Zerspanung erklärt: Definition, Prozesse und wesentliche Werkzeuge

Zerspanung ist ein Fertigungsbegriff, der eine breite Palette von Technologien und Techniken umfasst. Sie kann grob als der Prozess definiert werden, bei dem Material von einem Werkstück mit leistungsgetriebenen Werkzeugmaschinen entfernt wird, um es in ein beabsichtigtes Design zu formen.

Die meisten Metallkomponenten und -teile erfordern während des Fertigungsprozesses eine Form der Zerspanung. Andere Materialien wie Kunststoffe, Gummi und Papierwaren werden auch häufig durch Zerspanungsprozesse gefertigt. Lassen Sie uns im Detail erfahren, was Zerspanung ist, ihr Prozess und die verwendeten Werkzeuge und Technologien.

Was ist Zerspanung?

Zerspanung ist ein Prototyping- und Fertigungsprozess, der die gewünschte Endform durch Entfernen unerwünschten Materials von einem größeren Stück Material erzeugt. Bei diesen Prozessen wird ein Teil durch Materialabtrag gebaut; dieser Prozess wird auch als subtraktive Fertigung bezeichnet, im Gegensatz zur additiven Fertigung, bei der eine kontrollierte Materialzugabe verwendet wird.

Genau das, was der „kontrollierte“ Teil der Definition impliziert, kann variieren, impliziert aber normalerweise die Verwendung von Werkzeugmaschinen.

Zerspanung ist Teil der Herstellung vieler Metallprodukte, kann aber auch an anderen Materialien wie Holz, Kunststoff, Keramik und Verbundwerkstoffen angewendet werden. Eine Person, die sich auf Zerspanung spezialisiert hat, wird als Zerspanungsmechaniker (Dreher/Fräser) bezeichnet.

Ein Raum, Gebäude oder Unternehmen, in dem Zerspanung durchgeführt wird, wird als Werkstatt (Machine Shop) bezeichnet. Ein Großteil der modernen Zerspanung wird durch computergesteuerte numerische Steuerung (CNC) durchgeführt, bei der Computer zur Steuerung der Bewegung und des Betriebs von Fräsmaschinen, Drehmaschinen und anderen Schneidmaschinen eingesetzt werden. Dies erhöht die Effizienz, da die CNC-Maschine unbemannt läuft und somit die Arbeitskosten für Werkstätten reduziert.

Was sind die verschiedenen Arten der Zerspanung?

Die drei Hauptzerspanungsprozesse werden als Drehen, Bohren und Fräsen klassifiziert. Andere Operationen, die in diverse Kategorien fallen, umfassen Hobeln, Stoßen, Ausbohren, Nutenstoßen und Sägen. Sie sind:

• Drehen– Drehen oder Drehen (Lathing) beinhaltet das Rotieren des Werkstücks auf einer Maschine, während ein einschneidiges Schneidwerkzeug stationär bleibt. Das Schneidwerkzeug wird langsam parallel zur Drehachse des Werkstücks bewegt und entfernt Material dabei.
• Bohren – Bohren ergibt ein rundes Loch, indem ein zylindrisches Werkzeug parallel zur Drehachse des Werkstücks rotiert. Das erzeugte Loch hat den gleichen Durchmesser wie das verwendete Werkzeug.
• Fräsen – Fräsen ist der Prozess der Materialentfernung mit rotierenden Schneidwerkzeugen von einem Werkstück in einer Vorschubbewegung senkrecht zur Drehachse des Schneidwerkzeugs. Dies ist eine der heute am häufigsten verwendeten Formen der Zerspanung.
• Verschiedene Operationen sind Operationen, die streng genommen möglicherweise keine Zerspanungsoperationen sind, da sie möglicherweise keine Span-erzeugenden Operationen sind, aber diese Operationen werden an einer typischen Werkzeugmaschine durchgeführt. Glätten (Burnishing) ist ein Beispiel für eine diverse Operation. Glätten erzeugt keine Späne, kann aber an einer Drehmaschine, Fräsmaschine oder Bohrmaschine durchgeführt werden.

