Zerspanbarkeit verstehen: Definition, Bedeutung & Messverfahren

Das Fertigungsverfahren Zerspanen (Drehen, Fräsen, Bohren) ist vielseitig und effektiv für Metall und Kunststoff. Es erzielt feinste Details bei engen Toleranzen und ist für Prototypen und Kleinserien hochwirtschaftlich.

Doch nicht alle Materialien lassen sich gleich gut zerspanen. Da ein rotierendes Schneidwerkzeug Material abträgt, muss der Werkstoff weich genug für das Eindringen des Werkzeugs sein – sonst leidet Werkzeugstandzeit und Teilequalität. Zu weich hingegen führt zu unerwünschter Verformung beim Schneiden, was verzogene, unbrauchbare Teile zur Folge hat.

Die Leichtigkeit, mit der ein Metall schneidbar ist, nennt man Zerspanbarkeit. Da viele Faktoren diese Eigenschaft beeinflussen, ist sie schwer zu quantifizieren. Dieser Artikel behandelt Grundlagen: Was ist Zerspanbarkeit? Welche Materialien sind gut zerspanbar? Wie lässt sie sich verbessern? Wie wird sie gemessen?

Was ist Zerspanbarkeit?

Zerspanbarkeit misst, wie leicht oder schwer ein Material mit einem Schneidwerkzeug zu bearbeiten ist. Ein Werkstoff, der mit minimaler Leistung, ohne Verformung der Umgebungsbereiche schneidbar ist, hat höhere Zerspanbarkeit als einer, der mehr Kraft erfordert und stärker verformt.

In der Praxis bieten gut zerspanbare Materialien kurz- und langfristige Vorteile:

• Kurzfristig: Bessere Teile mit engen Toleranzen, minimaler Verformung, guter Oberflächengüte; schnellere Fertigung.
• Langfristig: Geringerer Werkzeugverschleiß, längere Werkzeugstandzeiten – Kostenersparnis in der Werkstatt.

Warum nutzen Zerspaner nicht ausschließlich die am besten zerspanbaren Werkstoffe? Zerspanbarkeit steht oft im Widerspruch zur Werkstoffleistung und umgekehrt. Festere Materialien sind meist schwerer zerspanbar – Ingenieure müssen oft zwischen Zerspanbarkeit und mechanischen Eigenschaften abwägen.

Die Zerspanbarkeit eines Materials hängt ab von:

• Physikalischen Eigenschaften der Werkstoffgruppe (Zusammensetzung)
• Zustand des konkreten Werkstücks (Herstellungsprozess, Wärmebehandlung etc.)

Physikalische Eigenschaften sind fest; der Werkstückzustand kann stark variieren.

Physikalische Eigenschaften:

• Arbeitsverfestigung (Work Hardening)
• Wärmeausdehnung
• Wärmeleitfähigkeit
• Elastizitätsmodul

Zustandsfaktoren:

• Mikrostruktur
• Korngröße
• Wärmebehandlung
• Härte
• Zugfestigkeit

Gut zerspanbare Materialien

Aluminium

Eines der besten Zerspanmaterialien: günstig, in vielen Legierungen verfügbar. EN AW-6061 ist Standard; Legierungen wie 2011 und 8280 sind noch besser zerspanbar (sehr kleine Späne, exzellente Oberfläche).

Stahl

Stähle sind generell schwerer zerspanbar als Alu-Legierungen. Sorten mit mittlerem Kohlenstoffgehalt wie 1.4305 (303) austenitischer Edelstahl sind am besten zerspanbar (zu viel C → zu hart; zu wenig → „klebrig“). Zusätze wie Blei verbessern Spanbruch und -abfuhr; Schwefel erhöht ebenfalls die Zerspanbarkeit.

Weitere Metalle

Messing-Legierungen: vergleichsweise weich, aber gute Zugfestigkeit. Kupfer: gute Zerspanbarkeit bei hoher elektrischer Leitfähigkeit.

Kunststoffe

Thermoplaste sind oft schwierig: Schneidewärme lässt Kunststoff schmelzen und am Werkzeug anbacken. Gut zerspanbare Kunststoffe: ABS, PA (Nylon), PMMA (Acryl), POM (Delrin).

Zerspanbarkeit verbessern

Physikalische Eigenschaften sind fix, aber der Werkstückzustand kann verändert werden; Legierungszusätze helfen ebenfalls.

• Zusätze (Additives): Beim Stahl z. B. Blei- und Schwefelzugabe für bessere Schneidbarkeit.
• Wärmebehandlung: Glühen nickelbasierter Legierungen kann Zerspanbarkeit verbessern.
• Externe Faktoren: Ohne Werkstoffänderung: Schneidwerkzeugmaterial, Schnittgeschwindigkeit, Schneidengeometrie, Kühlschmierstoff, Prozessparameter anpassen.

Messung der Zerspanbarkeit

Aufgrund der vielen Einflussfaktoren ist Zerspanbarkeit ein vager, schwer quantifizierbarer Begriff.

Ingenieure und Materialwissenschaftler nutzen Metriken wie:

• Leistungsaufnahme: Schnittkraft/Energiebedarf (Standard-Energiemetriken).
• Werkzeugstandzeit: Zeit bis zum Werkzeugausfall beim Schneiden des Materials.
• Oberflächengüte: Grad der Aufbauschneiden-Bildung; gut zerspanbare Materialien bilden keine Aufbauschneide.

Keine Methode ist vollständig zuverlässig, da unabhängige Faktoren Leistung, Verschleiß und Oberfläche beeinflussen.

Das American Iron and Steel Institute (AISI) schuf ein Zerspanbarkeits-Bewertungssystem basierend auf Drehversuchen. Die Ratings (in %) beziehen sich auf 160 HB B1112-Stahl (willkürlich auf 100 % gesetzt). Besser zerspanbare Metalle > 100 %, schlechtere < 100 %.