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Die Spanbildung beim Drehen von Stahl

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C 1012 de Die meisten Stähle sind langspanende Werkstoffe. Beim Drehen, dem am häufigsten angewendeten Zerspan verfahren, erscheint der ablaufende Span dem Betrachter als glattes Band. Je nach den geometrischen
Schnittbedingungen entstehen Band-, Wirr- oder Wendelspäne. Die Zeitdehneraufnahme eines Ausschnitts
von etwa 10 mm Breite läßt erkennen, daß der abzunehmende Werkstoff auf der Spanfläche des Werkzeugs gestaucht wird. Dabei bilden sich an der Spanwurzel gegeneinander verschobene dünne Lamellen. Der Span besitzt deshalb seitlich und oben eine rauhe Oberfläche. Die Spanungsdicke beträgt hier 0,8 mm, die Dauer des gezeigten Vorganges etwa 1/10 s. Für Grundlagenuntersuchungen ist der Orthogonalsohnitt als einfachster Zerspanungsfall am besten geeignet. - Beim reinen Orthogonalschnitt ist die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug geradlinig, und die Spanabnahme wird ausschließlich durch die Hauptschneide bewirkt. Die Spanungsbreite muß also kleiner als die Hauptschneidenlänge gewählt werden. Während des Zerspanungsvorganges gleiten die Lamellen, die an der Spanwurzel bei der Stauchung des abzunehmenden Werkstoffes entstehen, in einer Scherebene ab.
Die Größe des Scherwinkels phi, den die Scherebene mit der Schnittrichtung bildet, hängt von den Eigenschaften des Werkstoffes und den Schnittbedingungen ab. Der Orthogonalschnitt kann durch einen Drehvorgang angenähert werden, z. B. durch Abdrehen einer Scheibe - oder durch Stirndrehen eines Rohres mit einem Einstellwinkel von 90°. In beiden Fällen hat die Schnittfläche einen endlichen Radius, doch ist die Abweichung gegenüber dem reinen Orthogonalschnitt bei genügend großem Durchmesser der Werkstücke gering. Während sich aber an der Scheibe die Schnittgeschwindigkeit bei konstanter Drehzahl ständig verringert, bleibt sie am Rohr konstant. Hier das Abdrehen eines Rohres. Nach Bildung einer kleinen Spirale beim Anschnitt läuft der Span als Wendel ab. Stößt der Wendelspan auf das Maschinenbett auf, so wird der Ablauf beeinflußt, und es entsteht ein Wirrspan. Die Zeitdehnung läßt das Entstehen der Spirale beim Anschnitt gut verfolgen. Während des Einstichvorganges nimmt die Dicke der abgehobenen Schicht, d. h. die Spanungsdicke, stetig zu. Das Stauchverhältnis - das ist der Quotient von Dicke des ablaufenden Spanes zu Dicke der abgehobenen Schicht - wird dabei kleiner, und gleichzeitig wächst der Scherwinkel. Am Span erkennt man jetzt auch die Lamellenorientierung in Scherebenenrichtung. Das Abknicken der Drehrillen des Werkstückes beim Einlaufen in den Spanwurzelbereich läßt auf einen Verformungsvorlauf im Werkstück schließen. Im kristallinen Peingefüge des Werkstoffes, das hier durch Polieren und Ätzen sichtbar gemacht und unter dem Mikroskop aufgenommen wurde, zeigt sich an der Spanwurzel eine starke Verformung während der Spanbildung. Man sieht ferner besonders deutlich den Verformungsvorlauf im abzunehmenden Werkstoff und auch eine Beeinflussung der tieferen Gefügeschichten senkrecht zur Schnittrichtung. Im ablaufenden Span sind die Lamellen, die bei der Stauchung des Werkstoffes aus den Kristalliten entstehen, ebenfalls klar zu erkennen. Bei kleiner Schnittgeschwindigkeit ist die Spanbildung
nicht ganz kontinuierlich. Das Ergebnis ist ein Scherspan. - Seine Oberfläche ist stark zerklüftet. Manchmal entstehen relativ große Spanelemente, deren Zusammenhalt weniger fest ist. Gelegentlich bildet sich auch eine Aufbauschneide. Eine höhere Schnittgeschwindigkeit unter sonst unveränderten Zerspanungsbedingungen bewirkt die Bildung gleichmäßig feiner Spanlamellen. Es entsteht ein kontinuierlicher Fließspan. Aufbauschneiden treten nicht mehr auf. Bei großen Spanwinkeln ist die Spanstauchung relativ gering. Spanbildung und Spanablauf werden begünstigt; Aufbauschneiden entstehen auch bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten kaum noch. Ein größerer Spanwinkel erfordert infolgedessen weniger Schnittkraft. Aber der Meißel ist wegen des kleineren Keilwinkels weniger stabil und die Wärmeableitung schlechter, so daß die thermische Anfälligkeit der Schneide erhöht ist. Je kleiner der Spanwinkel ist,
desto stärker wird der Span gestaucht und läuft mit entsprechend geringerer Geschwindigkeit ab. Damit wird die Bildung von Aufbauschneiden begünstigt. Die anwachsende Aufbauschneide vergrößert die wirksame Spanungsdicke, wie man deutlich an der Veränderung des Freiwinkelspaltes erkennt. Sie wird schließlich instabil und wandert über Span- und Freifläche ab. Aber schon bald bildet sich eine neue Aufbauschneide. Dieser Mechanismus führt zu Schwankungen der Schnittkraft und einer ungleichmäßigen Oberflächengüte am Werkstück. Mit negativen Spanwinkeln erreicht man zwar eine
wesentlich höhere Stabilität des Werkzeugs, aber die Verformung im Spanwurzelbereich, die Spanstauchung und auch die Bildung von Aufbauschneiden nehmen erheblich zu. Die Folge ist eine stark diskontinuierliche Spanbildung und eine entsprechend rauhe Oberfläche des Werkstücks. Die hierbei recht stabile Aufbauschneide vergrößert den wirksamen Spanwinkel und wird kaum vollständig abgelöst. Sie erniedrigt aber auch die mittlere Schneidentemperatur mitunter beträchtlich, da der ablaufende Span gar nicht oder nur wenig mit der eigentlichen Werkzeugschneide in Berührung kommt. Durch eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit läßt sich auch mit negativen Spanwinkeln eine Aufbauschneide vermeiden und die Bildung eines normalen Fließspanes erreichen. Die Spanstauchung und damit die Verformung in der Spanbildungszone bleiben dabei nahezu unverändert. Die Spanablaufgeschwindigkeit ist dementsprechend gering. Aber am Werkstück ist das Bearbeitungsergebnis merklich verbessert.
Stahl
Drehen
Institut für Fertigungstechnik
Computeranimation
Span
Stahl
Spanbildung
Werkstoff
Band <Textilien>
Maschinenbett
Einlaufen <Maschinenbau>
Schnittgeschwindigkeit
Spanbildung
Scheibe
Werkstück
Werkstoff
Anschnitt <Spritzgießwerkzeug>
Span
Werkzeug
Stauchung
Ätzen
Handwerkszeug
Elektronenröhre
Deformation
Polieren
Schicht
Nachlauf <Verfahrenstechnik>
Schnittfläche <Fertigung>
Span
Geschwindigkeit
Näherin
Meißel
Schnittgeschwindigkeit
Schnittkraft
Spanbildung
Mechanismus <Maschinendynamik>
Brücke
Span
Schnittgeschwindigkeit
Spanbildung
Eichen
Werkstück
Brücke
Wies
Deformation
Computeranimation