Wie funktioniert Zerspanung?

Ein unfertiges Werkstück, das Zerspanung erfordert, muss Material abgetragen bekommen, um ein fertiges Produkt zu erstellen. Ein fertiges Produkt wäre ein Werkstück, das den in technischen Zeichnungen oder Blaupausen festgelegten Spezifikationen für dieses Werkstück entspricht.

Beispielsweise kann ein Werkstück einen bestimmten Außendurchmesser erfordern. Eine Drehmaschine ist ein Werkzeugmaschine, die verwendet werden kann, um diesen Durchmesser zu erzeugen, indem ein Metallwerkstück gedreht wird, damit ein Schneidwerkzeug Metall abtragen kann, was eine glatte, runde Oberfläche erzeugt, die dem erforderlichen Durchmesser und der Oberflächengüte entspricht.

Ein Bohrer kann verwendet werden, um das Metall in Form eines zylindrischen Lochs zu entfernen. Andere Werkzeuge, die für verschiedene Arten der Metallentfernung verwendet werden können, sind Fräsmaschinen, Sägen und Schleifmaschinen. Viele dieser gleichen Techniken werden in der Holzbearbeitung verwendet.

Neuere, fortgeschrittene Zerspanungstechniken umfassen präzises CNC-Fräsen, Erodieren (EDM), elektrochemisches Bearbeiten (ECM), Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden, um Metallwerkstücke zu formen.

In der modernen Produktentwicklung wird Zerspanung am häufigsten mit einer CNC-Maschine durchgeführt, was für Computerized Numerical Control steht. Im Wesentlichen verwendet die Maschine Computersoftware, um CAD-Designmodelle zu nehmen und Werkzeugpfade zu planen, die die Designs in 3D-gefräste Teile umwandeln. Die CNC kann Teile aus einer Vielzahl von Materialien in verschiedenen Arten von Oberflächen erzeugen, mit Toleranzen bis auf 0,001 Zoll (0,025 mm) aus Vollmaterial.

Im Gegensatz zum Rapid Prototyping werden Teile mit echten Materialien gefertigt, die die Dichte, Oberfläche und Porosität des fertigen Designs widerspiegeln. Gefertigte Teile können für repräsentative Tests, Modelle einschließlich Gleitkomponenten, bei denen Reibung ein Faktor ist, und für abgedichtete Komponenten mit O-Ringen und Dichtflächen verwendet werden.

Nun wissen wir, was Zerspanung ist und wie sie durchgeführt wird; wir wissen, dass Zerspanung mit Zerspanungswerkzeugen durchgeführt wird, also lassen Sie uns über verschiedene Zerspanungswerkzeuge und ihre Verwendungen erfahren.

Was ist ein Zerspanungswerkzeug?

Eine Werkzeugmaschine ist eine Maschine zum Bearbeiten oder Zerspanen von Metall oder anderen harten Materialien, normalerweise durch Schneiden, Bohren, Schleifen, Scheren oder andere Formen der Verformung. Werkzeugmaschinen verwenden eine Art Werkzeug, das das Schneiden oder Formen durchführt.

Alle Werkzeugmaschinen haben Mittel, um das Werkstück zu spannen und eine geführte Bewegung der Maschinenteile bereitzustellen. Daher wird die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Schneidwerkzeug (die als Werkzeugbahn bezeichnet wird) durch die Maschine zumindest bis zu einem gewissen Grad kontrolliert oder begrenzt, anstatt vollständig „freihändig“ zu sein.

Es ist eine kraftbetriebene Metallschneidemaschine, die hilft, die erforderliche Relativbewegung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück zu verwalten, die die Größe und Form des Werkstückmaterials verändert.

Die genaue Definition des Begriffs Werkzeugmaschine variiert unter Benutzern, wie unten diskutiert. Während alle Werkzeugmaschinen „Maschinen sind, die Menschen helfen, Dinge herzustellen“, sind nicht alle Fabrikmaschinen Werkzeugmaschinen.

