A) - Der Einstellwinkel κ liegt zwischen der Schneidenebene /Hauptschneide und der Arbeitsebene/Werkstückachse. - Der Eckenwinkel ε liegt zwischen der Haupt- und Nebenschneide. In der Orthogonalebene, die Sie im Schnitt A-A im Bild 16 sehen, liegt der Schneidkeil, dessen Größe von folgenden drei Winkeln beeinflusst wird: - dem Keilwinkel β zwischen der Freifläche und der Spanfläche - dem Freiwinkel α zwischen der Freifläche und der Schneidenebene und - dem Spanwinkel γ zwischen der Spanfläche und der Werkzeugbezugsebene. Zwischen diesen drei Winkeln gilt immer folgender Zusammenhang: α+β+γ=90 Der Spanwinkel γ kann negative und positive Werte annehmen. Um den Schneidkeil trotz großer Frei- und Spanwinkel stabil auszuführen, werden Span- und/oder Freifläche mit einer Fase versehen, wie Bild 17 zeigt. Auch bei angefasten Flächen gilt die Beziehung: α f +β f +γ f =90 Die Fasen haben eine definierte Breite, b fα ist die Breite der Freiflächenfase und b fγ ist die Breite der Spanflächenfase. Bild 17: Werkzeugwinkel in der Orthogonalebene (links) und der Schneidenebene (rechts) In der Schneidenebene ist der Neigungswinkel λ festgelegt. Er liegt zwischen der Hauptschneide und der Werkzeugbezugsebene Wahl der Werkzeugwinkel Wie groß die Werkzeugwinkel gewählt werden, hängt von folgenden Faktoren ab: - Fertigungsverfahren, Schneidstoff, Werkstückwerkstoff, Werkstückgeometrie, Technologie. Andererseits beeinflussen die Werkzeugwinkel: - den Spanbildungsvorgang, die Spanablaufrichtung, die Werkzeugbeanspruchung, die Werkzeugstandzeit und die Belastung der Maschine. Die oben genannten Einflüsse der einzelnen Werkzeugwinkel sollen nun im Einzelnen erläutert werden. Eckenwinkel ε Die Schneidenecke, dessen Größe vom Eckenwinkel ε vorgegeben ist, ist beim Spanen der größten Belastung ausgesetzt. Er sollte daher so groß wie möglich gewählt werden. Im allgemeinen gilt: ε = wie Bild 18 verdeutlicht. Seite 7

15 Kleine Eckenwinkel ε werden zum Schlichten und Kopieren eingesetzt, wo eine geringere Belastung der schwachen Schneide auftritt, große zum Schruppen verwendet. Seite 8 Bild 18: (a) Eckenwinkel, (b) Einstellwinkel, (c) Einstellwinkel und Spanungsquerschnitt Einstellwinkel κ Der Einstellwinkel κ beeinflusst: - den Werkzeugein- und -austritt, siehe Bild 18b: Die Schneide tritt im linken Bildteil nicht mit der Schneidenecke sondern an einer Stelle, die wesentlich stabiler ist, in das Werkstück ein, man spricht hierbei von einem verzögerten Anschnitt. - die Eingriffslänge, die im Bild 18c als schwarze dicke Linie gekennzeichnet ist. Je kleiner der Einstellwinkel κ ist, umso größer wird die Eingriffslänge. Bei schweren Schruppvorgängen und im unterbrochenen Schnitt ergibt eine große Eingriffslänge höhere Standzeiten. - die Kräfteverteilung, siehe hierzu Bild 19a und Bild 25: Kleine Einstellwinkel κ bewirken große Passivkräfte F P die sowohl auf das Werkzeug wirken, wie im Bild 19a dargestellt, aber auf Grund der Regel Aktion = Reaktion auch auf das Werkstück wirken. Die werkstückseitige Kraft F P versucht das Werkstück aus seiner Mittellage abzudrängen, es durchzubiegen, und verursacht eine Maßabweichung. Je instabiler das Werkstück ist, umso größer ist diese Maßabweichung. Ein Einstellwinkel von κ = 90 verringert die Passivkraft auf einen Wert vo n F P 0. lm Allgemeinen nimmt der Einstellwinkel κ Werte an zwischen: κ = Theorie der Zerspanung Bild 19: (a) Kräfteverteilung, (b) Schneidkantenversatz