Spanbildung erklärt:Diagramme, Arten und Einflussfaktoren

Unter Spanbildung versteht man den Prozess, bei dem bei Schneidvorgängen mechanisch Material von einem Werkstück abgetragen wird, wodurch Späne entstehen. Diese Späne können aufgrund ihrer Eigenschaften in verschiedene Typen eingeteilt werden, darunter kontinuierliche, diskontinuierliche und kontinuierliche Chips mit aufgebauter Kante.

In dieser Lektüre werden wir untersuchen, was Chips sind, wie sie entstehen, das Diagramm der Chipbildung und die Arten von Chips. Wir lernen auch Faktoren kennen, die die Spanbildung beeinflussen.

Was sind Chips?

Span entsteht als Nebenprodukt beim mechanischen Schneiden von Materialien mit Geräten wie Fräsern, Drehmaschinen und Sägen. Der Zweite Weltkrieg und die Einführung schnellerer und leistungsstärkerer Schneidwerkzeuge, insbesondere Schnellarbeitsstahlschneider für die Metallzerspanung, motivierten die Forschung zum Thema Spanbildung. Sowohl Franz (1958) als auch Kivima (1952) führten bahnbrechende Forschungen auf diesem Gebiet durch.

Wie entstehen Chips?

Wenn ein Schneidwerkzeug (z. B. eine Drehmaschine, eine Säge oder ein Fräser) mit einem Werkstück interagiert, verformt die Schneidkante des Werkzeugs das Material, wodurch es abschert und sich trennt, was zur Bildung von Spänen führt.

Arten von Chips

Bei der Bearbeitung hängt die Art der erzeugten Späne von Faktoren wie Werkstückmaterial, Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Werkzeuggeometrie ab. Die Hauptarten von Spänen bei der Bearbeitung sind:

Kontinuierlicher Chip

Durchgehende Späne bilden eine bandartige Spule gleicher Dicke. Beim Schneiden von duktilen Materialien wie kohlenstoffarmem Stahl, Kupfer, Messing und Aluminiumlegierungen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeugschneidkantendruck bei Kompression und Scherung entsteht dieser Span. Dadurch wird Material vor die Werkzeugkante gebracht. Die Spanbildung wird auch durch scharfe Schneidkanten und geringe Reibung zwischen Werkzeug und Spänen unterstützt.

Vor der Schneidkante liegt die Hauptverformungszone. Das Arbeitsmaterial verformt sich in der sekundären Verformungszone aufgrund der Reibung am Werkzeug-Span-Kontakt. Die Dicke dieser Zone hängt mit der Reibung zusammen. Beim Schneiden weicher Metalle bei niedriger Geschwindigkeit und Spanwinkeln kommt es zu Oberflächenverzerrungen. Es führt zu schlechten Ergebnissen bei der Weichmetallbearbeitung.

Kontinuierliche Späne sorgen für einen gleichmäßigen Schnitt und eine hervorragende Oberflächenqualität. Erhöht die Standzeit des Werkzeugs und reduziert den Energieverbrauch. Das Schneidwerkzeug verfügt über Spanbrecher, um ein Verheddern der Späne zu verhindern. Dies kommt häufig beim Wenden vor.

Diskontinuierlicher Chip

Spröde Materialien wie Gusseisen, Bronze und Kohlenstoffstahl erzeugen bei mäßiger Bearbeitung diskontinuierliche Späne. Diese Teile sind lose miteinander verbunden. Das Material verliert unter Belastung seine Duktilität und bricht, und der Spanfluss bricht regelmäßig.

Die Schnittkräfte ändern sich während der Spanbildung häufig. Dieser Span entsteht durch hohe Werkzeug-Span-Reibung, einen großen Vorschub und eine Schnitttiefe. Diskontinuierliche Späne verschlechtern die Standzeit und Oberflächengüte beim Schneiden von duktilen Materialien.

Bei diskontinuierlicher Spanbildung kann die Steifheit des Schneidwerkzeugs und der Haltevorrichtung zu Vibrationen, Maßungenauigkeiten, schlechter Oberflächengüte und Schäden am Schneidwerkzeug führen. Aufgrund ihrer geringen Länge sind diskontinuierliche Späne einfacher zu handhaben als kontinuierliche Späne. Es ist auch Einwegartikel.

Durchgehender Chip mit aufgebauter Kante

Während des Schneidens führt die hohe Reibung zwischen den Grenzflächen zwischen Werkzeug und Span dazu, dass das Spanmaterial an der Werkzeugspitze mit der Spanfläche des Werkzeugs verschmilzt und eine Aufbaukante entsteht. Es kann schwerwiegend sein, wenn der Span ständig das Werkzeug berührt. Betrachten Sie es als eine Verlängerung der Werkzeugkante. Es bildet sich eine vorübergehende und instabile Aufbaukante.

