Praxis der Zerspantechnik

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Verfahren der spanenden Formung (Zerspantechnik) sind nach der DIN 8580 der Hauptgruppe Trennen zugeordnet, d. h. die Formänderung erfolgt unter örtlicher Aufhebung des Stoffzusammenhaltes. Charakteristisch für diese Verfahren ist das Abtrennen von Materialteilchen in Form von Spänen, die Abfall darstellen.

Im Vergleich zu den ur- und umformenden Verfahren ergibt sich oft ein höherer Material- und Energieaufwand. Der wirtschaftliche Einsatz der spanenden Verfahren ist meist bei der Fertigbearbeitung von ur- oder umgeformter Ausgangsformen gegeben, da dort nur relativ geringe Aufmaße auf die Fertigkontur zu entfernen sind. Bei kleinen Stückzahlen und/oder geforderter hoher Fertigungsgenauigkeit kann auch der mit diesen Verfahren verbundene große Materialverlust kompensiert werden. Die hohe Flexibilität der spanenden Verfahren hinsichtlich der Geometrieerzeugung und die möglichen hohe Fertigungsgenauigkeiten (Maß-, Form- und Lagegenauigkeiten), sowie erreichbare Oberflächenqualitäten ergeben gute Einsatzmöglichkeiten speziell im Bereich der End- bzw. Fertigbearbeitung.

Jochen Dietrich, Arndt Richter

2. Grundlagen der Zerspanung am Beispiel Drehen

Zusammenfassung

Die Begriffe der Zerspantechnik und die Geometrie am Schneidkeil der Werkzeuge sind in den DIN-Blättern 6580 und 6581 festgelegt.

Die wichtigsten Daten aus diesen DIN-Blättern werden in diesem Abschnitt in gekürzter Form am Beispiel Drehen dargestellt. Sie sind übertragbar auf die anderen Verfahren.

Jochen Dietrich, Arndt Richter

3. Standzeit T

Zusammenfassung

Die Standzeit T ist die Zeit in Minuten, in der die Schneide, unter dem Einfluss der Zerspanungsvorgänge, bis zur festgelegten Verschleißgröße arbeitsfähig bleibt. Arbeitsfähig ist die Schneide bis eine bestimmte Verschleißgröße erreicht ist (Abschn. 3.2).

Beim Bohren und Fräsen arbeitet man, oft an Stelle der Standzeit, mit der Standlänge. Unter dem Begriff Standlänge L versteht man die Summe der Bohrtiefen, bzw. die Summe der Bearbeitungslängen beim Fräsen, die mit einem Werkzeug zwischen zwei Anschliffen bearbeitet werden. Das bis zur festgelegten Verschleißgröße mit dem Fräser zerspante Volumen ist eine weitere Möglichkeit zur Beurteilung des Standvermögens von Fräswerkzeugen.

Jochen Dietrich, Arndt Richter

4. Werkzeug- und Maschinen-Gerade

Zusammenfassung

Stellt man in einem doppelt logarithmischen Diagramm die Schnittgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Spanungsquerschnitt für eine konstante Standzeit dar, (lgv_c = f(lgA); für T = const . ) dann erhält man eine Gerade die man als

$$\begin{gathered}\displaystyle\underline{\text{Werkzeug-Gerade}}\end{gathered}$$

bezeichnet.

Aus dieser Geraden, der eine bestimmte Standzeit zugrunde liegt, kann man zu einem gegebenen Spanungsquerschnitt (mit festem Verhältnis von a_p ∕ f), die zulässige Schnittgeschwindigkeit herauslesen. Ebenso kann man bei vorgegebener Schnittgeschwindigkeit den zulässigen Spanungsquerschnitt entnehmen.

