Industrie-Lexikon

Spanbildung

Unter Spanbildung versteht man in der Fertigungstechnik die Entstehung von SpĂ€nen bei der spanenden Bearbeitung von WerkstĂŒcken. Der Schneidkeil am Zerspanungswerkzeug staucht dabei zunĂ€chst das Material an, wodurch sich die Druckspannungen erhöhen. Es kommt zu elastischen und plastischen Verformungen, die auch zusĂ€tzlich zu Scherspannungen fĂŒhren. Nach Überschreiten der Scherfestigkeit beginnt der Werkstoff sich vom WerkstĂŒck zu lösen und lĂ€uft ĂŒber die SpanflĂ€che des Werkzeuges ab. Durch die hohen Temperaturen von mehreren hundert °C und dem mehrachsigen Spannungszustand kommt es hĂ€ufig auch bei Werkstoffen, die bei Raumtemperatur hart und spröde sind, zu duktilem Werkstoffverhalten.

Spanbildung im Scherebenenmodell
Das Scherebenenmodell ist eine stark vereinfachte Vorstellung der Prozesse, die bei der Spanbildung ablaufen. Es geht vom sogenannten freien orthogonalen Schnitt aus, bei dem man sich die Spanbildung als in einer Ebene ablaufend vorstellen kann. Der Werkzeug-Einstellwinkel betrĂ€gt dabei 90° (orthogonal) und es ist nur die Hauptschneide im Eingriff (frei). Diese Voraussetzungen sind beispielsweise beim LĂ€ngs-Plandrehen eines Rohres gegeben, sofern das Werkzeug breiter ist als die WandstĂ€rke des Rohres. Die Spanbildung verlĂ€uft dann in einer Ebene, die senkrecht zur Schneide liegt. In diesem Modell wird der Werkstoff in der sogenannten Scherebene abgeschert, die mit der Werkzeug-Schneidenebene den Scherwinkel {\displaystyle \Phi } \Phi  bildet. Die im Werkstoff vorliegende Struktur Ă€ndert sich dabei, da sie in einer Richtung gestreckt und in einer anderen gestaucht wird. Dadurch bilden sich Strukturlinien im GefĂŒge des Spanes aus. Der Winkel zwischen diesen verformten Linien und der Scherebene wird als Strukturwinkel {\displaystyle \eta } \eta  bezeichnet. Der Winkel zwischen den Strukturlinien und der SpanflĂ€che als Fließwinkel {\displaystyle \Psi } \Psi .

Spanbildung bei realen Prozessen
Die tatsĂ€chlichen VerhĂ€ltnisse unterscheiden sich wegen der Vereinfachungen des Scherebenenmodells davon zum Teil. Die Scherung findet tatsĂ€chlich in einem rĂ€umlich ausgedehnten Gebiet, der Scherzone statt. Die Spanbildung ist ein ĂŒblicherweise kontinuierlich ablaufender Prozess. Bei spröden Werkstoffen wie Gusseisen, kann es jedoch bereits in der Scherzone zum Überschreiten der Bruchspannung kommen, sodass das Material hier abgetrennt wird und der Spanbildungsprozess von neuem beginnt. Falls das FormĂ€nderungsvermögen des Werkstoffs ausreicht, was bei StĂ€hlen und den meisten Metallen der Fall ist, so verformt er sich plastisch und geht in den Span ĂŒber. Der Werkstoff wird dann erst direkt vor der Schneidkante getrennt. Auf der Unterseite des Spanes bzw. auf der Oberseite der SpanflĂ€che herrschen hohe Zug- und Druckspannungen. Die Spanunterseite unterliegt daher hohen Verformungen, die sich in der sekundĂ€ren Fließzone auf der Spanunterseite bemerkbar machen. Hier herrschen sehr hohe Temperaturen, die bei der industriellen Zerspanung von Stahl ĂŒber 1000 °C betragen können, sowie sehr hohe Spannungen, die im Mittel 250–350 N/mmÂČ betragen. Die Scherdehnung in diesem Bereich betragen zwischen 0,8 und 4. Beim Zugversuch zur Ermittlung der Festigkeitswerte dagegen betragen sie nur etwa 0,2. Die Scherdehnungsgeschwindigkeit liegt bei der Zerspanung etwa 10.000 1/s, beim Zugversuch dagegen bei etwa 0,001 1/s. 

