Industrie-Lexikon

Spanbildung

Unter Spanbildung versteht man in der Fertigungstechnik die Entstehung von Sp√§nen bei der spanenden Bearbeitung von Werkst√ľcken. Der Schneidkeil am Zerspanungswerkzeug staucht dabei zun√§chst das Material an, wodurch sich die Druckspannungen erh√∂hen. Es kommt zu elastischen und plastischen Verformungen, die auch zus√§tzlich zu Scherspannungen f√ľhren. Nach √úberschreiten der Scherfestigkeit beginnt der Werkstoff sich vom Werkst√ľck zu l√∂sen und l√§uft √ľber die Spanfl√§che des Werkzeuges ab. Durch die hohen Temperaturen von mehreren hundert ¬įC und dem mehrachsigen Spannungszustand kommt es h√§ufig auch bei Werkstoffen, die bei Raumtemperatur hart und spr√∂de 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 betr√§gt dabei 90¬į (orthogonal) und es ist nur die Hauptschneide im Eingriff (frei). Diese Voraussetzungen sind beispielsweise beim L√§ngs-Plandrehen eines Rohres gegeben, sofern das Werkzeug breiter ist als die Wandst√§rke des Rohres. Die Spanbildung verl√§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 √§ndert sich dabei, da sie in einer Richtung gestreckt und in einer anderen gestaucht wird. Dadurch bilden sich Strukturlinien im Gef√ľge 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 Spanfl√§che als Flie√üwinkel {\displaystyle \Psi } \Psi .

Spanbildung bei realen Prozessen
Die tats√§chlichen Verh√§ltnisse unterscheiden sich wegen der Vereinfachungen des Scherebenenmodells davon zum Teil. Die Scherung findet tats√§chlich in einem r√§umlich ausgedehnten Gebiet, der Scherzone statt. Die Spanbildung ist ein √ľblicherweise kontinuierlich ablaufender Prozess. Bei spr√∂den Werkstoffen wie Gusseisen, kann es jedoch bereits in der Scherzone zum √úberschreiten der Bruchspannung kommen, sodass das Material hier abgetrennt wird und der Spanbildungsprozess von neuem beginnt. Falls das Form√§nderungsverm√∂gen des Werkstoffs ausreicht, was bei St√§hlen und den meisten Metallen der Fall ist, so verformt er sich plastisch und geht in den Span √ľber. Der Werkstoff wird dann erst direkt vor der Schneidkante getrennt. Auf der Unterseite des Spanes bzw. auf der Oberseite der Spanfl√§che herrschen hohe Zug- und Druckspannungen. Die Spanunterseite unterliegt daher hohen Verformungen, die sich in der sekund√§ren Flie√üzone auf der Spanunterseite bemerkbar machen. Hier herrschen sehr hohe Temperaturen, die bei der industriellen Zerspanung von Stahl √ľber 1000 ¬įC betragen k√∂nnen, sowie sehr hohe Spannungen, die im Mittel 250–350 N/mm¬≤ 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 Fr√§sen. Beim Schleifen werden die einzelnen K√∂rner, die als Schneiden fungieren, √ľblicherweise in Schleifscheiben oder -steinen gebunden, die √ľber den Werkstoff bewegt werden. Die genaue Form der K√∂rner ist nicht bekannt, in der Regel wirken jedoch negative Spanwinkel. Wegen der sehr geringen Spanungsdicken k√∂nnen elastische Verformungen nicht mehr vernachl√§ssigt werden. Ein einzelnes Korn gleitet nach der Kontaktherstellung zun√§chst √ľber den Werkstoff, ohne in ihn einzudringen. Das Korn wird dann immer weiter in Richtung des Werkst√ľckes bewegt, der jedoch elastisch nachgibt. Wenn das Korn schlie√ülich in den Werkstoff eingedrungen ist, kommt es noch nicht sofort zur Spanabnahme. Zun√§chst wird der Werkstoff seitlich vom Korn durch plastisches Flie√üen verdr√§ngt, was als Pfl√ľgen bezeichnet wird. Wenn mehrere benachbarte oder aufeinander folgende K√∂rner das Material immer weiter zur Seite dr√§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 schlie√ülich zur Spanbildung, die von weiteren elastischen und plastischen Verformungen begleitet wird. Kurz bevor das Korn den Werkstoff wieder verl√§sst, enden die plastischen Verformungen, w√§hrend die elastischen noch erhalten bleiben bis zum Kontaktverlust.

