Zerspanung

WAS IST EINE ZERSPANUNG?

Bei der Zerspanung (Englisch: machining) handelt es sich um eine Herstellungsmethode, nach der ein vorher gestalteter und konstruktierter Maschinenbestandteil sowie dessen Herstellungsprozess festgelegt worden sind, in dem für den Herstellungsprozess angemessenen Zerspanungsmaschine durch bestimmte Schneidwerkzeuge der Schneidoperation unterliegend geformt wird. Die Zerspanung erfolgt durch die Bildung der Spannung auf dem Werkstück, indem das Schneidwerkzeug und/oder das Werkstück sich relativ nacheinander bewegen.

+ Zerspanungsmethoden: Dabei handelt es sich um die Herstellungsmethoden zur Formung durch die Zerspanung. Das Drechseln, das Fräsen, das Hobeln, die Formung, das Schleifen, das Honen gehören zu dieser Gruppe.

1. Zerspanungsmethoden
Die Zerspanung ist eine auf die elastische und plastische Verformung beruhende, komplizierte, physikalische Tatsache, bei der Ereignisse wie Reibung, Wärmebildung, Spanbrechung und -schrumpfung, Verformungshärtung auf der Oberfläche des Werkstücks, Abnutzung der Schneidspitze zu beobachten sind [Akkurt].

Bei der Zerspanung handelt es sich um eine Spanbildung. Auch wenn der Zweck die Formung des Metalls in einer bestimmten Form und Größe ist, soll diese Bearbeitung so durchgeführt werden, dass eine angemessene Spanbildung gewährt wird. Die Zerspanung ist eine dynamische Technologie, die viele unterschiedliche Wissenschaft wie Herstellung, Material, Chemie, Statik, Wärme beinhaltet.

Drückt man bei der Zerspanung die Schneidspitze mit einer bestimmten Kraft auf das Werkstück in Kraftrichtung, beginnen die Strömungen nach der elastischen und plastischen Verformung des Materials. Wenn die Spannungen die Zerreißgrenze des Materials überschreiten, wird eine bestimmte Oberflächenschicht als sogenannter Span vom Werkstück getrennt.

Faktoren, die Zerspanung beeinflussen.
+ Haltbarkeit der Schneidspitze (T)
+ Schneidgeschwindigkeit (V)
+ Spantiefe (t)
+ Vorlaufmenge (f)
+ Schneidewinkel (KA)
+ Vibration (Vi)
+ Kühlflüssigkeit ()
+ Werkzeug-/Werkstückmaterialpaar (TM)
+ Radius der Schneidspitze (r)


Sollten diese funktional ausgedruckt werden; F(T,V,f,t,KA ,Vi,TM,r)=0
Die Zerspantechnologie ändert sich ständig einerseits abhängig von den Materialentwicklungen und Herstellungsstrategien und andererseits abhängig von den Entwicklungen in den Werkzeugindustrien. Diese Entwicklung bringt auch die Entwicklung von modernen Werkzeugmaterialien, Schneider-Geometrien und Werkzeugbefestigungsmethoden mit, wodurch im Bereich Herstellung jeden Tag ökonomischere Herstellungsalternative auftreten.

Es wird beabsichtigt, zur Bestimmung der ökonomischsten Herstellung und der idealsten Werkzeughaltbarkeit im Bereich Zerspanen die günstigsten Schneidparameter zu ermitteln. Dieser Prozess, der vollständig von dem Werkzeug-/Werkstückmaterialpaar, den Schneidbedingungen, dem Werktisch, dem Schneidwerkzeug abhängig ist, ist äußerst schwer.

2. Grundlagen der Zerspanungssysteme
Die Grundbasis der Formung der Teile durch die Zerspanung auf den Werktischen besteht darin, dass die Endform des Werkstücks durch die Verarbeitung des betreffenden Materials zu erlangen. Die Überschüsse im Rohteil sind durch das “Zerspanung” anhand des dem Werktisch angeschlossenen Werkzeuges wegzunehmen. Die Zerspanung vom Material erfolgt durch die Berührung der Schneidespitze/-kante des Werkzeuges mit dem Werkstück und durch die Weiterleitung der Zerspanungsenergie in diesem Wirkungsbereich vom Zerspanungstisch auf das Werkstück. Aus diesem Grund muss die Beziehung unter dem Dreieck vom “Werktisch-Schneider (Werkzeug)-Werkstückmaterial” sehr gut errichtet werden, und die Variable, also die sogenannte “Schneidparameter”, die diese Beziehung formen, sind sehr gut zu bewerten.

Die Beziehung zwischen dem Werktisch-Schneider (Werkzeug)-Werkstückmaterial findet die bei der Zerspanung erforderlichen Wirkbewegungen auf zwei oder drei Achsen über “das Werkstück, das Werkzeug oder die beiden” statt. Diese Bewegungen treten als Drehung und Schieberei auf. In der Abbildung 1,2 sind diese Einwirkungen an der Dreh-, Fräs- und Formungsmaschinen, die ausgebreitet bekannte Werktische sind, nebst der Erscheinungsform deutlich zu erkennen. Es gibt drie unterschiedliche Bewegungen: Schneiden, Vorlauf und Verspänen (Annäherung).