Zum Beispiel kann man aus Abb. 4.1 für A = 5 mm² den Wert v_c = 119 m/min für eine Standzeit von 60 min herauslesen. Wenn man mit Hilfe der Maschinen-Geraden die Werte v_c und A einander richtig zuordnet, dann wird das Werkzeug bezüglich seiner Standzeit voll genutzt. Wählt man Werte (v_c, A) deren Schnittpunkt unterhalb der Maschinen-Geraden liegt, dann ist das Werkzeug, bezogen auf die Standzeit, nicht voll ausgenutzt.

Jochen Dietrich, Arndt Richter

5. Spanvolumen und Spanraumzahl

Zusammenfassung

Beim Spanvolumen ist zwischen dem Werkstoffvolumen Q_w und dem Raumbedarf der ungeordneten Spanmenge Q_sp zu unterscheiden. Das Werkstoffvolumen ist das Volumen, das ein Span mit dem Querschnitt a_p ⋅ f (Schnitttiefe mal Vorschub) und definierter Länge pro Minute einnimmt.

$$\begin{gathered}\displaystyle\boxed{Q_{\mathrm{w}}=a_{\mathrm{p}}\cdot f\cdot v_{\mathrm{c}}\cdot 10^{3}}\end{gathered}$$

Das Volumen der ungeordneten Spanmenge Q_sp ist größer als das tatsächliche Werkstoffvolumen Q_w der gleichen Spanmenge, weil sich ja in einem Behältnis die Späne nicht lückenlos aneinander fügen. Um wie viel größer das Volumen der ungeordneten Spanmenge Q_sp als das Werkstoffvolumen Q_w ist, gibt eine Spanraumzahl R an.

$$\begin{gathered}\displaystyle\boxed{Q_{\mathrm{sp}}=R\cdot Q_{\mathrm{w}}}\end{gathered}$$

Die Spanraumzahl R ergibt sich also aus dem Verhältnis von:

$$\begin{gathered}\displaystyle R=\frac{\text{Raumbedarf der ungeordneten Spanmenge}}{\text{Werkstoffvolumen der gleichen Spanmenge}}\end{gathered}$$

Die Größe der Spanraumzahl R ist von der Spanform abhängig.

Die sich beim Zerspanen ergebende Spanform der Späne ist abhängig:

• von Art und Legierung des Werkstückwerkstoffes,
• von den Legierungselementen des Werkstoffes (z. B. Phosphor- und Schwefelgehalt),
• von den Schnittbedingungen (Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Vorschub, Einstellwinkel usw.),
• vom Spanwinkel und der Ausbildung der Spanformstufe.

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6. Schneidstoffe

Zusammenfassung

Zerspanungswerkzeuge sind hochbeanspruchte Werkzeuge. Ihre Schneideigenschaften hängen von der Wahl des Schneidstoffes ab. Die Anforderungen an die Schneidstoffe sind sehr hoch, was die mögliche Verschleißfestigkeit und damit auch die Standzeit für die Durchführung spanender Prozesse angeht. Neben der Härte des Schneidstoffes ist auch die Zähigkeit und die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und chemische Vorgänge zu beachten. Diese vielfältigen Anforderungen sind nicht durch einen einzigen Schneidstoff erfüllbar, d. h. einen idealen Schneidstoff, der alle auch gegenläufige Anforderungen entspricht, gibt es noch nicht.

Wegen der Wechselbeziehung zwischen zu zerspanendem Werkstoff und Schneidstoff setzt man je nach Art des Zerspanungsvorganges, des Arbeitsverfahrens, der gewünschten Standzeit, der erforderlichen Temperaturbeständigkeit, usw. sehr unterschiedliche Werkstoffe für die Schneiden der Zerspanungswerkzeuge ein.

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7. Drehen

Zusammenfassung

Drehen ist ein Zerspanverfahren, bei dem die Schnittbewegung vom Werkstück und die Hilfsbewegung (Vorschub- und Zustellung) vom Werkzeug ausgeführt werden. Vorschub- und Zustellung werden bei den meisten Drehmaschinen mittels Längs- und Querschlitten erzeugt. Bei sehr schlanken Teilen wird das Werkstück an der Bearbeitungsstelle gestützt und die Vorschubbewegung vom Spindelstock ausgeführt.