Freiwinkel Freiwinkel α Wie Bild 19 zeigt, sorgt der Freiwinkel α dafür, dass zwischen der Freifläche des Werkzeugs und der Werkstückschnittfläche keine Reibung entsteht. Freiwinkel liegen zwischen α = Kleine Freiwinkel α = 2-5 Sie ermöglichen einen großen und stabilen Schneidkeil. Dadurch kann die entstehende Wärme besser abgeführt werden. Sie erhöhen die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Dadurch dämpfen sie auftretende Schwingungen, die zum Rattern führen können. Sie erzeugen einen geringen Schneidkantenversatz, Abk. SKV, wie Bild 19b zeigt. Ein kleiner Freiwinkel α 2 bewirkt bei gleicher Verschleißmarkenbreite VB einen kleinen Schneidkantenversatz SKV. Dadurch entstehen geringe Maßabweichungen des Werkstücks. Sie werden bei Werkstoffen mit einer Festigkeit oberhalb 700 N/mm 2 eingesetzt. - Große Freiwinkel α = 6-15 Für sie gilt das Gegenteil gegenüber den Aussagen für kleine Freiwinkel. Durch das Anbringen einer Freiflächenfase, wie im Bild 17 dargestellt, kann die Stabilität der Schneidenspitze erhöht werden.

16 Keilwinkel β Die Größe des Keilwinkels β ist ein Maß für die Stärke des Schneidkeils. Für Werkzeuge die einer starken Beanspruchung ausgesetzt sind, wie sie beim Schruppen hochfester Werkstoffe auftritt, müssen große Keilwinkel β gewählt werden. Spanwinkel γ Der Spanwinkel γ, siehe Bild 16 Schnitt A - A, ist ein sehr bedeutsamer Werkzeugwinkel, da seine Wirkungen sehr vielfältig sind. - Kleine Spanwinkel von γ = +6 bis -6 : bewirken eine Erhöhung der Stabilität des Schneidkeils verstärken die Schneidkante/Schneidspitze verbessern die Wärmeabfuhr aus dem Werkzeug erhöhen die Standzeit der Werkzeuge erhöhen die Gefahr der Bildung von Aufbauschneiden verschlechtern den Spanfluss erhöhen die Kräfte beim Spanen und erhöhen damit die erforderliche Antriebsleistung der Maschine. Sie werden bei Werkstoffen mit höherer Festigkeit eingesetzt. - Große Spanwinkel γ = 6-25 Für sie gilt das Gegenteil gegenüber den Aussagen für kleine Spanwinkel. Bei der Wahl der Werkzeugwinkel würde man gerne die Vorteile kleiner Spanwinkel und die großer Spanwinkel gleichzeitig nutzen. Eine Möglichkeit, das zu tun, besteht darin, die Spanfläche mit einer Fase zu versehen, wie bereits im Bild 17 gezeigt. Sind zwei Winkel festgelegt, z. B. der Freiwinkel und der Spanwinkel, so errechnet sich der dritte Winkel über die Beziehung αf+βf+γf=90 Neigungswinkel λ Er beeinflusst: - die Spanablaufrichtung - den Anschnittpunkt (A)/Erstkontakt = der Punkt der Schneide, der zuerst mit dem Werkstück in Berührung kommt, wie Bild 20 verdeutlicht. Ein negativer Neigungswinkel λ verzögert den Anschnitt und entlastet so die Schneidenspitze, da diese nicht zuerst mit dem Werkstück in Kontakt tritt. - die Schnittkraft: Negative Neigungswinkel erhöhen die Passivkräfte, wie bereits im Bild 19 gezeigt wurde. Bild 20: Einfluss des Neigungswinkels auf den Anschnittpunkt A Neigungswinkel nehmen Werte an zwischen λ=(-6 ) bis (+6 ). Negative Neigungswinkel werden auf Grund des verzögerten Anschnitts beim Schruppen und beim unterbrochenen Schnitt, z. B. beim Fräsen eingesetzt. 2.2 Spanbildungsvorgang Auf Grund der Relativbewegung des Werkzeugs im Werkstück wird der Stoffzusammenhalt örtlich aufgehoben, wodurch Werkstückpartikel abgetrennt werden, die als sogenannter Span über die Spanfläche gleiten. Dieser Vorgang wird als Zerspanprozess bezeichnet. Bild 21a zeigt schematisch ein Gedankenmodell des Trennens mit unendlich spitzer Schneide. Die Schneide ist so spitz, dass sie auf atomarer Ebene die einzelnen Atomreihen voneinander trennt. Das Werkzeug muss nur die atomare Trennarbeit aufbringen, selbst Reibung soll es nicht geben. Seite 9

