Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit ist ein Begriff aus der Fertigungstechnik und bezeichnet das komplexe Verhalten eines Werkstoffes bei der spanenden Bearbeitung. Sie stellt eine der wichtigsten Kenngrößen der Maschinenbauwerkstoffe dar. Die DIN 6583^[1] definiert die Zerspanbarkeit als „[…] die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen“.

Durch spanende Bearbeitung, wie beispielsweise Drehen, Fräsen und Bohren, werden Werkstücke in ihrer Form geändert. Gut zerspanbare Werkstoffe zeigen glatte Oberflächen nach der Zerspanung, ergeben Späne, die den Fertigungsablauf nicht behindern, die Zerspankräfte sind gering sowie die Standzeit der Werkzeuge hoch. Je nach Fertigungsverfahren können durchaus unterschiedliches Verhalten vorteilhaft oder nachteilig sein.

Einflussfaktoren

Die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs hängt von vielen Parametern ab. Meist sind Festigkeit und Zähigkeit wichtige Faktoren. So sind beispielsweise Werkstoffe mit hoher Festigkeit weniger gut zerspanbar, weil man höhere Schneidkräfte und somit höhere Energie zum Zerspanen benötigt. Verformungsverfestigung wirkt sich negativ auf die Zerspanbarkeit aus, da die beim Schneiden verformte Zone und damit die Späne verfestigen und später brechen. Zudem erhöht das verfestigte Material vor der Schneide die Schneidkräfte. Man spricht vom Aufbauschneiden.

Auch andere Faktoren, wie die Wärmeleitfähigkeit des Materials sind von Bedeutung. Deshalb sind Werkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kunststoffe, weniger gut zerspanbar, weil die entstehende Reibungswärme nicht schnell genug abgeführt werden kann.

Die quantitative Beurteilung der Zerspanbarkeit ist schwierig, da die Zerspanbarkeit nicht nur vom Werkstoff, sondern auch von den Zerspanbedingungen abhängt. Die Zerspanbedingungen sind die Geometrie und Werkstoffeigenschaften des Werkzeugs, die Einstellungen der Maschine, wie Schnittgeschwindigkeit und Vorschub. Der Einsatz von Kühl- und Schmierflüssigkeit hat ebenfalls einen Einfluss. Des Weiteren erfordern auch die unterschiedlichen Zerspanverfahren unterschiedliche Zerspanbedingungen.

Quantifizierung der Zerspanbarkeit

Nicht nur die Einflussgrößen der Zerspanbarkeit sind komplex, auch die Quantifizierbarkeit der Zerspanbarkeit selbst ist nicht trivial. So gibt es mehrere Größen, die herangezogen werden können, um die Zerspanbarkeit quantitativ zu beschreiben.

Standweg

Als Standweg eines Werkzeugs bezeichnet man die Strecke, die ein Werkzeug einen Werkstoff unter gegebenen Bedingungen zerspanen kann, bevor es ausgetauscht werden muss. Beträgt der Standweg eines Bohrers 100 Meter, so bedeutet dies, dass man mit diesem Bohrer im betreffenden Werkstoff zu den jeweiligen Bedingungen 1000 Löcher von jeweils 10 cm Länge bohren kann. Großtechnisch ist der Standweg dadurch von Bedeutung, dass er auf die Wartungsintervalle der Maschinen und den Verbrauch der Werkzeuge und damit auf die Kosten der Bearbeitung eine wichtige Bedeutung hat.

Der Standweg ist jedoch kein absolutes Maß für die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs, weil er nicht nur vom Werkstoff sondern auch von den Zerspanbedingungen und vom Werkzeug abhängt.

Werkzeugverschleiß

Ein weiteres Beurteilungskriterium für die Zerspanbarkeit ist der Werkzeugverschleiß. Er hat unmittelbaren Einfluss auf die Standzeit. Aber auch die Schneidkraft wird durch den Werkzeugverschleiß beeinflusst, da ein verschlissenes abgestumpftes Werkzeug eine höhere Schneidkraft erfordert. Auch die Oberflächengüte des Werkstoffs nimmt mit zunehmendem Werkzeugverschleiß ab. Als Maß für den Werkzeugverschleiß dient die Verschleißmarkenbreite nach einem bestimmten Zerspanpensum.

Schneidkraft

Die Schneidkraft ist einerseits für die Wirtschaftlichkeit des Zerspanprozesses von Bedeutung, da sie direkt mit dem Energieverbrauch zusammenhängt. Aber auch der Werkzeugverschleiß ist von der Schneidkraft abhängig.

Oberflächengüte

Ein wichtiges Qualitätskriterium des fertigen Werkstücks ist seine Oberflächengüte. Somit ist die Oberflächengüte auch ein Kriterium für die Zerspanbarkeit. Als Kennwerte für die Oberflächengüte werden die üblichen Rauheitskennwerte herangezogen.

Spanform

Die Spanform lässt direkte Rückschlüsse auf den Zerspanungsprozess zu, der den Werkzeugverschleiß und auf die Oberflächengüte auswirkt. Wünschenswert ist ein Optimum zwischen kurzen, kompakten Spänen, die einen einfachen Abtransport ermöglichen und langen, gleichmäßigen Spänen, die eine höhere Oberflächengüte des Werkstücks ermöglichen. Werden die Späne zu lang, so besteht beispielsweise beim Bohren die Gefahr, dass sich die Späne verklemmen und die Spanabfuhr verstopfen, wodurch es zum Werkzeugbruch oder zumindest zu erhöhtem Verschleiß am Werkzeug kommt. Späne, die sich spiralförmig aufwendeln sind günstiger als welche, die sich leporelloförmig falten, da letztere eine hohes Verklemmrisiko bergen.

