Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, d.h. im ganzen vermindert wird.

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1 Definition des Trennens: Trennen ist Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, d.h. im ganzen vermindert wird. Definition des Spanens: Spanen ist ein Trennvorgang, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneiden eines Werkzeuges Werkstoffteilchen in Form von Spänen zur Änderung der Werkstückform und/oder Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden. Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden: ~ ist Spanen, bei dem ein WZ verwendet wird, dessen Schneidenzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmt sind. Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden: ~ ist Trennen, bei dem ein WZ verwendet wird, dessen Schneidenzahl, Geometrie der Schneidkeile und Lage der Schneiden zum Werkstück unbestimmt sind. Grundbegriffe der Zerspantechnik: DIN 6580/81, DIN 6583/84, ISO Schnittbewegung: *gekennzeichnet durch den Vektor der Schnittgeschwindigkeit v c - Vorschubbewegung: * gekennzeichnet durch den Vektor der Vorschubgeschwindigkeit v f * ermöglicht zusammen mit der Schnittbewegung eine Spanabnahme * kann schrittweise oder stetig erfolgen, und kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen - Wirkbewegung: * gekennzeichnet durch den Vektor der Wirkgeschwindigkeit v e * ist resultierende Bewegung aus Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit - weitere Bewegungen: Anstell-, Zustell- und Nachstellbewegungen sind nicht unmittelbar an der Spanentstehung beteiligt

2 - Vorschubrichtungswinkel φ : ~ ist der Winkel zwischen Vorschubrichtung und Schnittrichtung - Wirkrichtungswinkel η : ~ ist der Winkel zwischen Wirkrichtung und Schnittrichtung Allgemein gilt: sin φ tan η = v c /v f + cos φ Vorschub f: ist die Ortsveränderung der Schneide bzw. des WZ in Richtung der Vorschubbewegung je Umdrehung oder je Hub des WZ oder Wkstck., gemessen in der Arbeitsebene. Schnittiefe bzw. Schnittbreite a p : ist die Tiefe bzw. Breite des momentanen Eingriffs eines WZ, senkrecht zur Arbeitsebene gemessen. Bei rotierenden WZ (z.b. Fräser oder Bohrer) zusätzlich Arbeitseingriff a e : momentaner Eingriff des WZ mit dem Wkstck., gemessen in der Arbeitsebene und senkrecht zur Vorschubrichtung. Vorschubeingriff a f : Größe in Vorschubrichtung Spanungsgrößen: beschreiben die Abmessungen der vom Wkstck. abzuspanenden Schichten (nicht die der Späne!!!) Spanungsquerschnitt A: ist die senkrecht zur Schnittrichtung projizierte Querschnitts-fläche eines abzunehmenden Spanes. Für Drehmeißel mit geraden Schneiden und scharfkantigen Schneidenecken gilt: A = a p f = b h Die Spanungsbreite b gibt die Breite und die Spanungsdicke h die Dicke des Spanungsquerschnittes an. Vereinfachte Betrachtung: a p b = sin χ h = f sin χ

3 Zum Vergleich von spanenden Fertigungsverfahren nutzt man das Zeitspanungsvolumen Q w : ist das auf eine Zeiteinheit bezogene vom Wkstck. abzuspanende Werkstoffvolumen. Beim Drehen gilt: Q w = A v c = d m a p v f Geometrie am Schneidkeil: * Spanfläche ist die Fläche, auf der der Span abläuft. * Freiflächen sind den am Wkstck. entstehenden Schnittflächen zugekehrt. * Die Schnittlinien der Span- und Freiflächen bilden die Schneiden des WZ > Haupt- und Nebenschneiden * Hauptschneiden weisen in Vorschubrichtung (Arbeitsebene) * Die Schneidenecke ist diejenige Ecke des WZ, an der die Haupt- und Nebenschneiden mit der Spanfläche zusammentreffen. Rechtwinkliges Bezugssystem für Bestimmung der WZ-Winkel: Werkzeugbezugssystem bestehend aus drei Ebenen WZ-Bezugsebene: ist eine Ebene durch den betrachteten Schneidenpunkt, senkrecht zur Schnittrichtung und parallel zur Auflageebene. Schneidenebene: ist eine die Hauptschneide enthaltende Ebene, senkrecht zur WZ- Bezugsebene. Keilmeßebene: ist eine Ebene, senkrecht zur Schneidenebene und senkrecht zur WZ- Bezugsebene Winkel am Schneidkeil: In der WZ-Bezugsebene gemessen: * Einstellwinkel χ Winkel zwischen AE und Schneidenebene * Eckenwinkel ε Winkel zwischen Haupt- und Nebenschneide In der Schneidenebene gemessen: Neigungswinkel λ Winkel zwischen WZ-BE und Hauptschneide In der Keilmeßebene gemessen: α + β + γ = 90 * Freiwinkel α Winkel zwischen Freifläche und Schneiden-E. * Keilwinkel β Winkel zwischen Frei- und Spanfläche * Spanwinkel γ Winkel zwischen Spanfläche und WZ-BE Kräfte und Leistungen beim Spanen Die Zerspankraft F kann in verschiedene Komponenten zerlegt werden: * Aktivkraft F a ist Komponente in der Arbeitsebene (leistungsbestimmend) * Passivkraft F p ist Komponente senkrecht zur Arbeitsebene Aktivkraft wird in Schnittkraft F c (bezogen auf Schnittrichtung), Vorschubkraft F f (bezogen auf Vorschubrichtung) und Wirkkraft F e (bezogen auf Wirkrichtung) zerlegt! F = F a 2 + F p 2 = F c 2 + F f 2 + F p 2

