Zerspanbarkeit erklärt: Schlüsselfaktoren, Verbesserungstechniken und Messung

Die Leichtigkeit, mit der ein Metall mit einem Schneidwerkzeug geschnitten werden kann, nennt man Zerspanbarkeit. Aufgrund der vielen Faktoren, die die Zerspanbarkeit von Metallen bestimmen, ist es jedoch schwierig, diese Eigenschaft zu quantifizieren. Dieser Artikel führt in die Grundlagen der Zerspanbarkeit ein: Was sie ist, beeinflussende Faktoren, Zerspanbarkeitstabellen für Metalle, wie man die Zerspanbarkeit verbessert und wie man sie misst.

Was ist Zerspanbarkeit?

Zerspanbarkeit ist ein Maß dafür, wie leicht sich ein Material mit einem Schneidwerkzeug schneiden lässt – also wie leicht sich Metall schneiden lässt. Sie definiert, wie einfach ein Material (hauptsächlich Metall) geschnitten oder geformt werden kann, während eine zufriedenstellende Oberflächenqualität erzielt wird. Materialien mit guter Zerspanbarkeit erfordern sehr wenig Schneidleistung, erzeugen eine glatte Oberfläche und minimieren den Werkzeugverschleiß. Im Gegensatz dazu erfordern schwer zerspanbare Materialien höhere Schneidkräfte, haben schlechte Oberflächenqualität und verschleißen Werkzeuge. Daher sind Materialien mit schlechter Zerspanbarkeit teurer in der Bearbeitung.

Das American Iron and Steel Institute (AISI) hat einen Zerspanbarkeitsindex von 100 % relativ zur Zerspanbarkeit von 160 Brinell B1112-Stahl für verschiedene Materialien festgelegt. Metalle mit höherer Zerspanbarkeit als B1112 werden über 100 % bewertet, Metalle mit geringerer Zerspanbarkeit unter 100 %. Der Zerspanbarkeitsindex wird durch Messung des gewichteten Mittelwerts aus normaler Schnittgeschwindigkeit, Oberflächenqualität und Standzeit für jedes Material bestimmt.

Metall-Zerspanbarkeitstabelle

(Quelle: https://www.cnclathing.com/guide/cnc-machining-material-machinability-chart-machinability-of-metals-and-plastics-cnclathing)

Faktoren, die die Zerspanbarkeit von Metallen beeinflussen

1) Faktoren im Zusammenhang mit Werkstückeigenschaften

Härte des Metalls:

Ist das Metall hart, erfordert es mehr Leistung und erzeugt hohe Temperaturen. Daher kann Werkzeugverschleiß auftreten, was zu schlechter Zerspanbarkeit führt.

Chemische Zusammensetzung:

Bei der Bearbeitung reiner Metalle sind Schneidkräfte und Werkzeugverschleiß sehr hoch. Werden jedoch geringe Mengen Kohlenstoff, Mangan, Blei, Schwefel und Phosphor dem Stahl zugesetzt, kann die Zerspanbarkeit verbessert werden. Auch Produktivität und Oberflächenqualität steigen.

• Niedrigkohlenstoffstähle mit 0,01 % bis 0,15 % Kohlenstoff weisen aufgrund ihrer hohen Duktilität und Zähigkeit schlechte Zerspanbarkeit auf.
• Bei höherem Kohlenstoffgehalt (0,25 % bis 0,3 %) zeigt sich gute Zerspanbarkeit.
• Zugabe von 1 % Mangan und 0,15 % Phosphor verbessert die Zerspanbarkeit.
• Sind Schwefel und Phosphor im Metall vorhanden, neigen die Späne aufgrund der Sprödigkeit zum Brechen.
• Einige dem Stahl zugesetzte Metalle wie Silicium, Nickel, Chrom, Vanadium und Molybdän wirken sich nachteilig auf die Zerspanbarkeit aus.