17 Im Bild 21b ist der Zerspanungsvorgang nach Merchant dargestellt. Die Spanbildung vollzieht sich wie folgt: Seite 10 Theorie der Zerspanung Bild 21: (a) Schematische Darstellung des Trennens und (b) des Zerspanens - Mit dem Eindringen der Werkzeugschneide in den Werkstückwerkstoff wird das sich auf die Spanfläche mit der Schnittgeschwindigkeit v c zubewegte Partikel (im Bild 21b schraffiert dargestellt) zunächst gestaucht. - Dieser Stauchvorgang hält solange an, bis in der Scherebene, sie liegt unter dem Winkel Φ zur Schnittrichtung, eine Umlenkung, ein Scheren stattfindet. Das Partikel durchdringt die Scherebene und erfährt dabei eine Verformung. - Das deformierte Partikel verlässt die Scherebene als sog. Span, der nun über die Spanfläche abgleitet. Der Zerspanungsvorgang findet kontinuierlich statt. Der gesamte Span setzt sich aus vielen verformten einzelnen Partikeln zusammen, die sich je nach Spanart unterschiedlich ausbilden und mit der Spangeschwindigkeit v c, über die Spanfläche gleiten. Während des Stauchvorgangs wird aus der Spanungsdicke h die Spandicke h 1 die auf Grund des Stauchens immer größer als die Spanungsdicke h ist. Die Spandickenstauchung λ h errechnet sich aus der Beziehung h v λ = 1 c h h = v > 1 1 und ist immer > 1. Das Zerspanungsmodell von Merchant liefert auch eine Beziehung zur Ermittlung des Scherwinkels Φ cosγ tanφ = λ sinγ h Nebst dem hier beschriebenen Zerspanungsmodell nach Merchant gibt es noch eine Vielzahl von Zerspanungsmodellen, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Spanarten und Spanformen Wie bereits dargestellt, entstehen während der Herstellung einer definierten Werkstückgeometrie Späne. Späne werden grundsätzlich nach folgenden Kriterien eingeteilt: - nach der Art der Entstehung: Spanarten - nach der Form und Größe: Spanformen. 2.3 Spanarten Nach der Art der Entstehung unterscheidet man folgende Spanarten: - Fließspäne, Lamellenspäne, Scherspäne, Reißspäne, die im Bild 22 dargestellt sind. Bild 22: Spanarten

18 Die einzelnen Spanarten können folgendermaßen gekennzeichnet werden: Fließspäne, siehe Bild 22a: Die Fließspanbildung ist ein kontinuierlicher Vorgang bei dem ein fortlaufender, nicht getrennter Span entsteht. Sie tritt bei duktilen Werkstoffen auf, die ein homogenes, gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge haben. Begünstigt wird die Fließspanbildung durch eine hohe Schnittgeschwindigkeit v c, positive Spanwinkel γ, die die Spanentstehung erleichtern, geringe Vorschubgeschwindigkeiten v f und damit geringe Spanungsdicken h. Beispiele: ferritische Eisenwerkstoffe, wie C 15 und C 45 und nichtaushärtbare Aluminium- Legierungen. Scherspäne, siehe Bild 22b: Die Scherspanbildung erfolgt nicht kontinuierlich. In der Scherzone tritt eine Verfestigung des Werkstoffes ein, sodass die einzelnen Partikel zunächst vollkommen getrennt werden. Beim Gleiten über die Spanfläche kommt es durch Verschweißen der einzelnen Partikel, auf Grund der entstehenden Reibungswärme, zu einem zusammenhängenden Span. Scherspäne treten bei wenig verformungsfähigen und inhomogenen Werkstoffen auf. Die Scherspanbildung wird begünstigt durch geringe Schnittgeschwindigkeiten