Einfluss der Zerspanbedingungen

Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

Grundsätzlich ist es wünschenswert, mit möglichst hohen Schnittgeschwindigkeiten und schnellen Vorschüben zu zerspanen. Dadurch können Taktzeiten minimiert werden. Jedoch erfordert schlechte Zerspanbarkeit zuweilen eine drastische Reduktion dieser Geschwindigkeitsparameter, wenn zu hohe Geschwindigkeiten einen inakzeptabel hohen Werkzeugverschleiß und damit einen niedrigen Standweg und unzureichende Oberflächengüte zur Folge hätte.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe wird beim Plandrehen von der Zustellung, beim Einstechdrehen von der Schneidenbreite bestimmt. Beim Vordrehen sollte die Schnitttiefe aus wirtschaftlichen Gründen (größeres Zeitspanvolumen) so groß wie möglich gewählt werden. Begrenzt wird sie durch die Leistung der Drehmaschine, die Größe der Wendeschneidplatte und der Stabilität des Werkstücks. Beim Fertigdrehen entspricht die Schnitttiefe dem Aufmaß.

Kühlschmiermittel

Alle Beurteilungskriterien der Zerspanbarkeit lassen sich durch die Verwendung eines Kühlschmiermittels verbessern. Wie der Name schon sagt, sind die Hauptaufgaben des Kühlschmiermittels die Kühlung und die Schmierung des Zerspanprozesses. Die Kühlung bewirkt, dass sich Werkzeug und Werkstück lokal nicht zu sehr aufheizen. Durch diese verringerte Schneidtemperatur kommt es zu geringerem Verschleiß. Das Schmieren führt durch das Ermöglichen geringerer Schneidkräfte ebenfalls zu weniger Verschleiß und weniger Energieverbrauch. Zusätzlich verbessert die Schmierung die Oberflächenrauigkeit.

Als Kühlschmiermittel kommt oft eine Emulsion aus Wasser und Öl zum Einsatz. Aufgrund ihrer weißen Erscheinung wird diese im Volksmund „Bohrmilch“ genannt.

Zerspanbarkeit verschiedener Werkstoffe

Stähle

Stähle sind ein sehr komplexes Werkstoffsystem. Entsprechend komplex sind die Einflussparameter auf die Zerspanbarkeit. Es sollen hier nur die wichtigsten erläutert werden:

Kohlenstoffgehalt

Stähle mit niedrigem (<0,2 %) Kohlenstoffgehalt haben einen hohen Anteil an Ferrit. Ferrit ist eine verhältnismäßig weiche Phase des Stahls, die aber ein hohes Potential an Verformungsverfestigung bietet. Deshalb besteht bei sehr niedrigen Kohlenstoffgehalten die Gefahr des Aufbauschneidens. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt, die einen Perlitanteil aufweisen, bergen hinsichtlich der Zerspanbarkeit das Problem, dass die Karbide in der Perlitphase aufgrund ihrer hohen Härte zu einem hohen Verschleiß und damit zu niedrigeren Standwegen und geringeren Oberflächengüten führen. Am besten sind Stähle mit mittleren Kohlenstoffgehalten (0,2 %-0,5 %) zerspanbar.

Gefügebestandteile des Stahls

Im Stahl gibt es folgende wichtige Gefügebestandteile: Ferrit, Austenit, Perlit, Martensit und Bainit. Die einzelnen Gefügebestandteile haben einen wichtigen Einfluss auf die Zerspanbarkeit des Stahls.

Ferrit ist der weicheste Gefügebestandteile, der zudem eine hohe Duktilität besitzt. Die hohe Duktilität erweist sich als problematisch, weil sie lange Späne ermöglicht. Des Weiteren neigt Ferrit beim Zerspanen zur Adhäsion, die sich wiederum störend auf den Zerspanungsprozess auswirkt.

Bei Perlit handelt es sich um ein eutektoides Mischgefüge aus Ferrit und Zementit. Letzterer ist hart und spröde verschlechtert dadurch die Zerspanbarkeit perlitischer Stähle zum einen durch erhöhte Zerspankräfte und verstärkten Verschleiß. Zum anderen führt die Sprödigkeit des Perlits zu früherem Spanbruch. Infolgedessen kommt es zu kürzeren Spänen und weniger Aufbauschneiden; ein für die Zerspanbarkeit erwünschter Effekt.

Austenit ist wegen seines kubisch flächenzentrierten Gitters gut verformbar und weist ein hohes Kaltverfestigungspotential auf. Dies resultiert ähnlich wie beim Ferrit in einer hohen Neigung zum Aufbauschneiden und zu einer hohen Belastung des Schneidwerkzeugs. Auch ist die Adhäsionsneigung stark ausgeprägt. Des weiteren hat die geringere Wärmeleitfähigkeit des Austenits einen negativen Einfluss auf dessen Zerspanbarkeit.

Martensit ist die härteste und sprödeste Phase des Stahls. Dadurch sind martensitische Stähle nur schwer zerspanbar. Der abrasive Verschleiß und die thermische Belastung des Werkzeugs sind sehr hoch.

Bainit bezeichnet das Zwischengefüge zwischen Perlit und Martensit. Je nach Umwandlungstemperatur kommt es in verschiedenen Varianten vor. Man spricht von Oberem Bainit (perlitnah) und Unterem Bainit (martensitnah). Bezüglich Zerspanbarkeit gilt ähnliches wie für Perlit respektive Martensit.

Einzelnachweise

Literatur

• Eberhard Paucksch, Sven Holsten, Marco Linß, Franz Tikal: Zerspantechnik. 12. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden, 2008, ISBN 978-3-8348-0279-8
• Fritz Klocke, Winfried König: Fertigungsverfahren I. 8. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2008, ISBN 978-3-540-23458-6