Das zum Drehen verwendete Werkzeug, der Drehmeißel, hat eine Hauptschneide.

Einfache Drehteile erhalten ihre Form durch eine Vorschubbewegung in Richtung der Drehachse oder senkrecht dazu. Die zugehörigen Verfahren werden benannt nach der Richtung der Vorschubbewegung, die während der Bearbeitung abläuft. Die Kontur des Fertigteils entsteht meist durch mehrere Schnitte. Die Zustellung erfolgt vor jedem Schnitt außerhalb des Werkstücks.

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8. Bohren

Zusammenfassung

Bohren ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem überwiegend mit einem zweischneidigen Werkzeug, dem Wendelbohrer, gearbeitet wird, um Bohrungen zu erzeugen. Beim Bohren mit der Bohrmaschine führt das Werkzeug die Vorschub- und die Schnittbewegung aus. Wird die Bohrung in der Drehmaschine oder auf einem Drehautomaten eingebracht, dann führt das Werkstück die Schnittbewegung aus.

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9. Fräsen

Zusammenfassung

Fräsen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem die Bearbeitung mit einem mehrschneidigen Werkzeug ausgeführt wird.

Beim Fräsen führt das Werkzeug die Schnittbewegung und das Werkstück (bzw. der Fräsmaschinentisch auf dem das Werkstück gespannt ist) die Vorschubbewegung aus. Die Fräsverfahren werden nach Lage der Werkzeugachse zum Werkstück und nach der Bezeichnung der Werkzeuge benannt.

Walzenfräsen ist ein Fräsen mit horizontaler Werkzeugachse. Die Schneiden des Walzenfräsers befinden sich am Umfang des Werkzeuges. Beim Walzenfräsen unterscheidet man zwischen Gegenlauf- und Gleichlauffräsen.

Beim Gegenlauffräsen ist die Drehrichtung des Fräsers der Vorschubrichtung des Werkstückes entgegengerichtet. Die Richtung der Vorschubbewegung wird durch den Vorschubrichtungswinkel φ gekennzeichnet. Wenn während des Eingriffs eines Zahnes (vom Eintritt in den Werkstoff bis zum Austritt) φ kleiner als 90^∘ bleibt, dann liegt Gegenlauffräsen vor. Beim Gegenlauffräsen hebt die Zerspankraft das Werkstück ab. Dabei besteht die Gefahr, dass das Werkstück aus der Aufspannung herausgerissen wird oder der Frästisch hochgezogen wird. Entsprechend ausgebildete Spannvorrichtungen und Untergriffe an den Tischführungen verhindern Schaden am Werkstück oder Werkzeug.

Beim Gegenlauffräsen entsteht eine schlechtere Oberfläche als beim Gleichlauffräsen, aber dieses Verfahren ist für die Bearbeitung von Werkstücken mit harter Oberflächenschicht (z. B. Gusshaut) und für die Schruppbearbeitung besser geeignet.

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10. Räumen

Zusammenfassung

Räumen ist ein Zerspanungsverfahren mit mehrschneidigem Werkzeug, bei dem das Werkzeug die Schnittbewegung ausführt. Wegen der Staffelung der Zähne im Räumwerkzeug entfällt bei diesem Verfahren die Vorschubbewegung.

Der abzuspanende Werkstoff wird in einem Hub (ziehend oder schiebend) mit dem Räumwerkzeug, der Räumnadel, abgenommen.

Man unterscheidet beim Räumen zwei Arbeitsverfahren, das Innen- und das Außenräumen.

Beim Innenräumen wird das Räumwerkzeug in den vorgearbeiteten Durchbruch des Werkstückes eingeführt. Dann setzt die Arbeitsbewegung ein. Dabei wird die Räumnadel mit ihren vielen Schneiden durch das Werkstück hindurchgezogen, oder auch hindurchgeschoben und erzeugt im Durchbruch des Werkstückes die Kontur der Räumnadel (z. B. Vierkant, Sechskant usw.).