v c, negative Spanwinkel γ, die die Spanentstehung erschweren, höhere Vorschubgeschwindigkeiten v f und damit größere Spanungsdicken. Beispiele: Gusseisen mit Kugelgraphit GGG, austenitische Werkstoffe. Reißspäne, siehe Bild 22c: Die Reißspanbildung ist kein kontinuierlicher Vorgang. Eine Spanbildung, wie sie beschrieben worden ist, findet hier nicht statt. Die Partikel werden aus dem Werkstück förmlich herausgerissen, was durch den vorauseilenden Riss unterstützt wird. Eine Verformung in der Scherebene findet kaum statt. Reißspäne treten bei sehr spröden Werkstoffen auf, die häufig auch ein sehr inhomogenes Gefüge besitzen. Begünstigt wird die Reißspanbildung durch geringere Schnittgeschwindigkeiten v c, negative Spanwinkel γ, wodurch die Spanentstehung erschwert wird, höhere Vorschubgeschwindigkeiten v f und damit größere Spanungsdicken h. Der vorauseilende Riss erzeugt die Oberfläche, die entsprechend rau ist und für viele Anwendungen ungeeignet. Beispiele: Gusseisen mit lamellarem Graphit GGL, Bronze. Lamellenspäne: Sie stellen eine Zwischenform zwischen Fließ- und Scherspänen dar. Während des Schervorgangs werden die einzelnen Partikel nicht vollständig voneinander getrennt, sie hängen ohne vollständige Werkstofftrennung aneinander. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die entstehende Spanart von folgenden wesentlichen Einflussfaktoren abhängt: - dem Werkstückwerkstoff, der Schnittgeschwindigkeit v c, dem Vorschub f und dem Spanwinkel γ Spanformen Die Spanformen beschreiben die Späne nach deren Form und Größe. Bild 23 zeigt die unterschiedlichsten Spanformen: - Bandspäne, Wirrspäne, Wendelspäne, Spiralspäne, Bröckelspäne. Die Spanform nimmt Einfluss auf: - das Spanvolumen, die Handhabbarkeit, den Transport, die Arbeitssicherheit, die Qualität der Werkstückoberfläche und die Maschinengestaltung. Bild 23: Spanformen Um die Spanformen nach dem Raumbedarf der Spanformen zu klassifizieren, wurde die Spanraumzahl R eingeführt. Volumen der ungeordneten Spanmenge V R = = abgetrennten Werkstückvolumen V Bandspäne haben eine Spanraumzahl von R > 100, kurze Spanbruchstücke ein R < 3. Günstig sind Spiralspäne mit einer Spanraumzahl R = sp w Seite 11

19 Seite 12 Die einzelnen Schneidstoffhersteller geben dem Anwender in Spanformdiagrammen an, welche Spanform sich bei einem bestimmten Werkstoff unter einer bestimmten Technologie einstellen wird. 2.4 Spanungs- und Schnittgrößen am Beispiel Drehen Die Spanungsgrößen sind zur Ermittlung der mechanischen Beanspruchung wesentlich, nämlich der Kräfte und Leistung. Die Spanungs- und Schnittgrößen legen den Spanungsquerschnitt A fest, der senkrecht zur Schnittrichtung/Schnittgeschwindigkeit v c liegt. Er kann mittels folgender Beziehung ermittelt werden, siehe Bild 24, A = ap f = b h [mm 2 ] - mit den Schnittgrößen: Schnitttiefe a p und Vorschub f und - den Spanungsgrößen: Spanungsbreite b und Spanungsdicke h. Theorie der Zerspanung Bild 24: Spanungsgrößen am Beispiel Drehen und Spanungsquerschnitt Die Schnittgrößen Vorschub f und Schnitttiefe ap werden an der Maschine eingestellt bzw. bei CNC- Maschinen im NC-Programm festgelegt. Die Spanungsgrößen, Spanungsbreite b und Spanungsdicke h werden über den Einstellwinkel κ aus den Schnittgrößen a p und f abgeleitet. Die Spanungsbreite b entspricht bei einer geraden Schneide der Länge der im Eingriff befindlichen Hauptschneide. a p b = sin κ [mm] Die Spanungsdicke h ist