Heute werden Werkzeugmaschinen typischerweise nicht mehr durch menschliche Muskeln angetrieben (z. B. elektrisch, hydraulisch oder über Wellwellen), sondern zur Herstellung von Fertigteilen (Komponenten) auf verschiedene Arten, die Schneiden oder bestimmte andere Arten der Verformung umfassen. Mit ihrer inhärenten Präzision ermöglichten Werkzeugmaschinen die wirtschaftliche Produktion austauschbarer Teile.

Verschiedene Arten von Zerspanungswerkzeugen und Technologien

Arten von Zerspanungswerkzeugen

Es gibt viele Arten von Zerspanungswerkzeugen, und sie können allein oder in Verbindung mit anderen Werkzeugen an verschiedenen Schritten des Fertigungsprozesses verwendet werden, um die beabsichtigte Teilegeometrie zu erreichen. Die Hauptkategorien von Zerspanungswerkzeugen sind:

• Ausbohrwerkzeuge: Diese werden typischerweise als Ausrüstungsgegenstände zum Vergrößern zuvor in das Material geschnittener Löcher verwendet.
• Schneidwerkzeuge: Geräte wie Sägen und Scheren sind typische Beispiele für Schneidwerkzeuge. Sie werden oft verwendet, um Material mit vorgegebenen Abmessungen, wie Blech, in eine gewünschte Form zu schneiden.
• Bohrwerkzeuge: Diese Kategorie besteht aus zweischneidigen rotierenden Geräten, die runde Löcher parallel zur Drehachse erzeugen.
• Schleifwerkzeuge: Diese Instrumente wenden ein rotierendes Rad an, um eine feine Oberfläche zu erzielen oder leichte Schnitte an einem Werkstück zu machen.
• Fräswerkzeuge: Ein Fräswerkzeug verwendet eine rotierende Schneidoberfläche mit mehreren Klingen, um nicht-kreisförmige Löcher zu erzeugen oder einzigartige Designs aus dem Material zu schneiden.
• Drehwerkzeuge: Diese Werkzeuge drehen ein Werkstück auf seiner Achse, während ein Schneidwerkzeug es formt. Drehmaschinen sind die häufigste Art von Drehausrüstung.

Arten von thermischen Zerspanungstechnologien (Brennen/Schweißen)

Schweiß- und Brennwerkzeugmaschinen verwenden Wärme, um ein Werkstück zu formen. Die häufigsten Arten von Schweiß- und Brennzerspanungstechnologien umfassen:

• Laserschneiden: Eine Lasermaschine emittiert einen schmalen, hochenergetischen Lichtstrahl, der Material effektiv schmilzt, verdampft oder verbrennt. CO2- und Nd:YAG-Laser sind die am häufigsten in der Zerspanung verwendeten Typen. Der Laserschneidprozess eignet sich gut zum Formen von Stahl oder zum Ätzen von Mustern in ein Stück Material. Zu seinen Vorteilen gehören hochwertige Oberflächengüten und extreme Schneidpräzision.
• Brennschneiden (Oxy-Fuel Cutting): Auch als Gasschneiden bekannt, verwendet diese Zerspanungsmethode ein Gemisch aus Brenngasen und Sauerstoff, um Material zu schmelzen und wegzuschneiden. Acetylen, Benzin, Wasserstoff und Propan dienen häufig als Gasmaterialien aufgrund ihrer hohen Entzündlichkeit. Zu den Vorteilen dieser Methode gehören hohe Tragbarkeit, geringe Abhängigkeit von primären Stromquellen und die Fähigkeit, dicke oder harte Materialien wie robuste Stahlsorten zu schneiden.
• Plasmaschneiden: Plasmaschneidbrenner zünden einen elektrischen Lichtbogen, um Inertgas in Plasma umzuwandeln. Dieses Plasma erreicht extrem hohe Temperaturen und wird mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück aufgebracht, um unerwünschtes Material wegzuschmelzen. Der Prozess wird oft an elektrisch leitfähigen Metallen verwendet, die eine präzise Schnittbreite und minimale Vorbereitungszeit erfordern.

