Wesentliche Zerspanverfahren: Schruppen, Drehen, Bohren, Fräsen
Überblick über die grundlegenden Zerspanverfahren
Dieser Artikel behandelt die vier Hauptgruppen spanender Fertigungsverfahren: 1. Schruppen und Planen, 2. Drehen und Bohren, 3. Bohren, 4. Fräsen. Wir beschränken uns auf die grundlegenden, häufigsten Operationen und deren Analyse, ohne in alle technologischen Details und Sonderformen einzugehen.
1. Schruppen und Planen
Das Prinzip der Spanbildung ist bei beiden Verfahren identisch. Der Hauptunterschied: Beim Schruppen führt das Werkzeug die Hauptbewegung (Schnittbewegung) aus, während das Werkstück den Vorschub erhält. Beim Planen ist es umgekehrt – das Werkstück führt die Schnittbewegung, das Werkzeug den Vorschub.
Die Schnittbewegung ist intermittierend und findet nur während des Arbeitshubs statt. Während des Leerlaufs (Rückhub) erfolgt die Vorschubbewegung ohne Schnittwirkung. Abbildung 4.34 zeigt Details der Schneidzone.
Kenngrößen und Umrechnung in grundlegende Zerspanparameter
Wichtige Parameter: Hübe pro Zeiteinheit (N), Hublänge (S), Rücklaufverhältnis (R), Schnitttiefe (d) und Werkzeugwinkel. Um diese in grundlegende Zerspanparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe) umzurechnen, genügt die Betrachtung des Querschnitts durch die Schneidzone (Abb. 4.34).
Die orthogonale Schneidbedingung ist im Allgemeinen nicht erfüllt, wir behandeln den Prozess jedoch so, als wäre die Mechanik des orthogonalen Schneidens anwendbar. Für die Leistungsberechnung liefert dies hinreichend genaue Ergebnisse. Die ungeschnittene Spandicke und Schnittbreite ergeben sich aus den geometrischen Beziehungen, wobei Ψ der Hauptschneidenwinkel ist. Der Normalwinkel α lässt sich aus dem Querschnitt (Abb. 4.34) bestimmen. Abbildung 4.35 zeigt die Schnittkraft- und Vorschubkraftkomponenten.
Die Schnittkraftkomponente FC wirkt entgegen der Schnittgeschwindigkeit v, FT senkrecht zur Übergangsoberfläche. FT lässt sich in einen Vorschubkraftanteil Ff und eine zur bearbeiteten Fläche normale Komponente Fn zerlegen.
Die Spanungsrate beträgt L·d·f·N (L = Werkstücklänge, N = Arbeitshübe pro Zeiteinheit). Die Bearbeitungszeit lässt sich aus Werkstückbreite (B), gesamtem Abtrag (H), Schnitttiefe (d), Vorschub (f) und Hüben pro Zeiteinheit (N) berechnen.
2. Drehen und Bohren
Drehen ist eines der häufigsten Zerspanverfahren. Es erzeugt vorwiegend Rotationsflächen, durch Plandrehen auch ebene Flächen. Alle Drehoperationen erfolgen auf Drehmaschinen. Hauptarten: Zylinder- und Stufendrehen, Kegel- und Kurvenflächen, Gewindedrehen, Plandrehen und Abstechen. Die Bearbeitung innerer Flächen heißt Bohren (hier im Sinne von Innenausdrehen).
Abbildung 4.37a zeigt ein einfaches Drehen mit einem Einmeißel. Die detaillierte Geometrie illustriert Abb. 4.37b, die verschiedenen Ansichten und Winkel eines Drehmeißels Abb. 4.38. Die Parameter der entsprechenden orthogonalen Schneidoperation lassen sich bestimmen, wobei Ψ der Eckenschneidenwinkel ist. Der Normalwinkel α ergibt sich aus den Werkzeugwinkeln. Auch hier ist die Orthogonalitätsbedingung im Allgemeinen nicht erfüllt, wir nehmen sie jedoch an, um den Rahmen nicht zu sprengen.
Die Schnittgeschwindigkeit beträgt v = π·D·N (N = Drehzahl, D = Werkstückdurchmesser). Da die Schnitttiefe d sehr klein gegen D ist, kann die Schnittgeschwindigkeit als konstant über die Schnittbreite angenommen werden. Für orthogonales Schneiden muss die Schneide senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor stehen – die Bedingung für die Werkzeugwinkel lautet entsprechend.
3. Bohren (mit Spiralbohrer)
Das Bohren ist die häufigste Lochbearbeitung und wird meist mit Spiralbohrern durchgeführt. Im Gegensatz zu Schruppen und Drehen wirken hier zwei Hauptschneiden. Abbildung 4.41 zeigt die Bohrkinematik.
Bei einem Vorschub f pro Umdrehung erhält jede Schneide den Anteil f/2, da die jeweils andere Schneide die Oberfläche 180° zuvor bearbeitet hat. Die ungeschnittene Spandicke t₁ und Schnittbreite w hängen vom Radius r des betrachteten Punkts auf der Schneide, dem Bohrerdurchmesser D, dem halben Spitzenwinkel β (Abb. 4.41b) und dem Drallwinkel Ψ (Abb. 4.42) ab.
