Fertigungstechnik - matura
FERTIGUNGSTECHNIK - MATURA
6. GRUNDLAGEN DER ZERSPANUNGSTECHNIK
6.1 Spanbildung
Die Spanbildung ist eine annähernd plastische Verformung des Werkstoffs, die durch den, in den Werkstoff ein-dringenden, Schneidkeil hervorgerufen wird. Der Werkstoff wird dabei gestaucht bis die Stauckraft so groß ist, um die Scherung des Werkstoffs entlang der Scherebene, in dünne Lamellen zu bewirken.
Spanbildung
q..
. Scherwinkel
6.2 Spanarten
Die Spanart ist vom Werkstoff und den Spanungsbedingungen abhängig (Schnittgeschwindigkeit, Vorschubge-schwindigkeit, Kühlung, Schmierung, Werkzeug/Werkstück-Kombination, Spanwinkel, Schnittiefe, Schneiden-geometrie, Werkzeug/Werkstück-Schwingungen, ....
.).
Man unterscheidet, je nach ihere Entstehung und Struktur der Späne, vier Arten:
1. Fließspan (duktile Werkstoffe, hohe Schnittgeschw., kleiner Spanwinkel, geringe Schnittiefe)
2. Lamellenspan (diese Spanart wird in der vollautomatischen Fertigung angestrebt)
3.
Scherspan (vollkommene Trennung der Späne in der Scherebene und anschließendes
Wiederverschweißen, geringe Verformbarkeit des Materials)
4. Reißspan (spröde Werkstoffe, kleiner Spanwinkel, Spanteile werden von der Oberfläche abgerissen, es
entsteht eine rauhe Oberfläche)
6.3 Spangrößen
Nach DIN 6580 werden folgende Spanungsgrößen definiert:
- Die Spanungsbreite b ist die Breite des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnittrichtung,
gemessen in der Schnittfläche
- Die Spanungsdicke h ist die Dicke des abzunehmenden Spans senkrecht zur Schnirrichtung,
gemessen senkrecht zur Schnittfläche
- Der Spanungsquerschnitt A ist der Querschnitt des abzunehmenden Spanes senkrecht zur
Schnittrichtung. In den meisten Fällen gilt:
Az = a . sz bzw. A = a .
s = b . h
a Schnittiefe
s Vorschub pro Umdrehung
sz Vorschub pro Zahn und Umdr.
b Spanungsbreite
h Spanungsdicke
A Spanquerschnitt
Az Spanquerschnitt pro Zahn
Haben die Werkzeuge gerade Schneiden und keinen Eckenradius, so können die Größen b und h wie folgt berechnet werden:
Spanungsgrößen nach DIN 6580
6.4 Verschleiß und Standzeitbegriffe
Als Verschleiß wird die Abnutzung des unter Schnitt stehenden Schneidenteils des Werkzeugs, durch die mechanischen und thermischen Belastungen, während des Schnitts bezeichnet.
Man unterscheidet folgende Verschleißarten:
1) Freiflächenverschleiß
Als Freiflächenverschleiß bezeichnet man den annähernd gleichmäßigen Abtrag von Schneidstoff an
der Freifläche des Werkzeugs, wobei die Verschleißfläche, die s.g.
Verschleißmarke, etwa parallel zur Schnittrichtung liegt.
2) Kolkverschleiß
Als Kolkverschleiß bezeichnet man den muldenförmigen Abtrag von Schneidstoff an der Spanfläche.
Es bildet sich der s.g. 'Kolk'.
3) Spanflächenverschleiß
4) Verschleiß der Schneidkante bzw.
des Schneidradius
Bei Schnellarbeitsstählen kommt es z.B. nach Erreichen der s.g. Erliegungstemperatur (ca. 600 °C) zum Abschmelzen und Ausbrechen der Schneide.
Das Werkzeug mit abgeschmolzener Schneidkante erzeugt auf dem Werkstück einen glänzenden Streifen ('Blankbremsen'); es schneidet nicht mehr, sondern reibt nur noch. (® Abstumpfung durch Temperatur)
Größenordnung der Verschleißmarkenbreiten
Verschleißarten bei verschiedenen Werkzeugmaterialien
Verschleißarten am Drehmeißel Verscheliß abhängig von der Temperatur
6.5 Standgrößen
Mit den Standgrößen wird das Standvermögen (= Belastbarkeit) des Werkzeugs angegeben.
