Zerspanen erklärt: Definition, Verfahren & wichtige Werkzeuge

Zerspanen ist ein Fertigungsbegriff, der eine breite Palette von Technologien und Techniken umfasst. Es kann grob als der Prozess definiert werden, bei dem Material von einem Werkstück mittels angetriebener Werkzeugmaschinen entfernt wird, um es in ein beabsichtigtes Design zu formen.

Die meisten Metallkomponenten und -teile erfordern während des Fertigungsprozesses eine Form der Zerspanung. Andere Materialien wie Kunststoffe, Gummi und Papierwaren werden ebenfalls häufig durch Zerspanungsprozesse gefertigt. Lernen wir im Detail, was Zerspanen ist, seine Verfahren und die dafür verwendeten Werkzeuge und Technologien.

Was ist Zerspanen?

Zerspanen ist ein Prototyping- und Fertigungsprozess, der die gewünschte Endform durch Entfernen unerwünschten Materials von einem größeren Materialstück erzeugt. Bei diesen Prozessen wird ein Teil durch Materialabtrag gebaut – dieser Prozess wird auch als subtraktive Fertigung bezeichnet, im Gegensatz zur additiven Fertigung, bei der Material kontrolliert zugegeben wird.

Genau, was der „kontrollierte“ Teil der Definition impliziert, kann variieren, impliziert aber meist den Einsatz von Werkzeugmaschinen.

Zerspanen ist Teil der Herstellung vieler Metallprodukte, kann aber auch an anderen Materialien wie Holz, Kunststoff, Keramik und Verbundwerkstoffen angewendet werden. Eine Person, die sich auf Zerspanen spezialisiert hat, wird Zerspanungsmechaniker (Machinist) genannt.

Ein Raum, Gebäude oder Unternehmen, in dem Zerspanen durchgeführt wird, heißt Werkstatt (Machine Shop). Moderne Zerspanung wird weitgehend durch computergesteuerte Numerische Steuerung (CNC) durchgeführt, bei der Computer die Bewegung und den Betrieb von Fräsmaschinen, Drehbänken und anderen Schneidmaschinen steuern. Dies erhöht die Effizienz, da die CNC-Maschine unbeaufsichtigt läuft und somit die Arbeitskosten für Werkstätten senkt.

Welche Arten des Zerspanens gibt es?

Die drei Hauptzerspanungsverfahren werden als Drehen, Bohren und Fräsen klassifiziert. Andere Operationen, die in diverse Kategorien fallen, umfassen Hobeln, Planen, Ausbohren, Nuten und Sägen. Sie sind:

• Drehen (Turning) – Beim Drehen oder Drechseln wird das Werkstück auf einer Maschine rotiert, während ein einschneidiges Schneidwerkzeug stationär bleibt. Das Schneidwerkzeug wird langsam parallel zur Drehachse des Werkstücks bewegt und trägt dabei Material ab.
• Bohren (Drilling) – Bohren erzeugt ein rundes Loch, indem ein zylindrisches Werkzeug parallel zur Drehachse des Werkstücks rotiert. Der erzeugte Lochdurchmesser entspricht dem Durchmesser des verwendeten Werkzeugs.
• Fräsen (Milling) – Fräsen ist der Prozess der Materialentfernung mit rotierenden Schneidwerkzeugen von einem Werkstück in einer Vorschubbewegung senkrecht zur Drehachse des Schneidwerkzeugs. Dies ist eine der heute am häufigsten verwendeten Zerspanungsformen.
• Verschiedene Operationen (Miscellaneous Operations) sind Operationen, die streng genommen keine Zerspanungsoperationen sind, da sie möglicherweise keine Span erzeugenden Operationen sind, aber an einer typischen Werkzeugmaschine durchgeführt werden. Glätten (Burnishing) ist ein Beispiel für eine diverse Operation. Glätten erzeugt keine Späne, kann aber an einer Drehbank, Fräsmaschine oder Bohrmaschine durchgeführt werden.