Mikrostruktur:

Metalle weisen schlechte Zerspanbarkeit auf, wenn sie abrasive Einschlüsse und eine inhomogene Struktur mit großen, verzerrten Körnern enthalten.

Metallbehandlung:

• Kaltverformter Stahl zeigt bessere Zerspanbarkeit, da er die Standzeit erhöht und mit hohen Schnittgeschwindigkeiten bearbeitet werden kann.
• Die Zerspanbarkeit von hochkohlenstoffhaltigen Stählen kann durch Warmverformung verbessert werden.
• Verschiedene Wärmebehandlungen wie Normalisieren, Glühen, Anlassen etc. helfen, die Zerspanbarkeit zu verbessern.

2) Werkzeugbezogene Faktoren

Verschiedene schneidwerkzeugbezogene Faktoren, die die Zerspanbarkeit beeinflussen:

• Werkzeugmaterial
• Werkzeuggeometrie
• Schnittart
• Werkzeugsteifigkeit

3) Faktoren im Zusammenhang mit Schnittbedingungen

Verschiedene schnittbedingungsbezogene Faktoren:

• Schnittgeschwindigkeit
• Vorschub und Schnitttiefe
• Schnitttemperatur
• Kühlschmierstoff

4) Maschinenbezogene Faktoren

Werkzeugmaschinen für Zerspanungsoperationen sollten für bessere Werkstückzerspanbarkeit steif und robust sein.

Verbesserung der Zerspanbarkeit von Materialien

Obwohl Metalle feste physikalische Eigenschaften haben, kann der Zustand eines Werkstücks so verändert werden, dass es leichter zu bearbeiten ist. Auch Zusätze können der Legierung beigemischt werden, um die Zerspanbarkeit zu verbessern.

• Zusatzstoffe: Eine Möglichkeit, die Zerspanbarkeit eines Materials zu verbessern, ist die Zugabe von Elementen anderer Materialien, um das Schneiden zu erleichtern. Beispielsweise können bei der Stahlbearbeitung Blei und Schwefel zugesetzt werden, um das Werkstück leichter schneidbar zu machen.
• Wärmebehandlung: Metalle werden oft erhitzt und abgekühlt, um ihre Eigenschaften zu ändern. Wärmebehandlung reduziert die Härte des Metalls und macht es leichter bearbeitbar. Beispielsweise kann das Glühen von Nickelbasislegierungen die Zerspanbarkeit verbessern.
• Externe Faktoren: Die Bearbeitung erleichtern, ohne das Werkstückmaterial tatsächlich zu verändern. Beispielsweise machen die Anpassung von Werkzeugmaterial, Schnittgeschwindigkeit, Schneidwinkel, Betriebsbedingungen und anderen Parametern das Schneiden schwer zerspanbarer Materialien einfacher.

Messung der Zerspanbarkeit

Da viele verschiedene Faktoren die Zerspanbarkeit eines Materials beeinflussen, kann sie als vages Konzept betrachtet werden, das schwer zu quantifizieren ist.

Dennoch versuchen Ingenieure und Materialwissenschaftler, die Zerspanbarkeit durch Kennzahlen wie Energieverbrauch (wie viel Energie zum Schneiden des Materials erforderlich ist), Werkzeugstandzeit (wie schnell sich das Werkzeug beim Schneiden des Materials abnutzt) und Oberflächenqualität (die resultierende Glätte des geschnittenen Materials) zu messen.

• Energieverbrauch: Die Zerspanbarkeit kann durch die zum Schneiden des Materials erforderliche Kraft beurteilt werden, gemessen mit Standardenergiemetriken.
• Werkzeugstandzeit: Die Zerspanbarkeit kann beurteilt werden, indem berechnet wird, wie lange das Werkzeug beim Schneiden eines gegebenen Materials hält.
• Oberflächenqualität: Die Zerspanbarkeit kann beurteilt werden, indem der Grad der Aufbauschneidenbildung während der Bearbeitung notiert wird – hoch zerspanbare Materialien bilden keine Aufbauschneide.