Die folgenden Standgrößen werden verwendet:
- Standzeit
- Standweg
- Standmenge
Die Standzeit ist jene Zeit, die ein Werkzeug zwischen zwei Anschliffen auf Grund eines gegebenen Stand-kriteriums, unter bestimmten Zerspanungsbedingungen, einsatzfähig bleibt, d.h. Zerspanarbeit leistet.
Der Standweg und die Standmenge sind analog definiert.
Üblicherweise wird die Standzeit verwendet; der Standweg wird z.B. beim Bohren verwendet, die Standmenge in der Massenproduktion.
6.5.
1 Standkriterien
Die Standkriterien sind kennzeichnende Merkmale für die Grenze einer unerwünschten Veränderung von Werkstück oder Werkzeug durch die Zerspanung. Die Auswahl richtet sich nach:
- nach der Art des Bearbeitungsverfahrens
- nach den Anforderungen, die an das Werkstück gestellt werden
- nach wirtschaftlichen Überlegungen.
Standkriterien können am Werkzeug, am Werkstück oder durch den Zerspanungsvorgang festgelegt werden.
Man unterscheidet zwischen absoluten und relativen Kriterien:
- Absolute Kriterien
z.B. jene Zeit (= Standzeit) bis das Werkzeug bricht, oder bis das Werkzeug seine Schneidfähigkeit vollständig verliert ('Blankbremsung')
- Relative Kriterien
Sie basieren alle auf der Messung der Zeit, die verstreicht, bis am Werkstück ein bestimmter Verschleiß feststellbar ist, oder bis am Werkstück festgelegte Toleranzen nicht meht eingehalten werden können.
z.B. Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Schneidkantenversatz, ...
Übersicht über Standkriterien
6.
6 Zerspanungskräfte
Die Zerspanungskräfte entstehen durch:
- Scherwiderstand, - Reibungskräfte auf der Frei- und Spanfläche
Zerspanungskräfte
FZ ... resultierende Zerspanungskraft
FS ...
Hauptschnittkraft (Hauptkomponente von FZ, leistungsbestimmende Größe)
FV ... Vorschubkraft
FP ...
Passivkraft
6.6.1 Hauptschnittkraft
Kienzle-Gleichung: FS = A . kS
A ...
.. Spanquerschnitt [mm2], kS ....
spezifische Schnittkraft [N/mm2]
kS = kS1.1 . Kh . Kg. Kv . Kver .
KSt
kS1.1 ... spezifische Schnittkraft für b=h=1 mm [N/mm2] (vom Werkstoff abhängig)
Wird durch Versuche ermittelt.
Kh .
..... Korrekturfaktor der Spanungsdicke h
Kh = h-z z= 0,2 .
.. 0,3 abhängig von der Werkzeug/Werkstoff-Kombination
Kg ....
.. Korrekturfaktor für den Spanwinkel
Kv ....
.. Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v
Kver ....
.Korrekturfaktor für den Verschleiß des Werkzeuges
KSt .....
. Korrekturfaktor für die Spanstauchung
K = Kg . Kv . Kver . KSt
FS = A . kS1.
1 . h-z . K = kS1.1 . b . h1-z .
K
Schnittleistung: PS = FS . v
Korrekturfaktor K
mit neuen
Werkzeugen
mit abgestumpften Werkzeugen
HM
SS
HM
SS
Außendrehen
1 - 1,15
1,15 - 1,2
1,3 - 1,7
1,5 - 1,8
Innendrehen, Bohren
1,2 - 1,35
1,4 - 1,45
1,55 - 2
1,8 - 2,2
Fräsen, Räumen
1,2 - 1,4
1,4 - 1,45
1,5 - 2
1,8 - 2,2
Spezifische Schnittkraft kf
6.6.2 Ermittlung der Korrekturfaktoren
1. Korrekturfaktor für den Spanwinkel
go = 6° für Stahl
go = 2° für Guß
Bei Verkleinerung von g nimmt die Hauptschnittkraft FS zu.
2.
Korrekturfaktor für die Schnittgeschwindigkeit v
Kv = 1,03 - 0,0003 . v für Hartmetall-Werkzeuge bei v=80...250 m/min
Kv = 1,15 für Schnellarbeitsstahl bei v=25..