Wie funktioniert Zerspanen?

Ein unfertiges Werkstück, das zerspant werden muss, benötigt Materialabtrag, um ein Fertigteil zu erzeugen. Ein Fertigteil wäre ein Werkstück, das den Spezifikationen entspricht, die in technischen Zeichnungen oder Blaupausen für dieses Werkstück festgelegt sind.

Beispiel: Ein Werkstück muss einen bestimmten Außendurchmesser haben. Eine Drehbank ist ein Werkzeugmaschine, die verwendet werden kann, um diesen Durchmesser zu erzeugen, indem ein Metallwerkstück rotiert wird, sodass ein Schneidwerkzeug Metall abtragen kann und eine glatte, runde Oberfläche erzeugt, die dem erforderlichen Durchmesser und der Oberflächengüte entspricht.

Ein Bohrer kann verwendet werden, um Metall in Form eines zylindrischen Lochs zu entfernen. Andere Werkzeuge, die für verschiedene Arten der Metallentfernung verwendet werden können, sind Fräsmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen. Viele dieser gleichen Techniken werden in der Holzbearbeitung verwendet.

Neuere, fortschrittliche Zerspanungstechniken umfassen präzises CNC-Zerspanen, Funkenerosion (EDM), elektrochemisches Zerspanen (ECM), Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden, um Metallwerkstücke zu formen.

In der modernen Produktentwicklung wird Zerspanen meist mit CNC-Maschinen durchgeführt, was für Computerized Numerical Control steht. Im Wesentlichen nutzt die Maschine Computersoftware, um CAD-Konstruktionsmodelle zu nehmen und Werkzeugpfade abzubilden, wodurch die Designs in 3D-gefräste Teile umgewandelt werden. Die CNC kann Teile aus einer Vielzahl von Materialien, in verschiedenen Oberflächenarten, mit Toleranzen bis auf 0,001 Zoll (ca. 0,025 mm) aus Vollmaterial herstellen.

Im Gegensatz zu Rapid Prototyping werden Teile mit echten Materialien gefertigt, die die Dichte, Oberflächenbeschaffenheit und Porosität des endgültigen Designs widerspiegeln. Zerspante Teile können für repräsentative Tests, Modelle mit Gleitkomponenten, bei denen Reibung ein Faktor ist, und für abgedichtete Komponenten mit O-Ringen und Dichtflächen verwendet werden.

Nun wissen wir, was Zerspanen ist und wie es funktioniert; wir wissen, Zerspanen wird mit Zerspanungswerkzeugen durchgeführt – lassen Sie uns über verschiedene Zerspanungswerkzeuge und ihre Verwendung lernen.

Was ist ein Zerspanungswerkzeug (Machine Tool)?

Eine Werkzeugmaschine ist eine Maschine zur Bearbeitung oder Zerspanung von Metall oder anderen festen Materialien, üblicherweise durch Schneiden, Bohren, Schleifen, Scheren oder andere Formen der Verformung. Werkzeugmaschinen setzen irgendein Werkzeug ein, das das Schneiden oder Formen übernimmt.

Alle Werkzeugmaschinen verfügen über Mittel zur Fixierung des Werkstücks und bieten eine geführte Bewegung der Maschinenteile. Damit ist die relative Bewegung zwischen Werkstück und Schneidwerkzeug (die als Werkzeugbahn bezeichnet wird) durch die Maschine zumindest in gewissem Maße gesteuert oder begrenzt, anstatt vollständig „freihändig“ zu sein.

Es ist eine antriebsbetriebene Metallschneidemaschine, die dabei hilft, die erforderliche relative Bewegung zwischen Schneidwerkzeug und Werkstück zu steuern, die die Größe und Form des Werkstückmaterials verändert.