Bei niedrigen und mittleren Schnittgeschwindigkeiten kann es auch zur Ausbildung einer Aufbauschneide kommen. Hierbei bleibt ein Teil der Spanunterseite auf der Schneidkante kleben und fungiert nun selbst als Schneide, bis sie vom nachströmenden Werkstoff weggerissen wird.

Spanbildung beim Schleifen
Die Spanbildung beim Schleifen unterscheidet sich wegen der viel kleineren Spanungsdicken von der Spanbildung beim Drehen, Bohren oder FrĂ€sen. Beim Schleifen werden die einzelnen Körner, die als Schneiden fungieren, ĂŒblicherweise in Schleifscheiben oder -steinen gebunden, die ĂŒber den Werkstoff bewegt werden. Die genaue Form der Körner ist nicht bekannt, in der Regel wirken jedoch negative Spanwinkel. Wegen der sehr geringen Spanungsdicken können elastische Verformungen nicht mehr vernachlĂ€ssigt werden. Ein einzelnes Korn gleitet nach der Kontaktherstellung zunĂ€chst ĂŒber den Werkstoff, ohne in ihn einzudringen. Das Korn wird dann immer weiter in Richtung des WerkstĂŒckes bewegt, der jedoch elastisch nachgibt. Wenn das Korn schließlich in den Werkstoff eingedrungen ist, kommt es noch nicht sofort zur Spanabnahme. ZunĂ€chst wird der Werkstoff seitlich vom Korn durch plastisches Fließen verdrĂ€ngt, was als PflĂŒgen bezeichnet wird. Wenn mehrere benachbarte oder aufeinander folgende Körner das Material immer weiter zur Seite drĂ€ngen und weiter verformen, kann es dadurch auch zum Abtrennen von Material kommen. Wenn das einzelne Korn noch tiefer in den Werkstoff eingedrungen ist, kommt es schließlich zur Spanbildung, die von weiteren elastischen und plastischen Verformungen begleitet wird. Kurz bevor das Korn den Werkstoff wieder verlĂ€sst, enden die plastischen Verformungen, wĂ€hrend die elastischen noch erhalten bleiben bis zum Kontaktverlust.

Der Spanbildungsprozess verlÀuft somit Àhnlich wie beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden. Die wichtigsten Unterschiede liegen darin, dass beim Spanen der Werkstoff seitlich von der Schneide verdrÀngt wird und dass der Spannungszustand dreiachsig ist und nicht zweiachsig.

Spanbildung beim LĂ€ppen
Beim LĂ€ppen werden die Schneiden von losen Körnern gebildet, die sich in einer FlĂŒssigkeit zwischen der WerkstĂŒckoberflĂ€che und dem LĂ€ppwerkzeug befinden; letzteres drĂŒckt die Körner auf die OberflĂ€che und bewegt sich ĂŒber diese hinweg. Es kommen mehrere Abtragsmechanismen in Frage. Zwischen LĂ€ppscheibe und WerkstĂŒck abrollende Körner dringen mit ihren Kanten und Spitzen in die WerkstĂŒckoberflĂ€che ein und verdrĂ€ngen den Werkstoff dabei plastisch, Ă€hnlich wie beim Schleifen. Durch die nachfolgenden Körner wird der Verformungsgrad der OberflĂ€che erhöht, sodass sie sich verfestigt, bis einzelne Stellen abplatzen. Die LĂ€ppkörner können sich auch verhaken und dadurch in den Werkstoff eindringen und so echte SpĂ€ne abtragen. Bei der Bearbeitung von harten, spröden Werkstoffen kommt es zur Ausbildung von Mikrorissen, die sich ausbreiten und vergrĂ¶ĂŸern, bis Teile der OberflĂ€che abgetrennt sind.

