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Zerspanen metallischer Werkstoffe

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Der grundlegende Vorgang bei der spanenden Bearbeitung ist die Spanentstehung. Unter praxisüblichen Bedingungen, wie hier an einer Drehmaschine, sind die Einzelheiten der Spanentstehung, die sich an der Wirkstelle von Werkstück und Werkzeug abspielen, nicht zu erkennen.
Mit Hilfe einer besonderen Versuchstechnik kann nun der Zerspanvorgang so dargestellt werden, daß er durch ein Mikroskop beobachtet und gefilmt werden kann.
Der Zerspanvorgang läuft als Orthogonalschnitt an der definierten Ebene einer Quarzglasplatte ab. Dadurch wird es möglich, die Phasen der Werkstoffverformung im Spanwurzelbereich und die Vorgänge an den Werkzeug- Kontaktzonen sichtbar zu machen. Wie die folgende Aufnahme zeigt, dringt beim Spanen der Schneidkeil
eines Werkzeugs in die Randschicht des Werkstücks ein. Er verdrängt den in Schnittrichtung liegenden Werkstoff, der als Span abgetrennt wird und über die Spanfläche nach links abläuft. Das ferritisch-perlitische Werkstoffgefüge wurde durch Polieren und Ätzen sichtbar gemacht. Die Bildfeldbreite bei diesen mikroskopischen Aufnahmen beträgt 0,4 mm. Verläuft die Scherverformung in der primären Scherzone kontinuierlich ohne Rißbildung, dann entsteht ein Fließspan mit einer entsprechend gleichmäßig gerichteten Gefügestruktur. Fließspäne entstehen bei der Zerspanung plastisch verformbarer Werkstoffe wie hier bei einem Kohlenstoffstahl C 45. Da die Verformungsfähigkeit eines Werkstoffs jedoch in Abhängigkeit von demjeweiligen Spannungszustand begrenzt ist, treten an der Oberfläche kleine Scherrisse auf. Der Grad der Verformung in der Scherzone wird entscheidend durch den Spanwinkel bestimmt. Ein Spanwinkel von 45 Grad ergibt einen relativ schlanken, messerartigen Schneidkeil, der bei der Spanentstehung nur eine geringe Scherverformung verursacht. Dementsprechend erscheint der Fließspan gleichförmig und ohne eine ausgeprägte Verformungsstruktur. Die glatte Oberseite des etwa 120 Mikrometer dicken Spans wird nur gelegentlich von kleinsten Scherrissen unterbrochen.
Auf einer Spanfläche mit einem Spanwinkel von 0 Grad wird der Werkstoff bei der Spanbildung im rechten Winkel umgelenkt, so daß der Stauch- und Schervorgang in der Spanentstehungszone eine deutliche Verformungsstruktur im Span erzeugt. Durch die Scherrisse an der Spanoberseite entstehen kommaförmige Spitzen, und der Span erscheint entsprechend rauh.
Bei einem Spanwinkel von minus 20 Grad ist die Werkstoffbeanspruchung besonders intensiv. Neben der primären Scherverformung bewirken die Reibung auf der Spanfläche in Verbindung mit der hohen Druckbelastung sekundäre Schervorgänge in der Spanunterseite. Dadurch entsteht eine deutlich ausgeprägte helle Fließschicht. Die ungleichmäßigen Scherrisse an der Spanoberseite geben dem Span ein zerklüftetes Aussehen. Eine geringfügige Vergrößerung der Spanungsdicke bewirkt bei diesem Werkstoff und sonst unveränderten Schnittbedingungen den Wechsel zum Scherspan. Es entstehen in periodischer Folge einzelne Scherspan-Elemente durch Haftreibung und Aufstauchen des Werkstoffs auf der Spanfläche einerseits und - infolge der zunehmenden Zerspankraft - durch Abscheren und Gleiten andererseits. Erneute Stauch- und Haftphase, - Abscher- und Gleitphase, - und wieder der Wechsel zum Aufstauchen und Haften sowie Abscheren und Gleiten des Spans auf der Spanfläche.
Eine abgerundete Schneide stellt einen Übergangsbereich von der Span- zur Freifläche mit zunehmend negativen Spanwinkeln dar. Der Werkstoff unterliegt in diesem Bereich einer hohen Druckbeanspruchung, so daß sich an der Schnittfläche im Werkstück eine Fließschicht bildet. Beim sogenannten schabenden Schnitt, das heißt bei sehr kleinen Spanungsdicken, entsteht der Span an der abgerundeten Schneide unmittelbar vor der Freifläche im Bereich größerer negativer Spanwinkel. Der Werkstoff staut sich hier und schiebt sich in der Form von keilförmigen Scherspanelementen über die abgerundete Schneide, ohne die Spanfläche dabei noch zu berühren. Nach diesem Beispiel der Scherspanbildung bei kleinsten Spanungsdicken nochmals die Bildung größerer
Scherspanelemente beim Zerspanen des Automatenstahls 9 S 20. Endphase des Stauchens - und Beginn des Abscherens bei gleichzeitigem Einsetzen eines neuen Stauchvorgangs. Der aufgestaute Werkstoff löst sich von der Spanfläche und - von der Schneide ausgehend - beginnt der Abschervorgang, der sich jetzt weiter rechts vollzieht. Keilförmiger Werkstoffstau, über den sich weitere verformte Gefügeschichten legen, von der Schneide ausgehendes Abscheren und erneutes Stauchen.
Beim Zerspanen der Aluminiumlegierung AlCuMgPb wechselt die Spanentstehungsform zwischen Fließspänen und Scherspänen. Hier zeigt sich der Einfluß der wechselnden Kristallorientierung bei diesem grobkristallinen Gefüge. Die Spanbildung ändert sich an den Korngrenzen. Dabei wechselt auch das durch Hell-Dunkel-Schattierungen angezeigte Verformungsgeschehen. Wechselnden Scherspanformen in verschiedenen Kristalliten folgt - nach der Korngrenze - ein Fließspan mit scharf markierter Scherebene. An der folgenden Korngrenze nimmt die Spandicke zu. In diesem Kristallit entsteht wieder ein gleichmäßig strukturierter Fließspan.
Beim Zerspanen spröder Werkstoffe wie dem Grauguß GG 20 entstehen Reißspäne. Hier werden einzelne ungleichförmige Spanstücke ohne nennenswerte plastische Verformung aus dem Gefügeverband herausgerissen. Bevorzugte Trennflächen entstehen an den im Grauguß eingelagerten Graphitlamellen, die in dem polierten, aber nicht geätzten Gefüge deutlich sichtbar sind. Durch die Keilwirkung des Schneidkeils wird der Werkstoff, auch über die Schneidkante hinausgehend, so beansprucht, daß das Gußgefüge teilweise aufgelockert wird, teilweise werden aber auch einzelne Gefügeelemente ganz herausgebrochen. Dadurch entsteht die für Grauguß typische Oberflächenstruktur. Bei dieser Aufnahme beträgt die Bildfeldbreite 0,8 mm.
Bei einer wieder auf 0,4 mm reduzierten Bildfeldbreite ist das Verhalten des Gußgefüges unter der Schneidkeilwirkung deutlicher zu erkennen. Während an den perlitischen Bestandteilen Ansätze für eine plastische Verformung sichtbar werden, wird der lamellenförmig eingelagerte Graphit wie eine weiche Masse herausgequetscht und wirkt so als Schmiermittel. Die Trennflächen für einzelne Spanelemente sind hinsichtlich ihrer Richtung und Form so unregelmäßig und ungleichförmig wie die Spanelemente selbst. Je nach Anordnung und Lage der Graphitlamellen laufen diese Trennflächen teilweise in das Werkstück hinein und unregelmäßig an die Oberfläche zurück.
An einer abgerundeten Schneide kommt es aufgrund eines höheren Druckspannungszustandes auch bei spröden Werkstoffen zu plastischen Verformungen. Infolge der sekundären Scherung an der Freifläche fließt der Werkstoff in der Werkstückrandschicht. Dadurch wird die Oberfläche mit einer perlitischen Fließschicht eingeebnet und verliert das für Grauguß typische Aussehen und ihre charakteristischen Eigenschaften.
Mit zunehmender Spanungsdicke verstärkt sich die Keilwirkung des Schneidkeils. Damit nimmt das Herausbrechen von Reißspanstücken zu, und es stellt sich das für die Gußspanbildung typische Bild ein.
Schmierstoff
Adhäsion
Reibung
Werkstück
Haftreibung
Gleitflugzeug
Automatenstahl
Computeranimation
Richtung
Span
Spannungszustand
Spröder Werkstoff
Oberflächenstruktur
Schnittkraft
Ätzen
Handwerkszeug
Scherung
Graphit
Negativ <Photographie>
Polieren
Deformation
Gefüge <Werkstoffkunde>
Plastische Deformation
Werkstoffbeanspruchung
Spanbildung
Proof <Graphische Technik>
Werkstoff
Korngrenze
Stauchen
Kohlenstoffstahl
Trennfläche
Werkzeug
Näherin
Perlite
Messschraube
Aluminiumlegierung
Grauguss
Physikalische Größe
Fertigungstechnik
Randschicht
Mikroskopie
Spanende Bearbeitung
Schnittfläche <Fertigung>