Abb. 10.1 zeigt die Anordnung von Werkstück und Werkzeug beim Räumen.

Beim Außenräumen wird durch das Räumwerkzeug eine vorbearbeitete Außenkontur am Werkstück, z. B. die Maulöffnung eines geschmiedeten Schraubenschlüssels, fertig bearbeitet.

Das Innenräumen wird angewandt, um Durchbrüche mit bestimmten Formen zu erzeugen. So werden z. B. Kerbverzahnungen, Keilbuchsen für Keilwellen, Keilwellenprofile für verschiebbare Zahnräder mit diesem Verfahren erzeugt.

Das Räumen wird immer dann eingesetzt, wenn neben einer hohen Oberflächengüte zusätzlich noch eine große Form- und Maßgenauigkeit gefordert wird. Aus diesem Grund wird das Räumen manchmal auch bei der Erzeugung von runden Löchern, als Ersatz für das Reiben, eingesetzt.

Jochen Dietrich, Arndt Richter

11. Schleifen

Zusammenfassung

Schleifen ist ein Zerspanungsverfahren, bei dem die Spanabnahme durch ein vielschneidiges Werkzeug mit geometrisch nicht definierten Schneiden erfolgt.

Beim Schleifen führt das Werkzeug die Schnittbewegung aus. Die beim Schleifen üblichen Schnittgeschwindigkeiten sind etwa 20mal so groß wie beim Drehen (25 bis 45 z. T. bis 120 m/s). Die Vorschubbewegung wird, abhängig vom Arbeitsverfahren, vom Werkzeug oder vom Werkstück ausgeführt.

Die Schleifverfahren unterteilt man nach der Form des Werkstückes in Plan- und Rundschleifen oder nach Art der Werkstückaufnahme in Schleifen zwischen Spitzen oder spitzenlosem Schleifen. Auch eine Unterteilung nach Einsatzgebieten, z. B. Führungsbahnschleifen oder Werkzeugschleifen, wäre möglich.

Die Schneiden des Schleifwerkzeuges können gebunden (Schleifscheibe, Trennscheibe, Schleifband, Honstein) oder lose (Läppen) sein.

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12. Honen

Zusammenfassung

Honen, auch als Ziehschleifen bezeichnet, ist ein Feinstschleifverfahren mit gebundenem Schleifkorn und längs orientierten Schleifkörpersegmenten (Honsteinen).

Das bewegliche Element wird nach dem eingespannten Teil ausgerichtet. Man unterscheidet deshalb beim Honen zwei Systeme:

1.

Werkstück festgespannt

Bei festgespanntem Werkstück wird das Werkzeug, die Honahle, beweglich an einer Pendelstange aufgehängt.

 

2.

Werkstück schwimmend oder kardanisch aufgenommen

Bei beweglichem Werkstück wird die Honahle an einer starren Antriebsstange befestigt.

 

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13. Läppen

Zusammenfassung

Läppen ist ein Feinstschleifverfahren mit losem Korn, bei dem Werkstück und Werkzeug bei fortwährendem Richtungswechsel aufeinander gleiten.

Feine Schleifkörner bilden mit Öl eine Läpppaste oder mit Petroleum eine Läppflüssigkeit. Diese Paste wird auf die Läppwerkzeuge, die Läppscheiben, aufgebracht.

Durch das in ihrer Bewegungsrichtung unregelmäßige Aufeinandergleiten von Läppscheibe und Werkstück, wird das Läppkorn bewegt.

Dabei wird das Werkzeug, aber auch die Läppscheibe abgetragen. Das Verhältnis der Abtragung dieser beiden Teile ist abhängig von ihren Werkstoffen. Läppscheiben werden überwiegend aus Grauguss (Sonderguss) mit einer Festigkeit von 2000 N/cm² hergestellt.