Spanbildung beim Hochgeschwindigkeitsspanen
Die Spanbildung beim Hochgeschwindigkeitszerspanen weist einige Besonderheiten auf. Die Schnittkraft sinkt mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit bei allen duktilen metallischen Werkstoffen wie Stahl und Aluminium. Der Scherwinkel wird grĂ¶ĂŸer, was zu einer geringeren Spanstauchung fĂŒhrt. Bei der Trockenbearbeitung von Stahl (Ck45N) mit einer Spanungsbreite von 0,6 mm und einem Vorschub von 0,2 mm nimmt der Scherwinkel bis etwa 1000 m/min zu. Danach bleibt er nĂ€herungsweise konstant. Der Span selbst weist eine deutliche Segmentierung auf. Die plastischen Verformungen sind in bestimmten Bereichen konzentriert; die Details hĂ€ngen jedoch stark vom Werkstoff ab. Die genauen ZusammenhĂ€nge und Ursachen dafĂŒr sind noch nicht abschließend geklĂ€rt. Vermutlich sorgt ein adiabatischer Abfall der FormĂ€nderungsfestigkeit, der durch die hohen Geschwindigkeiten verursacht wird, zu dem grĂ¶ĂŸeren Scherwinkel. VerĂ€nderungen der Reibwerte und der segmentierte Span sind vermutlich keine Ursachen fĂŒr andere VerĂ€nderungen.

Segmentierte SpĂ€ne treten bei ausreichend festen Werkstoffen auf, bei Titan schon bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. StĂ€hle hoher Festigkeit zeigen den Effekt erst bei höheren Geschwindigkeiten, bei besonders weichen StĂ€hlen kommt keine Segmentspanbildung vor. Sie entsteht durch abwechselndes Stauchen und Abscheren des Werkstoffs, was bei der konventionellen Bearbeitung parallel geschieht. ZunĂ€chst wird der Werkstoff angestaucht. Je weiter sich die Schneide auf das WerkstĂŒck zubewegt, desto höher werden die erzeugten Spannungen. Bei Überschreiten der Scherfestigkeit schert dann ein Teil des Werkstoffes seitlich ab. Dadurch verringert sich wieder die Stauchung sodass erneut angestaucht werden muss.

Spanbildung bei der Hartbearbeitung
Von Hartzerspanen spricht man bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit einer HĂ€rte von mindestens 47 HRC falls dabei Verfahren genutzt werden die zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide zĂ€hlen. Diese Werkstoffe verhalten sich unter normalen Bedingungen (Druck, Temperatur) ĂŒblicherweise spröde. Dennoch kann bei der Hartbearbeitung duktiles Werkstoffverhalten beobachtet werden. Bereits v. Karman bemerkte jedoch, dass selbst Marmor plastisch verformbar ist, wenn die auftretenden Druckspannungen groß genug sind. Eine ErklĂ€rung hierfĂŒr liefert die Theorie des hydrostatischen Drucks. Dabei muss beachtet werden, dass bei der Hartbearbeitung in der Praxis nur sehr geringe Spanungsdicken auftreten. Die Spanbildung lĂ€uft daher vollstĂ€ndig im Bereich der Schneidkantenverrundung oder der Fase ab. Somit wirken effektiv stark negative Spanwinkel, die am Werkstoff in einer grĂ¶ĂŸeren Zone zu hohen hineinwirkenden Druckspannungen fĂŒhren.

