MFT_Spanende Fertigungsverfahren

Spanende Fertigungsverfahren - Zusammenfassung
Zerspanen mit geometrisch bestimmter Schneide
Schneidenanzahl bestimmt, Geometrie des Schneidkeils ist bekannt, Lage der Schneiden zum Werkstück ist definiert
Spanbildungsmechanismus: Eindringen der Werkzeugschneide in den Werkstoff
3 Phasen:
1. Kontakt (Flächenpressung) zwischen Werkzeugschneide und Werkstoff elastische Verformung des Werkstoffs
2. Überschreitung der Schubfließgrenze plastische Verformung (Anstauchen) des Werkstoffs
3. Überschreitung der Schubfestigkeit Werkstofftrennung (Abscheren) am Ort der max. Schubspannungen (Scherebene)
Abfließen des abgetrennten Materials
Spanarten: Reißspan: kurzer (abgerissener) Span mit einzelnen zusammenhängenden Spanelementen und rauer Oberfläche ohne wesentliche Verformung
entsteht bei Bearbeitung spröder Werkstoffe bzw. bei geringen Schnittgeschw. in Verbindung mit zu kleinen Spanwinkeln
Scherspan: kurzer Span mit einzelnen zusammenhängenden Spanelementen und einer stark gezackten Oberfläche
Spanlamellen werden in Scherzone nur geringfügig verformt, gegeneinander verschoben und anschließend wieder verschweißt
entsteht bei Bearbeitung duktiler Werkstoffe bzw. bei geringen Schnittgeschw. in Verbindung mit zu kleinen Spanwinkeln
Fließspan: Span mit zusammenhängenden Spanelementen und glatter Unterseite, kontinuierliches Abfließen des WS ohne Trennung in Scherebene
entsteht bei Bearbeitung duktiler Werkstoffe bzw. bei hohen Schnittgeschw. in Verbindung mit großen Spanwinkeln
Spanformen:
ungünstig: Bandspan, Wirrspan, Schrägwendelspan
befriedigend: Bröckelspan, zylindrischer Schraubenspan
gut: Spiralspan, Spanlocken, Schraubenspanstücke
Verbesserung Spanbrechung durch: - Verringerung Schnittgeschwindigkeit ( Verringerung Zeitspanvolumen, evtl. Aufbauschneidenbildung)
- Verringerung Schnitttiefe (Verringerung Zeitspanvolumen)
- Verringerung Spanwinkel ( Spanbildung wird erschwert)
- Erhöhung Vorschub ( Verschlechterung Rauheit)
- Verwendung von Automatenstählen (Spanbrecher zulegiert) und Werkzeugen mit prozessangepassten Spanleitstufen
Kinematik bei der Zerspanung: Bewegungen die an Spanentstehung beteiligt sind:
- Schnittbewegung: (Hauptbewegung) bewirkt (ohne Vorschubbewegung) einmalige Spanabnahme während einer Umdrehung/Hub
Schnittgeschwindigkeit: Relativgeschwindigkeit des betrachteten Schneidpunktes in Schnittrichtung, für rot. gilt: ‫ݒ‬௖ = ‫݊ ∙ ݀ ∙ ߨ = ݊ ∙ ݑ‬
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Vorschubbewegung: bewirkt mehrmalige/stetige Spanabnahme während mehrerer Umdrehungen/Hübe
Relativgeschwindigkeit des Werkzeugs in Vorschubrichtung, für rot. gilt: ‫ݒ‬௙ = ݂ ∙ ݊ = ݂௭ ∙ ‫݊ ∙ ݖ‬
Wirkbewegung : bewirkt Zerspanvorgang, resultierende Bewegung aus Schnitt- und Vorschubbewegung
