Zerspanen

Einführung in die Zerspantechnik

Spanen ist Fertigen durch Stofftrennen. Von einem Werkstück werden durch eine (beim Drehen), mehrere (beim Fräsen) oder viele (beim Schleifen)
Schneiden eines Werkzeuges Stoffteile in Form von Spänen mechanisch getrennt.
Beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden sind die Schneidenanzahl, die Form der Schneidkeile und ihre Lage zum Werkstück bekannt
und beschreibbar (Drehen, Bohren, Fräsen). Beim Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden lassen sich dagegen nur statistische Kenngrößen über die
geometrische Ausbildung des Schneidenhaufwerks angeben (Schleifen).

Bewegungen beim Zerspanen

Beim Zerspanungsprozess bewegen sich Werkstück und Werkzeug gegeneinander.
Die Bewegungen erfolgen gradlinig und oder kreisförmig.
Folgende Bewegungen gibt es bei Werkzeugmaschinen:

• Schnittbewegung ( Vc in m/min bzw. m/sec)
• Vorschubbewegung( Vf in mm/min)
• Zustellbewegung ( ap Schnitttiefe)
• Positionierbewegung

Die Vorschubbewegung

bewirkt, dass das Werkzeug kontinuierlich am Werkstück entlang geführt wird und so ein konstanter Materialabtrag vollzogen wird.
Wenn es keine Vorschubbewegung geben würde, schneidet sich das Werkzeug in der Position frei und würde leerlaufen.

Die Schnittbewegung

ist die wichtigste Bewegung beim Spanen(Hauptbewegung).
Je nach Verfahren ergibt sich kreisförmige oder geradlinige Schnittbewegung und des Weiteren wird unterschieden ob das Werkzeug
oder das Werkstück die Schnittbewegung ausführt. Die Geschwindigkeit der Spanabnahme an der Schneidkante wird Schnittgeschwindigkeit Vc genannt.
Die Positionierbewegung ist die Bewegung vor und nach dem Eingriff. Diese setzt sich aus der Anstellbewegung (zum Beginn des Spanvorganges),
der Zustellbewegung (Bestimmt die Spandicke), der Nachstellbewegung (meist bei CNC welche korrigierend eingreift) sowie der Rückstellbewegung (nach dem Spanen) zusammen.
Beim Spanen dringt der Schneidkeil in den Werkstoff ein. Die Relativbewegung zwischen den Wirkpartnern lässt sich durch die Schnittbewegung mit der Geschwindigkeit Vc und die Vorschubbewegung mit der Geschwindigkeit Vf beschreiben. Durch Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit wird der Spanungsquerschnitt A bestimmt.

Die Werkzeugschneide

Die Werkzeugschneide muss keilförmig ausgebildet sein und aus einem verschleißfesten und ausreichend zähen Werkstoff bestehen.
Schneiden und Flächen am Schneidkeil:
Der Schneidkeil wird durch die Spanfläche und die Freifläche begrenzt. Werkzeuge können Haupt- und Nebenschneiden besitzen.
Bei Hauptschneiden weist der Schneidkeil in Vorschubrichtung.
Hauptschneiden leisten die wesentliche Trennarbeit. Schneiden die nicht in Vorschubrichtung weisen, sind Nebenschneiden. Schneiden können gerade, abgewinkelt oder gekrümmt sein.
Der Übergang zwischen Haupt- und Nebenschneide bildet die Schneidenecke, welche meist gerundet ist.
Die Spanfläche ist die Fläche am Schneidkeil, auf welcher der Span abläuft. Die Fläche am Schneidkeil, die der entstehenden Werkstückoberfläche gegenüber liegt nennt man Freifläche.

Winkel am Schneidkeil

Als Freiwinkel α

bezeichnet man den freien Winkel zwischen Freifläche und bearbeiteter Fläche. Wäre dieser 0°, so würde die Freifläche auf der Werkstückfläche stark reiben. Große Freiwinkel mindern den Freiflächenverschleiß, begünstigen aber das Ausbrechen der Schneidkante. Man wählt den Freiwinkeldeshalb gerade so groß, dass das Werkzeug genügend frei schneidet. Werkzeuge für harte und kurzspanende Werkstoffe erhalten einen Freiwinkel α≈ 4°. Für die Zerspanung von Stahl beträgt der Freiwinkel 6° bis 10°, für langspanende Werkstoffe mit geringerer Festigkeit wie z.B. Leichtmetalle und Kunstoffe, kann der Freiwinkel größer sein.

Der Spanwinkel γ

ist der Winkel zwischen der Spanfläche und einer zur Bearbeitungsfläche senkrechten gedachten Linie. Er beeinflusst vor allem die Spanbildung. Große Spanwinkelüber 10° sind jedoch nur bei weichen Werkstoffen anwendbar. Für mittelharte Werkstoffe und Stähle mit geringerer Festigkeit sind in der Regel Spanwinkel bis 10° üblich. Der Spanwinkel wird umso größer gewählt je weicher der zu bearbeitende Werkstoff ist. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten, unterbrochenem Schnitt oder sehr harten und spröden Werkstoffen, werden Werkzeuge mit kleinen oder negativen Spanwinkeln verwendet. Bei negativen Spanwinkeln treten höhere Schnittkräfte auf, die auch eine höhere Maschinen-Antriebsleistung erfordern.