4 Die Leistungen beim Zerspanen ergeben sich aus dem Produkt der Kraftkomponenten und der jeweiligen Geschwindigkeitskomponenten: * Schnittleistung: P c = v c F c * Vorschubleistung: P f = v f F f * Wirkleistung: P e = v e F e Wirkleistung P e ergibt sich auch aus P e = P c + P f Stand- und Verschleißbegriffe * Standvermögen: Fähigkeit eines Wirkpaares Zerspanvorgänge durchzustehen (abhängig von Standbedingungen) * Standbedingungen: werden beeinflußt durch alle am Zerspanvorgang beteiligten Elemente, wie - Werkstück ( Form, Wkstck.-Stoff) - Werkzeug ( Geometrie am Schneidkeil, WZ-Stoff) - Werkzeugmaschine - weitere Randbedingungen (z.b. Kühlschmierung) * Beurteilung des Standvermögens durch Standkriterien * Standkriterien: sind Grenzwerte für unerwünschte Veränderungen am WZ, Wkstck. oder am Bearbeitungsverlauf * Standgrößen: sind Zeiten, Wege oder Mengen, die bis zum Erreichen eines festgelegten Standkriteriums unter den gewählten Standbedingungen erzielt werden können (z.b. Standmengen, Standzeiten oder Standwege) Zur eindeutigen Beschreibung des Standvermögens sind die Standgrößen stets in Verbindung mit dem Standkriterium und den dazugehörigen Standbedingungen anzugeben. Beispiel: T VB 0.2 : 300 = 60 min Spanbildung * primäre Scherzone: unmittelbare Spanentstehungszone (Zone 1) * Verformungsvorlaufzone: es entstehen durch den Spanbildungsvorgang Spannungen, die elastische und plastische Verformungen verursachen (Zone 2) * sekundäre Scherzonen (3 + 4): Reibungszone zwischen WZ-Freifläche und gefertigter Fläche bzw. WZ-Spanfläche und Spanunterseite (hohe thermische und mechanische Belastungen verursachen WZ-Verschleiß) * Trenngebiet: an Schneidkante erfolgt eigentliche Trennung (Zone 5)

