5 Schritte, um Ihre Späne zu kontrollieren
Eine gute Spanbildung, die zu einem spiralförmigen Span führt, ermöglicht eine gute Standzeit, eine einfache Handhabung und Evakuierung der Späne, einen stabilen und zuverlässigen Prozess und eine hohe Oberflächengüte. Kurz gesagt, ein guter Span muss gut dimensioniert und einfach zu handhaben sein sowie nicht zu viel Aufwand erfordern.Eine gute Spanbildung erzeugt spiralförmige Späne und ermöglicht eine gute Standzeit, eine einfache Handhabung und Evakuierung der Späne, eine gute Oberflächenqualität und einen stabilen, zuverlässigen und effizienten Schneidprozess. Kurz gesagt, ein guter Span muss eine einfach zu handhabende Größe haben und nur einen minimalen Aufwand erzeugen müssen.
| Werkzeug | Zerspanungsbedingungen | Werkstoff | Kühlschmierstoff |
Spanwinkel Einstellwinkel Eckenradius Beschichtung Schneiden- und Spanbrecher
-Geometrie | Vorschub Schnitttiefe Verhältnis der Spandicke Schnittgeschwindigkeit | Härte Zugfestigkeit Duktilität Struktur | Trockenbearbeitung Emulsionskühlung Seco Jetstream |
Verschiedene Gruppen von Faktoren bieten praktische Möglichkeiten, die Spanbildung zu beeinflussen, einschließlich Werkzeuge, Zerspanungsbedingungen, Werkstoffe und Kühlsystem.
Zu den Werkstofffaktoren gehören Werkstückhärte und Zugfestigkeit, Duktilität und strukturelle Überlegungen. Diese Elemente können nicht geändert werden, um die Spanbildung zu verbessern, aber der Bediener muss ihre Auswirkungen auf die Spanbildung berücksichtigen.
Der Einfluss des Kühlsystems auf die Spanbildung ist eher willkürlich. Es ist sehr schwierig, feste Beziehungen zwischen dem Typ des Kühlsystems und seinen Auswirkungen auf die Spanbildung zu erkennen. Eine Ausnahme bildet das sogenannte HPDC-System (High Pressured Directed Cooling), das zu deutlich kürzeren Spänen führt. Diese Art von Kühlsystem wird im Seco Jetstream Werkzeugsystem eingesetzt.
Die Auswirkungen von Werkzeugmerkmalen auf die Spanbildung ist ein häufiges Diskussionsthema. Von großer Bedeutung sind dabei der Spanwinkel und der Einstellwinkel, der Eckenradius sowie die Geometrie der Schneidkante und des Spanbrechers. Größere Spanwinkel, niedrigere Einstellwinkel und ein größerer Eckenradius führen zu längeren Spänen. Der Einfluss der Beschichtungsart auf die Spanbildung ist nicht eindeutig definierbar.
Die praktischste Möglichkeit, die Spanbildung zu beeinflussen, ist die Änderung der Schnittbedingungen, die sehr einfach und effektiv zu ändern sein kann. Die grundlegend einzustellende Zerspanungsbedingung ist das Spandickenverhältnis. Wenn das Spandickenverhältnis zu klein ist, entstehen so genannte quadratische Späne, die zu hohe Belastungen auf der Kante erzeugen und somit die Standzeit erheblich einschränken. Ein zu hohes Spandickenverhältnis führt zu schlanken, bandförmigen Spänen, die sehr schwer zu brechen sind.
Das Spandickenverhältnis ist definiert als die Schnittbreite geteilt durch die Spandicke. Die Schnitttiefe für einen bestimmten Vorschub sollte groß genug sein, um ein zu kleines oder zu großes Spandickenverhältnis zu vermeiden. Kleine Schnitttiefen in Kombination mit bestimmten Vorschüben erzeugen quadratische Späne. Zu kleine Vorschübe können zu bandförmigen Spänen führen, die unzerbrechlich sind.
In der Praxis ist die Schnitttiefe oft vorgegeben. In dieser Situation bildet der Vorschub den Schlüssel zur guten Spanbildung. Vermeiden Sie sowohl zu niedrige Vorschübe, die zu langen bandförmigen Spänen führen, als auch zu hohe Vorschübe, die quadratische Späne erzeugen.
Der komplexere Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Spanbildung wird später näher erläutert.
