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Chip für Chip aufgeschlüsselt: Fünf Dinge, die man über die Spanbildung bei der Bearbeitung wissen sollte
Chip für Chip aufgeschlüsselt: Fünf Dinge, die man über die Spanbildung bei der Bearbeitung wissen sollte


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Wohlhaupter / Allied Machine and Engineering

marketing@wohlhaupter.com

Mit dem Wissen um die verschiedenen Spandetails lassen sich die Spanbildung besser steuern, Anpassungen vornehmen und Werkzeugausfälle vermeiden. Für eine erfolgreiche Anwendung sind dabei fünf Faktoren zu beachten.


1. Form und Größe
Ein wichtiger Indikator für eine gute Spanbildung ist die Form des Spans. Für jede Anwendung sind Späne in Form von Sechsen bzw. Neunen oder einer einfachen konischen Form zu bevorzugen. Diese kleinen, einfachen Späne sind für effizientes, zuverlässiges Bohren unerlässlich. Doch was bedeuten Späne in anderen Formen und Größen? Ein gerader, flacher Span ist zum Beispiel ein Hinweis auf ein Problem mit der Elastizität. Handelt es sich bei dem Span um ein durchgehendes Band, sind wahrscheinlich mehrere Anpassungen vorzunehmen, um ideale Späne zu erhalten.

Auch die Größe der Späne wirkt sich auf die Spanabfuhr aus. Es gibt zwei wichtige Faktoren, die sich auf die Größe der Späne auswirken: die Spanleitstufen, auch bekannt als Spanbrecher, und die Spanleitstufengeometrie. Bei Spanleitstufen wird die Breite des Spans verringert, um eine leichtere Abfuhr zu ermöglichen; je breiter der Span ist, desto leichter lässt er sich aufrollen und brechen. Die Spanleitstufengeometrie wirkt wie eine mechanische Spanleitstufe, die einen Span bricht, indem sie den Span aufrollt oder indem sie mit der Rückseite der Spanleitstufengeometrie auf den sich bildenden Span trifft. Während härtere Werkstoffe einen Span auf sich selbst aufrollen, um einen Spanbruch zu erzeugen, überspringen elastische Werkstoffe das und brechen erst nach dem Aufprall auf die Rückseite der Spanleitstufengeometrie. Der Zweck der Kombination aus Spanleitstufe und positiver Spanleitstufengeometrie besteht jedoch darin, den Span so abzubrechen, dass er schmal genug ist, um leicht abtransportiert werden zu können.
 

Spanbruch kann auch auf natürliche Weise durch den Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Außenseite und der Innenseite eines Spans entstehen, wodurch ein kegelförmiger Span entsteht, der sich in sich selbst einrollt und bricht. Da Wendeschneidplatten mit größerem Durchmesser einen höheren Geschwindigkeitsunterschied aufweisen als Wendeschneidplatten mit kleinerem Durchmesser, ist es einfacher, Späne zu brechen, d. h. je größer der Abstand zwischen den Spanleitstufen ist, desto mehr Späne brechen. Bei Einsätzen mit kleinerem Durchmesser ist der Geschwindigkeitsunterschied begrenzt, da die Späne nicht so breit sind, dass sie leicht durch die Haltekammer abtransportiert werden können.

 


2. Dicke
Die Dicke des Spans variiert mit der Vorschubgeschwindigkeit; bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten werden dickere Späne gebildet, bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten dünnere Späne. Die Dicke des gebildeten Spans entscheidet darüber, wie der Span bricht, aber das hängt auch vom bearbeiteten Material ab. Gleichzeitig wirkt sich eine Änderung der Drehzahl auf die Spandicke aus; je höher die Drehzahl des Werkzeugs, desto mehr Wärme wird im Schnitt erzeugt, wodurch das Material elastischer wird. Daher ist ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Vorschub erforderlich. Bei vielen Werkstoffen bedeutet ein dickerer Span eine größere Chance, die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs zu überschreiten, was die Wahrscheinlichkeit eines Spanbruchs erhöht; andererseits sind dünnere Späne elastischer und somit weiter von der Elastizitätsgrenze entfernt, die für einen Spanbruch erforderlich ist.

