Spanbildung beim CNC-Fräsen: Entstehung, Typen und Gegenmaßnahmen

Spanbildung (Chip Formation) tritt typischerweise dort auf, wo ein Werkzeug die Kante des zu schneidenden Materials berührt. Dies ist Teil des CNC-Bearbeitungsprozesses (Computer Numerically Controlled), der meist beim Fräsen, Schleifen, Honen und Drehen in der Fertigung auftritt. Bei diesen Techniken erfolgt die Spanbildung meist ähnlich. Die Bewegung eines Werkzeugs erzeugt typischerweise eine Scherebene, und je nach Materialtyp können die entstehenden Späne unterschiedlich sein. Sie können unstetig oder kontinuierlich sein, während ein unstetiger Span mit Aufbauschneide (Built-Up Edge) eine weitere Variante darstellt; jeder Typ wird sorgfältig untersucht, da er oft Maschinenfunktion und Endproduktqualität beeinflusst.

Materialeinfluss

Das bearbeitete Material kann die Spanbildung beeinflussen. Festere Materialien brechen in der Regel nicht so leicht wie schwächere, sodass Späne als kontinuierliches Band abgelöst werden können. Bei spröden Stoffen werden typischerweise kleinere Späne gebildet, die in einem bestimmten Bereich vermehrt abbrechen.

Spanarten und Probleme

Bei spröden Materialien ist unstetige Spanbildung am häufigsten, was auch bei kleinen Schneidwinkeln oder niedrigen Geschwindigkeiten auftreten kann. Die Oberflächenqualität des geschnittenen Materials ist meist minderwertig, während ein kontinuierlicher Span oft als am effizientesten beim Maschinenschneiden gilt. Ein gezahnter Span (Serrated Chip) ist ein weiterer Typ, der oft aus Metallen mit gemischten Scherzonen entsteht. Kontinuierlicher Span mit Aufbauschneide (Built-Up Edge) entsteht, wenn Metallspäne am Schneidwerkzeug haften und bei ausreichender Hitze sogar anschweißen können. Am häufigsten bei weichen Metallen, kann dieses Phänomen dazu führen, dass Kanten sich lösen und posiblemente das Werkzeug und das Werkstück beschädigen.

Lösungsansätze

Wenn sich Aufbauschneiden bilden, können Hersteller Schmierung hinzufügen, schärfere Werkzeuge einsetzen oder ein Ultraschall-Vibrationssystem verwenden, um Probleme zu verhindern. Ein Spanbrecher (Chip Breaker) wird manchmal genutzt – in Form einer Nut hinter der Schneidkante –, um zu verhindern, dass Späne am Werkzeug haften oder sich verheddern. Auch andere Formen oder Vorrichtungen können das Problem der Spanbildung an Werkzeugmaschinen bewältigen.

Analyseherausforderungen

Spanbildung wird oft von Herstellern untersucht, besonders bei Bearbeitungsoperationen, die höhere Präzision erfordern. Solche Analyse kann schwierig sein, da CNC-Bearbeitung typischerweise hohe Dehnraten involviert, während Werkzeug- oder Werkstückmaterial, Temperatur und verwendete Flüssigkeiten die Analyse und das Phänomen beeinflussen können. Der Werkzeugschneider kann die Spanbildung auch schwerer analysierbar machen als bei Gießprozessen, wo die Materialbildung in einem begrenzten Bereich stattfindet.