(Zustellbewegung): bestimmt Dicke der abzutragenden Schicht
Schnittgrößen Parameter die zur Spanabnahme eingestellt werden müssen
Vorschub f: Weg in Vorschubrichtung, der vom WZ/Wst pro Umdrehung/Hub zurückgelegt wird
௙
Zahnvorschub ݂௭ : Weg in Vorschubrichtung zwischen zwei unmittelbar nacheinander entstehenden Schnittflächen: ݂௭ = ௭
Spanungsverhältnis G: Verhältnis zwischen Schnitttiefe zu Vorschub bzw. Schnittbreite zu Vorschub: ‫= ܩ‬
Schnitttiefe/-breite: Breite/Tiefe des Eingriffs der Hauptschneide
Spanungsgrößen werden aus Schnittgrößen und Werkzeuggeometrie abgeleitet
Spanungsdicke h: Dicke des abzunehmenden Spans: ℎ = ݂ ∙ sin ߢ௥
௔೛
௙
௔
Spanungsbreite b: Breite des abzunehmenden Spans: ܾ = ୱ୧୬೛఑
Spanungsquerschnitt A, Fläche des abzunehmenden Spans:
Zeitspanungsvolumen Q: vom WS in einer best. Zeiteinheit abzuspanendes Volumen, Maß für Effektivität des Spanungsvorganges
ೝ
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Drehen, Hobeln, Stoßen: ܳ = ‫ݒ ∙ ܣ‬௖ = ܾ ∙ ℎ ∙ ‫ݒ‬௖ = ܽ௣ ∙ ݂ ∙ ‫ݒ‬௖ , Fräsen, Kreissägen: ܳ = ܽ௣ ∙ ܽ௘ ∙ ‫ݒ‬௙ , Bohren ins Volle: ܳ = ߨ ∙ ܽ௣ ଶ ∙ ‫ݒ‬௙ | ܽ௣ = ଶ ∙ ݀
Geometrie des Schneidteils siehe Folien 36 – 57
Zerspankraftkomponenten siehe Folien 59 – 70
Zerspankraft ‫ ܨ‬: ist die bei einem Zerspanvorgang von einem Schneidteil auf das Werkstück wirkende Gesamtkraft. Sie setzt sich zusammen aus:
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Aktivkraft ‫ܨ‬௔ (in Arbeitsebene), Zerlegung in: ‫ܨ‬௔ = ට‫ܨ‬௖ ଶ + ‫ܨ‬௙ ଶ
o
o
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Schnittkraft ‫ܨ‬௖ (in Schnittrichtung)
Vorschubkraft ‫ܨ‬௙ (in Vorschubrichtung)
Drangkraft ‫ܨ‬ௗ (senkrecht zur Schnittfläche), Zerlegung in: : ‫ܨ‬ௗ = ට‫ܨ‬௣ ଶ + ‫ܨ‬௙ ଶ
o Passivkraft ‫ܨ‬௣ (senkrecht zur Arbeitsebene) und Vorschubkraft ‫ܨ‬௙
Stützkraft ‫ܨ‬ௌ௧ (nur beim Fräsen) (in Arbeitsebene senkrecht zur Vorschubrichtung)
‫ = ܨ‬ට‫ܨ‬௔ ଶ + ‫ܨ‬௣ ଶ = ඥ‫ܨ‬௖ ଶ + ‫ܨ‬ௗ ଶ = ට‫ܨ‬௖ ଶ + ‫ܨ‬௙ ଶ + ‫ܨ‬௣ ଶ
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Die Schnittkraft ‫ܨ‬௖ wird umso größer, je
- größer: die Schnitttiefe ܽ௣ , der Vorschub f, die spezifische Schnittkraft ݇௖
- kleiner: der Freiwinkel ߙ, der Spanwinkel ߛ, Neigungswinkel ߣ
- stärker der Werkzeugverschleiß, geringer die Schmierung
außerdem ist ‫ܨ‬௖ abhängig von dem Zerspanungsverfahren und dem Werkzeugschneidenmaterial (HSS, Hartmetal, …)
Verschleißformen und Verschleißursachen und entgegenwirkende Maßnahmen:
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Ausbrüche – mechanische Überbeanspruchung höhere Festigkeit der Schneide
Freiflächenverschleiß – Abrasion höhere Härte
Aufbauschneidenbildung – Adhäsion geringe Adhäsionsneigung zum bearb. WS
Kolkverschleiß – Diffusion (+Abrasion) Diffusionsbeständigkeit (chem. Stabilit.)