die Dicke des abzutrennenden Spanes. h = f sinκ [mm] Um die einzelnen Fertigungsverfahren hinsichtlich ihrer Effektivität/Leistungsfähigkeit miteinander zu vergleichen, nimmt man als Kenngröße das Zeitspanungsvolumen Qw. Es sagt aus, welches Werkstückvolumen Vw pro Zeiteinheit abgetragen wird. Sind die Technologiewerte konstant, so kann für das Drehen Gl. aufgestellt werden: dvw mm³ Qw = = A vc = d ap vf dt min 2.5 Beanspruchungen beim Spanen Der Spanbildungsvorgang macht deutlich, dass die Werkstückpartikel während des Schervorgangs in der Scherebene einer hohen Beanspruchung ausgesetzt sind. Sie werden gleichzeitig mechanisch, thermisch und chemisch beansprucht, sodass die Zerspanung ein sehr komplexes Zusammenwirken dieser drei Beanspruchungsarten darstellt Mechanische Beanspruchung Kräfte beim Spanen am Beispiel Drehen Kraftentstehung Die Kräfte resultieren aus den: - Scherkräften: Das entspricht dem Widerstand, den der Werkstoff dem erzwungenen Schervorgang entgegensetzt. - Reibungskräften beim Gleiten des Spans über die Spanfläche und - Reibungskräften auf den Freiflächen: Das Werkzeug dringt in das Werkstück ein und die Schneidenspitze reibt an der neu erzeugten Werkstückoberfläche. Da in der Praxis eine Trennung dieser drei Kraftentstehungsursachen nicht sinnvoll ist, wird eine resultierende Kraft, die Zerspankraft F betrachtet, die im rechtwinkeligen Koordinatensystem in die drei Komponenten F c, F f und F p, wie im Bild 25 dargestellt, zerlegt werden kann.

20 Bild 25: Kräfte beim Spanen Die resultierende Zerspankraft F wird aus den drei orthogonalen Kraftkomponenten/Kraftvektoren ermittelt: F = F + F + F c f p wobei die Schnittkraft F c in Schnittrichtung, die Vorschubkraft F f in Vorschubrichtung und die Passivkraft F p in Werkzeugrichtung wirkt. Die Nebenkraft F N setzt sich aus den zwei Kraftkomponenten Vorschubkraft F f und Passivkraft F p zusammen: F = F + F 2 2 N f p Die Aufteilung der Nebenkraft F N auf die Größe der beiden Komponenten F f und F p wird maßgeblich durch den Einstellwinkel κ beeinflusst, wie bereits im Bild 19 gezeigt wurde Thermische Beanspruchung Die zum Zerspanen erforderliche Leistung wird überwiegend in Wärmeenergie umgewandelt und abgeführt. Beim Spanen treten insgesamt vier Wärmequellen, also Orte, an denen Wärme entsteht, auf, wie Bild 26 verdeutlicht. Diese vier Wärmequellen sind: - die Scherzone: Wärmequelle 1, hier entsteht die Wärme auf Grund der Scherung - das Trenngebiet: Wärmequelle 2, der Trennvorgang erzeugt auch Wärme - die Hauptfreifläche: Wärmequelle 3, die Reibung der Werkzeugspitze an der erzeugten Werkstückoberfläche - die Spanfläche: Wärmequelle 4, beim Abgleiten des Spans auf der Spanfläche entsteht auf Grund der Reibung Wärme. Die Wärmequellen 1 und 4 erzeugen die meiste Wärme. Die entstehende Wärme wird abgeführt. Am besten wäre es, wenn der Span die gesamte Wärme abführen würde. Im Bild 26 führt der Span ca. 75 % der entstandenen Wärme ab, während 18 % in das Werkzeug eindringen und dessen Temperatur erhöhen. Das Werkstück nimmt ca. 7 % der Wärme auf, wodurch sich dessen Randzone erwärmt, und es gegebenenfalls zu einer Gefügeänderung kommen kann. Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung führt der Span ca. 90 % der Wärme ab. Bild 26: Wärmequellen (links) und Temperaturverteilung (rechts) beim Spanen Die höchsten Temperaturen treten auf der Spanfläche an der Stelle auf, an der die Wärmequelle 4 durch Reibung eine zusätzliche Temperaturerhöhung bewirkt. Im Beispiel aus dem Bild 26 (rechts) sind es 700 C. Das ist die Stelle, an der Kolkverschleiß auftritt. Werden Werkstoffe mit einer höheren Festigkeit bei noch höheren Schnittgeschwindigkeiten zerspant, können lokal Temperaturen von über C auftreten. Seite 13

