Zerspanungsprozess und Spanbildung

Der Zerspanungsprozess

Der Zerspanungsprozess ist die kontrollierte Wechselwirkung zwischen dem Werkstück, dem Werkzeug und der Maschine. Er wird beeinflusst durch:

• Die Schnittbedingungen
• Kühlschmierstoffe
• Die Steifigkeit von Werkzeug, Werkstück und Maschine

Wichtige Faktoren bei der Spanentstehung

Wichtige Faktoren bei der Entstehung des Spans sind:

• Das Werkzeug: Material und Geometrie.
• Das Werkstück: Material, Geometrie und Steifigkeit.
• Die Schnittbedingungen.

Orthogonalschnitt und Schrägschnitt

Der Orthogonalschnitt ist ein besonderer Fall, in dem die Schneidkante des Werkzeugs senkrecht zur Richtung der relativen Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug steht.

Der Schrägschnitt liegt vor, wenn die Schneidkante nicht senkrecht zur Schnittrichtung steht.

Definitionen der Zerspanungsgeometrie

Der Schnittpunkt der beiden Ebenen definiert die wichtigsten Flächen des Werkzeugs:

• Freifläche (Alpha-Ebene): Die Fläche, die der erzeugten Oberfläche des Werkstücks zugewandt ist (auch als Inzidenz- oder Seitenwandfläche bezeichnet).
• Spanfläche (Gamma-Ebene): Die Fläche, über die der Span gleitet.

Geschwindigkeiten und Dicken

Die Schnittgeschwindigkeit ($v_c$) ist die momentane Geschwindigkeit der Schnittbewegung relativ zum Werkstück.

Unverformte Spanungsdicke ($a_c$): Die Tiefe jeder Materialschicht, die durch das Werkzeug entfernt wird.

Deformierte Spanungsdicke ($a_0$): Die gemessene Spandicke nach dem Schnitt.

Spanungsdickenverhältnis ($r_c$): Das Verhältnis der unverformten Spanungsdicke zur deformierten Spanungsdicke ($r_c = a_c / a_0$).

Winkeldefinitionen

• Spanwinkel (γ): Der Winkel zwischen der Spanfläche und einer Linie senkrecht zur neuen Arbeitsfläche.
• Freiwinkel (α): Der Winkel zwischen der Freifläche und der erzeugten Werkstückoberfläche. Dieser Winkel beeinflusst den Werkzeugverschleiß pro Zeiteinheit.

Querschnitte und Volumen

Die Vorschubbewegung führt zum schrittweisen Abbau von Material.

Spanbreite ($a_w$): Die Breite der Schneidkante, gemessen in Vorschubrichtung.

Spanungsquerschnitt ($A_c$): Die Fläche senkrecht zur Schnittgeschwindigkeit, die vom Werkzeug überstrichen wird.

Vorschubquerschnitt: Die Fläche senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die vom Werkzeug überstrichen wird.

Zeitspanvolumen ($Z_w$): Das Volumen des entfernten Materials pro Zeiteinheit (auch als Volumenstrom bezeichnet).

Phänomene der Spanbildung

Bei der Analyse der Phänomene rund um die Materialentfernung werden folgende Beobachtungen gemacht:

1. Der Span ist härter und spröder als das Grundmaterial. Da $a_c > a_0$, ist das Spanungsdickenverhältnis $r_c < 1$ (immer).
2. Die Spanfläche, die Kontakt mit der Spanfläche (Gamma-Ebene) des Werkzeugs hatte, ist glatt und glänzend, während die andere Seite dunkel und rau ist.
3. Die Farbe des Spans ändert sich je nach Material.
4. Es entsteht ein erheblicher Temperaturanstieg im Schnittbereich.
5. Die Spanform hängt vom Material ab.

Bei der Zerspanung duktiler Werkstoffe entsteht die Verformung in einem schmalen Streifen, der als Scherzone (oder Scherebene) bezeichnet wird.

Spanarten

Fließspan (Kontinuierlicher Span)

Der Fließspan ist die normale Spanform beim Schneiden der meisten duktilen Werkstoffe und führt zur besten Oberflächenqualität bei der Bearbeitung.

Die Bildung des Fließspans besteht aus der Scherung des Materials und dem Gleiten des Spans entlang der Spanfläche des Schneidwerkzeugs. Die Spanbildung erfolgt in einem Bereich, der sich von der Schneidkante des Werkzeugs bis zur Verbindung zwischen den Oberflächen des Teils erstreckt. Dieser Bereich ist bekannt als die primäre Verformungszone. Die dort übertragenen Kräfte führen dazu, dass der Span über die Spanfläche gleitet, wobei die unteren Schichten des Spans weiter verformt werden (sekundäre Verformungszone).

Span mit Aufbauschneide

Dieser Span tritt bei der Bearbeitung von sehr zähen Materialien oder bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten auf. Wenn die Reibung zwischen Span und Werkzeug sehr hoch ist, entsteht eine starke Adhäsion zwischen dem Spanmaterial und der Werkzeugoberfläche. Der Span beginnt nicht direkt auf der Spanfläche zu gleiten, sondern auf dem daran haftenden Material. Diese aufgebaute Schicht (Aufbauschneide) erreicht eine Größe, bei der der Span das anhaftende Material entweder auf das Werkstück oder auf den Span selbst verdrängt, was zu einer sehr schlechten Oberflächengüte führt.

Bruchspan (Diskontinuierlicher Span)

Dieser Span tritt bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen (z. B. Grauguss oder Bronze) sowie bei duktilen Werkstoffen bei sehr niedrigen Drehzahlen und großen Vorschüben auf. Während der Spanbildung verformt sich das Material stark. Wenn das Material spröde ist, bricht es in der primären Verformungszone, sobald die Spanbildung beginnt. Unter diesen Bedingungen wird der Span segmentiert.