Industrie-Lexikon

Verschleiß

Verschlei√ü von Zerspanungswerkzeugen tritt aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastung des Schneidkeils auf. Verschlei√ü bewirkt steigende Zerspankr√§fte und Geometrieabweichungen am herzustellenden Werkst√ľck. Dies kann die Rauheit, Formfehler oder Ma√üfehler betreffen.

Der Verschlei√ü wird beim Spanen durch mehrere Verschlei√ümechanismen verursacht. Dazu z√§hlen mechanischer Abrieb (Abrasion) infolge von Reibung zwischen Span und Werkzeug, Adh√§sion (Ankleben von Teilen des Spanes als Pressschwei√üung), Oxidation und Diffusion. Bei letzterem wandern bei hohen Temperaturen erw√ľnschte Legierungselemente des Werkzeuges in den Span und unerw√ľnschte Bestandteile des Spanes in das Werkzeug.

Am Werkzeug selbst macht sich Verschlei√ü in verschiedenen Formen oder Erscheinungen bemerkbar. Die wichtigsten beiden sind der Freifl√§chenverschlei√ü und der Kolkverschlei√ü. Der erste tritt auf der Freifl√§che des Werkzeuges auf, der zweite auf der Spanfl√§che. Als Ma√ü dient oft die Verschlei√ümarkenbreite f√ľr ersteren und die Kolktiefe f√ľr letzteren. Sie werden als Standzeitkriterien herangezogen. Bei √ľberschreiten dieser Kriterien m√ľssen dann die Werkzeuge getauscht oder nachgeschliffen werden.

In der Literatur wird häufig in Ursachen, Formen und Mechanismen des Werkzeugverschleißes unterschieden, die Begriffe sind jedoch nicht immer eindeutig.


Ursachen
Die Ursachen des Verschlei√ües liegen bei den hohen thermischen und mechanischen Belastungen des Werkzeuges. Zum Teil werden auch chemische Beanspruchungen dazugez√§hlt. Sie sind jeweils abh√§ngig vom Werkstoff des Werkst√ľcks, vom Werkstoff des Werkzeugs (Schneidstoff) und von den sonstigen Parametern wie Schnittgeschwindigkeit, Schnittkraft oder den Eingriffsgr√∂√üen. (Zu den thermischen Belastungen siehe Energieumwandlung und W√§rme beim Spanen)

Die mechanische Beanspruchung resultiert aus der Zerspankraft, die auf das Werkzeug wirkt und der daraus resultierenden Reibung auf der Span- und Freifl√§che. Zusammen mit den hohen Schnittgeschwindigkeiten resultieren daraus thermische Beanspruchungen. W√§rme entsteht auch innerhalb der Sp√§ne durch das Abscheren infolge innerer Reibung. √úber den Span wird ein Gro√üteil der W√§rme abgef√ľhrt, √ľber das Werkzeug nur etwa 5 % bis 20 %. Da das Werkzeug jedoch st√§ndig im Kontakt mit dem Span ist, entsteht eine gro√üe W√§rmebelastung. Die Temperaturen f√ľhren zu W√§rmeausdehnungen und W√§rmespannungen, die den mechanischen Spannungen aufgrund der Zerspankraft √ľberlagert sind. Bei Verfahren, bei denen einzelne Schneiden nicht st√§ndig im Eingriff sind, wie beim Fr√§sen ergibt sich eine wechselnde thermische Beanspruchung. Die Temperaturen k√∂nnen dabei innerhalb einiger Millisekunden um 600 ¬įC wechseln. Die absoluten Werte sind von den Schnittwerten und den Schneidstoffen abh√§ngig: W√§hrend Schnellarbeitsstahl schon bei 600 ¬įC seine H√§rte verliert, lassen sich andere Schneidstoffe auch noch bei √ľber 1000 ¬įC bei hohen Schnittgeschwindigkeiten einsetzten.


Mechanismen
Der Verschlei√ü wird durch verschieden physikalisch-chemische Mechanismen verursacht. Sie werden daher teilweise auch als Ursachen  oder Vorg√§nge  bezeichnet. Zu ihnen z√§hlen Abrasion, Adh√§sion, Diffusion, Oxidation (Verzunderung) und verschiedene mechanische Erscheinungen wie plastische Verformung, Oberfl√§chenzerr√ľttung oder Risse.