FĂŒr das Versagen des Werkstoffes kommen mehrere Mechanismen und Festigkeitskennwerte in Frage. Falls der Werkstoff nur in zwei Achsen auf Zug belastet wird, kommt es bei Überschreiten der Zugfestigkeit zum Trennbruch. Wird der Werkstoff dagegen in zwei Achsen auf Druck beansprucht, so kommt es zum plastischen Fließen beim Überschreiten der Schubfließgrenze.


Untersuchungsmethoden
FĂŒr die Untersuchung der Spanbildung haben sich mehrere Methoden etabliert. Bei der Schnittunterbrechung wird der Zerspanprozess schlagartig unterbrochen, sodass eine Spanwurzel am WerkstĂŒck verbleibt, die unter dem Mikroskop analysiert werden kann. Die Mikrokinematographie benutzt Hochgeschwindigkeitskameras, um die Spanbildung zu filmen. Außerdem lassen sich mit der FEM-Methode Simulationen erstellen.

Mikrokinematographie
Mit der Mikrokinematographie lĂ€sst sich – im Gegensatz zur Schnittunterbrechung – die Spanbildung auch im Zeitablauf beobachten. Außerdem ist sie fĂŒr sehr kleine Spanungsdicken geeignet, wie sie bei der Mikrozerspanung typisch sind. Andererseits mĂŒssen die Schnittgeschwindigkeiten relativ niedrig sein, um den Prozess noch beobachten zu können. Sie liegen in der GrĂ¶ĂŸenordnung von einem m/min. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass nur die Spanbildung an der OberflĂ€che der Probe beobachtet wird und nicht die in der Mitte.

Eine zu zerspanende Probe wird geschliffen, poliert und geĂ€tzt und mit der prĂ€parierten Seite auf eine Quarzglasscheibe gedrĂŒckt. Diese wird in das Spanfutter der Maschine eingesetzt. Auf der anderen Seite der Scheibe befindet sich die Kamera und gegebenenfalls noch Einrichtungen zur Beleuchtung und Mikroskope. Wegen der geĂ€tzten OberflĂ€che ist das GefĂŒge des WerkstĂŒcks und seine Verformung gut zu erkennen. ZusĂ€tzlich kann auf die OberflĂ€che auch ein Raster aufgebracht werden, das bei der Verformung ebenfalls verzerrt wird und so die Verformung sichtbar macht. Diese Methode wird als VisioplastizitĂ€t bezeichnet. 

Das Verfahren geht auf die AnfĂ€nge der Zerspanungsforschung zurĂŒck. Bereits 1905 wandte Kurrein diese Methode an. Es folgte 1923 H. Klopstock sowie 1936 Friedrich Schwerd und 1945 M. E. Merchant, die das Verfahren verbesserten. Weitere Arbeiten stammen von C. Spaans (1971) und G. Warnecke (1974).

Schnittunterbrechung
Bei der Schnittunterbrechung wird das Werkzeug oder WerkstĂŒck sehr schnell von der Wirkstelle wegbewegt, um die Spanbildung schlagartig zu unterbrechen. Die entstandene Spanwurzel kann dann unter dem Mikroskop analysiert werden. Sie zeigt dann den Zustand des Materials zu einem bestimmten Zeitpunkt der Bearbeitung an. Der zeitliche Ablauf kann daher nicht untersucht werden. DafĂŒr eignet sich das Verfahren auch fĂŒr hohe Schnittgeschwindigkeiten und durch das Schleifen der Spanwurzel können auch die ZustĂ€nde in der Mitte des Spanes untersucht werden.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung von Spanwurzeln besteht darin, einen Drehmeißel drehbar zu lagern und durch eine Explosion wegzubewegen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Federn. Außerdem lassen sich Sollbruchstellen im WerkstĂŒck einbringen, wodurch die gesamte Spanwurzel und Teile des WerkstĂŒcks abgetrennt werden. Außerdem werden Prallplatten genutzt, um entweder das WerkstĂŒck oder das Werkzeug abzubremsen.

Quelle: Wikipedia

 

 

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