Spanbildung beim Metallschneiden verstehen: Typen, Prozesse und Anwendungen

Was ist Spanbildung?

Spanbildung ist Teil des Prozesses des Schneidens von Materialien mit mechanischen Mitteln, unter Verwendung von Werkzeugen wie Sägen, Drehmaschinen und Fräswerkzeugen. Ein Verständnis der Theorie und Ingenieurwissenschaft dieser Bildung ist ein wichtiger Teil der Entwicklung solcher Maschinen und ihrer Schneidwerkzeuge.

Die formale Untersuchung der Spanbildung wurde um den Zweiten Weltkrieg herum und kurz danach angeregt, mit Zunahme der Verwendung schnellerer und leistungsstärkerer Schneidmaschinen, insbesondere für das Metallschneiden mit den neuen Hochgeschwindigkeitsstahl-Schneidern.

Spanbildung wird üblicherweise gemäß einem Drei-Wege-Modell beschrieben, das von Franz entwickelt wurde. Dieses Modell ist im Bereich der Werkzeugmaschinengestaltung am bekanntesten, obwohl es auch verwendet wird, wenn ein Anwendungsbereich wie Holzbearbeitung einen Wortschatz benötigt, um die Spanbildung detaillierter zu beschreiben als üblich.

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Arten von Spänen

1. Kontinuierliche Späne (Continuous Chips)

Im Bearbeitungsprozess entstehen kontinuierliche Späne während der Bearbeitung duktiler Materialien mit hoher Geschwindigkeit und minimaler Reibung zwischen Werkzeug und Material. Durch kontinuierliche plastische Verformung durch Anlegen des Werkzeugs wird dieser Spantyp erzeugt.

Baustahl und Kupfer sind duktile Materialien. Die Spandicke entspricht der gesamten Länge. Er bietet üblicherweise eine gute Oberflächenbeschaffenheit. Der Hauptnachteil dieses Spantyps ist die schwierige Handhabung und Entsorgung. Die für die Bildung kontinuierlicher Späne verantwortlichen Bedingungen sind:

• Duktiles Material wie Baustahl wird verwendet.
• Großer Spanwinkel des Werkzeugs.
• Hohe Schnittgeschwindigkeit.
• Minimale Reibung an der Span-Werkzeug-Grenzfläche.
• Kleine Schnitttiefe.

Vorteile

Die Bildung kontinuierlicher Späne während des Bearbeitungsprozesses hat folgende Vorteile:

• Bessere Oberflächenbeschaffenheit beim duktilen Material.
• Weniger Wärmeentwicklung durch minimale Reibung zwischen Werkzeugfläche und Span.
• Geringer Energieverbrauch.
• Lange Werkzeugstandzeit durch geringeren Verschleiß.

2. Unstetige Späne (Discontinuous Chips)

Wenn die Späne während des Bearbeitungsprozesses nicht kontinuierlich sind, d. h., mit Bruchbildung entstehen, heißen sie unstetige Späne.

Unstetige Späne entstehen, wenn spröde oder harte Metalle wie Messing, Bronze und Gusseisen als Werkstücke im Bearbeitungsprozess verwendet werden.

Unstetige Späne entstehen auch bei duktilen Materialien, wenn die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück hoch ist. Unstetige Späne sind kein gutes Zeichen für die Bearbeitung duktiler Materialien, da sie schlechte Oberflächenbeschaffenheit ergeben und der Bearbeitungsprozess langsam wird.

Bedingungen, die für die Bildung unstetiger Späne verantwortlich sind:

• Niedrige Vorschubgeschwindigkeit.
• Kleiner Spanwinkel des Werkzeugs.
• Hohe Schnittgeschwindigkeit.
• Hohe Reibungskräfte an der Span-Werkzeug-Grenzfläche.
• Zu große Schnitttiefe.

Vorteile

Die Bildung unstetiger Späne bei spröden Materialien bietet gute Oberflächenbeschaffenheit, erhöht die Werkzeugstandzeit und reduziert den Energieverbrauch.

Nachteile

Wenn unstetige Späne bei duktilen Materialien entstehen, ergibt das Werkstück schlechte Oberflächenbeschaffenheit, und es tritt übermäßiger Werkzeugverschleiß auf.

3. Kontinuierliche Späne mit Aufbauschneide (Built-Up Edge - BUE)

Im Bearbeitungsprozess duktiler Materialien entstehen kontinuierliche Späne mit Aufbauschneide, wenn Temperatur und Druck beim Schneiden und der Reibung von Span und Werkzeugfläche hoch sind.

Es ist dem kontinuierlichen Span fast ähnlich, aber aufgrund der Aufbauschneide rau. Diese Funktion kann bewirken, dass das Material an der Werkzeugschneide haftet oder anschweißt.

Wie entsteht sie?

Sie entsteht, wenn der Span nach oben fließt und die Reibung an der Grenzfläche von Span und Werkzeug hoch ist. Die am Werkzeugspitze erzeugte Hitze ist sehr hoch, aufgrund der hohen Reibung zwischen Span und Werkzeug.

Daher wird komprimiertes Metall an die Werkzeugspitze angeschweißt, daher als Aufbauschneide bekannt. Wenn der Span durch diese Aufbauschneide fließt, bricht er ab und wird vom Span weggesendet und als Aufbauschneiden-Span bezeichnet. Der Rest der Aufbauschneide haftet an der Werkstückoberfläche und macht sie dicker.

Warum treten kontinuierliche Späne mit BUE beim Bearbeiten auf?

• Durch Verwendung duktiler Materialien beim Bearbeiten.
• Wegen des kleineren Spanwinkels des Werkzeugs.
• Die Schnittgeschwindigkeit des Werkzeugs ist langsam.
• Mangel an Kühlmittel und kann erhöhte Reibung zwischen Span-Werkzeug-Flächen verursachen.
• Die Spandicke ist hoch.
• Wegen der hohen Temperatur zwischen Werkstück und Werkzeug.
• Hohe Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs.

Vorteile

Die Bildung der Aufbauschneide hat einen Vorteil: Sie schützt das Werkzeug vor Beschädigung durch hohe Reibung und Temperatur während des Bearbeitungsprozesses, und somit erhöht sich die Werkzeugstandzeit.

Nachteile

Die Bildung dieser Spantypen führt zu rauer Oberflächenbeschaffenheit, Änderung des Spanwinkels und der Schneidkräfte.