Die genaue Definition des Begriffs Werkzeugmaschine variiert unter Anwendern. Während alle Werkzeugmaschinen „Maschinen sind, die Menschen helfen, Dinge herzustellen“, sind nicht alle Fabrikmaschinen Werkzeugmaschinen.

Heute werden Werkzeugmaschinen typischerweise nicht durch menschliche Muskelkraft angetrieben (z. B. elektrisch, hydraulisch oder über Wellenantrieb), sondern dienen der Herstellung von Fertigteilen (Komponenten) auf verschiedene Weisen, die Schneiden oder bestimmte andere Arten der Verformung umfassen. Mit ihrer inhärenten Präzision ermöglichten Werkzeugmaschinen die wirtschaftliche Herstellung austauschbarer Teile.

Verschiedene Arten von Zerspanungswerkzeugen und Technologien

Arten von Zerspanungswerkzeugen

Es gibt viele Arten von Zerspanungswerkzeugen, die allein oder in Kombination mit anderen Werkzeugen an verschiedenen Schritten des Fertigungsprozesses verwendet werden können, um die beabsichtigte Teilegeometrie zu erreichen. Die Hauptkategorien von Zerspanungswerkzeugen sind:

• Ausdrehwerkzeuge (Boring Tools): Diese werden typischerweise als Fertigungsausrüstung verwendet, um zuvor in das Material geschnittene Löcher zu erweitern.
• Schneidwerkzeuge (Cutting Tools): Geräte wie Sägen und Scheren sind typische Beispiele für Schneidwerkzeuge. Sie werden oft verwendet, um Material mit vorgegebenen Abmessungen, wie Blech, in eine gewünschte Form zu schneiden.
• Bohrwerkzeuge (Drilling Tools): Diese Kategorie besteht aus zweischneidigen rotierenden Geräten, die runde Löcher parallel zur Drehachse erzeugen.
• Schleifwerkzeuge (Grinding Tools): Diese Instrumente wenden ein rotierendes Rad an, um eine feine Oberfläche zu erzielen oder leichte Schnitte an einem Werkstück vorzunehmen.
• Fräswerkzeuge (Milling Tools): Ein Fräswerkzeug verwendet eine rotierende Schneidefläche mit mehreren Schneiden, um nicht-kreisförmige Löcher zu erzeugen oder einzigartige Designs aus dem Material zu schneiden.
• Drehwerkzeuge (Turning Tools): Diese Werkzeuge drehen ein Werkstück auf seiner Achse, während ein Schneidwerkzeug es formt. Drehbänke sind die häufigste Art von Drehmaschinen.

Thermische Zerspanungstechnologien (Burning Machining Technologies)

Schweiß- und Brennwerkzeugmaschinen nutzen Hitze, um ein Werkstück zu formen. Die gängigsten Arten von Schweiß- und Brennzerspanungstechnologien umfassen:

• Laserschneiden: Eine Lasermaschine sendet einen schmalen, hochenergetischen Lichtstrahl aus, der Material effektiv schmilzt, verdampft oder verbrennt. CO₂- und Nd:YAG-Laser sind die am häufigsten in der Zerspanung verwendeten Typen. Der Laserschneidprozess eignet sich gut zum Formen von Stahl oder Ätzen von Mustern in ein Material. Vorteile sind hochwertige Oberflächen und extreme Schneidpräzision.
• Autogenschneiden (Oxy-Fuel Cutting): Auch als Gasschneiden bekannt, verwendet diese Zerspanungsmethode ein Gemisch aus Brenngasen und Sauerstoff, um Material zu schmelzen und wegzuschneiden. Acetylen, Benzin, Wasserstoff und Propan dienen häufig als Gasmaterialien aufgrund ihrer hohen Entzündlichkeit. Vorteile dieser Methode sind hohe Tragbarkeit, geringe Abhängigkeit von Primärstromquellen und die Fähigkeit, dicke oder harte Materialien wie hochfeste Stahlsorten zu schneiden.
• Plasmaschneiden: Plasmaschneidbrenner zünden einen elektrischen Lichtbogen, um Inertgas in Plasma zu verwandeln. Dieses Plasma erreicht extrem hohe Temperaturen und wird mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück aufgebracht, um unerwünschtes Material wegzuschmelzen. Der Prozess wird oft an elektrisch leitfähigen Metallen eingesetzt, die einen präzisen Schnittspalt und minimale Vorbereitungszeit erfordern.