Kerbverschleiß – Oxidation (+Abrasion) Oxidationsbeständ. (chem. Stabilität)
Plastische Verform. – mechan./therm. Überbeanspr. hohe Härte/Druckfestigkeit
Querrisse – zu hohe mechan. Wechselbeanspruch. Zähigkeit
Kammrisse – therm. Wechselbeanspruchung Thermoschockbeständigkeit
Typische Eigenschaften und Anwendungen von Schneidstoffen
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Werkzeugstähle: hohe Härte, verschleißbeständig, zäh
Kaltarbeitsstähle: Härte/Zähigkeit über Kohlenstoffanteil einstellbar Für HandarbeitsWZ (Feilen, WZ zum Gewindeschneiden, Sägeblätter)
Schnellarbeitsstähle HSS: hohe Warmhärte/Anlassbeständigk. Gute Duktilität Bohrer, Reibahlen, Fräser, Kreissägeblätter, Räumwerkzeuge
WC-basierte Hartmetalle: höhere Warmhärte/Verschleißbeständigk., aber spröder
Erhöhung Karbidanteil (TiC, NbC) führt zur Reduzierung des Diffusionsverschleißes
Erhöhung Kobaltanteil führt zur Verbesserung der Kantenstabilität
Wendeschneidplatten, Bohrer, Reibahlen, Kreissägeblätter, Gewindeschneid-WZ
Cermets: höhere Härte, Verschleißfest., Temp-/Oxidationsbeständ. als Hartmetalle
durch Beschichten (PVD) Verbesserung der Zähigkeit/Duktilität
Wendeschneidplatten/Fräser zum Schlichten v. Stählen, Schruppbearbeitung
Schneidkeramiken (Oxid-, Misch-, whiskerverstärkte-, nichtoxidische Keramik): sehr hohe Härte, hohe Verschleiß-/Temperatur- und chem.
Beständigkeit, sprödbruchanf.
Bearbeitungen mit hohen Schnittgeschw. (Stahl-/Gusswerkstoffe in Serie)
Kubisches Bornitrid (CBN): zweithärtester, sehr hohe Temp.best./chem. Beständ.
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Bearbeitung gehärteter Stähle, Hartguss, Gusseisen, Hartstoffschichten
Diamant (PKD, CVD, MKD, Naturdiamant): härtester Werkstoff, sehr gute Wärmeleitfähigkeit, geringe Reibwerte, starke Affinität zu Eisen
Bearbeitung härtester Werkstoffe (Nichteisenmetalllegierungen), abrasiv wirkender WS, Kunststoffe und Holzwerkstoffe
Drehen: Verfahrensprinzip
- Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger Schnittbewegung des Werkstücks und beliebiger, quer zur Schnittrichtung liegender Vorschubrichtung
- Schnittbewegung wird durch Rotationsbewegung erzeugt
- Vorschub- und Zustellbewegungen werden durch translatorische Bewegungen erzeugt
Fräsen: Verfahrensprinzip
- Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung des Werkzeugs (WZ meist mehrzahnig)
- Schneiden nicht ständig im Eingriff: unterbrochener Schnitt hohe therm. Wechselbeanspruchung des WZs/Schneidstoffs (Spanungsdicke h ist WZabh.)
- Vorschub- und Zustellbewegungen werden durch Werkzeug und/oder Werkstück erzeugt
Drehen
Fräsen
-nur eine Schneide im Eingriff
- mehrere Schneiden im Eingriff
bei unveränderlichen Zerspanungsbedingungen gleichbleibende Kräfte
Zerspankraft schwankt in Größe und Richtung (durch Rotationsbewegung)
Verfahrensvarianten:
Stirnfräsen: an der Stirnseite des WZ liegende Nebenscheiden erzeugen die WS-Oberfläche (vglw. hoher Zeitspanungsvolumen)
Umfangsfräsen: am Umfang des WZ liegende Hauptschneiden erzeugen die WS-Oberfläche wellige Oberfläche
Stirn-Umfangsfräsen: am Umfang des WZ liegende Hauptschneiden und an der Stirnseite des WZ liegende Nebenscheiden
erzeugen gleichzeitig die WS-Oberfläche glatt; Zerspanungsarbeit hauptsächl. von Umfangsschneiden
Gleichlauffräsen: im Eingriffsbereich sind die Drehrichtung des Fräsers und die Werkstückbewegung gleichgerichtet
genauere und gleichmäßigere Oberflächen, Zerspankraft drückt WS in Richtung Maschinentisch, für
schwierig zu spanenden WS geeignet
Gegenlauffräsen: im Eingriffsbereich sind die Drehrichtung des Fräsers und die Werkstückbewegung entgegengerichtet
Zerspankraft bewirkt Abheben des Werkstücks vom Maschinentisch
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Merkmal
Bewegungsrichtung
Gleichlauffräsen
Gegenlauffräsen
Vorschubbewegung des Werkstücks und Schnittrichtung des
Werkzeugs sind gleich gerichtet
Vorschubbewegung des Werkstücks und Schnittrichtung des
Werkzeugs sind entgegen gerichtet
Auswirkung auf
Zerspanungsprozess
glatte und präzise Oberfläche
Durchtrennen von nicht abtransportierten Spänen
wellige Oberfläche
hohe Zerspanungstemperatur (Spaneinzug zw. WS/WZ mögl.)
