Spanbildung beim Zerspanen: Diagramme, Arten und Einflussfaktoren

Was sind Späne?

Späne sind das Nebenprodukt der mechanischen Spanabhebung beim Schneiden von Werkstoffen mit Werkzeugen wie Fräsern, Drehmeißeln oder Sägen. Der Zweite Weltkrieg und die Einführung schnellerer, leistungsfähigerer Schneidwerkzeuge – insbesondere Hochgeschwindigkeitsstähle (HSS) für die Metallbearbeitung – trieben die Forschung zur Spanbildung maßgeblich voran. Pionierarbeiten leisteten dabei Franz (1958) und Kivima (1952).

Wie entstehen Späne?

Wenn eine Schneide mit dem Werkstück in Kontakt kommt, verformt sie den Werkstoff plastisch. Überschreitet die Scherspannung die Festigkeitsgrenze, trennt sich das Material entlang einer Scherebene ab – der Span entsteht. Dieser Vorgang vollzieht sich in der primären Verformungszone direkt vor der Schneide. Eine sekundäre Verformungszone bildet sich durch Reibung an der Spanfläche des Werkzeugs.

Die drei Hauptarten von Spänen

Die Spangeometrie hängt maßgeblich vom Werkstoff, der Schnittgeschwindigkeit, dem Vorschub, der Schneidengeometrie und den Reibungsbedingungen ab.

1. Stetiger Span (Continuous Chip)

Bei duktilen Werkstoffen (z. B. niedriglegierte Stähle, Kupfer, Messing, Aluminiumlegierungen) und hohen Schnittgeschwindigkeiten bildet sich ein bandförmiger, gleichmäßig dicker Span. Voraussetzungen sind scharfe Schneiden, positive Spanwinkel und geringe Span-Werkzeug-Reibung. Stetige Späne ermöglichen glatte Schnitte, gute Oberflächenqualität und hohe Standzeiten. Nachteil: Sie neigen zum Verheddern („Vogelnest“), weshalb Spanbrecher an den Wendeschneidplatten unerlässlich sind.

2. Unstetiger Span (Discontinuous Chip)

Spröde Werkstoffe wie Gusseisen, Bronze oder hochkohlenstoffhaltige Stähle brechen bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten periodisch ab. Der Span besteht aus losen, segmentierten Elementen. Ursachen sind hohe Reibung, große Vorschübe und Schnitttiefen. Bei duktilen Werkstoffen verschlechtern unstetige Späne die Oberflächengüte und verkürzen die Standzeit. Vorteil: Durch ihre kurze Länge sind sie leicht zu handhaben und zu entsorgen.

3. Stetiger Span mit Aufbauschneide (Built-Up Edge)

Hohe Reibung und niedrige Temperaturen an der Schneide führen dazu, dass Spänmaterial auf der Spanfläche anschweißt und eine Aufbauschneide bildet. Diese wirkt wie eine Verlängerung der Schneide, ist aber instabil. Beim Abbrechen hinterlässt sie Material auf dem Werkstück und verschlechtert die Oberflächenqualität. Paradoxerweise kann sie die eigentliche Schneide zeitweise schützen und den Verschleiß verringern.

4. Gezackter / Segmentierter Span (Serrated Chip)

Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen (Titanlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen, austenitische Stähle) und hohen Schnittgeschwindigkeiten wechseln sich Zonen hoher und niedriger Scherverformung zyklisch ab. Der Span erhält ein sägezahnartiges Profil („non-homogeneous chip“). Er gilt als halbstetig.

Klassifikation nach Franz (Typ I–III)

Dr. Norman Franz unterteilte Späne in drei fundamentale Typen, basierend auf dem Versagensmechanismus vor der Schneide:

Typ I – Spaltung vor der Schneide

Der keilförmige Werkzeugvorschub übersteigt die quer zur Faserrichtung liegende Zugfestigkeit. Typisch für faserige Werkstoffe wie Holz. Entsteht bei flachen Schneidenwinkeln. Die Spanlänge wird nur durch die Schnittlänge begrenzt. Ideale Form für Holzspäne (z. B. bei fein eingestelltem Hobel).

Typ II – Scherung entlang einer Scherebene

Das Material versagt auf einer geneigten Ebene von der Schneidenspitze diagonal zur Oberfläche. Der Span krümmt sich aufwärts. Entsteht bei mittleren Schneidenwinkeln. Typisch für duktile Metalle; kann stetigen Span (Drehspäne) erzeugen.

Typ III – Druckversagen vor stumpfer Schneide (90°)

Das Material wird vor der Schneide komprimiert, bis es versagt. In schwachen/unduktilen Werkstoffen entsteht feiner Staub; oft aber ein „Schneepflug-Effekt“, bei dem Material vor der Schneide aufgestaut, aber nicht abgetragen wird. Typisch für Fräser oder gut geschärfte Schabhobel (dünner Span, der Typ II ähnelt).

Einflussfaktoren auf die Spanbildung

• Werkstoffeigenschaften: Duktilität fördert stetige Späne, Sprödigkeit unstetige.
• Schnittgeschwindigkeit & Vorschub: Hohe Werte begünstigen stetige Späne; niedrige Werte unstetige.
• Werkzeuggeometrie: Spanwinkel, Schneidenradius, Spanbrechergeometrie bestimmen Spanform und -bruch.
• Kühlschmierstoff (KSS): Reduziert Reibung und Temperatur, beeinflusst Aufbauschneidenbildung und Spanbruch.
• Werkstücktemperatur & Härte: Beeinflussen Duktilität und Scherfestigkeit.
• Werkzeugwerkstoff & Beschichtung: Härte, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenbeschaffenheit ändern Reibung und thermisches Verhalten.

Fazit

Die Spanbildung ist ein zentraler Indikator für den Zerspanprozess. Die gezielte Beeinflussung durch Werkzeugwahl, Schnittparameter und KSS-Einsatz ermöglicht prozesssicheres Arbeiten, hohe Oberflächenqualität und wirtschaftliche Standzeiten.