Der tatsächliche Querschnitt definiert vier verschiedene Arten von Spänen:
- Sägezahn, segmentierte oder nicht kontinuierliche Chips
- Fließspäne mit schmalen, geraden primären Scherzonen oder Fließspäne mit einer sekundären Scherzone an der Werkzeug-Schnittstelle
- Aufbauschneidenspäne
- Scherspäne oder kurze Späne
Alle Späne haben zwei Oberflächen. Die Außenfläche zeigt eine glänzende, polierte Oberfläche, weil sie auf der Spanfläche des Werkzeugs reibt – und Verschleiß verursacht. Jeder Span hat auch eine Innenseite, die von der ursprünglichen Oberfläche des Werkstücks gebildet wird, mit einem zackigen, rauen Aussehen, das durch den eigentlichen Schermechanismus verursacht wird.
| Segmentierter Span | Fließspan | Span mit
Aufbauschneide | Scherspan |
Sägezahn oder segmentierte Späne – auch nicht-kontinuierliche Späne genannt – sind halbkontinuierliche Späne mit großen Zonen geringer Scherbelastung und kleinen Zonen mit hoher Scherbelastung oder Scherlokalisierung. Diese Arten von Spänen treten bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Dehnungshärtungstendenz auf. Die Materialfestigkeit erhöht sich, wenn die Spannung im Material zunimmt, insbesondere in Kombination mit einer höheren Temperatur, wie es bei Titan der Fall ist. Diese Späne zeigen ein Sägezahn-Aussehen.
Fließspäne bilden sich bei der Bearbeitung von duktilen Werkstoffen, einschließlich Baustahl, Kupfer und Aluminium. Die plastische Deformation von duktilen Werkstoffen erzeugt lange, durchgehende Späne, die aus Sicht der Zerspanung wünschenswert sind, da sie eine gute Oberflächengüte bei geringem Stromverbrauch und längerer Standzeit erzeugen. Fließspäne bilden sich oft mit einer geringen Spandicke, hoher Schnittgeschwindigkeit, scharfer Schneidkante, großem Spanwinkel am Schneidwerkzeug, glatter Werkzeugfläche und einem effizienten Schmiersystem. Diese Späne sind schwer zu handhaben und zu evakuieren. Sie können sich in einer sehr langen Spirale wickeln, die sich um das Werkstück und das Werkzeug legt und den Bediener verletzen, wenn der Span bricht. Die Werkzeugfläche ist über einen längeren Zeitraum in Kontakt, was zu einer höheren Reibungswärme führt. Spanbrecher können dieses Problem beheben.
Die Verformung erfolgt entlang einer engen Scherzone, die als primäre Scherzone bezeichnet wird. Einige Fließspäne können eine sekundäre Scherzone an der Werkzeug-/Spanschnittstelle entwickeln. Diese Zone wird dicker, wenn die Reibung zunimmt. Fließspäne können auch bei einer breiten primären Scherzone auftreten, die gekrümmte Grenzen anzeigt. Die untere Grenze der Verformungszone – der Nebenfluss-Effekt – kann unter die bearbeitete Oberfläche fallen, was die Oberfläche verzerrt und zu einer schlechten Oberflächengüte führt.
Eine Aufbauschneide bildet sich, wenn kleine Partikel des Werkstückwerkstoffs an der Schneidkante haften. Dies geschieht vor allem bei weichen und duktilen Werkstückstoffen und wenn sich Fließspäne bilden. Eine Aufbauschneide kann die Schneidwirkung eines Werkzeugs beeinflussen. Dieses aufgebaute Material ist extrem hart und spröde und wird instabiler, wenn sich mehrere Schichten hinzufügen. Wenn sich die Aufbauschneide löst, wird ein Teil davon zusammen mit dem Span die Fläche des Werkzeugs hochgetragen, während der Rest in der bearbeiteten Oberfläche belassen wird. Dieses letzte Teil schruppt die bearbeitete Oberfläche.
Höhere Schnittgeschwindigkeiten und Spanwinkel, schärfere Werkzeuge, der Einsatz von Kühlmittel und eines Schneidmaterials mit geringerer chemischer Affinität zum Werkstückmaterial können die Bildung von Aufbauschneiden reduzieren.
Abb. 9 Beispiele für Aufbauschneiden und Späne für unterschiedliche Schnittgeschwindigkeiten.
Scherspäne oder kurze Späne – auch nicht-kontinuierliche Späne genannt – bestehen aus Segmenten, die voneinander getrennt sind. Diese Späne bilden sich beim Zerspanen spröder Werkstückstoffe wie Bronze, hartem Messing und Grauguss sowie sehr harter Werkstoffe. Sie bilden sich auch bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit harten Einschlüssen und Verunreinigungen. Spröde Werkstoffe sind nicht duktil. Dies ist für eine spürbare plastische Spanverformung erforderlich. Wiederholtes Frakturieren begrenzt die Spanverformung.
