Fertigungsverfahren 1

Schon vor rund 12.000 bis 50.000 Jahren konnten Menschen Steinwerkzeuge mit bewusst hergestellter Arbeitskante durch Variation der Schneidengeometrie an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe anpassen, wie die dargestellten Werkzeugfunde aus der Altsteinzeit zeigen, vgl. Abb. 1.1.

Die grundsätzliche Aufgabe der Fertigung besteht darin, Werkstücke mit vorgegebenen Qualitätsmerkmalen in der geforderten Menge sowie zeit- und kostenoptimal zur Verfügung zu stellen. Auf jeden Fertigungsprozess wirken von außen und auch von innen (aus dem Prozess heraus) Störgrößen. Aus diesem Grund werden die funktionsbestimmenden Eigenschaftsmerkmale der Bauteile mit Toleranzen versehen. Liegt ein Kennwert außerhalb der zulässigen Toleranz, ist er fehlerhaft. Deshalb müssen wichtige Funktionsmerkmale bereits während der Fertigung oder auch am Ende der Fertigung geprüft werden. Wichtige Störgrößen, die als Fehlerursachen in der Fertigung berücksichtigt werden müssen, sind: Störungen auf Grund statisch wirkender Kräfte, wie Durchbiegungen durch das Eigengewicht der Werkstücke oder Spannfehler; Störungen infolge dynamischer Kräfte, die zu selbsterregten oder fremderregten Schwingungen führen; Störungen auf Grund thermischer Einflüsse, wie Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück durch Prozesswärme oder durch interne Wärmequellen der Fertigungsmaschine sowie Störungen infolge von Werkzeugverschleiß, Abb. 2.1. In diese Gruppe gehören auch Störungen, die aus der Eingriffskinematik zwischen Werkzeug und Werkstück resultieren, wie Hüllschnittabweichungen beim Wälzfräsen oder Beugungseffekte an optischen Flächen durch systematisch aufgebrachte Drehriefen.

Unter Zerspanung werden nach DIN 8580 alle Verfahrensvarianten der 3. Hauptgruppe – Trennen – zusammengefasst, bei denen die Formänderung durch Verminderung des Materialzusammenhalts erfolgt. Die Formänderung wird erreicht, indem eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück realisiert wird, bei der eine Energieübertragung stattfindet [DIN8580].

Werkzeugwechselzeiten und damit sowohl Fertigungszeiten als auch Werkzeug-, Maschinen- und Lohnkosten werden über den Verschleiß von den Eigenschaften der Schneidstoffe beeinflusst. Die Entwicklung auf dem Schneidstoffsektor ist deshalb keineswegs abgeschlossen, sondern von dem ständigen Bestreben gekennzeichnet, sowohl bereits etablierte Schneidstoffe zu verbessern als auch neuartige Materialien zur Herstellung von Zerspanwerkzeugen zu verwenden.

Die Leistung von Zerspanwerkzeugen wird maßgeblich von der Werkzeugmikrogeometrie beeinflusst. Werkzeuge mit positivem Spanwinkel und schleifscharfen Schneidkanten besitzen zwar eine gute Schneidfähigkeit, weisen jedoch in der Regel verschiedene Mikrodefekte wie z. B. Mikroausbrüche, -risse oder Grate auf, die zu einer hohen Kantenschartigkeit und -instabilität führen. Hierdurch erhöht sich das Risiko von Schneidkantenausbrüchen, die das Standzeitende des Werkzeugs definieren. Darüber hinaus sind negative Auswirkungen auf die erzielbare Oberflächenqualität des Werkstücks möglich. Schneidkanten werden daher oftmals präpariert, um deren Mikrokontur und -topographie gezielt zu verändern, Abb. 5.1 Hauptziele sind eine Steigerung der Kantenstabilität sowie eine Verbesserung der Substrat-Schicht-Verbundhaftung bei beschichteten Werkzeugen. Zudem werden beschichtete Werkzeuge zur Restrukturierung der Schichtoberfläche in der Regel nachbehandelt. Die Erhöhung der Kantenstabilität beabsichtigt eine Steigerung der Prozesssicherheit und Werkzeugstandzeit bei kontrollierbarem Verschleißfortschritt sowie, insbesondere beim Fräsen, eine Steigerung der Oberflächenqualität durch die Reduzierung der Werkzeugdynamik. Die Präparation der Schneidkanten kann mittels verschiedener Verfahren erfolgen, die in Abschn. 5.3. erläutert werden.

