Unter Trenen ist nach DIN 8589 ein Trennvorgang zu verstehen, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneiden eines Werkzeugs Werkstoffteilchen in Form von Spänen zu einer Änderung der Werkstoffform und/oder der Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden.
Die Grundform aller bei den verschiedenen spanenden Bearbeitungsverfahren verwendeten Werkzeugschneiden ist der Keil. Die Formgebung erfolgt beim Spanen durch eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die mechanische Wirkung des Schneidkeils am spanenden Werkzeug mit geometrisch bestimmter Form wird durch seine Gestalt, seine Lage zum Werkstück und durch die auftretenden Geschwindigkeitsverhältnisse beeinflusst.
Die gezielte Formgebung von Werkstücken mit Hilfe geeigneter Spanungsverfahren nennt man Zerspantechnik.
Innerhalb der Fertigungstechnik haben im Verlauf der industriellen Entwicklung die spanenden Fertigungsverfahren eine bedeutende Stellung erreicht, die im Wesentlichen begründet ist durch:
1.die große und nahezu unbegrenzte Variationsbreite der erzeugbaren geometrischen Formen
2.die erreichbare hohe Fertigungsgenauigkeit
3.die hohe Produktivität, auch unter den Bedingungen der Klein- und Mittelserienfertigung
4.die Möglichkeit, gehärtete hochfeste Werkstoffe bearbeiten zu können.
Die spanenden Bearbeitungsverfahren werden in zwei Gruppen eingeteilt:
1.Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden. Diese Verfahren sind dadurch charakterisiert, dass Werkzeuge verwendet werden, deren Schneidenanzahl, Schneidengeometrie und Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmt sind z.B. Drehen, Bohren, Senken, Reiben, Fräsen, Räumen, Sägen usw.
2.Verfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Bei diesen Verfahren werden Werkzeuge eingesetzt, deren Schneidenanzahl, Schneidengeometrie und Lage der Schneiden zum Werkstück nicht bestimmt sind z.B. Honen, Läppen, Strahlspanen, Gleitspanen.
-1.1 Grundbegriffe der spanenden Formgebung
Wirkbewegung: Sie ist die resultierende Bewegung aus
Schnitt- und Vorschubbewegung.
Schnittbewegung: Sie ist diejenige Bewegung zwischen
Werkstück und Werkzeug, die ohne Vorschubbewegung
Nur eine einmalige Spanabnahme während einer Umdrehung
Oder eines Hubes bewirken würde.
Vorschubbewegung: Sie ermöglicht zusammen mit der
Schnittbewegung eine Spanabnahme.
Weiter Bewegungen sind die Anstell-, Zustell- und
Nachstellbewegungen, die jedoch nicht unmittelbar an
der Spanentstehung beteiligt sind.
Vorschubwinkel φ: Der Winkel zwischen Vorschub- und Schnittrichtung. Er ist verfahrensabhängig, d.h. er kann während des Schnittes φ=90° sein (z.B. beim Drehen,
Bohren und Räumen), sich bei anderen Spanvorgängen jedoch laufend ändern, was beim Fräsen und Schleifen der Fall ist.
Wirkrichtungswinkel η: Der Winkel zwischen Schnitt- und
Wirkrichtung. Es gilt mit hinreichender Genauigkeit für die
Meisten Einsatzfälle η≈0°.
Arbeitsebene Pfe: sie ist eine gedachte Ebene, die durch die
Vektoren von Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit im
jeweils betrachteten Schneidepunkt gelegt wird. In der
Arbeitsebene vollziehen sich die Bewegungen, die an der
Schnitttiefe ap: Die Schnitttiefe bzw. Schnittbreite ist die
Tiefe des Eingriffes der Werkzeugschneide.
Arbeitseingriff ae: Vorwiegend beim Fräsen und Schleifen
benötigt man zur Festlegung des Werkzeugeingriffes
zusätzlich den Arbeitseingriff. Damit wird die Größe des
Eingriffes des Werkzeugs berechnet.
Vorschubeingriff af: Der Vorschubeingriff beschreibt die
Größe des Werkzeugeingriffes mit dem Werkstück in
Vorschubrichtung.