Kraftrichtung
Werkstück wird auf Maschinetisch gedrückt („Klettern“)
Werkstück wird vom Maschinetisch weggedrückt („Ansuagen“)
Anwendungen
Vorzugsvariante
(Voraussetzung: ausreichende Steifigkeit der Maschine)
bei harten Schichten am Rand (Gusshaut, Schmiehaut,
Schweißnähte)
Spanungsdicke
bei Fräseintritt: ℎ = ℎ௠௔௫
bei Fräsaustritt: ℎ = 0
bei Fräseintritt: ℎ = 0
bei Fräsaustritt: ℎ = 0
Besonderheiten bei der Spanbildung:
Drehfräsen: Überlagerung der Hauptschnittbewegung des rotierenden Fräserwerkzeugs mit einer langsamen Drehbewegung des WS und einer
Vorschubbewegung Verfahrensvarianten siehe Folie 199/200
HSC-Bearbeitung: High-Speed-Cutting= Zerspanung mit deutlich höherer Schnittgeschwindigkeit – Trockenbearbeitung oder Minimalmengenschmierung
geringe Schnitttiefen/-breiten und Arbeitseingriffe , hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten
- linearer Anstieg des Zeitspanungsvolumens mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit
- lineare Verringerung der Schnittzeit mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit
- Komponenten der Zerspankraft sind bis zu 30% kleiner (durch die kurzzeitig sehr große Wärmemenge in der Scherzone
reduziert sich die Festigkeit des Werkstoffs)
- Anstieg der Zerspanungstemperatur mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit bis Maximum (95% Wärmeabfuhr über Span)
Bohren: - Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung,
- die Drehachse des WZ und die Achse der zu erzeugenden Innenfläche stimmen überein - die Vorschubbewegung verläuft entlang dieser Achse
- Erzeugung der rotatorischen Schnittbewegung durch WZ oder WS, Vorschubbewegung erfolgt meist durch WZ
Bohrwerkzeuge: siehe Folien 223-233
einteilige: Wendelboher (zweischneidiger Bohrer, i.d.R. aus HSS)
- Dreischneidenbohrer (höhere Vorschubwerte mgl.; gutes Zentrierverhalten, guter Spanabtransport durch große Spanräume): Bohren v. Stahl/Alu/Guss
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- NC-Anbohrer: Anbohren von Werkstücken zur besseren Zentrierung des Bohrers
- Zentrierbohrer: Herstellung von Zentrierbohrungen
- Gewindebohrer: Herstellung von Innengewinden, Voraussetzung ist ein vorhandenes Kernloch, wichtig: Synchronisation von f und n
- Mehrfasenstufenbohrer: Bohrer mit (2) unterschiedlichen d zur Einsparung einer Arbeitsstufe Durchgangsbohrung f. Zyl.kopfschrauben
- Einlippenbohrer: einschneidiges Bohrwerkzeug zur Herstellung v. Bohrungen mit hoher Maß- und Formgenauigkeit, OberflächengüteTiefbohren v. Alu/Guss
- Kernbohrer: innen hohler Bohrer zur Erzeugung rot.symm Nuten und Durchgangsbohrungen
mehrteilige: mit Wendeschneidplatten bestückter Bohrer (Vorteil, nur Wendeschneidplatten unterliegen Verschleiß)
Spatenbohrer: Bohrer besteht aus einem Blatt und einem Halter große Räume für Spanabführung
Senkwerkzeuge
Kugelsenker: zum Entgraten und Ansenken von Bohrwerkzeugen
Entgratungssenker: Vorteil: Späne werden durch Bohrung zum Schaft abgeführt und können so Senkung nicht beschädigen
Zapfensenker: Zapfen wird in Bohrung geführt und gewährleistet so zentrischen Sitz der Senkung Herstellung (Planei)senkung f. Zyl.kopfschrauben
Reibwerkzeuge
Reibahlen: bestehen aus Anschnitt und Führung, zum Erreichen hoher Maßgenauigkeit, Rundheit, guter Oberflächenqualität