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Zerspanen metallischer Werkstoffe
Alternativer Titel Metal Cutting
Autor Warnecke, Günter
Hummel, Günter
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/Z-12586
IWF-Signatur Z 12586
Herausgeber IWF (Göttingen)
Erscheinungsjahr 2004
Sprache Deutsch
Produzent IWF (Göttingen)
Produktionsjahr 1976

Technische Metadaten

IWF-Filmdaten DVD-Video ; SW, 24 min

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Technik
Abstract Die DVD enthält die beiden IWF-Filme C 1246 "Zerspanen metallischer Werkstoffe - Spanentstehung; Schnittvorgang im Feingefüge" und C 1247 "Zerspanen metallischer Werkstoffe - Aufbauschneidenbildung; Schnittvorgang im Feingefüge".
The DVD contains the IWF films C 1246 "Metal Cutting - Chip Formation; Cutting in Microstructure" and C 1247 Metal Cutting - Built-up Edge Formation; Cutting in Microstructure".
Schlagwörter Zerspanen
Stahl / Feingefüge
Spanbildung / Scherspanbildung / Metall
Spanbildung / Reißspanbildung / Metall
Spanbildung / Fließspanbildung / Metall
Leichtmetall / Feingefüge
Gußeisen / Feingefüge
Aufbauschneidenbildung
Aluminiumlegierung / Feingefüge / Spanbildung
aluminium alloy / fine etching / chip build-up
built-up edge formation
cast iron / fine etching
chip formation / flow chips / metal
chip formation / shear chips / metal
chip formation / tear chips / metal
light metal / fine etching
metal cutting
steel / fine etching

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