SpanungsquerschnittA: Der Spanungsquerschnitt A ist der
Querschnitt des anzunehmenden Spanes.
Er berechnet sich zu: .
Spanungsdicke h/Spanungsbreite b: Die Spanungsdicke gibt
die Dicke, die Spanungsbreite die Breite des Spanungsquer-
schnittes an. Bei vereinfachter Betrachtung gelten bezüglich
des geometrischen Zusammenhangs zwischen Vorschub-,
Eingriffs- und Spanungsgrößen entsprechend die Beziehungen
. Hierbei ist χr der Einstellwinkel der Hauptschneide.
Zeitspanvolumen Q: Für den Vergleich spanender Fertigungsverfahren wird vielfach das Zeitspanvolumen benutzt.
Spanfläche: die Fläche, auf der der Span abläuft.
Auflageebene: Ebene der Auflagefläche des Werkzeugs.
Werkzeug-Bezugsebene: Ebene parallel zur Auflageebene durch den betrachteten Schneidepunkt. Sie steht senkrecht zur Schnittrichtung.
Werkzeug-Schneidenebene: sie enthält die Schneide und steht senkrecht zur Werkzeug-Bezugsebene.
Werkzeug-Keilmessebene: steht senkrecht zur Werkzeugbezugs- und Schneidenebene.
In diesen drei Ebenen werden die folgenden für die Zerspanung wichtigsten Winkeln gemessen:
Werkzeugeinstellwinkelχr: Winkel zwischen Schneidenebene und angenommener Arbeitsebene, gemessen in der Bezugsebene. Eine Verringerung des Einstellwinkels
(kleiner 90 Grad) vermindert die Spanungsdicke. Übliche Werte beim Schruppen sind 45 bis 60 Grad
Eckenwinkel εr: Winkel zwischen Haupt- und Nebenschneide, gemessen in der Bezugsebene. Er sollte aus Stabilitätsgründen nicht so klein gewählt werden.
Neigungswinkel λs: Winkel zwischen Schneide und Bezugsebene, gemessen in der Schneidenebene. Der Neigungswinkel bewirkt, der beanspruchte Teil der Schneide allmählich zum Schnitt kommt, was für die Haltbarkeit der Schneide von Bedeutung ist. Ein negativer Neigungswinkel entlastet die Schneidenecken.
Freiwinkel α0: Winkel zwischen Freifläche und Schneidenebene, gemessen in der Keilmessebene. Ohne Freiwinkel ist kein Schneiden möglich. Er liegt zwischen 5 bis 8 Grad.
Keilwinkel β0: Winkel zwischen Freifläche und Spanfläche, gemessen in der Keilmessebene. Zum guten Spanen wird zwar ein kleiner Keilwinkel benötigt, aus Verschleißgründen soll er aber so groß wie möglich sein.
Es gilt α0+ β0+ γ0=90°.
Standbegriffe sind für die Effektivität von Spanungsvorgängen von wesentlicher Bedeutung.
1.Standvermögen. Hierunter versteht man die Fähigkeit eines Wirkpaares (Werkzeug und Werkstück), einen bestimmten Zerspanvorgang durchzustehen.
2.Standbedingungen. Damit sind alle Bedingungen gemeint, unter denen ein bestimmter Zerspanvorgang durchgeführt wird und die diesen beeinflussen, z.B. Form und Geometrie der Werkzeugschneide, Art und Ausführung der Werkzeugmaschine.
3.Standkriterien. Hierbei handelt es sich um die Grenzwerte für das durch das Zerspanen verursachte unerwünschte Veränderungen am Werkzeug, am Werkstück oder Spanungsvorgang. Die in der Praxis am häufigsten Standkriterien sind Verschleißgrößen, insbesondere der Freiflächenverschleiß.
4.Standgrößen. Standzeiten sind Zeiten, Wege oder Mengen, die bis zum Erreichen eines festgelegten Standkriteriums unter den gewählten Standbedingungen erzielt werden können. Entsprechend unterscheidet man Standzeiten, Standwege oder Standmengen.