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

Spanbildung beim Läppen
Beim L√§ppen werden die Schneiden von losen K√∂rnern gebildet, die sich in einer Fl√ľssigkeit zwischen der Werkst√ľckoberfl√§che und dem L√§ppwerkzeug befinden; letzteres dr√ľckt die K√∂rner auf die Oberfl√§che und bewegt sich √ľber diese hinweg. Es kommen mehrere Abtragsmechanismen in Frage. Zwischen L√§ppscheibe und Werkst√ľck abrollende K√∂rner dringen mit ihren Kanten und Spitzen in die Werkst√ľckoberfl√§che ein und verdr√§ngen den Werkstoff dabei plastisch, √§hnlich wie beim Schleifen. Durch die nachfolgenden K√∂rner wird der Verformungsgrad der Oberfl√§che erh√∂ht, sodass sie sich verfestigt, bis einzelne Stellen abplatzen. Die L√§ppk√∂rner k√∂nnen sich auch verhaken und dadurch in den Werkstoff eindringen und so echte Sp√§ne abtragen. Bei der Bearbeitung von harten, spr√∂den Werkstoffen kommt es zur Ausbildung von Mikrorissen, die sich ausbreiten und vergr√∂√üern, bis Teile der Oberfl√§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 gr√∂√üer, was zu einer geringeren Spanstauchung f√ľhrt. 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 n√§herungsweise konstant. Der Span selbst weist eine deutliche Segmentierung auf. Die plastischen Verformungen sind in bestimmten Bereichen konzentriert; die Details h√§ngen jedoch stark vom Werkstoff ab. Die genauen Zusammenh√§nge und Ursachen daf√ľr sind noch nicht abschlie√üend gekl√§rt. Vermutlich sorgt ein adiabatischer Abfall der Form√§nderungsfestigkeit, der durch die hohen Geschwindigkeiten verursacht wird, zu dem gr√∂√üeren Scherwinkel. Ver√§nderungen der Reibwerte und der segmentierte Span sind vermutlich keine Ursachen f√ľr andere Ver√§nderungen.

Segmentierte Sp√§ne treten bei ausreichend festen Werkstoffen auf, bei Titan schon bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. St√§hle hoher Festigkeit zeigen den Effekt erst bei h√∂heren Geschwindigkeiten, bei besonders weichen St√§hlen kommt keine Segmentspanbildung vor. Sie entsteht durch abwechselndes Stauchen und Abscheren des Werkstoffs, was bei der konventionellen Bearbeitung parallel geschieht. Zun√§chst wird der Werkstoff angestaucht. Je weiter sich die Schneide auf das Werkst√ľck zubewegt, desto h√∂her werden die erzeugten Spannungen. Bei √úberschreiten 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 H√§rte von mindestens 47 HRC falls dabei Verfahren genutzt werden die zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide z√§hlen. Diese Werkstoffe verhalten sich unter normalen Bedingungen (Druck, Temperatur) √ľblicherweise spr√∂de. Dennoch kann bei der Hartbearbeitung duktiles Werkstoffverhalten beobachtet werden. Bereits v. Karman bemerkte jedoch, dass selbst Marmor plastisch verformbar ist, wenn die auftretenden Druckspannungen gro√ü genug sind. Eine Erkl√§rung hierf√ľr liefert die Theorie des hydrostatischen Drucks. Dabei muss beachtet werden, dass bei der Hartbearbeitung in der Praxis nur sehr geringe Spanungsdicken auftreten. Die Spanbildung l√§uft daher vollst√§ndig im Bereich der Schneidkantenverrundung oder der Fase ab. Somit wirken effektiv stark negative Spanwinkel, die am Werkstoff in einer gr√∂√üeren Zone zu hohen hineinwirkenden Druckspannungen f√ľhren.

F√ľr 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 √úberschreiten der Zugfestigkeit zum Trennbruch. Wird der Werkstoff dagegen in zwei Achsen auf Druck beansprucht, so kommt es zum plastischen Flie√üen beim √úberschreiten der Schubflie√ügrenze.


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

Mikrokinematographie
Mit der Mikrokinematographie l√§sst sich – im Gegensatz zur Schnittunterbrechung – die Spanbildung auch im Zeitablauf beobachten. Au√üerdem ist sie f√ľr sehr kleine Spanungsdicken geeignet, wie sie bei der Mikrozerspanung typisch sind. Andererseits m√ľssen die Schnittgeschwindigkeiten relativ niedrig sein, um den Prozess noch beobachten zu k√∂nnen. Sie liegen in der Gr√∂√üenordnung von einem m/min. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass nur die Spanbildung an der Oberfl√§che der Probe beobachtet wird und nicht die in der Mitte.

Eine zu zerspanende Probe wird geschliffen, poliert und ge√§tzt und mit der pr√§parierten Seite auf eine Quarzglasscheibe gedr√ľckt. 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 ge√§tzten Oberfl√§che ist das Gef√ľge des Werkst√ľcks und seine Verformung gut zu erkennen. Zus√§tzlich kann auf die Oberfl√§che auch ein Raster aufgebracht werden, das bei der Verformung ebenfalls verzerrt wird und so die Verformung sichtbar macht. Diese Methode wird als Visioplastizit√§t bezeichnet. 

Das Verfahren geht auf die Anf√§nge der Zerspanungsforschung zur√ľck. 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 Werkst√ľck 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. Daf√ľr eignet sich das Verfahren auch f√ľr hohe Schnittgeschwindigkeiten und durch das Schleifen der Spanwurzel k√∂nnen auch die Zust√§nde in der Mitte des Spanes untersucht werden.

Eine M√∂glichkeit zur Erzeugung von Spanwurzeln besteht darin, einen Drehmei√üel drehbar zu lagern und durch eine Explosion wegzubewegen. Eine andere M√∂glichkeit besteht in der Verwendung von Federn. Au√üerdem lassen sich Sollbruchstellen im Werkst√ľck einbringen, wodurch die gesamte Spanwurzel und Teile des Werkst√ľcks abgetrennt werden. Au√üerdem werden Prallplatten genutzt, um entweder das Werkst√ľck oder das Werkzeug abzubremsen.

Quelle: Wikipedia

 

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