Spanen

Der industrielle Produktionsprozess wird entscheidend durch Fertigung und Montage bestimmt; denn dort findet die reale Umsetzung geplanter Produkte durch die Herstellung von Teilen, Baugruppen und Aggregaten zu Erzeugnissen statt. Die Basis dieser Produktionsprozesse sind die Fertigungsverfahren , die sich nach DIN 8580 in sechs Hauptgruppe n einteilen lassen [DEN10]. Spanende Verfahren sind Teil der Hauptgruppe Trennen. Sie werden hauptsächlich an metallischen Werkstoffen eingesetzt und sind im Maschinen- und Fahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt, in der Geräte- und Antriebstechnik, in der Biomedizintechnik und in vielen anderen Produktbereichen wichtige Schritte im gesamten Produktionsprozess. Spanende Verfahren verfügen über ein unübertroffenes Spektrum an Möglichkeiten, Qualität, Mengenleistung und Formenvielfalt zu variieren. Vergleicht man sie mit benachbarten teilweise konkurrierenden Fertigungsverfahren wie dem Schmieden und dem Gießen, heben sie sich ab durch eine hohe Gestaltungs- und Formenvielfalt sowie durch hohe Genauigkeit. In der Mengenleistung und Produktivität sind sie jedenfalls bei größeren Stückzahlen unterlegen. Da Spanen das Trennen von Spänen, also Stoffverlust bedeutet, sind sie unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit im Sinne der Ressourcenschonung in Material und Energie eher unterlegen. Abbildung 1.1 gibt nur grob qualitativ einen Vergleich urformender, umformender und spanender Verfahren wieder.

Beim Spanen dringt ein Schneidkeil in den Werkstoff ein, wodurch dieser plastisch verformt wird und als Span über die Spanfläche des Schneidkeils abgleitet. Dieser Vorgang wird als Spanbildung bezeichnet. Die Spanbildung lässt sich in der Keilmessebene darstellen, das ist nach Abb. 1.9 die Ebene senkrecht zur Schneide, in der wesentliche Teile des Stoffflusses stattfinden (Abb. 2.1). Dabei kann von ebener Formänderung ausgegangen werden. Der ebene Formänderungszustand ist lediglich an den Rändern des Spanungsquerschnittes, an der freien Oberfläche und vor der Schneidenecke, gestört, weil an diesen Stellen durch die Bindung zum unverformten Material bzw. durch die freie Oberfläche Stoff quer zur Keilmessebene fließt.

Die Spanform ist eines der vier Kriterien der Zerspanbarkeit (s. Kap. 1.3). Gerade bei automatisierten Prozessen ist ein ungestörter Spanablauf wichtig, um nicht dem Maschinenbediener die inhaltsleere und ermüdende Funktion der ständigen Überwachung der gesicherten Spanabfuhr zuzumessen und damit seine Bindung an die Maschine und den Prozess zu erzwingen (Verstoß gegen das Mensch-Umwelt-Kriterium). Das Problem der Spanform stellt sich nicht bei Verfahren, die prinzipbedingt mit unterbrochenem Schnitt arbeiten (Fräsen, Kreissägen, Schleifen). Bei kontinuierlichen Prozessen, wie beim Drehen und Bohren, kann die Spanformung gegenüber anderen Zerspanbarkeitskriterien dominant sein, denn sie berührt entscheidend die Prozesssicherheit. Die Spanform kennzeichnet die nach dem Zerspanprozess vorliegende Form des Spans. Sie ist das abschließende Ergebnis der Spanbildung und des Spanablaufs von der Wirkstelle. Zur Quantifizierung der Spanformung wurden Spanformklassen und die Spanraumzahl eingeführt [STA90].

Zur Auslegung von Maschinen, Werkzeugen, Spannzeugen und überhaupt des gesamten Prozesses ist die Kenntnis von Kräften und Leistungen, die beim Spanen auftreten, unerlässlich. Daher wurden verschiedene Ansätze entwickelt, diese Prozessgrößen vorherzubestimmen.