Tabelle 4.12 gibt typische Werte für Bohrerwinkel und -parameter. Die Variation von Schnittgeschwindigkeit und anderen Parametern entlang der Schneide ist erheblich, das Phänomen komplex. Alle Berechnungen basieren auf dem Mittelpunkt jeder Schneide. Die auf den Bohrer wirkenden Kräfte (Abb. 4.43) lassen sich durch ein Widerstandsmoment M und eine Vorschubkraft F zusammenfassen. Die Wirkung an der Meißelschneide ist kein echter Schnitt, sondern ein Eindrücken wie ein Keil; ihr Einfluss auf das Drehmoment ist vernachlässigbar (liegt auf der Drehachse). Ihr Beitrag zur Vorschubkraft ist jedoch erheblich. Die Gesamtvorschubkraft F setzt sich zusammen aus ...
4. Fräsen
Fräsen ist das vielseitigste Zerspanverfahren – fast alle Formen lassen sich damit erzeugen. Es ist unverzichtbar für Teile ohne Rotationssymmetrie. Im Gegensatz zu Dreh-, Schrupp- und Bohrwerkzeugen besitzt der Fräser viele Schneiden. Die Welle, auf der der Fräser sitzt, heißt Frässpindel.
Klassifikation der Fräsverfahren
Man unterscheidet Horizontalfräsen (Frässpindel horizontal) und Vertikalfräsen (Frässpindel senkrecht zur Werkstückoberfläche). Beim Horizontalfräsen gibt es zwei Varianten je nach relativer Richtung von Schnitt- und Vorschubbewegung: Gegenlauffräsen (Schnitt- und Vorschubrichtung entgegengesetzt) und Gleichlauffräsen (gleiche Richtung). Beim Gleichlauffräsen besteht die Gefahr, dass das Werkzeug in den Fräser hineingezogen wird – Gegenlauffräsen ist sicherer und üblicher. Gleichlauffräsen ergibt jedoch bessere Oberflächen und höhere Standzeiten. Schrägverzahnte Fräser schneiden weicher und geben bessere Oberflächen durch allmählichen Schneideneingriff.
Beim Vertikalfräsen steht die Frässpindel senkrecht zur Werkstückoberfläche. Die Spanbildung beim Plandfräsen mit geradverzahntem Fräser erklärt Abb. 4.47a. Der Fräser hat Durchmesser D, die Schnitttiefe beträgt d. Mit geradverzahntem Fräser ist die Operation orthogonal, die Kinematik der Spanbildung zeigt Abb. 4.47b.
Da alle Schneiden arbeiten, genügt die Betrachtung einer einzelnen Zähne. Bei Tischvorschub f (mm/min) beträgt der effektive Vorschub pro Zahn f/(N·Z) (N = Fräserdrehzahl, Z = Zähnezahl). Die Spanungsrate pro Werkstückbreite beträgt f·d. Aus Abb. 4.47b ist ersichtlich: Die ungeschnittene Spandicke vor der Schneide nimmt allmählich zu, erreicht ein Maximum nahe der Oberfläche und fällt dann schnell auf null. Ist der Vorschub klein gegen die Umfangsgeschwindigkeit des Fräsers, dann gilt ...
Die Schnittkraftkomponenten FC und FT (Abb. 4.48) ändern sowohl Richtung als auch Betrag während die Schneide über die Schnittfläche wandert. Bei geradverzahntem Fräser gibt es keine Kraftkomponente in Spindelrichtung. Die mittlere ungeschnittene Spandicke beträgt etwa die Hälfte des Maximals. Damit lassen sich mittlere Werte für FC und FT approximieren. Da FT radial wirkt, erzeugt es kein Drehmoment – das Spindelmoment stammt allein von FC. Das Moment eines Zahnes beträgt FC·(d/2) und variiert proportional zu FC. Abb. 4.49 zeigt die Momentenveränderung über eine Spindelumdrehung für einen einzelnen Zahn.
Für das Gesamtmoment M̅ müssen die Momente aller Zähne überlagert werden. Es ergeben sich drei Fälle: (i) β < 2π/Z, (ii) β = 2π/Z, (iii) β > 2π/Z (Abb. 4.50a). Die zugehörigen Spindelmomente zeigt Abb. 4.50b. Bei geradverzahntem Fräser treten scharfe Kraft- und Momentensprünge auf, die Vibrationen verursachen können.
Bei schrägverzahntem Fräser beginnt und endet der Schneideneingriff allmählich. Das Moment eines einzelnen Zahnes und das Gesamtmoment verlaufen wie in Abb. 4.51a/b dargestellt. Die Bearbeitungsleistung ergibt sich aus Spindeldrehzahl und mittlerem Gesamtspindelmoment. Die mittlere Axialkraft wirkt entlang der Mittelradialen des Werkzeug-Werkstück-Kontaktbogens.
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