2. Grundlagen des Spanens
-2.1 Spanbildung, Spanarten, Spanform
Durch die Scherwirkung des Schneidkeiles werden Späne in Form dünner Lammelen abgetrennt. Dabei können Bröckelspäne, Scherspäne, Fließspäne oder Lamellenspäne entstehen.
1.Bröckel- oder Reißspan. Sie entstehen beim Spanen von spröden Werkstoffen mit geringem plastischen Verhalten z.B. Gusseisen, Messing, Bronze.
2.Scherspäne. Sie treten beim Spanen zäher Werkstoffe im Schnittgeschwindigkeitsbereich
vc = 20 …080 m/min.
3.Fließspäne. Sie entstehen beim Spanen gut plastischer Werkstoffe mit gleichmäßigem Gefüge ab einer Schnittgeschwindigkeit von vc > 80 m/min z.B. Baustähle.
4.Lamellenspäne. Solche Späne treten beim Spanen nicht zu zäher Werkstoffe oder bei ungleichmäßigem Gefüge auf. Sie können sowohl bei großen Vorschüben als auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten entstehen.
Für die Entstehung eines kurz brechenden Fließspanes müssen folgende Bedingungen erfüllt sein
hohe Schnittgeschwindigkeit
großer Spanwinkel
kleiner Vorschub
zäher Werkstoff
den Fließspan kann man auch durch Spanleitstufen oder Spanbrecherplatten erreichen.
Heute ist es in der Praxis üblich, Spanleitstufen am Werkzeug einzusetzen, die eingeschliffen, eingeformt oder aufgesetzt werden. Sie stellen Hindernisse im Spanablauf dar, die den abfließenden Span in eine Krümmung zwingen, die eine günstige Form verursacht.
-2.2 Schnittkraftberechnung
Die Schnittkraft Fc ist die wichtigste Komponente der Zerspankraft F. Ihre Größe hängt im Wesentlichen vom zu spanenden Werkstoff und von den Spanbedingungen. Als zweckmäßige Berechnungsverfahren hat sich in der Praxis die empirische Schnittkraftgleichung nach KIENZLE erwiesen. Danach ergibt sich die Schnittkraft zu:
bzw. A = Spanungsquerschnitt
= spezifische Schnittkraft
In dieser Gleichung ist kc die spezifische Schnittkraft. Sie wird definiert als das Verhältnis von Schnittkraft Fc zu Spanungsquerschnitt A .
Die spezifische Schnittkraft ist die Kraft, die notwendig ist, um 1 mm² Querschnitt einer bestimmten Form eines Werkstoffes zu zerspanen.
-2.3 Werkzeugverschleiß und Standzeitberechnung
Durch Umform- und Trennvorgänge in der Zerspanungszone sowie durch die Erwärmung von Werkzeug und Werkstück tritt eine unerwünschte Formänderung (Verschleiß) der Schneide auf. Dies führt zu verschiedenen Verschleißarten am Schneidkeil:
2.Spanflächen-(Kolk-)verschleiß. Er tritt vorwiegend in Form einer muldenförmigen Auskohlung (Kolkverschleiß) auf, die durch das Abgleiten des Spanes auf der Spanfläche verursacht wird. Er wird bestimmt durch die Kolktiefe KT und den Kolkmittenabstand KM.
3. Schneidstoffe
Als Schneistoff bezeichnet man den Werkstoff, aus dem der aktiven Teil des Werkzeuges, also der Schneidenteil, besteht.
Folgende Forderungen sind an den Schneidstoff zu stellen
Große Härte und Druckfestigkeit
Hohe Biegefestigkeit und Zähigkeit
Hohe Verschleißfestigkeit
Hohe Temperaturfestigkeit
Gute Zunderbeständigkeit
Geringe Klebneigung gegenüber dem Werkstoff
Gute Wärmeleitfähigkeit.
Entsprechen der Bearbeitungsaufgabe wurden folgende Schneidstoffe herausgebildet
Werkzeugstähle: sie werden wegen ihrer geringen Warmfestigkeit für spanende Handarbeitswerkzeuge, wie Feilen, Sägeblätter, Gewindeschneidwerkzeuge, Reibahlen, Schaber usw. verwendet.