Adhäsion
Als Adh√§sion bezeichnet man allgemein das Festkleben von Teilchen aufgrund atomarer Bindungen. Da die Neigung Bindungen einzugehen von den beteiligten Elementen abh√§ngt, ist der Adh√§sionsverschlei√ü von der verwendeten Schneidstoff-Werkstoff-Paarung abh√§ngig. Durch die hohen Temperaturen und Dr√ľcke kommt es zu Pressschwei√üungen im Mikrobereich zwischen der Spanfl√§che und der Spanunterseite. Wenn sich immer mehr Material auf der Spanfl√§che sammelt, wird dies als Aufbauschneide bezeichnet, da diese Ansammlungen nun ihrerseits als eigentliche Schneide fungieren. Wenn die Aufbauschneide oder festgeklebte Partikel durch den ablaufenden Span mitgenommen werden, werden kleine Teile der Werkzeugoberfl√§che mit herausgerissen. Die Gr√∂√üe des Adh√§sionsverschlei√ües und der Aufbauschneide h√§ngen von der Schnittgeschwindigkeit ab. Zun√§chst wachsen sie mit zunehmender Geschwindigkeit, um dann wieder zu fallen. Bei hohen Geschwindigkeiten treten sie kaum noch auf. Die Oberfl√§chen vieler K√∂rper bestehen aus einer sehr d√ľnnen Oxidschicht, die sich in Folge der sogenannten Passivierung bildet. Beim Spanen k√∂nnen sich diese Schutzschichten jedoch nicht ausbilden. Die Oberfl√§chen des Spanes und der Werkzeuge entsprechen w√§hrend des Prozesses den Eigenschaften, wie sie normalerweise im inneren von Werkst√ľcken auftreten. Sie sind daher chemisch sehr reaktionsfreudig was die Adh√§sion beg√ľnstigt. Besonders weicher und z√§her Stahl neigt zur Adh√§sion insbesondere wenn das Gitter des Werkzeuges dem des Werkstoffes entspricht.

Abrasion
Unter Abrasion versteht man mechanischen Abrieb durch mikroskopische, harte Teilchen. Er tritt meist gemeinsam mit anderen Verschlei√ümechanismen auf. Es lassen sich drei Varianten unterscheiden: Das Mikropfl√ľgen, das Mikrospanen und das Mikrobrechen. Die ersten beiden kommen bei duktilen (weichen, z√§hen) Schneidstoffen vor, der letzte bei harten. Bei allen Varianten gleitet ein harter Partikel auf und zumindest teilweise in der Oberfl√§che des Werkzeuges.

Beim Mikropfl√ľgen verursacht der Partikel eine Furche und dr√§ngt das Material des Werkzeuges durch plastische Verformung an die R√§nder der Furche. Es kommt beim reinen Mikropfl√ľgen zu keinem Materialabtrag, durch Beanspruchung kann es bei nachfolgenden Teilchen zu Abtrag kommen.

Beim Mikrospanen wird Material der Werkzeugoberfläche in Form eines Spanes abgetragen. Beim reinen Mikrospanen entspricht das Volumen des Spanes dem Volumen des abgetrennten Materials.

Beim Mikrobrechen verursacht der harte Partikel Risse auf der Oberfläche des Werkzeuges, die sich ausbreiten und so Teile der Oberfläche abtrennen. Beim Brechen sind die Verschleißteilchen meist deutlich größer als die Verschleißfurche.

Abrasion tritt bei allen Schnittgeschwindigkeiten auf. Die harten Teilchen k√∂nnen aus dem Werkstoff des Werkst√ľcks stammen, etwa Oxide, Carbide und Nitride. Es kann sich jedoch auch um Partikel handeln, die durch Adh√§sion aus der Werkzeugoberfl√§che abgetrennt wurden. Auch durch Oxidation k√∂nnen im Werkzeug harte Partikel entstehen, die sich beim Zerspanen abl√∂sen und zur Abrasion f√ľhren. In diesem Sinne spricht man auch von "Selbstverschlei√ü", der insbesondere auf der Freifl√§che auftritt.

