Zerspanen oder Spanen ist der Sammelbegriff für eine Gruppe von Fertigungsverfahren, die Werkstücken eine bestimmte geometrische Form geben, indem von Rohteilen überschüssiges Material auf mechanischem Weg in Form von Spänen abgetrennt wird. Die wichtigsten zerspanenden Verfahren sind das Drehen, Bohren, Fräsen und Schleifen. Nach DIN 8580 zählt das Zerspanen zur Hauptgruppe Trennen und ist bezüglich der industriellen Bedeutung die wichtigste Gruppe.
Beim Zerspanen dringt eine Schneide des Zerspanungswerkzeuges in das Werkstück ein und trennt Späne ab. Die bei der Bearbeitung wirksamen Teile des Werkzeugs werden als Schneidteil bezeichnet. Man unterscheidet das Zerspanen in zwei Untergruppen: Beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide sind die Anzahl und die Geometrie der Schneiden bekannt. Dazu zählen vor allem Drehen, Bohren und Fräsen. Beim Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide hingegen sind weder die Anzahl noch die Geometrie der Schneiden bekannt. Dazu zählt vor allem das Schleifen, bei dem die Werkzeuge aus zahlreichen Körnern bestehen, deren Kanten die Schneiden bilden und Späne im Mikrometerbereich abtrennen.
Die Zerspanbarkeit der meisten Metalle ist gut; Probleme bereiten vor allem Verbundwerkstoffe oder hochfeste Metalle wie Titan. Spanende Verfahren ermöglichen eine genaue und flexible Fertigung, sind aber aufwändiger und im Allgemeinen weniger produktiv als umformende Verfahren wie Biegen oder Schmieden und auch manche urformende Fertigungsverfahren, wie Gießen.
Historische Entwicklung
Die meisten spanenden Verfahren sind spätestens seit der Antike in Gebrauch. Im Zuge der Industrialisierung wurden viele Verfahren maschinisiert, um sie auf Werkzeugmaschinen nutzen zu können. In der Mitte des 20. Jahrhunderts wurden die einzelnen spanenden Fertigungsverfahren gemeinsam von Wissenschaft und Industrie in der DIN 8589 definiert. Außerdem wurden allgemeine Begriffe der Zerspantechnik in weiteren Normen definiert, um einen einheitlichen und eindeutigen Sprachgebrauch sicherzustellen. Heute wird das Zerspanen vorwiegend in der Metallbearbeitung eingesetzt, es eignet sich jedoch auch für die meisten anderen Werkstoffe.
Begriffe, Definitionen und Einteilung
Betriebe, die überwiegend spanende Fertigungsverfahren einsetzen, werden ebenso wie entsprechende Maschinensäle und Werkhallen als Zerspanerei (engl. machine shop) oder spezieller als Dreherei bezeichnet.
Die Spanungsbewegung ist die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Sie wird in eine Schnittbewegung des Werkzeugs und eine Vorschubbewegung des Werkstücks eingeteilt.
Die erzeugten Späne werden nach Entstehungsarten und Spanformen geordnet, die Auswirkungen auf den Prozess haben.
Die Werkzeugwerkstoffe werden als Schneidstoff bezeichnet, zum Einsatz kommen unter anderem Schnellarbeitsstahl, Schneidkeramiken oder Diamant. Die Standzeit beim Spanen, also die Lebensdauer der Werkzeuge, hängt bei gegebenem Schneidstoff und gegebenem Werkstoff vor allem von der Schnittgeschwindigkeit ab, die den Verschleiß beim Spanen bestimmt.
Wegen der großen Reibung und hohen Temperatur werden häufig Kühlschmiermittel verwendet. Sondervarianten sind die Minimalmengenschmierung, die Trockenbearbeitung, das Hochgeschwindigkeits-, Mikro- und Hartzerspanen.
Die auf das Werkzeug wirkende Zerspankraft wird in mehrere Komponenten aufgeteilt, darunter die Schnitt- und die Vorschubkraft. Prozessparameter, die an der Maschine eingestellt werden, sind die sogenannten Schnitt- oder Eingriffsgrößen wie die Schnitttiefe oder der Arbeitseingriff. Sie bestimmen die für den Zerspanungsprozess ausschlaggebenden Spanungsgrößen wie beispielsweise die Spanungsbreite und -dicke.