21 Seite Chemische Beanspruchung Auf Grund der hohen Temperaturen und hohen Drücke finden beim Spanen chemische Reaktionen statt, die im Bild 27 dargestellt sind, wie - Oxidation und Verzunderung: Auf der heißen Werkzeugoberfläche bildet sich eine harte O- xidschicht. - Diffusion: Mit zunehmender Temperatur nimmt die Beweglichkeit der Atome und Moleküle zu. Es kommt zu einem thermisch aktivierten Wandern der Atome sowohl vom Span in das Werkzeug als auch vom Werkzeug in den Span, wodurch sich die Werkzeugeigenschaften verändern. - Adhäsion: Bei hohen Drücken nähern sich die Atome des Spans und des Werkzeugs so stark, dass starke atomare Bindungskräfte wirksam werden, die dazu führen, dass sich Spanpartikel auf dem Werkzeug ablagern oder Partikel aus dem Werkzeug herausgerissen werden. Oxidation Diffusion Adhäsion Theorie der Zerspanung Bild 27: Chemische Beanspruchungen des Werkzeugs beim Spanen Die chemische Beanspruchung führt allgemein zu unerwünschten Wirkungen, die im Kapitel Werkzeugverschleiß beschrieben werden. 2.6 Werkzeugverschleiß Wie Sie bereits wissen, wird der Schneidkeil der Schneidstoffe beim Spanen einer hohen mechanischen, thermischen und chemischen Beanspruchung gleichzeitig ausgesetzt. Der Werkzeugverschleiß ist ein Vorgang der Schneidstoffzerstörung, der dazu führt, dass der Schneidkeil seine Geometrie verändert. Die Vorgänge, die zur Schneidstoffzerstörung führen, nennt man Verschleißmechanismen, während die Verschleißarten die messbaren Veränderungen der Schneidkeilgeometrie sind. Welche Verschleißvorgänge und -arten treten bei welchen Beanspruchungen auf? Welche Schneidstoffe sind unter vorgegebenen Belastungen für bestimmte Anwendungen am besten geeignet? Verschleißmechanismen und Verschleißarten Die wesentlichen Verschleißmechanismen/-vorgänge sind: - mechanischer Abrieb/Abrasion - plastische Verformung - Adhäsion - Diffusion - Oxidation - Kamm- und Querrisse Mechanischer Abrieb/Abrasion Der mechanische Abrieb setzt eine Relativbewegung zweier sich berührender Körper unterschiedlicher Härte voraus. Wie bereits beschrieben, findet eine Relativbewegung auf der Freifläche zwischen Werkstück und Werkzeug, auf der Spanfläche zwischen Span und Werkzeug und an der Nebenfreifläche zwischen Werkzeug und Werkstückoberfläche statt. Harte Werkstückpartikel wie Oxide, Karbide, Nitride reißen Schneidstoffteilchen heraus. Je härter der Schneidstoff im Vergleich zum Werkstückwerkstoff ist, umso geringer ist der mechanische Abrieb, die Abrasion. Bild 28 zeigt die Wirkung des mechanischen Abriebs, der in den Verschleißarten Verschleißmarkenbreite VB auf der Freifläche und Schneidkantenversatz SV aus der Spanfläche sieht- und messbar wird. Die Verschleißmarkenbreite wird häufig als Bemittelter Wert VB angegeben, da sie sich nicht gleichmäßig über die Kontaktlänge der Schneide verteilt. Des Weiteren zeigt Bild 28 die zeitliche Entwicklung der Verschleißmarkenbreite VB. Nach einem degressiven Anstieg nimmt die Verschleißmarkenbreite linear zu. Wenn die Verschleißmarkenbreite VB einen bestimmten Wert erreicht hat, nimmt der Verschleiß progressiv zu.