Die Bewegung der Werkstücke entsteht durch Reibungskoppelung oder durch eine Zwangsführung.

Bezüglich der Anordnung von Werkstückhaltern muss man für jeden Anwendungsfall eine eigene optimale Lösung suchen.

Innen- und Außenrundläppen wird auf Läppmaschinen mit vertikaler Spindel, deren Drehzahl regelbar ist, ausgeführt.

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14. Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC)

Zusammenfassung

Unter Hochgeschwindigkeitszerspanung wird vielfach nur die Fertigung unter Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten (Spindeldrehzahlen) und/oder gleichzeitig großen Vorschubgeschwindigkeiten, zur Erreichung kurzer Bearbeitungs- bzw. Durchlaufzeiten, verstanden. Eine sinnvolle Einordnung ist aber nur unter Berücksichtigung des zu bearbeitenden Materials (Weich- oder Hartbearbeitung), der Schneidstoffe und des Zeitspanvolumens möglich.

Aus dem Englischen hat sich der Begriff HSC (High Speed Cutting) für die Hochgeschwindigkeitszerspanung auch im deutschen Sprachraum durchgesetzt und wird deshalb in den weiteren Ausführungen verwendet.

Nachdem bereits in den 1930iger Jahren durch SALOMON eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung patentiert wurde (DR-Patent-Nr. 523594, 1931), wurde wie bei vielen Patenten eine industrielle Nutzung erst nach Schaffung der technischen Voraussetzungen, wie in diesem Fall die Entwicklung und Konstruktion von HSC-Maschinen und die Bereitstellung geeigneter Schneidstoffe, um nur einige zu nennen, möglich.

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15. Produktionsdatenorganisation

Zusammenfassung

Die durchgängige Digitalisierung der Produktion ist eine Voraussetzung für die zukünftig erfolgreiche Industrie. Die globale Vernetzung aller Anlagen, Produkte und Menschen ermöglicht eine intelligente Fabrik. Der zentrale Zugriff auf alle für die Prozessführung benötigten sowie der dabei anfallenden Daten ist dabei die Bedingung für gesicherte Planungs-, Organisation- und Fertigungsabläufe. Die Nutzung dieser umfangreichen Informationen erfordert eine einheitliche Organisation über deren gesamten Lebenszyklus. Die facettenreichen Ausprägungen der unterschiedlichen Bereiche führen zu spezifischen Betrachtungen der Datenhaltung im Rahmen einer einheitlichen Kommunikationsstrategie.

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16. CAD/CAM

Zusammenfassung

Kundenorientierte Fertigung in kleinen Stückzahlen, steigender Kostendruck und der Einsatz von CNC-Multifunktionsmaschinen bestimmen die mechanische Fertigung. Für den wirtschaftlichen Einsatz dieser Maschinen ist eine leistungsfähige NC-Programmierung erforderlich. Weitere Nutzwerte können mit einem gut ausgestalteten CAD/CAM-NC-Prozess erschlossen werden. Werkstückmodellierung, NC-Planung und Simulation des Fertigungsablaufes auf der Maschine im 3D-Raum ermöglichen eine realitätsnahe Vorbereitung des Fertigungsprozesses und einen gesicherten Übergang von der virtuellen Planung zur realen Produktion.

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17. Abtragen

Zusammenfassung

Der spanenden Bearbeitung sind Grenzen gesetzt, die sich aus den Festigkeitswerten der zu bearbeiteten Materialien, den begrenzten Möglichkeiten der Schneidstoffe der Werkzeuge und durch den Kompliziertheitsgrad der Werkstückgeometrie ergeben. Es gibt auch Anwendungsfälle, wo die charakteristische Oberflächenstruktur des Erodierens gewünscht wird.

In der DIN 8580 sind in der Hauptgruppe 3 (Trennen) die Verfahren des Abtragens (Gruppe 3.4) eingeordnet, die auf thermischen, chemischen und elektrochemischen Prinzipien eine Veränderung der Form und/oder der Eigenschaften der Werkstücke bewirken.