Schnellarbeitsstähle: man verwendet sie hauptsächlich bei mehrschneidigen Werkzeugen, wie Wendelbohrern, Senkern, Fräsern, Verzahnungswerkzeugen, Räumwerkzeugen usw.
Hartmetalle, Cermets: Hartmetalle sind gesinterte Hartstoffe aus Metallkarbiden, die in einem weicheren Trägerwerkstoff eingelagert sind. Sie bestehen hauptsächlich aus Wolfram- und Titankarbiden, die in einer Grundmasse aus Kobalt eingebettet sind. Eingesetzt werden Hartmetalle für Werkzeuge aller Art (besonders aber Drehmeißel und Fräser), zur Bearbeitung harter Werkstoffe, für schwere Zerspanarbeiten und hohe Schnittgeschwindigkeiten.
Schneidkeramik: als Schneidkeramik bezeichnet man Schneidstoffe, die fast ausschließlich aus Aluminiumoxid aufgebaut sind. Die Herstellung erfolgt durch Sintern, und es werden ebenfalls Formkörper gefertigt, die auf einen Werkzeugträger aufgeklemmt werden. Die Schneidkeramik wird eingesetzt für Fein- und Schlichtbearbeitung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und möglichst ununterbrochenen Schnitt für Dreh- und Fräsarbeiten.
Kubisches Bornnitrid: besonders hervorzurufen ist seine thermische Widerstandsfähigkeit
Schneiddiamanten: Diamant ist kristallisierter Kohlenstoff mit größter Härte. Seine wichtigsten Eigenschaften sind: größte Härte, hohe Verschleißfestigkeit, keine Affinität zu Metallen. Sie werden zur Feinbearbeitung bei höchster Oberflächengüte und geringster Maßabweichung eingesetzt.
-4.1 Drehen
Drehen ist Spanen mit einem einschneidigen Werkzeug zur Herstellung drehsymetrischer Werkstücke, wobei das Werkstück die Hauptbewegung ausführt und das Werkzeug die Vorschub- und Zustellbewegungen.
1.Runddrehen. Runddrehen ist Drehen zur Erzeugung einer koaxial zur Drehachse des Werkstückes liegenden kreiszylindrischen Fläche.
2.Plandrehen. Plandrehen ist das Drehen zum Erzeugen einer zur Drehachse des Werkstückes senkrecht liegenden ebenen Fläche.
3.Profildrehen. Unter Profildrehen versteht man einen Drehvorgang mit einem Profilwerkzeug zum Erzeugen rotationssymmetrischer Werkstücke, bei denen das Profil des Werkzeuges auf dem Werkstück abgebildet wird.
4.Schraubdrehen. Unter Schraubendrehen versteht mandas Drehen mit einem Profilwerkzeug zum Erzeugen von Schraubflächen. Dabei ist der Vorschub je Umdrehung gleich der Steigung des Schraubengewindes.
5.Formdrehen. Formdrehen ist eine Drehbearbeitung, bei der durch die Steuerung der Vorschubbewegung die Form des Werkstückes entsteht.
Die moderne Variante ist das computergesteuerte CNC-Formdrehe, bei dem die Vorschubbewegung mittels eingegebener Daten numerisch gesteuert wird.
-4.2 Bohren, Senken, Reiben
Bohren, Senken und Reiben ist Spanen mit mehrschneidigen Werkzeugen bei drehender Schnittbewegung und axialer Vorschubbewegung des Werkzeugs, wobei durch Bohren die Herstellung zylindrischer Innenflächen bewirkt, durch Senken eine Vergrößerung von zylindrischen Innenflächen bzw. eine besondere Form erzeugt und durch Reiben die Verbesserung dieser Flächen erzielt wird.
1.Bohren. Beim Bohren ist zu beachten, dass zwei Schneiden im Eingriff sind und ein Drehmoment auftritt.
