Metallschneidespäne: Arten, Entstehung und Auswirkungen auf die Zerspanung

Beim Schneiden von Metallen in verschiedene Formen und Größen entsteht Materialverlust in Form von Spänen. Unterschiedliche Schneidprozesse erzeugen unterschiedliche Spänetypen. In diesem Artikel werden die verschiedenen Spänetypen vorgestellt, die beim Zerspanen verschiedener Materialien auftreten.

Was sind Späne beim Metallschneiden?

Um Metall die gewünschte Form und Größe zu geben, wird überschüssiges Metall von der Oberfläche mittels verschiedener Werkzeugmaschinen und Techniken abgetragen. Dieses entfernte und verformte Metall nennt man Span.

Vor der Vertiefung in die Späne betrachten wir grundlegende Terminologie beim Metallschneiden.

Spanfläche

Die dem Werkstück zugewandte Fläche des Schneidwerkzeugs.

Spanwinkel

• Winkel zwischen Spanfläche und Normalen zur Bearbeitungsoberfläche.
• Größerer Spanwinkel verbessert die Schneidfähigkeit und reduziert die Schneidkraft.
• Begrenzte Erhöhung möglich, da er den Metallrücken am Werkzeug verringert und damit Spitzenfestigkeit und Wärmeableitung reduziert.
• Typisch ca. 15°; kann bei Bedarf 0° oder negativ sein.

Freiwinkel

• Winkel zwischen Werkzeugunterseite (Freifläche) und bearbeiteter Oberfläche.
• Verhindert Reibung des Werkzeugs an der Werkstückoberfläche.
• Erhöht Schneidkräfte; typisch 5–6°.
• Auch Entlastungswinkel genannt.

Spänebildung

• Bei Kontakt von Werkzeug und Werkstück erfolgt elastische, dann plastische Kompression der Materialsatzschicht an der Spanfläche. Es entwickeln sich Scherspannungen, es kommt zum Fließen oder Bruch.
• Der verformte Span fließt über die Werkzeugfläche ab.
• Der Span wird weiter verformt durch Reibung, abhängig von den Schneidbedingungen.

Arten von Spänen beim Metallschneiden

Drei grundlegende Spänetypen:

1. Stetige Späne
2. Unstetige Späne
3. Stetige Späne mit Aufbauschneide (BUE – Built-Up Edge)

#1 Stetige Späne

Entstehen ohne Unterbrechung beim Schneiden. Typisch beim Zerspanen duktiler Werkstoffe, z. B. Stahl.

Gründe für stetige Spänebildung:

• Hohe Schnittgeschwindigkeit: Neues Material wird abgeschnitten, bevor der Span bricht.
• Großer Spanwinkel: Ermöglicht ruhigen Spanfluss.
• Duktiles Material: Je höher die Duktilität, desto stetiger die Späne.
• Niedriger Reibungskoeffizient: Hohe Reibung erzeugt Wärme, macht Material spröde – ungünstig für stetige Späne.
• Korrektur: Schnitttiefe: Geringe Schnitttiefe für stetige Späne; große Tiefe begünstigt Spanbruch.

Auswirkungen stetiger Späne:

• Exzellente Oberflächengüte durch geringe Schnitttiefe und hohe Schnittgeschwindigkeit.
• Geringer Energieverbrauch durch niedrige Reibung und Schmierung.
• Längere Werkzeugstandzeit durch duktiles Material, geringe Reibung, Schmierung.

#2 Unstetige Späne

Bruch oder Fraktur der Späne während des Schneidens. Typisch bei spröden Werkstoffen wie Gusseisen.

Gründe für unstetige Spänebildung:

• Niedrige Schnittgeschwindigkeit: Span bricht, bevor Werkzeug vorschreitet.
• Kleiner Spanwinkel: Drückt Span aus statt ihn zu krümmen.
• Spröde Materialien: Neigen zum Brechen.
• Hohe Reibungskräfte: Wärmeerzeugung → Versprödung → unstetige Späne.
• Große Schnitttiefe: Erhöhte Spanstärke führt zu Bruch.

Auswirkungen unstetiger Späne:

• Hoher Materialabtrag – hilfreich bei großen Dimensionsunterschieden.
• Erhöhte Werkzeugstandzeit bei niedriger Geschwindigkeit durch kleinen Spanwinkel.
• Einfache Handhabung und Entsorgung durch kleine Größe.

#3 Stetige Späne mit Aufbauschneide (BUE)

Entstehen bei sehr hoher Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Durch hohe Reibung und Temperatur wird wenig Material auf den Span aufgeschweißt.

Gründe für BUE-Bildung:

• Hohe Temperatur: Hauptursache; über Schmelzpunkt des Metalls wird Material aufgeschweißt. Andere Faktoren tragen zur Temperatur bei.
• Sehr hohe Reibung: Hauptgrund für Temperaturerhöhung an Werkzeug/Werkstück → Hauptursache für BUE.
• Unzureichendes Kühlmittel: Ungenügende Kühlung (meist Öl-Wasser-Gemisch) erhöht Temperatur.
• Materialtyp: Für stetige Späne ist Duktilität nötig → BUE bildet sich in duktilen Materialien.
• Kleiner Spanwinkel: Fördert BUE-Bildung, da er für stetige Späne erforderlich ist.

Auswirkungen von Spänen mit BUE:

• Erhöhte Werkzeugstandzeit: Der gebildete Span schützt das Werkzeug vor hoher Temperatur.
• Rauhe Oberflächengüte durch Aufbauten auf der Arbeitsfläche.
• Erhöhter Energieverbrauch durch kleinen Spanwinkel und große Schnitttiefe.

Zusammenfassung

Beim Metallschneiden entstehen drei Spänetypen. Stetige Späne liefern exzellente Oberflächengüte – positiver Einfluss. Unstetige Späne haben positive und negative Auswirkungen. Stetige Späne mit BUE wirken überwiegend negativ auf das Werkstück.