Spanfläche vs. Freifläche: Verständnis der Schneidwerkzeug-Oberflächen für optimale Zerspanung

Einführung

Zerspanen ist ein subtraktives Fertigungsverfahren zur schrittweisen Entfernung von Material aus einem vorgeformten Rohling für hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen. Vielfältige Operationen (Drehen, Fräsen, Bohren, Hobeln, Schleifen, Honen, Läppen, NTM-Verfahren wie AJM, USM, EDM, LBM, EBM, Mikrobearbeitung) decken unterschiedliche Anforderungen an Zerspanrate, Oberflächengüte, Werkstoffe, Zeit, Kosten ab.

Werkzeuggeometrie

Konventionelle Zerspanung nutzt zwingend ein keilförmiges Schneidwerkzeug (Cutter), das Material durch Scheren als Span entfernt. Geometrie, Ausrichtung und Werkstoff sind drei entscheidende Faktoren für die Zerspanleistung. Werkzeugwerkstoff muss deutlich härter als Werkstück sein. Geometrie umfasst: Werkzeugspitzenflächen und ihre Neigungen, Schneidenlage, Schärfe von Schneide und Schneidenecke. Jedes Werkzeug hat mindestens zwei Spitzenflächen: Spanfläche (Rake Face) und Freifläche (Flank Face).

Spanfläche und Freifläche

Spanfläche: Chips fließen während der Zerspanung über die Spanfläche ab. Starke Reibung zwischen Chipunterseite und Spanfläche → intensive Wärme in der sekundären Verformungszone. Ihre Neigung (Spanwinkel) beeinflusst Scherverformung, Spandicke, Schnittkraft, Leistungsaufnahme etc. Freifläche: Jedes Werkzeug benötigt mindestens eine Freifläche. Schnitt von Span- und Freifläche bildet die Schneide. Im Gegensatz zur Spanfläche (Kontakt mit Chips) liegt die Freifläche an der bearbeiteten Oberfläche an (bzw. sollte durch Freiewinkel Abstand halten). Durch Eckenradius und Schneidenradius kann minimaler Kontakt entstehen.

Vergleichstabelle: Spanfläche vs. Freifläche

Detaillierte Betrachtung

Kontakt mit Chip oder bearbeiteter Oberfläche

Spanfläche: physischer Kontakt mit abfließenden Chips, nicht mit Fertigoberfläche. Freifläche: kein Chipkontakt, aber Fertigoberfläche berät minimal an der Spitze (Eckenradius, Schneidenradius). Dieser Kontakt glättet Riefen; längerer Kontakt verschlechtert Finish → zwingend nötiger Freiraum (Freiewinkel).

Spanwinkel und Freiwinkel

Zeigen Neigung der Spitzenflächen von Referenzebenen. Spanwinkel: Neigung der Spanfläche von der Referenzebene (senkrecht zu Schnittgeschwindigkeitsvektor), gemessen in einer anderen Ebene. Kann positiv, negativ oder null sein. Freiwinkel: Neigung der Freifläche vom Schnittgeschwindigkeitsvektor, gemessen in einer anderen Ebene. Muss positiv sein (nicht null oder negativ). Werte hängen von der Messebene ab.

Freifläche bleibt exponiert

Chips fließen über Spanfläche → enger Kontakt. Freifläche immer offen (berührt weder Chip noch Fertigoberfläche, außer minimal an Spitze). Bei Verschleiß (Flankenverschleiß) berührt Freifläche die bearbeitete Oberfläche → starke Qualitätsminderung durch Reibung.

Glätten der Vorschubspuren (Riefen)

Riefen durch Vorschubbewegung erhöhen Rauheit. Vorschub kann nicht null sein (formative Bewegung neben Schnittgeschwindigkeit). Minimaler Kontakt Freifläche–Fertigoberfläche an der Spitze (durch Ecken-/Schneidenradius) komprimiert Riefen → glättet Oberfläche. Größerer Eckenradius → bessere Finish (niedrigere Riefenhöhe), kann aber andere Parameter negativ beeinflussen. Spanfläche hat keine direkte Rolle bei Finish-Verbesserung.

Wärmeerzeugung

Spanfläche: intensive Wärme durch Chipreibung. 60–70 % der Gesamtschnitthitze in sekundärer Verformungszone. Mehrheit wird durch abfließende Chips abgeführt → Schutz vor Überhitzung. Freifläche: < 5 % Gesamthitze durch minimalen Kontakt an Spitze. Teil fließt in Werkstück, Teil in Werkzeug → thermische Schäden möglich, wenn Grenze überschritten.

Verschleiß und Auswirkungen

Ständige Reibung beschleunigt abrasiven Verschleiß der Spanfläche → schneller Kraterverschleiß. Ändert Chipflussrichtung, Schnittkraft etc., aber geringer Kraterverschleiß tolerierbar. Flankenverschleiß beeinflusst direkt Maßgenauigkeit → bereits geringer Verschleiß führt zu Ungenauigkeit. Werkzeugstandzeit konventionell durch zulässigen Flankenverschleiß definiert (oft 0,3 mm nach Taylor).

Literaturhinweise

1. Machining and Machine Tools von A. B. Chattopadhyay (1. Auflage, Wiley).
2. What is Clearance Angle in Cutting Tool? Its Derivative, Value and Function von minaprem.com.
3. Bildquelle: minaprem.com.