Weiche Werkstoffe wie z. B. weiche Kohlenstoffstähle, rostfreier Stahl der Serie 300 oder reines Titan haben eine hohe Elastizitätsgrenze – so hoch, dass sich eine zunehmende Spandicke negativ auf die Spanbildung auswirkt. Diese Werkstoffe erfordern spezielle Spanleitstufengeometrien, um einen akzeptablen Span zu erzeugen. Dennoch ist es wichtig, das Spanverformungsverhältnis von Werkstoffen zu betrachten, um die Spandicke besser zu verstehen. Das Spanverformungsverhältnis kann definiert werden als das Verhältnis der verformten Spandicke zur unverformten Spandicke (Vorschubgeschwindigkeit). Bei den meisten Stählen liegt dieses Verhältnis in der Regel bei 2-3:1; bei weichen Werkstoffen kann es jedoch auch 5-10:1 betragen. Letztlich ist dieses Maß jedoch ein Indikator für die Spanform und die Elastizität des zu schneidenden Materials, und je höher die Verformung ist, desto schwieriger ist die Spanbildung.


3. Kühlmittel
Was das Kühlmittel betrifft, so ist das Kühlmittel im Werkzeug in Verbindung mit der richtigen Zerspanungsgeometrie entscheidend für die beste Spanbildung und -abfuhr. Darüber hinaus beeinflussen wechselnde Kühlmittelarten, Druck und Volumen die thermische Verformung der Späne. Dadurch können sich die Eigenschaften der Späne ändern, so dass sie mehr oder weniger wahrscheinlich in handhabbare Segmente zerfallen. Kühlmittel können zum Beispiel die Elastizität des Materials verringern, weil es sich durch die schnelle Abkühlung der heißen, elastischen Späne verfestigt. Die Abkühlung elastischer, zusammenhängender Späne verbiegt die Späne bis zum Bruch, indem ihre Elastizitätsgrenze herabgesetzt wird.  

Für die Spanabfuhr sind der Druck und das Volumen des Kühlmittels wichtig. Um ein bestimmtes Volumen an Spänen abzuführen, wird eine bestimmte Menge an kinetischer Energie durch das Kühlmittelvolumen aufgebracht. Das Bohren kann ohne Unterbrechung erfolgen, solange genügend Kühlmittelvolumen vorhanden ist, was während der Anwendung durch eine gleichmäßige Anzeige des Füllstandsmessers deutlich wird. Mangelndes Kühlmittel wird beim Bohren sonst vom Messgerät festgestellt. Dies bedeutet zwar nicht, dass Bohren mit unzureichendem Kühlmittel nicht möglich ist, zeigt aber, dass der Bohrer an die Umgebung angepasst werden muss.

Der Druck hingegen ist die Kraft, die hinter dem Kühlmittel steht und ein festes Volumen an Kühlmittel durch einen bestimmten Durchmesser liefert. Wenn der Kühlmitteldruck durch einen festen Durchmesser der Kühlmittelöffnung erhöht wird, vergrößert sich auch das Kühlmittelvolumen. Beim Bohren von kleinen Durchmessern ist ein hoher Kühlmitteldruck erforderlich, um ein ausreichendes Kühlmittelvolumen bereitzustellen, aber mit zunehmendem Bohrdurchmesser wird ein hohes Kühlmittelvolumen notwendiger als ein hoher Kühlmitteldruck. Beim Bohren von hohen Stückzahlen – insbesondere beim Tieflochbohren – ist die Kühlmittelzufuhr durch das Werkzeug von entscheidender Bedeutung, da sie eine nach oben gerichtete Kraft auf den Span ausübt, um die Späne durch die Bohrkanäle und aus dem Loch zu spülen. Obwohl Kühlmittelspülung bei kurzen Bohrungen mit weniger als zwei Durchmessern alternativ zum Durchlaufkühlmittel verwendet werden kann, fördert Kühlmittelspülung in tieferen Bohrungen keine gute Wärmeübertragung und kann außerdem Späne zurück in die Bohrung drücken, was zu Spänestau führen kann.

Die Kühlmittelzufuhr durch das Werkzeug ist auch deshalb wichtig, weil sie das Kühlmittel direkt an die Schneide liefert, wo es zur Kühlung des Werkzeugs benötigt wird. Bei der Zerspanung verbleiben 60 Prozent der bei der plastischen Verformung des Werkstoffs entstehenden Wärme im gebildeten Span, während die anderen 40 Prozent im Werkzeug und im Werkstück verbleiben. Dieser Teil, der im Werkzeug verbleibt, muss durch Kühlmittel abgeführt werden, um eine ausreichende Standzeit des Werkzeugs zu gewährleisten. Je mehr Kühlmitteldruck und -volumen durch das Werkzeug fließen kann, desto kühler läuft das Werkzeug. Das bedeutet, dass die Standzeit des Werkzeugs höher ist und dass das Werkzeug möglicherweise schneller laufen kann.