Arten von Erosionszerspanungstechnologien

Während Brennwerkzeuge Wärme anwenden, um überschüssiges Material zu schmelzen, verwenden Erosionszerspanungsgeräte Wasser oder Elektrizität, um Material vom Werkstück abzutragen. Die zwei Hauptarten von Erosionszerspanungstechnologien sind:

• Wasserstrahlschneiden: Dieser Prozess verwendet einen hochdruckbeaufschlagten Wasserstrahl, um durch Material zu schneiden. Schleifpulver kann dem Wasserstrahl zugesetzt werden, um die Erosion zu erleichtern. Wasserstrahlschneiden wird typischerweise an Materialien verwendet, die durch eine wärmebeeinflusste Zone Schaden oder Verformung erleiden können.
• Funkenerosion (EDM): Auch als Funkenerosion bekannt, verwendet dieser Prozess elektrische Entladungen, um Mikrokrater zu erzeugen, die schnell zu vollständigen Schnitten führen. EDM wird in Anwendungen eingesetzt, die komplexe geometrische Formen in harten Materialien und engen Toleranzen erfordern. EDM erfordert, dass das Basismaterial elektrisch leitfähig ist, was seinen Einsatz auf ferrolegierte Werkstoffe beschränkt.

CNC-Zerspanung

Computergesteuerte numerische Steuerung (CNC-Zerspanung) ist eine computergestützte Technik, die in Verbindung mit einer breiten Palette von Geräten verwendet werden kann. Sie erfordert Software und Programmierung, normalerweise in der G-Code-Sprache, um ein Zerspanungswerkzeug bei der Formgebung des Werkstücks gemäß voreingestellten Parametern zu führen.

Im Gegensatz zu manuell geführten Methoden ist CNC-Zerspanung ein automatisierter Prozess. Zu seinen Vorteilen gehören:

• Hohe Produktionszyklen: Sobald die CNC-Maschine ordnungsgemäß programmiert wurde, benötigt sie normalerweise minimale Wartung oder Ausfallzeiten, was eine schnellere Produktionsrate ermöglicht.
• Niedrige Fertigungskosten: Aufgrund seiner Umschlagsgeschwindigkeit und geringen manuellen Arbeitsanforderungen kann CNC-Zerspanung ein kosteneffizienter Prozess sein, insbesondere für Großserienfertigung.
• Einheitliche Produktion: CNC-Zerspanung ist typischerweise präzise und liefert ein hohes Maß an Designkonsistenz unter ihren Produkten.

Präzisionszerspanung

Jeder Zerspanungsprozess, der ungewöhnlich kleine Schneidtoleranzen erfordert (zwischen 0,013 mm und 0,0005 mm als Faustregel) oder Oberflächengüten feiner als 32T (Ra 0,8 µm), kann als Form der Präzisionszerspanung betrachtet werden. Wie CNC-Zerspanung kann Präzisionszerspanung auf eine Vielzahl von Fertigungsmethoden und Werkzeugen angewendet werden.

Faktoren wie Steifigkeit, Dämpfung und geometrische Genauigkeit können die Genauigkeit des Schnitts eines Präzisionswerkzeugs beeinflussen. Bewegungssteuerung und die Fähigkeit der Maschine, bei schnellen Vorschubgeschwindigkeiten zu reagieren, sind auch in Präzisionszerspanungsanwendungen wichtig.

Was sind die Vorteile der Zerspanung?