Nicht-kontinuierliche Späne entstehen bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen mit großen Spandicken, niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und kleinen Spanwinkeln. Bei Werkzeugmaschinen mit geringer Stabilität können kurze Späne aufgrund der intermittierenden Spanbildung während des Betriebs zu Mikrovibrationen führen. Diese Späne bieten einen Vorteil: komfortable Handhabung und Entsorgung. Die Bildung dieser Späne in spröden Materialien erzeugt eine recht gute Oberflächengüte, verbraucht weniger Energie und führt zu einer angemessenen Standzeit. Bei duktilen Materialien führen nicht-kontinuierliche Späne jedoch zu schlechten Oberflächengüten und übermäßigem Werkzeugverschleiß.
A. Kohlenstoffstahl mit Fließspan
B. Duplex-Edelstahl mit segmentiertem Span
C. Kohlenstoffstahl mit Aufbauschneide
D. Guss mit diskontinuierlichen Spänen
Lange Fließspäne wirken sich in der Regel negativ auf die Bearbeitungseffizienz aus und beschädigen womöglich Schneidwerkzeug, Werkstück oder Werkzeugmaschine. Durch Probleme bei der Spanabfuhr können sie zu unnötigen Produktionsunterbrechungen führen und unsichere Arbeitsbedingungen für den Bediener verursachen. Diese Späne sollten in kleinere Stücke gebrochen werden für mehr Sicherheit für den Bediener, einfachere Spanabfuhr und zur Vermeidung von Schäden an der Werkzeugmaschine.
Späne entwickeln während der Bildung eine Krümmung oder Wellung, basierend auf folgenden Faktoren:
- Verteilung der Spannungen in der primären und sekundären Scherzone
- Thermische Effekte
- Kaltverformungseigenschaften des Werkstückmaterials
- Werkzeuggeometrie
- Kühlsystem (bis zu einem gewissen Grad)
Generell gilt: Je kleiner der Spanwinkel (negatives Werkzeug), desto enger die Krümmung, was zu kürzeren, gebrochenen Spänen führt. Spanbrecher dienen dazu, den Radius der Spankrümmung zu reduzieren und so zu brechen.
A. Span
B. Ohne Spanbrecher
C. Mit Spanbrecher
D. Spanbrecher
E. Werkzeug
F. Werkstück
Wählen Sie die Spanbrecher-Geometrien gemäß der Zerspanungsaufgabe, der Kombination von Vorschub und Schnitttiefe sowie der Art des Werkstückwerkstoffs aus.
A. Ecke
B. Schneidkante
Ein Spanbruchdiagramm (siehe Abb. 14) zeigt den Zusammenhang zwischen Werkstoff, Schnittbedingungen, Spanbruchgeometrie und Spanbildung. Dieses Diagramm zeigt die Überlegungen bei der Auswahl der Schnitttiefe und des Vorschubs für die Bearbeitung eines bestimmten Werkstoffs mit einer definierten Spanbruchgeometrie. Die horizontale Achse stellt den Vorschub dar, der immer größer sein muss als ein bestimmtes Minimum (die Breite der T-Verschleißmarke) und kleiner als ein bestimmtes Maximum bleiben sollte (nie größer als die Hälfte des Eckenradius). Die vertikale Achse zeigt die Schnitttiefe, die immer größer als der Eckenradius sein sollte, um eine gute Spanbildung zu fördern und Probleme mit quadratischen Spänen zu vermeiden. Außerdem sollte die Schnitttiefe niemals größer als die Schnittkantenlänge sein. Im letzteren Fall sollte mit Sicherheitsfaktoren gearbeitet werden. Diese hängen von der Stärke der Schneidkante ab. Bei Wendeschneidplatten variieren diese Sicherheitsfaktoren zwischen 75 % (für quadratische oder rhombische Wendeschneidplatten) und 20 % (zum Kopierfräsen mit kleinem oberen Winkel) der Schneidkantenlänge.
Sowohl die Schnitttiefe als auch der Vorschub – das sogenannte Spandickenverhältnis – müssen zusammen innerhalb bestimmter Einschränkungen bleiben. Das maximale Spandickenverhältnis sollte unter einem bestimmten Maximalwert bleiben, um zu lange bandförmige Späne zu vermeiden. Das Spandickenverhältnis sollte aber auch über einem Mindestwert bleiben, um quadratische Späne zu vermeiden. Abbildung 14 stellt diese Einschränkungen mit zwei abgewinkelten Linien dar. Der Minimal- und Maximalwert des Spandickenverhältnisses hängt vom Werkstückmaterial ab. Um Werkzeugbruch zu vermeiden, sollten die Schnittkräfte nicht zu hoch ansteigen. Abbildung 14 zeigt diese Bedingung als gekrümmte Linie.