Zerspanen mit geometrisch unbestimmter Schneide
Spanbildungsmechanismus (im Vergleich zum Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide)
Gemeinsamkeiten: Spanbildung in 3 Phasen: elastische Verformung plastische Verformung Abscherung
Unterschiede: - Schneidenanzahl, Geometrie der Schneidteile und Lage der Schneiden zum Werkstück sind unbestimmt
ständiges verändern von Schneidengeometrie und -anzahl durch Verschleiß während des Zerspanprozesses (mikroskopisch)
- Schneidstoff: loses oder im Werkzeug gebundenes Korn
- Werkzeugschneide ist keine homogener Werkstoff Bildung der „Schneide“ durch viele Schleifmittelkörner (Einzelschneiden)
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-Mikroverschleiß: sehr hohe Drücke/Temperaturen Diffusions- und OxidationsvorgängeSenkung Abriebwiderstandverstärkte Abrasion
-Makroverschleiß: hohe mech.(therm Wechselbelastung Rissbildung im Kristallverbund (Bindungsverschleiß) und in Körnern (Kornverschleiß)
Herausbrechen von Körnern
Auswirkungen: - Kanten- und Profilveränderungen an den Werkzeugen Formabweichungen am Werkstück
- Verschlechterung der Zerspanbedingungen erhöhte Kräfte
- Verschlechterung der Oberflächengüte
Verschleiß
Schleifen:
- Zerspanungsverfahren, bei dem die Spanabnahme durch ein vielschneidiges Werkzeug mit geom.uUnbest. Schneide erfolgt
- Werkzeug führt Schnittbewegung aus, Vorschubbewegung von WZ oder Wst ausgeführt (abh. Vom Arbeitsverfahren)
- hohe Schnittgeschwindigkeiten (bis 7200m/min)
Schleifen mit rotierendem Werkzeug: kein ständiger Kontakt von Schleifkorn und Werkstück, hohe Schnittgeschwindigkeiten
Außen- und Innenschleifen (Lage der zu erzeugenden Fläche); Plan-, Rund-, Form-, und Profilschleifen (Art der zu erzeugenden Fläche)
Quer-, Längs- und Schrägschleifen (Richtung d er Vorschubbewegung); Umfangs- und Seitenschleifen (Eingriff des Werkzeuges)
Bandschleifen: WZ besteht aus Schleifband (=Schleifkörner auf einer Unterlage), das über mind. 2 rot. Rollen umläuft – Schleifband an WS gepresst
kein ständiger Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug
Hubschleifen: spanen mit nicht rotierendem WZ, meist geradlinige hin-und hergehende Schnittbewegung, ständiger Kontakt zw. WS und Schleifkorn
Anwendungen: Endbearbeitung von Werkstücken mit hoher Oberflächengüte und Maßgenauigkeit, Grobbearbeitung von Rohteilen (z.B. Putzen von
Gussteilen), Schleifen/Nachschleifen von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide
Werkzeug: Zusammensetzung: gekörntes Schleifmittel, Bindemittel (Zusammenhalt), dazwischen Porenraum (Abtransport Späne)
Schleifmittel: Korund, Siliziumkarbid, CBN, Diamant
Vorteile: gute Bearbeitbarkeit harter und schwer zerspanbarer Werkstoffe, hohe Oberflächenqualität, hohe Maß-, Form- und Lagegenauigkeit
Nachteile: geringes Zeitspanvolumen und höherer Energiebedarf im Vgl. zum Drehen/Spanen, geringe Flexibilität bei der Formgebung, sehr hohe
Temperaturen in der Kontaktzone Anlauffarben, Gefügeänderungen
Abrichten: - Erzeugen einer definierten Werkzeugprofils, Schärfen von Werkzeugen (mit Korund oder SiC)
- Wiederherstellen der durch Verschleiß veränderten geometr. Ausgangsform der Scheibe sowie deren Rundlaufgeometrie
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