Es gibt mehrere Vorteile der Zerspanung:

1. Zuverlässigkeit

Der Zerspanungsprozess findet kontinuierlich ohne Ausfälle statt, unabhängig von der Zeit oder dem Wochentag. Die Späne und Rohmaterialien werden in Fertigprodukte umgewandelt und als hochwertige Werkzeuge auf den Markt gebracht. Ausfälle sind minimal, da sie nur auftreten können, wenn Wartung erforderlich ist oder während einer Reparatur. Maschinen arbeiten zuverlässig; es spielt keine Rolle, ob es ein Werktag, Wochenende oder Feiertag ist.

2. Benötigt weniger menschliche Arbeit

Durch die Entwicklung der Technologie ist die Zerspanung in der Fertigungsindustrie automatisiert. Der Prozess wird hauptsächlich von Computern oder Robotern gesteuert, die normalerweise die Produktionskosten durch Eliminierung menschlicher Arbeit senken. Während der kontrollierten Materialzugabe erfordert der Prozess minimale Überwachung und Aufsicht für Wartungszwecke.

3. Hohe Produktion

Der Prozess bringt hohe Produktivität, weil sie im Allgemeinen eine massive Menge an Arbeit wie Bohren, bessere Oberflächengüte, Fräsen und Drehen in einem relativ kurzen Zeitraum erledigen.

4. Identische Produkte

Die Fertigprodukte, wie die geschnittenen Metalle, sind homogen und haben sehr wenig oder keine Fehler trotz der hohen Produktionsrate. Als Ergebnis werden die Produkte aufgrund ihrer verbesserten Qualität marktfähig.

5. Gewinnsteigerung und Aufwandsreduzierung

Ein weiterer großartiger Grund, Ihre Metallgeräte zu zerspanen, ist die Gewinnsteigerung und Aufwandsreduzierung. Manche fragen sich vielleicht, wie Zerspanung mit gesteigerten Gewinnen zusammenhängt? Die Tatsache ist, dass Zerspanung Geräte etwas teurer macht, aber andererseits sehr vorteilhaft ist.

Mit einem Metall, das Zerspanung durchlaufen hat, werden Sie nicht nur die Produktionskosten senken, sondern auch viel Zeit und Aufwand sparen. Trotz dieses Vorteils ist es immer ratsam, wenn Sie eines kaufen möchten, sicherzustellen, dass die Maschine richtig ist und fehlerfrei arbeitet.

6. Verbesserte Effizienz

Zerspanung ist eine der besten Möglichkeiten, die Effizienz Ihrer Metalle zu steigern. Beim Zerspanen der Metalle sind sie immer mit internen Qualitätskontrolldetektoren ausgestattet. Dies bringt viel Effizienz in Bezug auf die Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit der Metalle und die Sicherstellung einer guten Nutzung der Rohstoffe.

Zusätzlich wird Zerspanung immer als bemerkenswerter Weg angesehen, um hohe Standards in der Metallbearbeitung und Teilefertigung zu gewährleisten. Neben der gesteigerten Effizienz wird Zerspanung als einer der Wege angesehen, die Ausgabenkosten zu senken.

Dies ist auf seine Fähigkeit zurückzuführen, den Verbrauchskosten zu senken; daher wird Geldverschwendung reduziert. Kurz gesagt, es reduziert Ausgaben; somit trägt es zu den Vorteilen der Durchführung des Zerspanungsprozesses bei.

7. Erhöhte Genauigkeit

Die meisten Metalle, die Zerspanung durchlaufen, werden in der Fertigungsindustrie verwendet. Dies umfasst Bereiche, die manuelle Dreh- und Fräsprozesse erfordern. Sie können auch im Gesundheitswesen eingesetzt werden, aber der Punkt, den Sie beachten müssen: All diese Sektoren beinhalten viel Genauigkeit.

Deshalb greift man auf Metalle zurück, die Zerspanung durchlaufen haben, aufgrund ihres Genauigkeitsniveaus. Dies ist ein klarer Beweis dafür, wie wichtig Zerspanung für die Sicherstellung erhöhter Genauigkeit an Ihren Metallen ist, was sich in Genauigkeit bei der Ausführung Ihrer Aufgaben niederschlägt.