Jede Kombination aus Vorschub und Schnitttiefe in der blauen Zone in Abbildung 14 erzeugt richtig geformte Späne. In Kombinationen, die außerhalb dieses blauen Bereichs liegen, funktionieren Schneidkante und Spanbrechergeometrie nicht gut. Späne sind zu lang oder zu quadratisch, oder der Werkzeugbruch überschreitet eine akzeptable Menge.
Abbildung 15 zeigt den Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Spanbildung. Die horizontale Achse des Diagramms zeigt den Vorschub. Die vertikale Achse zeigt die verschiedenen Spantypen. Im Allgemeinen werden die Späne mit steigenden Vorschüben kürzer, insbesondere bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit wird jedoch das Verhältnis zwischen Vorschub und Spanbildung geringer.
ISO-Werkstoffgruppen, Wendeschneidplatten mit negativer Grundform
| Rostfrei (ISO M) Superlegierungen (ISO S) | 
| Stahl (ISO P) Rostfrei (ISO M) Superlegierungen (ISO S) | 
| Rostfrei (ISO M) |
| Stahl (ISO P) Rostfrei (ISO M) Gehärteter Stahl (ISO H) | 
| Superlegierungen (ISO S) | 
| Stahl (ISO P) Rostfrei (ISO M) Guss (ISO K) |
| Stahl (ISO P) Guss (ISO K) | 
| Guss (ISO K) | 
| Stahl (ISO P) |
Ein Spanbruchdiagramm wie Abbildung 16 bietet eine grafische Darstellung, die verschiedene Arten von Spanbrechergeometrien und deren Anwendungen miteinander in Beziehung setzt. In diesem Diagramm werden verschiedene Spanbrechergeometrien (mit der Bezeichnung FF1, FF2, MF1 … RR97) relativ zu ihrer Schneidkantenfestigkeit und Anwendung dargestellt. Die horizontale Achse stellt die relative Schneidkantenstärke der Geometrie dar. Bis zu einem gewissen Grad zeigt es auch die Vorschübe an, die für bestimmte Geometrien geeignet sind.
Die vertikale Achse stellt die Art der Anwendung dar, die vom Schlichten (kleine Schnitttiefen) bis zum Schruppen (große Schnitttiefen) reicht. Die vertikale Achse stellt bis zu einem gewissen Grad relative Schnitttiefen dar, die für bestimmte Geometrien geeignet sind. Auch die tatsächliche Größe der Wendeschneidplatte – die Schneidkantenlänge – beeinflusst die effektive Schnitttiefe. Die definierten Farben zeigen an, welche ISO-Werkstoffe zu diesen Geometrien passen.
Eine Geometrie, die sich links unten in diesem Diagramm befindet, ist sehr scharf und erzeugt kurze Späne. Sie bietet aber auch eine geringe Schneidkantenfestigkeit, die ebenso niedrige Schnittbedingungen (Schnitttiefen und Vorschübe) erfordert. Umgekehrt haben Geometrien oben rechts im Diagramm starke Schnittkanten und können bei hohen Schnittbedingungen verwendet werden. Sie neigen jedoch zu langen Spänen.
- Priorisieren Sie das Kriterium der Prozessoptimierung: Entweder Produktivität oder Kosteneffizienz.
- Wenn die Spanbildung akzeptabel ist, mit Schritt 5 fortfahren.
Wenn die Späne zu lang sind, mit Schritt 3 fortfahren.
Wenn die Späne zu kurz sind, mit Schritt 4 fortfahren. - Wenn die Produktivität wichtig ist, den Vorschub erhöhen.
Wenn Kosteneffizienz wichtig ist, eine stärkere Geometrie wählen.
Den Vorschub im Bereich der spanbrechenden Geometrie halten.
Zu Schritt 5 gehen. - Wenn die Produktivität wichtig ist, eine schärfere Geometrie wählen.
Wenn Kosteneffizienz wichtig ist, den Vorschub reduzieren.
Den Vorschub im Bereich der spanbrechenden Geometrie halten.
Zu Schritt 5 gehen. - Wenn Kosteneffizienz Priorität hat, sollten Sie die Schnittgeschwindigkeiten senken, um diese zu verbessern.
Wenn die Produktivität Priorität hat, erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeiten, um diese zu verbessern.
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