Der Keilwinkel β

ist der Winkel des in das Werkstück eindringenden Schneidkeiles. Seine Größe wird von dem zu zerspanenden Werkstoff bestimmt und ergibt zusammen mit Freiwinkel und Spanwinkel immer einen Winkel von 90°.

            α +β + γ = 90°

Zerspanprozess als System

Im Systemtechnischen Sinne lässt sich der Zerspanprozeß als Black Box anschreiben, in den Eingangsoperanden hinein und Ausgangsoperanden herausführen.
Die Eingangsoperanden sind durch Eingangsgrößen gekennzeichnet, die vom:

• zu bearbeiteten Werkstoff (Festigkeit, chem. Zusammensetzung, Rohteilform),
• von der Maschineneinstellung (Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Zustellung),
• von den Maschineneigenschaften (statische und dynamische Steifigkeit) und
• von den Eigenschaften der eingesetzten Hilfsstoffe (Kühlschmierstoff- menge sowie Zusammensetzung) bestimmt werden.
  

Die Wirkung des Prozesses kann man am Ausgang des Systems (nach der Zerspanung) durch Wirkgrößen ablesen

• am Werkstück (Mengenleistung, Fehlertechnologie),
• an den Spänen (Form und Menge),
• an den Veränderungen der Maschine (Erwärmung, Verschleiß) und
• der Hilfsstoffe (Erwärmung, chemische Veränderung).

Der Prozess selbst lässt sich beschreiben durch Prozessgrößen wie Zerspankräfte, Werkstück- und Werkzeugtemperaturen, Energieeinflüsse und chemische Beschreibungsgrößen.
Die Eingangsoperanden werden durch den Prozess in Ausgangsoperanden umgewandelt. Zur Bewertung eines Prozesses sind vier Kriterien genannt.

• Oberflächenausbildung des Werkstückes
• Spanform
• Verschleiß des Werkzeuges
• Zerspankraft

Dabei wird davon ausgegangen, dass die Eingangsgrößen vorgegeben sind, dass also die Haupttechnologie und die Mengenleistung über

• das Verfahren,
• die Maschine und
• die Steuerung ihrer Bewegung bestimmt sind.
  

Zusammenfassend lassen sich folgende Faktoren auflisten,

Eingangsoperanden:

• Werkstoff,
• Werkzeug,
• Einstellung der Maschine,
• Eigenschaften der Maschine,
• Hilfsstoffe.

Prozess:

• mechanische,
• thermische,
• chemische Vorgängen während des Spanens.

Ausgangsoperanden:

• Werkstück,
• Werkzeug,
• Späne,
• Maschine,
• Hilfsstoffe.(nach dem Spanen)

Eingriffsgrössen beim Bohren und Fräsen

Das Bohren ist ein span(n)endes Verfahren mit drehender Schnittbewegung.
Zum Einbohren ins Volle wird meist ein Spiralbohrer (Wendelbohrer)verwendet, er besteht aus Schaft (zylindrisch oder kegelig) und Schneidteil.Über genau diesen Schaft wird der Bohrer eingespannt und geführt.Der Schaft dient insbesondere als Drehmomenteinleitung.Der Schneidteil besteht aus einer komplexen Geometrie und kann über diese auf die jeweilige Bearbeitungsaufgabe angepasst werden.Das Profil, des Bohrers sollte grosse Spannuten aufweisen, da diese für einen guten Spantransport sorgen.Andererseits muß er ausreichend torsionssteif und torsionsfest sein.Der Drallwinkel der Spannuten (Steigungswinkel der Nuten) beeinflußt den Spantransport und bestimmt den Spanwinkel des Schneidkeils. Der Spanwinkel ist für die Verformungen und für die Kräfte am Schneidteil wesentlich.

Hier seht ihr ein Bild mit den Bezeichnungen, Eingriffsgrössen und Winkeln des Spiralbohrers: (wird noch eingefügt...)

Fragen-Einführung in die Zerspantechnik

1. Wie unterscheiden sich Wirk- und Vorschubrichtungswinkel beim Drehen und Bohren einerseits und beim Fräsen andererseits?

2. Wie ist die Bezugsebene zur Angabe der Winkel am Drehmeißel definiert; wie liegen die Schneiden- und die Keilmessebene?

3. Welches sind die Eingangsgrössen (Einflussgrössen) eines Zerspanprozesses?

4. Vergleiche wichtige Eingangsgrössen des Drehprozesses mit denen des Bohrens, Räumens und Fräsens!

5. Welche Bewegungen müssen zusammenwirken, damit eine Spanabnahme beim Bohren erfolgt?

6. Benenne den Winkel zwischen den beiden Hauptschneiden des Spiralbohrers?

7. Warum treten Aufbauschneiden nur im Fließspanbereich auf?

Antworten-Einführung in die Zerspantechnik

Antwort 5: 1. die Schnittbewegung beim Bohren kreisförmig, sie ist die wichtigste Bewegung beim Spanen (Hauptbewegung),sie wird bei diesem Verfahren vom Werkzeug ausgeführt.2. die Positionierbewegung, sie ist die Bewegung vor und nach dem Eingriff. Diese setzt sich aus der Anstellbewegung (zum Beginn des Spanvorganges), der Zustellbewegung (Bestimmt die Spandicke)zusammen.