22 Bild 28: (a) Mechanischer Abrieb und (b) Verlauf des Freiflächenverschleißes Das Bild 28 macht auch deutlich, dass die doppelte Schnittzeit nicht zwangsläufig zu einer Verdoppelung der Verschleißmarkenbreite führt. Die Verschleißmarkenbreite VB muss im linearen Bereich auf einen maximal zulässigen Wert VB zul begrenzt werden, dessen Werte der unteren Tabelle zu entnehmen sind. Die Zeit, die bis zum Erreichen von VB zul vergeht, nennt man Standzeit. Tabelle 1: Zulässige Verschleißmarkenbreite bei Hartmetallen Bearbeitungsart Feinschlichten Schlichten leichtes Schruppen grobes Schruppen Verschleißmarkenbreite VB zul [min] 0,1-0,2 0,2-0,4 0,4-0,6 0,8-1,2 Die zulässige Verschleißmarkenbreite hängt von der Bearbeitungsart ab. Je gröber die Bearbeitung ist, umso stabiler ist der Schneidkeil und umso weniger wichtig ist die Oberflächenqualität, die, sich mit zunehmender Verschleißmarkenbreite verschlechtert Plastische Verformung Sie tritt dann auf, wenn die zulässige Belastung des Schneidkeils überschritten wird. Der Schneidkeil wird plastisch verformt, wenn: - die mechanische Belastung durch die Zerspankraft zu hoch ist, z. B. bei zu kleinem Keilwinkel - die thermische Belastung so hoch ist, dass die Warmfestigkeit des Schneidstoffs überschritten wird. Das Bild 29 zeigt schematisch einen plastisch verformten Schneidkeil, dessen Werkzeugwinkel α, β und γ sich komplett geändert haben. Dieser Verschleiß tritt verstärkt bei Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen auf. Um eine plastische Verformung zu verhindern, muss ein anderer Schneidstoff mit einer höheren Warmfestigkeit gewählt oder die Schnittgeschwindigkeit verringert werden. Bild 29: Plastische Verformung des Schneidkeils Adhäsion und Aufbauschneidenbildung Unter hohen Drücken und Temperaturen, wie sie auf der Spanfläche vorzufinden sind, werden Adhäsionskräfte wirksam, die Partikel aus dem Werkstückwerkstoff herausreißen. Diese harten Partikel lagern sich auf der Spanfläche an und verschweißen dort zu größeren Teilchen, der sog. Aufbauschneide. Wenn die Aufbauschneide eine bestimmte Größe erreicht hat, wird sie vom abfließenden Span weggerissen oder sie wird in das Werkstück hineingedrückt. Beim Abscheren der Aufbauschneide können auch Schneidstoffpartikel aus der Spanfläche mitgerissen werden und diese aushöhlen. Nach dem Abscheren setzt die Bildung einer neuen Aufbauschneide erneut ein und dieser Vorgang wiederholt sich. Wo sich der Adhäsionsverschleiß bzw. die Aufbauschneide bildet, zeigt das Bild 30. Da sich die Aufbauschneide periodisch verändert, ändern sich der Spanwinkel γ und damit auch der Spanablauf periodisch. Damit sind instationäre und nicht planbare Spanbildungsverhältnisse gegeben, was die Festlegung der optimalen Technologie erschwert. Seite 15

23 Seite 16 Bild 30: Aufbauschneidenbildung und Adhäsionsverschleiß Ob es zur Bildung von Aufbauschneiden kommt, hängt wesentlich von der Paarung Werkstückwerkstoff- Schneidstoff und der Schnittgeschwindigkeit ab. HSS-Schneidstoffe neigen stark, Hartmetalle weniger und Keramiken nicht zur Aufbauschneidenbildung bei der Bearbeitung von Stahl. Je höher die Schnittgeschwindigkeit ist, umso geringer ist die Gefahr der Aufbauschneidenbildung Diffusion und Kolkverschleiß Bei der Diffusion wandern/diffundieren die Atome des Spans in den Schneidstoff und umgekehrt. Die Diffusionsgeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur exponentiell an. Daher tritt Diffusion nur bei hohen Schnittgeschwindigkeiten auf. Die Diffusion bewirkt eine: - Veränderung der Schneidstoffeigenschaften: Warmfestigkeit und Warmhärte nehmen ab. - Veränderung der Werkzeuggeometrie: Auf der Spanfläche