Die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien stellt die klassische Spanungstechnik häufig vor größere Probleme, so dass Verfahren des Abtragens eine gute Alternative oder Ergänzung darstellen.

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18. Kühl- und Schmiermittel für die Zerspanung

Zusammenfassung

Die im Zerspanungsprozess aufgewandte Energie wird fast ausschließlich wieder in Wärme frei, d. h. je nach Verfahren wird diese Wärmeenergie prozentual unterschiedlich im Werkstück, im Span und im Werkzeug verteilt nachgewiesen. Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen gelingt es, wie im Kap. 14 behandelt, dass die Energie fast vollständig mit dem Span abgeführt wird.

Für die Gestaltung des Zerspanungsprozesses ist es wichtig, dass diese Wärmeenergie möglichst geringe negative Auswirkungen auf das Werkstück, das Werkzeug und die Werkzeugmaschine entwickelt bzw. es muss eine negative Auswirkung verhindert werden. Den Kühl- und Schmiermitteln kommen für den Zerspanungsprozess deshalb folgende Aufgaben zu:In den letzten Jahren haben die erheblich gestiegenen Kosten für den Einsatz, der Aufbereitung und Entsorgung der Kühlschmierstoffe in Verbindung mit veränderten Gesetzen zum Umwelt- und Gesundheitsschutz und auch zukünftig in dieser Richtung zu erwartende Verschärfung der Gesetzgebung, zu erheblichen wissenschaftlichen Anstrengungen und ersten praktischen Ergebnissen geführt.

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19. Kraftmessung beim Zerspanen

Zusammenfassung

Die rasante Entwicklung neuer Werkstoffe und vor allem die ständige Weiterentwicklung der Schneidstoffe, der Werkzeuge und der Werkzeugmaschinen fordert ständig die Bereitstellung von Richtwert-Tabellen für den optimalen Einsatz der Werkzeuge. Die von den Werkzeug- oder Werkstoffherstellern zur Verfügung gestellten Tabellen oder Datenempfehlungen sind in der Regel sehr allgemein gehalten und können die in der jeweiligen Fertigungsstätte vorliegenden Bedingungen und Erfahrungen nicht berücksichtigen, sodass vielfach eine eigene Ermittlung der Spanungsdaten sinnvoll ist.

Durch einen einfachen Versuch zur Messung der Zerspankräfte lassen sich neue Werkzeuge und auch die Zerspanbarkeit von Werkstoffen beurteilen.

Ein weiterer wichtiger Einsatzfall für die Messung von Zerspanungskräften liegt auf dem Gebiet der Überwachung des Spanungsprozesses zur Realisierung eines störungsfreien Produktionsprozesses.

Die Messung der Komponenten der Zerspanungskraft (vgl. Kap. 2) mit geeigneten Sensoren ermöglicht eine rechtzeitige Erkennung von Werkzeugbruch und Verschleiß, so dass Werkzeug, Werkstück und auch die Werkzeugmaschine vor Schäden bewahrt werden können.

Erste indirekte Messungen der Schnittkräfte erfolgten bereits zu Beginn des 19. Jahrhunderts durch F.W. Tylor, der diese über die Stromaufnahme des Antriebsmotors der Werkzeugmaschine ermittelte. Wesentlich genauere Ergebnisse bei der Bestimmung der Kräfte bei den meisten Zerspanungsverfahren können heute durch direkte Schnittkraftmesser auf der Basis von Piezo-Quarzen erreicht werden.

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20. Allgemeine Tabellen

Zusammenfassung

Hier sind Tabellen zu Schnittkräften, ISO-Grundtoleranzen, Werkzeugkegel und weitere allgemeine Tabellen zu finden.

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21. Anhang

Zusammenfassung

Die hier aufgeführten Firmen haben uns freundlicherweise Bild- und Informationsmaterial zur Verfügung gestellt.

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