Erosive Zerspanungstechnologien (Erosion Machining Technologies)

Während Brennwerkzeuge Hitze anwenden, um Überschussmaterial zu schmelzen, nutzen erosive Zerspanungsgeräte Wasser oder Elektrizität, um Material vom Werkstück abzutragen. Die zwei Hauptarten erosiver Zerspanungstechnologien sind:

• Wasserstrahlschneiden (Water Jet Cutting): Dieser Prozess verwendet einen hochdruckbeaufschlagten Wasserstrahl, um durch Material zu schneiden. Abrasivpulver kann dem Wasserstrahl zugesetzt werden, um die Erosion zu erleichtern. Wasserstrahlschneiden wird typischerweise an Materialien eingesetzt, die durch eine wärmebeeinflusste Zone Schaden oder Verformung erleiden könnten.
• Funkenerosion (Electric Discharge Machining – EDM): Auch als Funkenerosion bekannt, verwendet dieser Prozess elektrische Lichtbogenentladungen, um Mikrokrater zu erzeugen, die schnell zu vollständigen Schnitten führen. EDM wird in Anwendungen eingesetzt, die komplexe geometrische Formen in harten Materialien und engen Toleranzen erfordern. EDM erfordert, dass das Basismaterial elektrisch leitfähig ist, was den Einsatz auf ferrolegierungen beschränkt.

CNC-Zerspanen (CNC Machining)

Computergesteuertes numerisches Zerspanen (CNC-Zerspanen) ist eine computergestützte Technik, die in Verbindung mit einer breiten Palette von Geräten eingesetzt werden kann. Sie erfordert Software und Programmierung, üblicherweise in G-Code-Sprache, um ein Zerspanungswerkzeug bei der Formgebung des Werkstücks gemäß voreingestellten Parametern zu führen.

Im Gegensatz zu manuell geführten Methoden ist CNC-Zerspanen ein automatisierter Prozess. Zu seinen Vorteilen gehören:

• Hohe Produktionszyklen: Einmal korrekt programmiert, benötigt die CNC-Maschine meist minimale Wartung oder Stillstandzeiten, was schnellere Produktionsraten ermöglicht.
• Niedrige Fertigungskosten: Aufgrund seiner Umschlagsgeschwindigkeit und geringen manuellen Arbeitsanforderungen kann CNC-Zerspanen ein kosteneffizienter Prozess sein, besonders für Großserien.
• Einheitliche Produktion: CNC-Zerspanen ist typischerweise präzise und liefert ein hohes Maß an Designkonsistenz unter seinen Produkten.

Präzisionszerspanen (Precision Machining)

Jeder Zerspanungsprozess, der ungewöhnlich kleine Schneidtoleranzen erfordert (als Faustregel zwischen 0,013 mm und 0,0005 mm) oder Oberflächengüten feiner als 32T (Ra ≈ 0,8 µm), kann als Form des Präzisionszerspanens betrachtet werden. Wie CNC-Zerspanen kann Präzisionszerspanen auf eine Vielzahl von Fertigungsmethoden und -werkzeugen angewendet werden.

Faktoren wie Steifigkeit, Dämpfung und geometrische Genauigkeit können die Exaktheit eines Präzisionswerkzeugs beeinflussen. Bewegungssteuerung und die Fähigkeit der Maschine, bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu reagieren, sind auch in Präzisionszerspanungsanwendungen wichtig.

Was sind die Vorteile des Zerspanens?