Dem Zerspanprozess wird mechanische Leistung zugeführt

Die Anwendung von Simulationen im Bereich der Zerspanung baut im Allgemeinen auf der Verbindung numerischer Methoden oder der algorithmischen Geometrie mit den in diesem Buch behandelten Verfahren auf. Entscheidend für die Aussagekraft sind daher nicht nur die Eingangsdaten der Simulation, sondern auch die zugrundeliegenden Modelle.

Spanende Werkzeuge verschleißen während des Einsatzes. Am Schneidkeil bilden sich typische Verschleißformen aus. Diese Verschleißphänomene hängen von den Stoffen des Wirkpaares und von den Bedingungen, unter denen der Zerspanprozess abläuft, ab. Von den Verschleißformen sind die Verschleißarten (auch Verschleißursachen genannt) zu unterscheiden. Damit ergibt sich folgende Wirkungskette:

Schneidstoffe bestimmen wesentlich die Wirtschaftlichkeit eines spanenden Prozesses. Die Entwicklung der Zerspantechnik ist daher unmittelbar mit der Entwicklung der Schneidstoffe verknüpft. Abbildung 8.1 zeigt die mit Neuentwicklungen möglichen Stundenschnittgeschwindigkeiten seit der Jahrhundertwende. Je Dekade zeigt sich etwa eine Verdopplung der möglichen Schnittgeschwindigkeit.

Das Spanen mit hohen Geschwindigkeiten hat in den letzten Jahren starke Verbreitung gefunden, nachdem die technischen Vorraussetzungen durch Schneidstoffe, Arbeitsspindeln, Vorschubantriebe und Steuerungen gegeben waren. Der Begriff „Hochgeschwindigkeitsspanen“ oder „HSC“ wird in diesem Zusammenhang verwendet, ohne dass eine eindeutige auf physikalischen Grundlagen beruhende Definition existiert. „Hochgeschwindigkeit“ oder „Hochleistung“ sind unbestimmte nach oben offene Bezeichnungen. Es hat nicht an Definitionsansätzen gefehlt, die bis in die 30er Jahre zurückgehen (Abb. 9.1).

Spanen von gehärteten Eisenwerkstoffen und von Hartstoffschichten mit Härten oberhalb 47 HRC wird als Hartbearbeitung (genauer: Hartbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide) bezeichnet. Diese harten Werkstoffe wurden – abgesehen von Reparaturfällen – bis zum Aufkommen dieser Technologie ausschließlich durch Schleifen bearbeitet und in ihre Endform gebracht [TÖN81, TÖN86]. Durch die Entwicklung von Schneidstoffen hoher Härte und Warmfestigkeit sind das Hartdrehen, das Hartfräsen und das Hartbohren, auf die hier eingegangen wird, und auch das Harträumen, Hartschaben und Hartreiben möglich und wirtschaftlich geworden. Tabelle 10.1 gibt eine Übersicht über Bedingungen wieder, unter denen diese Prozesse geführt werden können.

Von wesentlicher Bedeutung für den Einsatz von Bauteilen unter tribologischer, korrosiver oder dynamischer Betriebsbeanspruchung sind die Eigenschaften ihrer Oberflächen und Randzonen. Das sind die Bereiche des Werkstücks, in denen Änderungen der Eigenschaften durch die Einwirkung eines Fertigungsverfahrens entstehen. Dies betrifft sowohl die geometrische als auch die physikalisch-stoffliche Beschaffenheit. Werden für die Beschreibung der geometrischen Oberflächeneigenschaften im wesentlichen Oberflächentopographie und Rauheit herangezogen, so werden die physikalischen Eigenschaften anhand der Merkmale Eigenspannungen, Gefügeausbildung und Härte beschrieben. Folglich wird die Bauteilqualität durch die Hartbearbeitung verändert. Es wird unterschieden zwischen Veränderungen der

Das Räumen ist ein produktives spanendes Verfahren der Serienfertigung. Funktionsflächen hoher Oberflächengüte bei hoher Maß- und Formgenauigkeit können durch einen einzigen Werkzeughub erzeugt werden. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Zerspanleistung aus.

