Zerspanbarkeit

Die Zerspanbarkeit ist die Eigenschaft eines Werkstoffes, sich durch Zerspanen bearbeiten zu lassen. Sie stellt eine der wichtigsten Kenngrößen der Maschinenbauwerkstoffe dar. Die DIN 6583DIN 6583, 1981, S. 1. definiert die Zerspanbarkeit als „[…] die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen“.Klocke, König: Fertigungsverfahren 1 - Drehen, Fräsen, Bohren, Springer, 8. Auflage, 2008, S. 260. Entsprechend versteht man unter der Gießbarkeit, Umformbarkeit und Schweißeignung die Eigenschaften von Werkstoffen sich durch Gießen, Umformen beziehungsweise Schweißen 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. Häufig sind einige, aber nicht alle diese Kriterien gut erreichbar. Ob ein Werkstoff gut zerspanbar ist, hängt somit auch von den Anforderungen ab. Wegen des hohen Einsatzes von Stahl und Gusseisen, hat auch die Zerspanbarkeit von Stahl und die Zerspanbarkeit von Gusseisen eine hohe Bedeutung. Bei beiden hängt sie von der genauen Werkstoffsorte ab, die häufigsten Sorten (Baustahl und Gusseisen mit Lamellengrafit) gelten als gut zerspanbar.

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 höhere Schnittkräfte und somit höhere Energie zum Zerspanen benötigt wird.

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 sie nicht nur vom Werkstoff, sondern auch von den Zerspanbedingungen abhängt. Darunter versteht man die Spanungsgrößen und die Eingriffsgrößen Schnitttiefe und -breite sowie die Schnittgeschwindigkeit und den Schneidstoff (Werkzeug-Werkstoff). Der Einsatz von Kühlschmiermittel hat ebenfalls einen Einfluss. Des Weiteren erfordern auch die unterschiedlichen Fertigungsverfahren unterschiedliche Schnittbedingungen.

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 Standzeit eines Werkzeugs bezeichnet man die Zeit, die ein Werkzeug einen Werkstoff unter gegebenen Bedingungen zerspanen kann, bevor es ausgetauscht werden muss. 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.

Die Standzeit ist jedoch kein absolutes Maß für die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs, weil er nicht nur vom Werkstoff, sondern auch von den Zerspanbedingungen (z. B. Schnittgeschwindigkeit) und vom Werkzeug abhängt.

Werkzeugverschleiß

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

Zerspankraft Die Zerspankraft ist für die Wirtschaftlichkeit des Zerspanprozesses von Bedeutung, da sie direkt mit dem Energieverbrauch zusammenhängt. Die Antriebe der Maschinen können nur eine begrenzte Leistung zur Verfügung stellen, die sich berechnet als Produkt von Zerspankraft und Wirkgeschwindigkeit. Je höher die auftretenden Kräfte sind, desto geringer muss also die Schnittgeschwindigkeit sein, was zu längeren Bearbeitungszeiten führt.

Oberflächengüte Ein wichtiges Qualitätskriterium des fertigen Werkstücks ist seine Oberflächengüte. 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 Mittelweg 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 ein hohes Verklemmrisiko bergen.

Einfluss der Zerspanbedingungen Schnittgeschwindigkeit und Vorschub Grundsätzlich ist es wünschenswert, mit möglichst hohen Schnittgeschwindigkeiten und großen 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.

Kühlschmiermittel Alle Beurteilungskriterien der Zerspanbarkeit lassen sich durch die Verwendung eines Kühlschmiermittels verbessern. Die Hauptaufgaben des Kühlschmiermittels sind 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.

Zerspanbarkeit von bestimmten Werkstoffen

Eisenwerkstoffe Eisenwerkstoffe sind Werkstoffe die überwiegend Eisen enthalten. Es wird unterschieden zwischen Stahl und Gusseisen.

Stähle

Stahl ist der am häufigsten zerspante Werkstoff.Herbert Schönherr: Spanende Fertigung. Oldenbourg, 2002, S. 60. Er gehört zusammen mit Gusseisen zu den Eisenwerkstoffen und zeichnet sich durch einen Kohlenstoffgehalt von unter 2 % aus, während Gusseisen über 2 % enthält. Stähle sind sehr vielfältige Werkstoffe. Ihre Zerspanbarkeit hängt vor allem vom Gefüge ab das seinerseits vom genauen Kohlenstoffgehalt und vom Wärmebehandlungszustand abhängt. Außerdem spielen zahlreiche Legierungselemente eine Rolle. Manche werden bewusst zulegiert um die Zerspanbarkeit zu verbessern andere um Eigenschaften wie die Festigkeit zu erhöhen, wobei eine Verschlechterung der Zerspanbarkeit in Kauf genommen wird für die besseren Gebrauchseigenschaften. Andere Elemente wie Phosphor sind eigentlich unerwünscht, verbessern aber die Zerspanbarkeit.