.80 m/min
Kv = 1,2 ... 1,25 bei v<25 m/min
3. Korrekturfaktor für die Spanstauchung
KSt
Außendrehen
1
Ein- und Abstechdrehen
1,3
Innendrehen
1,2
Bohren
1,2 - 1,3
Fräsen
1,2
Hobeln
1,1
Räumen
1,1 - 1,2
4.
Korrekturfaktor für den Verschleiß
Für stumpfe Werkzeuge ist mit einem erhöhtem Kraftaufwand zu rechnen.
Kver = 1,3 ... 1,5
Ausbruch eines Meißels, und sein Einfluß auf die Schnittkraft
Diese Werte werden mittel Dehnmeßstreifen ermittelt.
Weitere Einflußgrößen sind das Spanungsverhältnis G, sowie Kühlung, Schmierung, .
..
6.6.3 Vorschub- und Passivkraft
Die Zusammensetzung der resultierenden Zerspanungskraft Fz aus den drei Teilkräften zeigt das Bild .
Fv ~ 0,1 .
.. 0,4 Fz Fp ~ 0,25 ... 0,4 Fz
Vorschubleistung: Pv = Fv .
u
Verhältnis der Zerspanungskräfte
Fv = FR = FN . m = m .( FS + ms.g ) bzw. Fv ~ 0,3 FS
Unter Vernachlässigung der Vorschubleistung folgt:
6.7 Werkzeugmaterialien - Schneidstoffe
Als Schneidstoff bezeichnet man den Werkstoff, aus dem der aktive Teil des Werkzeugs - der eigentliche Schneidenteil - besteht.
Einteilung der Schneidstoffe:
a) Unlegierte und legierte Werkzeugstähle
b) Schnellarbeitsstähle
c) Gegossene Hartlegierungen
d) Gesinterte Hartmetalle
e) Schneidkeramik
f) Superharte Schneidstoffe (Diamant, Bornitrit)
g) Schleifmittel
Übersicht über Schneidstoffe
Die Schneidstoffe unterliegen mechanischen (Zug, Druck, Biegung, Schub), thermischen und chemischen (Oxidation, Diffusion) Belastungen.
Anforderungen an Schneidstoffe:
- große Härte und Druckfestigkeit (gegen Abtrennen der Werkstückteilchen)
- hohe Biegefestigkeit und Zugfestigkeit (unempfindlich gegenüber Stößen)
- hohe Verschleißfestigkeit (Kombination von Härte und Zähigkeit für günstige Standzeit)
- Kantenfestigkeit
- hohe Temperaturbeständigkeit (Wärmehärte, gute Temperaturwechselbeständigkeit)
- chemisch inaktiv (geringe Neigung zu Verzunderung, Oxidation und Diffusion)
Wärmehärte der Schneidstoffe
6.7.1 Legierte und unlegierte Werkzeugstähle
Die Stähle enthalten geringe C-Anteile (0,6...
1,3 % ), die legierten noch zusätzlich geringe Anteile an W, Cr, Co, V,...
Werkzeugstähle erhalten ihre Härte durch eine Wärmebehandlung: Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur,
Abschrecken und Anlassen.
Werkzeugstähle erlauben eine nur geringe Schnittgeschwindigkeit und haben eine geringe Wärmehärte (~ 300 °C); sie werden deshalb in der Metallbearbeitung nur noch für Feilen, Sägeblätter u.a.
Handarbeitswerkzeug eingesetzt. Anwendung z.B. in der Holzbearbeitung.
6.7.
2 Schnellarbeitsstähle
Mit Hilfe verschiedener karbidbildender Legierungszusätze (W, V, Cr, Co) erhalten die Schnellarbeitsstähle eine höhere Wärmehärte, Verschleißfestigkeit und Schnittgeschwindigkeit als Werkzeugstähle. Schnellarbeitsstähle ent-
halten bis 20% W, 16% Co, 10% Mo und 5% Cr und V.
Angewendet werden Schnellarbeitsstähle hauptsächlich noch bei mehrschneidigen Werkzeugen, wie Spiralbohrer, Senker, Fräser und bei unterbrochenen Schnitten (wegen der Stoßbelastung), wie bei Einstech- und Profil-Dreh-
stählen und Hobelstählen. Durch Beschichten, Nitrieren, Karbonitrieren u.a. Verfahren können die Schnellarbeits-
stähle verschleißbeständiger gemacht werden.
6.7.3 Hartmetalle
Man unterscheidet gegossene und gesinterte Hartmetalle.