Durch die Wahrnehmung ihrer Hauptaufgaben, dem Kühlen und Schmieren der Bearbeitungsstelle sowie dem Abtransport der Späne, tragen moderne Kühlschmierstoffsysteme maßgeblich zu dem hohen Leistungsniveau zahlreicher Fertigungsprozesse bei. Erreicht wird dies durch die Abfuhr der Prozesswärme aus der Kontaktstelle Werkzeug-Werkstück durch Kühlung und die Reduktion der Wärmeentstehung durch Schmierung. Dabei ist sowohl eine zu starke Aufheizung der Werkstücke, die zu einer entsprechenden Ausdehnung führt, zu vermeiden als auch die Temperaturbelastung der Schneidstoffe zu verringern. Die Erfüllung dieser Aufgaben mag zunächst einfach klingen, jedoch werden dazu oft Eigenschaften vom Kühlschmierstoff (KSS) verlangt, die sich nicht ohne weiteres miteinander verbinden lassen.

Zur Beschreibung des Werkstoff- und des Schneidstoffverhaltens während der Zerspanung wurde der Begriff des Standvermögens eingeführt, für den folgende Definition gilt:

Die numerische Modellierung spanender Bearbeitungsprozesse mit der Methode der finiten Elemente (FEM) wird seit einigen Jahren angewendet und hat bereits zu ersten vielversprechenden Ergebnissen in der Modellierung der Zerspanprozesse geführt. Die Verwendung numerischer Modelle zur Simulation des Zerspanprozesses ermöglicht neben der gleichzeitigen Berücksichtigung von plasto-mechanischen und thermischen Vorgängen die Abbildung komplex geformter Werkzeuge auf den Zerspanprozess. Neben der FEM können wahlweise analytische und empirische Prozessmodelle herangezogen werden, welche die schnelle Abbildung des Prozesses zum Vorteil haben. Empirische Modelle sind in ihrer Anwendbarkeit begrenzt: Sie werden in der Regel nur für die Gültigkeit eines limitierten Prozessraums kalibriert. Analytische Modelle eignen sich auf Grund der vereinfachten Modellvorstellung nur bedingt zur Beschreibung von komplexen Prozessvorgängen, wie es beispielsweise die FEM erlaubt. Bei der FEM handelt es sich um ein numerisches Verfahren zur näherungsweisen Lösung von kontinuierlichen Feldproblemen. Ursprünglich wurde sie zur Lösung von Spannungsproblemen in der Strukturmechanik entwickelt, ist aber sehr bald auf das große Anwendungsgebiet der Kontinuumsmechanik ausgedehnt worden [Bett03].

Die Weiterentwicklung der Schneid- und Werkstoffe und die zunehmende Automatisierung der Werkzeugmaschinen bedingen von Zeit zu Zeit eine Korrektur der Zerspanungsrichtwerte.

Die Werkstückdynamik beeinflusst maßgeblich die Stabilität und Leistungsfähigkeit im Zerspanprozess. Schwingungen der Werkstücke, die bei der Bearbeitung durch den Zahneingriff entstehen, verursachen Formfehler und führen beim Schlichtprozess zu mangelhaften Oberflächen. Die Lebensdauer von Maschinenkomponenten und die Werkzeugstandzeiten können durch Vibrationen verkürzt werden, da dynamische Wechselbelastungen die Mikrogeometrie der Schneidkante und das Bindungsgefüge der Beschichtungen zerrütten können. Werkstückschwingungen sind besonders bei der Bearbeitung dünnwandiger, labiler oder weit auskragender Strukturen problematisch, da hier im niedrigen Frequenzbereich < 1000 Hz große Amplituden auftreten.

Der Begriff der Hartzerspanung beschreibt das spanabhebende Bearbeiten von Werkstoffen mit einer Härte von 45 HRC oder höher. Diese sind in der Regel gehärtete Stähle, können jedoch auch Hartmetalle oder andere schwerzerspanbare Werkstoffe wie Gusseisen sein. Die spanabhebende Bearbeitung harter Werkstoffe war lange Zeit nur durch Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide möglich, wie beispielsweise dem Schleifen, dem Honen oder dem Läppen, sowie durch Erodierverfahren. Durch die Entwicklung von hochharten Schneidstoffen, wie beispielsweise von CBN (kubisch kristallines Bornitrid) in den 1980er Jahren wurde es jedoch erstmals möglich, gehärtete Werkstoffe auch mittels geometrisch bestimmter Schneide wirtschaftlich zu zerspanen. Aus dieser Entwicklung gingen Fertigungsverfahren hervor, welche heute allgemein bekannt sind unter der Bezeichnung Hartdrehen, Hartfräsen, Hartbohren etc.

Die spanabhebenden Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, bei denen die Hauptbewegung rotatorisch erfolgt, unterteilen sich gemäß Abb. 12.1 in die Bearbeitungsverfahren

Das Räumen ist ein spanendes Fertigungsverfahren mit einem mehrzahnigen Werkzeug, dessen Schneidzähne hintereinander liegen und jeweils um eine Spanungsdicke gestaffelt sind. Die Zahnstaffelung senkrecht zur Schnittgeschwindigkeitsrichtung ersetzt die Vorschubbewegung. Die Schnittbewegung ist translatorisch, in besonderen Fällen auch schrauben- oder kreisförmig [DIN8589e].