4. Werkzeugwahl
Die Spanbildung kann auch Aufschluss darüber geben, ob das richtige Werkzeug verwendet wird. Wenn die Spanbildung nicht der Norm entspricht, kann eine Änderung der Werkzeuggeometrie erforderlich sein, um die Situation zu verbessern. Die Geometrie eines Schneidwerkzeugs hat also einen erheblichen Einfluss auf die Spanbildung. Insbesondere eine Vergrößerung des Spanwinkels kann die Spanbildung verbessern, doch hat dies seinen Preis, denn je größer der Spanwinkel ist, desto schwächer ist die Schneidkante.

Der Spanwinkel beeinflusst auch in hohem Maße den Wert des Scherfächenwinkels, d. h. des Winkels, der durch die rein plastische Verformung des Werkstückmaterials entsteht. Hier beginnt das Material sich vor der Schneide zu verformen oder zu spanen. Je nach Materialeigenschaften und Laufparametern variiert der Winkel; es sollte jedoch immer das Ziel sein, den Scherfächenwinkels steiler zu gestalten, denn je steiler die Scherfäche, desto besser die Spanbildung.

Auch die Spandicke spielt hier eine Rolle. Je elastischer ein Material ist, desto steiler ist der Winkel der Scherfäche, was zu einem dünneren Span führt. Umgekehrt gilt: Je härter das Material ist, desto flacher ist der Winkel der Scherfläche, und ein dickerer Span entsteht. Alles in allem bedeutet ein größerer Spanwinkel einen größeren Scherwinkel und damit bessere Späne – aber auch hier kommt es auf Ausgewogenheit an. Eine wirklich scharfe Schneide erzeugt zwar tolle Späne, aber sie wird aufgrund des kleineren Schneidenquerschnitts und der schwächeren Schneide versagen und brechen. Daher ist ein ausgewogener Spanwinkel zu finden – einer, der aggressiv, aber nicht zu aggressiv ist.


5. Veränderungen in der Spanbildung
Ein letzter Punkt, auf den bei der Untersuchung der Späne zu achten ist, sind Veränderungen in der Spanbildung. Wenn sich die Spanbildung während einer Anwendung verändert, kann dies durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden: Verschleiß am Werkzeug, Aufbauschneiden am Werkzeug (BUE) oder Veränderungen in der Umgebung wie Kühlmittel oder Materialwechsel. Bei neuen Anwendungen ist es vielleicht am besten, flache Testbohrungen zu machen und die Späne zu untersuchen, um sicherzustellen, dass sie klein und segmentiert sind. Eine anfänglich konservative Einstellung der Geschwindigkeiten und Vorschübe kann ebenfalls dazu beitragen, die Spanbildung besser zu verstehen und festzustellen, welche Anpassungen vorgenommen werden müssen.


 

Entscheidend ist jedoch, dass man sich aller Veränderungen in der Spanbildung bewusst ist. Eine schlechte Spanbildung kann bei Bohranwendungen große Probleme verursachen. Lange, zusammenhängende Späne lassen sich nur schwer abtransportieren und können sich in den Bohrernuten festsetzen, was den Bohrer beschädigen oder sogar zum Ausfall des Bohrers führen kann. Diese langen Späne können sich auch um den Bohrerkorpus wickeln und wiederum einen Werkzeugausfall verursachen. Schließlich wirkt sich eine schlechte Spanbildung auch auf die Qualität der Bohrung aus. Wenn die Späne in den Spannuten schleifen oder sich dort festsetzen, wird die Bohrung schlecht ausgeführt. Das Erkennen von Veränderungen in der Spanbildung ist nicht nur für die Lebensdauer des Werkzeugs und die Qualität der Bohrung wichtig, sondern auch für den Gesamterfolg der Anwendung.

Wer mehr über die Späne weiß, die sich bei der Metallzerspanung bilden, kann das Ergebnis und den Erfolg der Bohrungen besser kontrollieren. Notwendig ist zwar, Größe, Form und Dicke der Späne zu untersuchen, aber ebenso wichtig ist es zu wissen, wie Kühlmittel, Werkzeugauswahl und Veränderungen der Spanbildung mit der Anwendung zusammenhängen. Feststeht: Die Span-für-Span-Analyse der Spanbildung und der Spanabfuhr ist Voraussetzung für erfolgreiches Bohren mit hoher Produktivität.



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