5 Spanstauchung * Spanstauchung: Änderung der Spanungsgrößen gegenüber den Spangrößen Spandicke h ch * Spandickenstauchung: λ h = > 1 Spanungsdicke h Spanbreite b ch * Spanbreitenstauchung: λ b = > 1 Spanungsbreite b * Stauchung des Spanquerschnittes: λ A = λ h λ b (Spanlänge ist kürzer als der von der Schneide zurückgelegte Weg) Spanarten * Reiß-oder Bröckelspäne: vorwiegend bei spröden Werkstoffen wie Eisenguß und Bronzen; sehr schlechte Oberflächen * Scherspäne: Spanteile werden in der Scherzone vollkommen voneinander getrennt und verschweißen unmittelbar danach wieder * Fließspäne: Werkstoff beginnt im Bereich der Scherzone kontinuierlich zu fließen; Spanlamellen verschweißen stark untereinander (nicht erkennbar mit bloßem Auge) * Lamellenspäne: sind Fließspäne mit ausgeprägten Lamellen, die durch Verfestigung des Werkstückstoffes während des Schervorganges entstehen Aufbauschneidenbildung * Aufbauschneiden: im Bereich der Scherspanbildung, besonders bei Werkstückstoffen mit hoher Bruchdehnung; es sind stark kaltverfestigte, harte Schichten, die einen keilförmigen Schneidenansatz bilden * Bildungsmechanismus: - kleinste Werkstoffpartikel bleiben in Schneidennähe haften, es kommt zu Verschweißungen - durch ständiges Hinzukommen neuer Werkstoffpartikel nimmt die Aufbauschneide ständig zu; Teile lösen sich durch Spandruck - Werkstoffpartikel wandern an Spanunterseite und Werkstückfläche ab Spanformen * Band- und Wirrspäne * Wendelspäne * Spiralspäne * Spanbruchstücke Raumbedarf der Spanmenge Spanraumzahl: R = Werkstoffvolumen der gleichen Spanmenge

6 Möglichkeiten zur Beeinflußung der Spanformen durch: - den Werkstückstoff - die kinematische Spanbrechung - die Anwendung von Spanformstufen - das Ändern der WZ-Geometrie und der Maschineneinstellbedingungen Schneidstoffe Zu fordernde Eigenschaften: * Härte und Druckfestigkeit, * Biegefestigkeit und Zähigkeit, * Kantenfestigkeit, * innere Bindungsfestigkeit, * Warmfestigkeit, * geringe Oxidations-, Diffusions-, Korrosions- und Klebneigung, * Abriebfestigkeit Arten * Werkzeugstähle: legiert oder unlegiert (C-Gehalt 0,6-1,3 %); nur geringe Warmhärte von 200 bis 300 C; nur noch für Hand-WZ * Schnellarbeitsstähle (HSS): hochlegierte WZ-Stähle; Grundgefüge aus angelassenem Martensit mit eingelagerten Molybdän-Wolfram-Doppelcarbiden, Chrom- und Vanadiumcarbiden und nicht gelöste Legierungselemente W, Mo, V und Co; * Hartmetalle: gesinterte Stoffsysteme mit Metallcarbiden als Härteträger und einem die Zähigkeit bestimmenden Bindemetall * Schneidkeramik: Schneidstoffe aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliciumnitrid (Si3N4) * Diamant (D / PKD: härtester Schneidstoff; in polykristalliner Form für die Zerspanung eingesetzt; Herstellung der polykristallinen Diamantschicht aus synthetischen Diamanten, die in einer Hochdruck-Hochtemperatursynthese auf einen HM-Grundkörper aufgesintert werden; Bearbeitung von Eisen-Gußwerkstoffen und Stählen wegen der Affinität des D zu Fe nicht möglich * Kubisch kristallines Bornitrid (CBN): nach D härtester Schneidstoff; auch durch Hochdruck-Hochtemperatursynthese hergestellt; für die Bearbeitung von Eisen und Stahl, auch für gehärteten Stahl einsetzbar SCHNITTKRAFT F c Einflußgrößen: * Werkstückstoff * Vorschub f bzw. Spanungsdicke h * Schnittiefe a p bzw. Spanungsbreite * Spanungsverhältnis a p / f * Spanwinkel * Einstellwinkel * Schnittgeschwindigkeit v c * Schneidstoff * Kühlung und Schmierung * Werkzeugverschleiß

7 Berechnung der SCHNITTKRAFT F c Spezifische Schnittkraft k c = F c / A in N / mm 2 F c = a p f k c = b h k c in N k c ist ein werkstoffabhängiger Zerspanungswert, der kaum von der Spanungsbreite b, sondern ausschließlich von der Spanungsdicke h bzw. dem Vorschub f abhängt! k c = k c1.1 h -z in N / mm 2 Die spezifische Schnittkraft k c1.1 gibt die auf eine Spanungsbreite b = 1 mm und eine Spanungsdicke h = 1 mm bezogene Schnittkraft an! Berechnung der spezifischen SCHNITTKRAFT k c k c = k c1.1 h -z K γ K v K ver K st Kγ - Korrekturfaktor für den Spanwinkel Kv - Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit Kver - Korrekturfaktor für den Verschleiß Kγ - Korrekturfaktor für die Spanstauchung