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Die Spanbildung beim Drehen von Stahl
Alternativer Titel Chip Formation in Machining Steel
Autor Wiebach, Hans-Georg
Lizenz Keine Open-Access-Lizenz:
Es gilt deutsches Urheberrecht. Der Film darf zum eigenen Gebrauch kostenfrei genutzt, aber nicht im Internet bereitgestellt oder an Außenstehende weitergegeben werden.
DOI 10.3203/IWF/C-1012
IWF-Signatur C 1012
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 1968
Sprache Deutsch
Produzent IWF
Produktionsjahr 1968

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten Film, 16 mm, LT, 118 m ; SW, 11 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Stahl C 45 W 3: Langdrehschnitt mit Nebenschneideneingriff; Orthogonalschnitt. Stahl 16 MnCr 5: Mikroaufnahme der Zerspanung mit geringer Schnittgeschwindigkeit: Verformung des kristallinen Gefüges, Lamellenbildung, Spanstauchung. Einfluß von Schnittgeschwindigkeit und Spanwinkel. Mit Zeitdehnung.
The film demonstrates and explains the process of chip formation when turning steel with carbide cutting tools. Additionally, longitudinal machining of C 45 W 3 steel by a traversing cutter is shown at normal frequency and in slow motion. The film then deals in detail with an approximately orthogonal cut. An animated drawn film sequence of the cutting process at the chip root explains the formation of chip lamellae, which slide off under the angle of shear. In a photomicrographic shot of the machining of 16 MnCr 5 steel at a low cutting speed, the deformation of the crystalline structure, formation of lamellae and throwing up of chips are all clearly visible, as is the progress of shaping the material being machined. Finally, the influence on chip formation of alterations in cutting speed and angle of cut is demonstrated by slow motion sequences taken at 800 and 8000 frames per second. Low cutting speeds give rise to the formation of discontinuous chips. Small and particularly negative angles of cut increase the deformation at the chip root and promote the formation of build-up edges.
Schlagwörter Spanbildung / Wirrspanbildung / Metall
Spanbildung / Wendelspanbildung / Metall
Spanbildung / Fließspanbildung / Metall
Spanbildung / Bandspanbildung / Metall
Aufbauschneidenbildung
built-up edge formation
chip formation / metal
chip formation / steel
built-up edge

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