Es gibt mehrere Vorteile des Zerspanens:

1. Zuverlässigkeit

Der Zerspanungsprozess läuft kontinuierlich ohne Ausfälle, unabhängig von Zeit oder Wochentag. Späne und Rohmaterial werden in Fertigteile umgewandelt und als hochwertige Werkzeuge auf den Markt gebracht. Ausfälle sind minimal und treten nur bei Wartung oder Reparatur auf. Maschinen arbeiten zuverlässig; egal ob Werktag, Wochenende oder Feiertag.

2. Weniger menschliche Arbeit erforderlich

Durch technologische Entwicklung ist Zerspanen in der Fertigungsindustrie automatisiert. Der Prozess wird hauptsächlich von Computern oder Robotern gesteuert, die Produktionskosten durch Eliminierung menschlicher Arbeit senken. Während der kontrollierten Materialzugabe erfordert der Prozess minimale Überwachung und Beaufsichtigung für Wartungszwecke.

3. Hohe Produktion

Der Prozess bringt hohe Produktivität, da sie generell eine massive Menge an Arbeit wie Bohren, bessere Oberflächengüte, Fräsen und Drehen in relativ kurzer Zeit erledigen.

4. Identische Produkte

Die Fertigteile, wie z. B. geschnittene Metalle, sind homogen und haben bei hoher Produktionsrate sehr wenig oder keine Fehler. Dadurch werden die Produkte aufgrund ihrer verbesserten Qualität marktfähig.

5. Gewinnsteigerung und Aufwandsreduzierung

Ein weiterer guter Grund, Ihre Metallgeräte zu zerspanen, ist die Gewinnsteigerung und Aufwandsreduzierung. Manche mögen sich fragen, wie Zerspanen zu höheren Gewinnen führt. Die Tatsache ist, dass Zerspanen Geräte etwas teurer macht, aber andererseits sehr vorteilhaft ist.

Mit einem metall, das zerspant wurde, senken Sie nicht nur die Produktionskosten, sondern sparen auch viel Zeit und Aufwand. Trotz dieses Vorteils ist es immer ratsam, wenn Sie einen kaufen möchten, sicherzustellen, dass die Maschine richtig und fehlerfrei funktioniert.

6. Verbesserte Effizienz

Zerspanen ist einer der besten Wege, um die Effizienz Ihrer Metalle zu steigern. Beim Zerspanen werden Metalle immer mit internen Qualitätssicherungsdetektoren ausgestattet. Dies bringt viel Effizienz in Bezug auf Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit der Metalle und Gewährleistung guter Nutzung der Rohmaterialien.

Mehr noch, Zerspanen wird immer als bemerkenswerter Weg angesehen, um hohe Standards in der Metallbearbeitung und Teilefertigung zu gewährleisten. Neben erhöhter Effizienz wird Zerspanen als einer der Wege betrachtet, um Ausgabenkosten zu senken.

Dies ist auf seine Fähigkeit zurückzuführen, den Verbrauchskosten zu senken; somit wird Geldverschwendung reduziert. Kurz gesagt, es reduziert Ausgaben; somit trägt es zu den Vorteilen des Zerspanungsprozesses bei.

7. Erhöhte Genauigkeit

Die meisten Metalle, die zerspant werden, werden in der Fertigungsindustrie verwendet. Dies umfasst Bereiche, die manuelles Drehen und Fräsen erfordern. Sie können auch im Gesundheitswesen eingesetzt werden, aber der Punkt, den Sie beachten müssen: All diese Sektoren erfordern viel Genauigkeit.

Deshalb greift man auf Metalle zurück, die zerspant wurden, aufgrund ihres Genauigkeitsniveaus. Dies ist ein klarer Beweis dafür, wie Zerspanen wesentlich ist, um erhöhte Genauigkeit an Ihren Metallen zu gewährleisten, was sich in Genauigkeit bei der Ausführung Ihrer Aufgaben niederschlägt.