Diffusion
Bei der Diffusion handelt es sich um eine thermisch aktivierte Vermischung der Bestandteile von Werkzeug und Werkst√ľck. Bei hohen Temperaturen k√∂nnen einzelne Atome ihren Gitterplatz verlassen und in den jeweiligen Partner eindringen. Hierbei wird unterschieden zwischen dem Ausdiffundieren von Atomen aus dem Werkzeug in den Span und dem Eindiffundieren von Atomen aus dem Span in das Werkzeug. Das Ausdiffundieren f√ľhrt in der Regel nur zu geringem Materialverlust, wichtiger ist jedoch, dass durch Ein- und Ausdiffundieren das Werkzeug seine Zusammensetzung ver√§ndert und dadurch seine H√§rte und Verschlei√übest√§ndigkeit verliert. Diffusion tritt insbesondere bei Hartmetallen auf. Schnellarbeitsstahl verliert seine H√§rte bereits bei Temperaturen von etwa 600 ¬įC, bei denen noch keine Diffusion auftritt. Schneidkeramiken dagegen unterliegen nur sehr geringem Diffusionsverschlei√ü. Bei unbeschichteten Hartmetall-Werkzeugen liegen jedoch bei den bei der Zerspanung von Stahl typischen Dr√ľcken und Temperaturen ideale Bedingungen f√ľr Diffusion vor. Aus dem Hartmetall diffundieren Cobalt und Wolfram, die ihm seine H√§rte verleihen, in den Span. Eisen aus dem Span dagegen diffundiert in die Cobalt-Bindephase des Hartmetalls. Dort l√∂st sich auch das Wolframcarbid auf und bildet Misch- und Doppelkarbide in Form von Fe3W3C, (FeW)6 und (FeW)23C6. Um den Diffusionsverschlei√ü zu vermeiden, kann man Hartmetall-Werkzeuge beschichten. Diffusionsverschlei√ü macht sich insbesondere auf der Spanfl√§che als Kolkverschlei√ü bemerkbar da hier die gr√∂√üten Dr√ľcke und Temperaturen herrschen.

Bei der Verwendung von Diamantwerkzeugen bei der Zerspanung von Stahl, diffundiert der Kohlenstoff des Diamanten sehr schnell in den Stahl. Ein √§hnlicher Effekt tritt bei Verwendung von Siliciumnitrid-Schleifscheiben auf, sodass sich beide Stoffe nicht f√ľr die Zerspanung von Stahl eignen.

Oxidation
Unter Oxidation versteht man die chemische Ver√§nderung des Werkzeuges. Da der Vorgang durch die Reibung aktiviert wird, spricht man auch von Tribooxidation. Sie macht sich meist in Form von Verzunderung bemerkbar. Oxidationsverschlei√ü kann den Verschlei√ü erh√∂hen oder senken. Letzteres ist vor allem dann der Fall, wenn die Oxidschicht h√§rter ist als der eigentliche Schneidstoff oder wenn die Schicht gegen Adh√§sion sch√ľtzt. Oxidation tritt in Zusammenhang mit der Umgebungsluft oder dem Werkst√ľckwerkstoff auf. Bei Schnellarbeitsstahl tritt er nicht auf, da er bei den f√ľr eine spanende Bearbeitung erforderlichen Temperaturen schon zu weich ist. Keramiken dagegen oxidieren auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten kaum. Hartmetalle oxidieren etwa bei Temperaturen von 700 ¬įC bis 800 ¬įC. Die Verzunderung macht sich vor allem auf der Nebenfreifl√§che bemerkbar und kann zu Ausbr√ľchen der Schneidenecken f√ľhren.

Oberfl√§chenzerr√ľttung, plastische Verformung und Risse
Oberfl√§chenzerr√ľttung ist eine Folge von thermischen und mechanischen Wechselbelastungen. Nach einer l√§ngeren Zeit, w√§hrend derer kein Verschlei√ü messbar ist, macht sich die Oberfl√§chenzerr√ľttung in Form von Rissen bemerkbar die sich ausbreiten, sowie durch Gef√ľgever√§nderungen und Erm√ľdungserscheinungen die zum Abtrennen von Partikeln f√ľhren k√∂nnen. Bei hohen Temperaturen verlieren die Schneidstoffe ihre H√§rte, wodurch es zu plastischen Verformungen kommen kann. Besonders bei neuen Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl und Hartmetall und solchen die neu nachgeschliffen wurden wird die Schneidkante plastisch verformt.

Quelle: Wikipedia

 

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