Die gegossenen Hartlegierungen sind C-haltige Gußlegierungen, die aus einem Grundmetall (Fe, Ni, Co) und zum überwiegenden Teil aus Karbidbildnern (17% W, 25% Cr, 35% Co, 20% Fe) bestehen. Die Formgebung erfolgt durch Gießen; eine Wärmebehandlung ist nicht notwendig. Sie weisen eine höhere Wärmehärte gegenüber den Schnellarbeitsstählen auf, und sind verschleißfester als diese.
Gegeossene Hartmetalle sind aber sehr spröde, und werden daher heute kaum noch angewendet.
Heute werden ausschließlich Sinter-Hartmetalle verwendet.
Ein Pulvergemisch aus Wolframkarbiden ( WC ), TiC, TaC, MoC, VC wird mit einem Hilfsmetall (im allge-
meinen 5-20% Co) in eine Form gepreßt, und bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1600 °C gesintert.
Die Nachbehandlung erfolgt durch Schleifen mit extraharten Spezialschleifscheiben (Diamant). Ein entscheidender Härteverlust tritt erst bei Temperaturen oberhalb von ca. 800 °C ein.
Die Hartmetalle enthalten kaum Fe (nur ca.2-3%) . Die Hartmetalle sind spröde und teuer; daher wird nicht das gesamte Werkzeug, sondern nur die tatsächlich wirksame Schneide aus Hartmetall hergestellt ------> ein Plättchen wird auf einem Werkzeug-Halter befestigt (guteZähigkeit und Dämpfung). Die Hartmetall-Plättchen können durch Löten (veraltet) oder Schrauben oder Klemmen befestigt werden.
Befestigung der Wendeschneidplättchen
Es gibt drei Gruppen von Hartmetallen:
P für langspanende Werkstoffe
M Mehrzwecksorte
K für kurzspanende Werkstoffe
dazu Kennzahlen: 01, 10, 20, 30, 40, 50 hoher Verschleißwiderstand ----------------------® große Zähigkeit
6.7.
4 Schneidkeramik
Keramische Werkstoffe basieren hauptsächlich auf Al2O3 (Aluminiumoxid). Schneidkeramik-Schneidstoffe erzielen eine weitere Steigerung der Produktivität. Weitere Vorteile sind die Einsparung an teuren Sintermetallen (W, Co, Cr, ...) und die höhere Härte als die Hartmetalle.
Man unterscheidet zwei Arten der Schneidkeramik:
- reine Aluminiumoxide (keine oder kaum Legierungszusätze von anderen Metalloxiden und Metallkarbiden)
- legierte Schneidkeramik (bis zu 60% Zusätze von Metallkarbiden)
Schneidkeramik ist extrem spröde, und daher nicht für Bearbeitungsvorgänge mit stoßartiger Belastung geeignet (Längsdrehen abgesetzter Wellenteile). Eine Vorbearbeitung der Werkstücke ist notwendig.
Eigenschaften der Schneidkeramik:
6.7.5 Schneiddiamant
Schneiddiamanten (Naturdiamanten oder künstliche Diamanten) verwendet man ausschließlich in der Feinstbearbeitung zur Herstellung von Oberflächen mit
- geringsten Maßabweichungen
- höchster Oberflächengüte
- zumeist beim Drehen.
Mit Schneiddiamanten werden alle Metalle mit keinem oder extrem niedrigem C-Gehalt, sowie Kunststoffe und Glas, bearbeitet.
Schneiddiamanten sind äußerst hart und spröde, und daher extrem bruchempfindlich. Die Standzeit ist gegenüber Hartmetallen, bei gleichen Zerspanungsbedingungen,
40 bis 50 mal höher.
Die Befestigung der Schneiddiamanten auf dem Werkzeugträger erfolgt durch Hartlöten, Einsintern oder Kaltfassen. Die Aufnahme des Schneiddiamanten am Werkzeugträger soll so gestaltet sein, daß keine zusätzlichen Einspann- bzw. Wärmespannungen (Hartlöten !!) entstehen.
Diamant-Werkzeughalter Facetten-Diamantwerkzeug
Schneidenlänge< 1mm, Einstellung
mit Vergrößerungseinrichtung
Polykristalline Schneidkörper haben einen Grundkörper aus Hartmetall, auf dem viele kleine Diamanten bei hoher Temperatur (ca.
2200 °C) und hohem Druck (ca. 70 kbar) aufkristalliert werden.
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