Spänebildung beherrschen: Strategien zur Kontrolle & Optimierung der Zerspanung

Mit fortschreitender Fabrikautomation & Industrie 4.0 gewinnen autonome Fertigungssysteme an Bedeutung. Richtige Späneentsorgung ist essenziell für echtes autonomes Zerspanen. Faktoren der Spänebildung & Kontrolltechniken.

Jahrzehntelang verbesserten sich Werkzeugmaschinen, autonome Zerspanungssysteme wurden unverzichtbar für Fabrikautomation. Prozessprobleme wie Späneentsorgung behindern effiziente autonome Systeme. Effektive Spänesteuerung ist entscheidend für moderne Zerspanung.

Spänemerkmale hängen von Werkstoff ab: zäh oder spröde. Prozessparameter beeinflussen Spänebildung maßgeblich: Vorschub, Winkel, Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Reibungskräfte (Schmier-/Kühlmittel).

Maschinenbediener optimieren Parameter für Qualität & Effizienz, verlassen sich auf Spanbrecher für Entsorgung.

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Späneentstehung

Beim Zerspanen verdichtet sich Material vor dem Werkzeug. Übersteigt Druck die Druckgrenze, trennt sich Material & fließt plastisch als Span (Schubverformung).

Fließung erfolgt in Scherebene durch Hauptschub. Scherebene verläuft winklig nach oben von ungeschnittener Oberfläche vor Werkzeug. Scherwinkel hängt von Material & Schnittbedingungen ab (Werkzeugwinkel, Schnittgeschwindigkeit). Kleiner Scherwinkel → langer Scherweg, dicke Späne, hohe Schnittkraft – umgekehrt entsprechend.

Beim Gleiten des Spans an Werkzeugfläche tritt Nebenschub durch Reibung auf. Reibung erhöht Prozesstemperatur → Späne überhitzen.

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Spänetypen

Bei Metallzerspanung entstehen:

• Scherbenspäne (Segmented)
• Fließspäne (Continuous)
• Fließspäne mit Aufbauschneide (BUE)

Scherbenspäne (Discontinuous)

Bei spröden Metallen: Messing, Bronze, Gusseisen. Typische Bedingungen:

• Niedriger Vorschub
• Niedriger Winkel
• Hohe Schnittgeschwindigkeit
• Hohe Werkzeug-Span-Reibung
• Große Schnitttiefe

Bei spröden Metallen: saubere Oberfläche, einfache Entsorgung, längere Standzeit, weniger Leistung. Bei zähen Metallen: schlechte Oberfläche, kürzere Standzeit.

Fließspäne (Continuous)

Bei zähen Metallen: Stahl, Kupfer, Aluminium bei hoher Schnittgeschwindigkeit. Hohe Temperatur Werkzeugspitze/Werkstück → jede abgetragene Schicht schweißt an vorherige → langer kontinuierlicher Spanstrom. Bedingungen:

• Kleine Schnitttiefe
• Großer Winkel
• Hohe Schnittgeschwindigkeit
• Geringe Reibung (Schmier-/Kühlmittel)
• Scharfe Schneide

Saubere Oberfläche, lange Standzeit, weniger Leistung. Aber: Entsorgung schwierig. Spanbrecher nötig.

Fließspäne mit Aufbauschneide (BUE)

Hohe Reibung Werkzeug/Span bei zähen Metallen → Spanteile lagern an Werkzeugspitze. Als neue Schneide baut sich Material auf, bis Abbruch. Beim Abbruch bindet Material an Span & Werkstückoberfläche → schlechte Oberfläche. Auch „Spananschweißen“ genannt. Bedingungen:

• Niedriger Winkel
• Niedrige Schnittgeschwindigkeit
• Hohe Reibungskräfte
• Hoher Vorschub

BUE verschlechtert Standzeit, erhöht Leistungsaufnahme, schlechte Oberfläche → Verhütung entscheidend. Maßnahmen: Reibung durch Schmiermittel reduzieren, Metall-Kontakt durch Beschichtungen verhindern, Temperatur durch Kühlmittel senken.

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Spänesteuerung

Zerspanen zäher Metalle (Stahl) bei hoher Schnittgeschwindigkeit & großem Winkel → lange, fadenförmige Späne. Scharfkantig, heiß, hochgeschwindig → Gefahr für Bediener, Werkstückschaden durch Verheddern, komplizierte Entsorgung. Späne in handhabbare Geometrie brechen = imperativ.

Späne brechen durch Selbst- oder Zwangsbruch. Bei zähen Materialien: Temperatur- & Fließgeschwindigkeitsdifferenz → Späne kräuseln. Selbstbruch auf drei Arten:

• Natürlicher Bruch durch abkühlungsinduzierte Spannung
• Anschlag am Werkstück
• Anschlag am Werkzeug

Häufigste Zwangsbruchmethode: Spanbrecher.

Spanbrecher (Chip Breakers)

Grundfunktion: Späne enger kräuseln als natürlich. Erzwungene Kräusung → Bruch durch Anschlag an Werkstück oder Werkzeug. Verbessern Zerspanungseffizienz durch bessere Spänesteuerung & geringere Schnittkräfte.

Moderne Spanbrecher: Nuten oder Hindernisse am Werkzeug. Design = optimale Geometrie für Szenario → Spannung im Span → leichter Bruch.

• Nutentyp: Kleine Nut hinter Hauptschneide. Kurvengeometrie bestimmt Spanbiegungsradius.
• Hindernistyp: Stufenförmige Geometrie. Integral oder angeschraubt. „Angeschraubt“ = einstellbar für verschiedene Bedingungen.

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Fazit

Zerspanprozess = subtiles Zusammenspiel Physik, Werkstoffkunde, Mechatronik. Materialabtrag = Interaktionskräfte Werkstück/Werkzeug. Art dieser Kräfte definiert Spanfarbe & -größe. Späne = wertvolle Forschungs-/Diagnosedaten. Unbehandelt mindern sie Produktivität.

Drei Spänetypen: Scherben, Fließspäne, Fließspäne mit BUE. Entstehung hängt von Material & Parametern ab.

Späneentsorgung = entscheidend für Gesamteffizienz & autonome Maschinenplanung. Auch wenn Scherben & Fließspäne unter bestimmten Bedingungen selbstbrechen: Spanbrecher in Zerspanungssetups = Faustregel.

Spanbrecher bricht Späne in geeignete Längen → verhindert Verheddern mit Werkzeug, verringert Vibration, verhindert Werkzeugschaden. Reduziert Schnittwiderstand → verhindert Ausbrüche & Risse an Schneide.

Richtigen Spanbrecher wählen: Für Schlichten, Mitteln, Schruppen jeweils passender Typ. Basierend auf Schnitttiefe, Vorschub, Drehzahl, gewünschter Oberfläche.