Durch die Bearbeitung werden seine Teile entfernt. Der Span und die bearbeitete Oberfläche können nach der Bearbeitung teilweise festkleben. Es führt zu einer schlechten Oberflächengüte. Allerdings bietet es eine schlechte Oberflächengüte, verringert den Werkzeugverschleiß und verlängert die Standzeit des Werkzeugs durch eine Beschichtung über der Schneidkante.

Segmentierter oder gezahnter Chip

Eine andere Bezeichnung für gezahnte Späne sind inhomogene Späne. Eine große Zone mit hoher Scherspannung, gefolgt von einer kleinen Zone mit geringer Scherspannung, verleiht diesem Span ein sägezahnförmiges Aussehen. Diese zyklische Chip-Erzeugung macht es halbkontinuierlich. Diese Späne entstehen bei der Bearbeitung harter Materialien wie Titanlegierungen, Superlegierungen auf Nickelbasis und austenitischem Edelstahl bei hohen Geschwindigkeiten.

Klassifizierung von Chips

Mitte des 20. Jahrhunderts untersuchte der amerikanische Ingenieur Dr. Norman Franz Chips in der Fertigung und identifizierte drei Hauptklassifizierungen. Laut Franz fallen die meisten Chips in eine der drei Klassifizierungen:

Typ-I-Chip

Späne vom Typ I entstehen, wenn ein Material vor der Schneidkante bricht, weil die nach oben gerichtete Keilwirkung des Werkzeugs die senkrechte Zugfestigkeit des Materials überschreitet. Sie sind in Fasermaterialien wie Holz von entscheidender Bedeutung, deren Fasern stark und dennoch leicht zu trennen sind.

Typ-I-Späne entstehen typischerweise beim Schneiden mit Werkzeugen, die flache Schnittwinkel haben. Lediglich die Schnittlänge begrenzt die Größe der Späne vom Typ I. Dies ist die optimale Spanstruktur für Holzspäne, insbesondere solche aus einem gut abgestimmten Hobel mit feiner Mündung.

Typ-II-Chip

Beim Scheren des Werkzeugwinkelkeils entstehen Späne vom Typ II. Das Material fällt in einer kurzen schiefen Ebene vom Scheitelpunkt der Werkzeugkante schräg nach oben und vorwärts zur Oberfläche. Eine Verformung entlang dieser Linie erzeugt einen nach oben gewellten Span. Normalerweise entstehen diese Späne durch Schneiden in Zwischenwinkeln. Ein duktiles Material wie Metall kann Späne vom Typ II erzeugen. Späne vom Typ II können auch kontinuierliche Späne erzeugen.

Typ-III-Chip

Späne vom Typ III verursachen Materialkompressionsversagen vor einem Schnittwinkel von 90°. Dies kann in schwachen oder nicht duktilen Materialien zu feinen Staubsplittern führen, führt jedoch häufig zu einem zufälligen „Schneepflug“-Effekt, wenn Abfallmaterial vor dem Werkzeug gebündelt, aber nicht weggefegt wird.

Diese Art von Chip wird von Routern gebildet. Holzbearbeitungsschaber erzeugen oft einen dünnen Typ-III-Späne, der bei richtiger Schärfung und Verwendung wie ein Typ-II-Späne aussieht. Dünne Abfallspäne reduzieren das Kompressionsversagensvolumen, um der genau definierten Scherebene von Typ II zu entsprechen.

Faktoren, die die Spanbildung beeinflussen

Es gibt mehrere Faktoren, die die Spanbildung beeinflussen, darunter:

• Materialeigenschaften:Duktile Materialien neigen dazu, kontinuierliche Späne zu bilden, während spröde Materialien diskontinuierliche Späne bilden.
• Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit:Höhere Geschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten können zu einer kontinuierlichen Spanbildung führen, während niedrigere Geschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten zu diskontinuierlichen Spänen führen können.
• Werkzeuggeometrie:Der Winkel und die Schärfe der Schneide des Schneidwerkzeugs können die Spanbildung erheblich beeinflussen.
• Schmierung und Kühlung:Durch die Verwendung von Schmiermitteln und Kühlmitteln können Reibung und Temperatur reduziert werden, was sich auf die Spanbildung auswirken kann.
• Temperatur und Härte des Werkstücks:Diese Faktoren können auch die Art der Spanbildung beeinflussen.
• Werkzeugmaterial und Beschichtungen:Die Art des für das Schneidwerkzeug verwendeten Materials und eventuelle Beschichtungen können die Spanbildung beeinflussen.