bildet sich Kolkverschleiß. Infolge der Diffusion entsteht Kolkverschleiß. Das Bild 31a zeigt Ihnen schematisch, wie sich die Werkzeuggeometrie bei Kolkverschleiß ändert. Es kommt zu einer muldenförmigen Aushöhlung der Spanfläche, die in der Kolkmitte KM einen maximalen Wert erreicht, da dort auch die höchsten Temperaturen auftreten. Theorie der Zerspanung Bild 31: (a) Kolkverschleiß und seine Messgrößen und (b) Einfluss der Kolkmitte KM Der Kolkverschleiß wird durch drei messbare Größen beschrieben: der Kolkmitte KM, der Kolkbreite KB und der Kolktiefe KT. In der Praxis wird die Kolkzahl K verwendet. Kolktiefe KT K = = Kolkmitte KM Der Kolkverschleiß schwächt den Schneidkeil, daher wird der Wert der zulässigen Kolktiefe KT und der Kolkzahl K begrenzt auf KT < 1-1,5 mm und K < 0,4-0,5. Eine große Kolktiefe KT schwächt den Schneidkeil. Je weiter die Kolkmitte KM von der Schneidenspitze entfernt liegt, umso weniger wird der Schneidkeil geschwächt, siehe Bild 31b, und umso kleiner ist die Kolkzahl. Mit zunehmender Bearbeitungszeit/Schnittzeit nimmt der Kolkverschleiß zu, wie das Bild 32 verdeutlicht. Bild 32: Kolkverschleißzunahme mit der Schnittzeit Diffusion und Kolkverschleiß treten verstärkt bei Hartmetallen auf. Bei Werkzeug- und Schnellarbeitsstählen tritt diese Verschleißform nicht auf, da diese Schneidstoffe auf Grund ihrer geringen Warmhärte nicht bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, wo die Diffusion eine wichtige Rolle spielt. Bei Schneidkeramiken tritt Kolkverschleiß kaum auf, da sie chemisch sehr stabil und daher nicht diffusionsfreudig sind. Würde man Stahl mit Diamant oder Siliziumnitridkeramik Si 3 N 4 bearbeiten, wäre mit einem starken Kolkverschleiß zu rechnen, weshalb man es vermeiden sollte.

24 Oxidation - Oxidationsverschleiß Die Oxidation ist ein chemischer Verschleißvorgang bei der, wie das Bild 33 verdeutlicht, die Randzone der Schneide mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft reagiert und eine harte und spröde Oxid- /Zunderschicht bildet. Je höher die Temperatur der Schneide ist, umso stärker ist der Oxidationsverschleiß. Bild 33: Randzonen mit Oxidationsverschleiß Oxidschichten zerstören die Schneidstoffe und können, wenn sie abplatzen und in das Werkstück gedrückt werden, die Werkstückoberfläche beschädigen. Oxidation tritt verstärkt bei Hartmetallen oberhalb von 750 C auf. Das Vorhandensein einer Oxidschicht ist äußerlich an Farbänderungen, die mit Anlauffarben vergleichbar sind, erkennbar Kamm- und Querrisse Bei Fertigungsverfahren mit unterbrochenem Schnitt, beispielsweise beim Fräsen oder beim Überdrehen einer Längsnut werden die Schneiden einer extremen mechanischen und thermischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt. Die mechanische Wechselbeanspruchung, die im Bild 34 durch den Verlauf der Schnittkraft F c dargestellt ist, führt zu Querrissen, wenn die Wechselfestigkeit überschritten wird. Querrisse verlaufen senkrecht zur Schnittkraft und parallel zur Spanfläche. Bild 34: Entstehung der Kamm- und Querrisse Die thermische Wechselbeanspruchung, die im Bild 34 durch die Temperaturänderung T dargestellt ist, führt zu Kammrissen. Während des Spanens wird die Schneide aufgeheizt und nach dem Austritt abgekühlt. Durch das periodische Aufheizen und Abkühlen entstehen Längenänderungen L, der Schneide und damit verbunden thermische Zugeigenspannungen auf der Spanfläche. Wenn die Zugeigenspannungen die Streckgrenze überschreiten, entstehen Risse, die sog. Kammrisse. Der Einsatz von Kühlschmierstoffen vergrößert die Gefahr der Kammrissbildung, da er die Temperaturdifferenz zwischen dem Schneidenein- und -austritt vergrößert. Seite 17