Die Verfahren der Gruppe „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“ gliedern sich nach DIN 8589-0 in die Verfahren Schleifen mit rotierendem Werkzeug, Bandschleifen, Hubschleifen, Honen, Läppen, Gleit- und Strahlspanen (Abb. 13.1). Es können Verfahren mit gebundenem und ungebundenem losem Korn unterschieden werden. Diese Verfahren zählen zu den Feinbearbeitungsverfahren. Die Entwicklung von Hochleistungsschleifverfahren ermöglicht heute die wirtschaftliche Realisierung hoher Zeitspanvolumina, so dass die Einsatzgebiete der Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide nicht mehr nur auf die Endbearbeitung beschränkt sind.

Als ein Beispiel für die Feinbearbeitung hochbeanspruchter, komplexer Flächen wird hier die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit Evolventenflächen behandelt. Zahnräder gehören zu den wichtigsten Maschinenelementen im Maschinen- und Fahrzeugbau. Sie werden in mehreren Schritten hergestellt. Nach einer Weichbearbeitung, die Dreh-, Wälzfräs- oder Wälzstoßprozesse umfasst, folgt eine Wärmebehandlung, denn die spezifischen Belastungen der Getriebe werden aus Gründen der Raum- und Masseverringerung erhöht und die Härte und Festigkeit der Funktionsflächen muss somit gesteigert werden. Die aus der Wärmebehandlung resultierenden Härteverzüge sowie die geforderten Randzonen- und Oberflächeneigenschaften führen dazu, dass sich an den Härteprozess eine Hartfeinbearbeitung zumeist durch Schleifverfahren anschließt (Abb. 14.1).

Ein Prozess, wie beispielsweise das Fertigen eines Bauteils durch spanende Bearbeitung, ist systemtechnisch definiert als die Transformation von Eingangsgrößen eines Systems in entsprechende Ausgangsgrößen. Hierbei stellt die Transformation eine Entwicklung relativ zum Bezugskriterium ‚Zeit‘ dar. In Abschn. 1.4 wird der Zerspanprozess bereits als System beschrieben.

Spanende Verfahren dienen dazu, funktionsfähige Bauteile zu erzeugen. Über Funktionsfähigkeit und Lebensdauer entscheiden letztendlich die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften der Bauteile. Eine scharfe Grenze zwischen Oberfläche und Randzone ist nicht immer zu ziehen, wie die Definition der Begriffe zeigt. Die Oberfläche beschreibt im allgemeinen Sinne die äußere Begrenzung eines Körpers. In der Mathematik bezeichnet die Oberfläche die Menge aller Randpunkte eines Körpers. In den Naturwissenschaften ist die Oberfläche die Grenze zwischen zwei Medien. Eine weitere Präzisierung des Begriffs ist in der Fertigungstechnik erforderlich.

Werkzeuge verschleißen als Folge mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchungen. Durch Zuführen geeigneter Kühlschmierstoffe lassen sich diese Beanspruchungen mindern. Dies kann sich Verschleiß verringernd auswirken. Die Wärmeabfuhr aus der Spanbildungszone kann zudem den physikalischen Randzonenzustand eines Werkstücks günstig beeinflussen. Kraft- und Leistungsbedarf für den Zerspanprozess lassen sich mindern, und durch Reduktion von Reibung und Klebneigung zwischen Werkzeug und Werkstück lassen sich bessere Werkstückoberflächen erzielen [BRI04a, BRI95]. Dies sind günstige Effekte unter allen vier Kriterien des Zerspanprozesses. Andererseits verursachen Kühlschmiersysteme erhebliche Kosten, wobei zunehmend Entsorgungskosten ins Gewicht fallen. Kühlschmieren muss auch kritisch unter Arbeitsplatz- und Umweltaspekten betrachtet werden. Die richtige Wahl und Auslegung von Kühlschmierverfahren und -systemen ist daher ein erstrangiges fertigungstechnisches Problem.

Der Krümmungsradius des Spans beträgt.