2.Senken. Senken unterscheidet sich vom Bohren dadurch, dass nicht ins volle Material gearbeitet wird, sondern ein hergestelltes Loch gearbeitet wird. Man unterscheidet Spiralsenker, Zapfensenker, Spitzsenker und Formsenker.
3.Reiben. Beim Reiben handelt es sich um das Aufbohren vorher erzeugter Flächen zur Verbesserung deren Maßgenauigkeit und Oberflächengüte.
Fräsen ist ein Schneiden mit mehrschneidigem Werkzeug zur Erzeugung ebener oder gewölbter Flächen, wobei das Werkzeug die drehende Hauptbewegung ausführt, die Vorschubbewegung jedoch meist vom Werkstück, aber auch vom Werkzeug ausgeführt wird.
Im Vordergrund stehen die Planfräsverfahren.
1.Umfangsfräsen. Beim Umfangsfräsen wird die Oberfläche durch am Fräserumfang angeordnete Schneiden erzeugt. Man unterscheidet dabei Gegenlauf- und Gleichlauffräsen.
Das Gegenlauffräsen ist gekennzeichnet durch die der Vorschubbewegung des Werkstücks entgegengerichtete Schnittbewegung des Fräsers. Hierbei ist vom Nachteil, dass jede Schneide, bevor sie in den Werkstoff eindringt, ein kurzes Stück über die Werkstückoberfläche gleitet. Während des Gleitens quetscht der Fräser. Das erfolgt unter starkem Druck, der bis zur Bruchgrenze des zu bearbeitenden Werkstoffs steigert.
Nach dem Eindringen in den Werkstoff nimmt die Spanungsdicke bis zum vollkommenen Ablösen des Spans ständig zu. Dabei versucht der Fräser, das Werkstück vom Aufspanntisch abzuheben. Dieses Verfahren wird bei gegossenen oder geschmiedeten Werkstücken mit rauer, harter Kruste verwendet damit der Fräserzahn beim Anschneiden nicht in die harte Gusshaut eindringen muss.
2.Stirn- Planfräsen: Beim Stirn-Planfräsen wird die Werkstückoberfläche von an der Stirnseite des Werkzeuges liegenden Schneiden erzeugt. Dieses Verfahren ist hinsichtlich Spanleistung und Spanbildung günstiger als das Umfangsfräsen, weil:
-der Fräserzahn immer ausreichende Spanungsquerschnitte ohne anfängliches Gleiten schneidet,
-die mittlere Spanungsdicke wesentlich größer als beim Umfangfräsen ist,
-der Traganteil stirngefräster Teile größer ist,
-mehr Zähne gleichzeitig im Eingriff sind.
3.Profilfräsen. Profilfräsen ist das Fräsen unter Verwendung eines Formwerkzeuges zur Erzeugung profilierter Flächen. Die Form des Profifräsers entspricht der zu erzeugenden Fertigkontur des Werkstückes.
4.Schaftfräsen. Schaftfräsen ist ein kontinuierliches Umfangs-Stirnfräsen zur Herstellung von Nuten, Schlitzen und Aussparungen, aber auch zur Erzeugung von räumlichen Formflächen.
Fräswerkzeuge werden nach verschiedenen Gesichtspunkten eingeteilt:
-Art des Fräsers: Wälzfräser, Walzenstirnfräser, Scheibenfräser, Schaftfräser
-Anzahl der Zähne: Typ N für normale Stähle, für harte Werkstoffe, W für weiche Werkstoffe
-Zahnform: Fräser mit gefrästen Zähnen und Fräser mit hinterdrehten Zähnen.
-4.4 Räumen
Räumen ist ein Spanen mit einem mehrschneidigen Werkzeug, dessen Schneiden hintereinander liegen und jeweils um den Zahnvorschub fz gestaffelt sind.
Räumwerkzeuge gestatten es, auch komplizierte Werkstückkonturen in einem Durchgang zu erzeugen.
Die Vorteile des Räumens liegen in der kurzen Fertigungszeit, großen Zerspanungsleistungen und in der Möglichkeit, gleichzeitig hohen Oberflächengüten und Maßgenauigkeiten zu erreichen.