Gusseisen

Gusseisen zählt zusammen mit Stahl zu den Eisenwerkstoffen und zeichnet sich aus durch einen Kohlenstoffanteil von über 2 %. Gusseisen wird sehr häufig verwendet, lässt sich sehr gut gießen aber nicht umformen. Die Formgebung erfolgt daher hauptsächlich durch Gießen und eine anschließende Feinbearbeitung durch Zerspanen.

Die Zerspanbarkeit hängt stark vom Gefüge und der genauen Ausbildung des Grafits ab. Gusseisensorten mit einem hohen Anteil an Zementit, lassen sich nur sehr schwer bearbeiten. Andere Sorten, die Ferrit oder Perlit enthalten, gelten aufgrund des eingelagerten Grafits als einfacher zu bearbeiten, da der Werkstoff durch den Grafit unterbrochen wird und somit eine geringere Festigkeit aufweist, was zu geringeren Zerspankräften führt und zu einem einfacheren Spanbruch. Ferner entfaltet der Grafit auf der Spanfläche eine Schmierwirkung und bildet dadurch eine Schutzschicht, sodass die Standzeit sehr hoch sein kann.Fritz Klocke, Wilfried König: Fertigungsverfahren. Band 1: Drehen, Fräsen, Bohren. 8. Auflage. Springer, 2008, S. 307.

Nichteisen-Metalle Aluminium und Aluminiumlegierungen Aluminium und Aluminiumlegierungen gelten als gut zerspanbar. Es ist vor allem in der Luft- und Raumfahrtbranche und im Fahrzeugbau ein wichtiger Konstruktionswerkstoff, der sich gut für den Leichtbau eignet. Von den Rohteilen werden bis zu 90 % zerspant. Sorten mit geringer Festigkeit können jedoch lange Späne bilden und zum Verkleben mit der Schneide neigen. Die Zerspankräfte sind im Allgemeinen gering, der Verschleiß hängt vom Gefüge ab. Aluminium und seine Legierungen eignen sich gut für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Die auftretenden Temperaturen liegen nur bei etwa 300 °C, was sehr wenig ist, verglichen mit Temperaturen die bei Stahl auftreten, verglichen mit dem Schmelzpunkt der Aluminiumlegierungen (580 °C bis 660 °C) jedoch relativ hoch. Die Schnittgeschwindigkeit kann in weiten Grenzen variieren, nach unten wird sie durch die Aufbauschneidenbildung begrenzt und nach oben durch die Schmelztemperatur. Trotz der geringen Zerspankräfte werden wegen der hohen Schnittgeschwindigkeiten Antriebe benötigt, die etwa die fünffache Leistung bereitstellen müssen als für die Bearbeitung von Stahl nötig ist. Als Schneidstoffe werden Schnellarbeitsstähle eingesetzt für einfache Bearbeitungen wie beim Bohren. Häufig sind die Hartmetallsorten die auf Wolframcarbid basieren. Sorten mit Titan oder Tantal eignen sich dagegen nicht, da diese Elemente mit Aluminium chemische Reaktionen eingehen. Beschichtungen eignen sich daher ebenfalls nicht. Auch die Schneidkeramiken sind nicht chemisch beständig und verschleißen sehr schnell. Diamant ist dagegen gut geeignet für die Zerspanung von Aluminium und wird wegen seiner sehr hohen Standzeit und der hohen Oberflächenqualität genutzt. Dies ist vor allem bei der Bearbeitung von Spiegeln vorteilhaft. Der Verschleiß ist meist gering, manche Legierungen enthalten jedoch harte, abrasiv wirkende Zusätze die den Verschleiß erhöhen aber dafür den Spanbruch verbessern. Der Verschleiß liegt fast immer auf der Freifläche vor; Kolkverschleiß kommt nur bei stark abrasiv wirkenden Gefügebestandteilen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten vor.

Die genauen Bedingungen hängen stark ab von der Legierung. Weiche Werkstoffe wie die nicht aushärtbaren Knetlegierungen und die aushärtbaren im weichen Zustand neigen zu langen Spänen und zur Bildung von Aufbauschneiden. Die Oberflächenqualität ist eher gering, bei hohen Schnittgeschwindigkeiten kann sie verbessert werden. Nach Möglichkeit werden solche Werkstoffe nach der Kaltumformung zerspant, da die Kaltverfestigung zu günstigeren Spanformen und Oberflächen führt. Festere Werkstoffe wie ausgehärtete Knetlegierungen sind meist besser zu zerspanen Gusslegierungen enthalten häufig Silizium das abrasiv wirkt. Je höher der Siliziumgehalt ist desto höher ist der Werkzeugverschleiß. Die Spanformen sind gut.

Da Aluminium zum Verkleben neigt wird es häufig mit großem Spanwinkel zerspant.Aluminium-Zentrale Düsseldorf (Hrsg.): Aluminium Taschenbuch. Band 3: Weiterverarbeitung und Anwendung. 16. Auflage. Aluminium-Verlag, 2003, S. 13–27.J. R. Davis: Aluminum and Aluminum Alloys. 4. Auflage. ASM International, 1998, S. 328–332.Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Auflage. Springer, Jahr?, S. 567–581.

Titan und Titanlegierungen