Die Werkzeugmaschinen sind nach ihren Betriebsmerkmalen in drei Weisen klassifiziert.

a. Nach der Zerspanungstechnik: Drehmaschine, Fräse, Schleifen, Hebeln, Formung
b. Nach den Steuerungsmethoden:
+ Manuelle Steuerung,
+ Automatische Steuerung: Werktische mit mechanische und nummerische Steuerung
c. Zweckdienend universale und Einzweck-Werktische

3. Zerspanungsmodell und allgemeine Begriffe
Die physikalische Untersuchung der Zerspanung ist die Grundlage der Zerspanungstheorie. Sonstige Untersuchungen wie Abnutzung, Haltbarkeit, Wärme, Kraft, Energie, Reibung usw. beruhen sich auf die Grundlage der Zerspanungstheorie.

Die Errichtung der Beziehung zwischen dem Werktisch-dem Werkzeug-dem Werkstück während der Zerspanung erfordert die gute Begreifung des “Schneidens”. Obwohl die Schneidekanten der Werkzeuge für die Verarbeitung von Metallen und Metalllegierungen ausreichend scharf sind, werden sie gegenüber der während der Zerspanung auftretenden Spannungen ziemlich beansprucht. Aus diesem Grund erfolgten viele Studien, um den angemessenen Wert, dem das Werkzeug standhalten muss, und die ideale Winkel (ideale Werkzeuggeometrie) zu ermitteln, die den Schnitt und das Schneiden zu erleichtern hat.

Die erste Studie hat Finnie Cocquilhat im Jahre 1851 durchgeführt, um die Bohrung zu berechnen. 1873 hat Hartig die Arbeitstabellen über das Schneiden erstellt und diese in einem Buch veröffentlicht. Und die ersten Studien über die Spanformung haben Time im Jahre 1870 und der französische Wissenschaftler Teresca im Jahre 1873 durchgeführt. 1881 hat Mollock behauptet, dass beim Schneiden des Materials die Schneidemethode der Spanformung zugrunde liege, wobei er auf die Reibungswirkung auf die Werkzeugüberfläche hingewiesen hat. Von den Merkmalen des teilweise geformten Spanes ausgehend hat er die Spanarten aufgedeckt. Er erhöhte die Wirkung von Werkzeugspitzen und Schneidflüssigkeiten auf die Schneidmethode und untersuchte die unausgeglichene Schneidmethoden, die zu den ungewünschten Ergebnissen führen. Viele seiner Studien waren so wirkungsvoll, dass sie auch den heutigen modernen Theorien zugrunde liegen.

Aber die wirkungsvollsten Studien über den Schneidmechanismus hat Taylor nach 1900er -wie es auch heute weit verbreitet ist- vorgebracht. Taylor hat seine ca. 26-jährige Experimente und Erfahrungen gesammelt und die Einwirkung der Schneideparameter und des Werkzeugmaterials auf die Werkzeughaltbarkeit während der Zerspanoperationen untersucht. Er entwickelte empirische Formulierungen, die prinzipiell der Anwendung von idealsten Schneidebedingungen erlauben. Durch die Methoden, die er entwickelte, steigerte er die Effizienz der Institution, für die er arbeitete, bis auf 500% unter den damaligen Bedingungen. Dass die Prinzipien, die er vorgebrachte, auch heute benutzt werden, ist auffällig. Eine andere der wichtigsten Entdeckungen von Taylor ist, dass er die Wärme des Werkzeuges und der Schneidekante und das Abnutzungsverhältnis des Werkzeuges kontrollieren konnte. 1941 haben Ernst und Merchant diese Prinzipien weiter entwickelt und die Mechanik zur Spanbildung (Schneidmechanik) ausreifen gelassen. Auch diese sogenannten Merchant-Prinzipien benutzt man heute weit verbreitet.

Die Wissenschaftler wie Tresca, Hartig, Finnie, Mallock, Taylor und Merchant sorgten die Entwicklung der Metallschneidetechnologie. Ausgehend von den Prinzipien dieser Wissenschaftler wird das Schneiden beschrieben.

Beim “Schneiden” handelt es sich um die Trennung des Materials mithilfe des Schneidwerkzeugs wie ein Messer. Die Schneidekante des Werkzeuges entsteht durch die Kreuzung von zwei Flächen in einem bestimmten Winkel. Die durch die Abschärfung gebildete Schneidekannte wird -wie beim Schneiden eines Brotes- im Materialkörper beansprucht und gleichzeitig im Körper parallel zur Schneidekante bewegen. Der geschnittene Materialkörper wird durch die Oberflächen des Schneidwerkzeuges zur Teilung in zwei Stücke gezwungen. Die abgeschärfte Schneidekante ermöglicht, dass der Körper mit einer niedrigen Kraft geschnitten wird, während die Teile weniger uneben geschnitten werden.