-Profilräumen. Das Profilräumen wird je nach Lage der zu bearbeiteten Werkstückflächen als Innen- und Außenräumen durchgeführt. Die Werkzeuge zum Innenräumen, die auch als Räumnadeln bezeichnet werden, sind in den meisten Fällen einteilig und aus Schnellarbeitsstahl ausgeführt, der zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes oft hartstoffbeschichtet wird.
-4.5 Schleifen
Schleifen ist Spanen mit einem viel schneidigen, sich drehenden Werkzeug aus gebundenem Korn zur Erzeugung und Verbesserung von Form, Maß und Oberfläche. Die Spanabnahme erfolgt durch die unregelmäßigen scharfen Kanten der Schleifkörner.
Bei der Auswahl der Schleifscheibe gilt die Regel: harter Werkstoff – weiche Scheibe, weicher Werkstoff – harte Scheibe.
Die Schleifverfahren lassen sich in Planschleifen und Rundschleifen unterteilen.
1.Planschleifen. Es dient zur Herstellung ebener Flächen und wird meist nach einer Vorbereitung, besonders bei gehärteten Werkstücken, zur Erreichung einer hohen Genauigkeit und Oberflächengüte eingesetzt. Das Flachschleifen kann verschieden ausgeführt werden. Beim Unfangsschleifen schleift die Scheibe am Umfang, das Werkstück führt eine geradlinige oder drehende Vorschubbewegung aus.
Die Arbeitsspindel liegt meist waagrecht. Beim Stirnschleifen steht die Arbeitsspindel meist senkrecht, geschliffen wird mit der Stirnseite. Das Werkstück führt eine geradlinige oder drehende Vorschubbewegung aus. Die Werkzeuge arbeiten oft nicht mit der ganzen Stirnfläche, sondern sind topfartig ausgebildet.
2.Rundschleifen. Man unterscheidet zwischen Außenrundschleifen, Innenrundschleifen und spitzenlosesRundschleifen.
Das Innenrundschleifen kann mit waagrechter und mit senkrechter Schleifspindel ausgeführt werden, die sehr starr gelagert sein muss. Der Schleifkörper soll 0,6 bis 0,7-mal Bohrungsdurchmesser aufweisen.
Beim spitzenlosen Rundschleifen wird das Werkstück bei loser Auflage auf einer Schiene durch die Regelscheibe an die Schleifscheibe gedrückt. Man unterscheidet Einstech- und Durchgangsschleifen.
Die Regelscheibe, welche als Gegenlager den Schleifdruck aufnimmt, drückt die Werkstücke gegen die Schleifscheibe und regelt die Drehzahl des Werkstückes, indem sie seine Umfangsgeschwindigkeit abbremst, sie dreht sich mit 10 bis 500.
Beim Einstechschleifen liegen die Achsen von Schleifscheibe, Regelscheibe und Werkstück parallel, während beim Durchlaufschleifen die Regelscheibe um 2° bis 4° schräg gestellt ist und dadurch den Vorschub ausübt.
Schleifwerkzeuge sind Schleifkörper aus gebundenen Schleifmitteln. Die Eigenschaften der Schleifkörper sind bestimmt durch:
a) Schleifmittel: als Schleifmittel werden hauptsächlich Korunde, Siliciumkarbid und Bornitrid verwendet. Schleifkörper mit Korund eignen sich für zähe Werkstoffe, wie Stahl, Stahlguss und Temperguss. Schleifkörper mit Siliciumkarbid eignen sich für Werkstoffe geringerer Festigkeit, wie Grauguss, Nichteisenmetalle und Nichtmetalle. Schleifkörper mit Bornitrid eignen sich für SS- Stähle und gehärtete Stähle.
Fertigungstechnik 1 Aufgabe und Ziel der Fertigungstechnik ist die wirtschaftliche Herstellung von Einzelteilen und Erzeugnissen des Maschinen-, Apparate-, Geräte- und Fahrzeugbaus sowie der Elektrotechnik und Elektronik. Bei der Fertigung wird ein gewählter Anfangs- oder Rohzustand durch…
...[weiter lesen]
DE