DIN 8580 definiert Spanen als „Trennen, bei dem von einem Werkstück mit Hilfe der Schneide eines Werkzeugs Werkstoffschichten in Form von Spänen zur Änderung seiner Form und/oder Werkstückoberfläche mechanisch abgetrennt werden“.Hiersig (Hrsg.): Lexikon der Produktionstechnik' Verfahrenstechnik. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1995.
Durch die Norm DIN 8589, die sich mit den spanenden Verfahren befasst, werden diese in zwei Gruppen eingeteilt, die beide direkt der Hauptgruppe des Trennens zugeordnet sind: Das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, bei dem Geometrie und Anzahl der Schneidkeile bekannt sind, und das Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, bei dem weder die Anzahl noch die Geometrie der Schneidkeile bekannt sein müssen. Statistische Angaben darüber genügen. Die einzelnen Verfahren werden ohne weitere Untergliederung diesen beiden Gruppen zugeordnet. In der Fachliteratur dagegen werden die Verfahren noch nach weiteren Kriterien unterteilt. Dazu zählen die Art der Schnittbewegung (rotierend, linear) und der Vorschubrichtungswinkel (konstant 90° oder variabel). Weitere Einteilungsmöglichkeiten sind: Temperatur (Kalt- und Warmspanen), Automatisierungsgrad (manuell, maschinell, konventionelle Maschinen, CNC-Maschinen), Steuerungsart (Kurvenscheibe, elektrisch, numerisch) und Menge des Kühlschmiermittels (nass, trocken). In der Norm werden alle Verfahren nach einem einheitlichen Schema eingeteilt, das auf einem Nummernsystem basiert. Alle spanenden Verfahren beginnen mit der Folge 3.2 (Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide) beziehungsweise 3.3 (Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide). Die erste Ziffer bezieht sich dabei auf die Hauptgruppe des Trennens, die dritte Ziffer auf das Verfahren (Drehen, Schleifen, …). An vierter Stelle wird einheitlich nach der erzeugten Oberfläche in Plan-, Rund-, Schraub-, Profil- und Formspanen gegliedert. An fünfter Stelle wird nach Lage der erzeugten Fläche unterschieden (Außen- und Innenspanen). Die sechste Stelle macht Angaben über das Werkzeug (z. B. Walz- oder Stirnfräser), die siebte über die Kinematik (Längs- und Querspanen). Die Ordnungsnummer 3.3.1.1.1.1.1 bedeutet demnach das Plan-Umfangs-Längs-Schleifen.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 283 f.
Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide
Diese Gruppe wird in den betreffenden Normen in insgesamt neun Untergruppen eingeteilt. Von Bedeutung sind vor allem Drehen, Bohren und Fräsen.Heisel, Klocke, Uhlmann, Spur (Hrsg.): Handbuch Spanen. Hanser, 2014, S. 23 f.
Hinweis: Die nachfolgenden Beschreibungen sind möglichst allgemeinverständlich gehalten und daher zum Teil stark vereinfachend. Für die genauen Definitionen der einzelnen Verfahren, die zugehörigen Werkzeuge, Maschinen und erreichbaren Genauigkeiten siehe Liste der spanenden Fertigungsverfahren.
Drehen: Hier rotiert in der Regel das Werkstück um seine eigene Achse, und das Werkzeug fährt die zu erzeugende Kontur ab. Es dient zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile wie Achsen, Wellen, Bolzen, Schrauben, Spindeln oder Radnaben. Bohren, Senken und Reiben: Diese Verfahren werden wegen der ähnlichen Kinematik zusammengefasst. Bohren ist ein Schruppverfahren, Senken eine präzisere Variante davon. Am genauesten ist das Reiben, mit dem jedoch nur noch Oberflächen- und Maßfehler korrigiert werden können, jedoch keine Lagefehler. Fräsen: Hier rotiert ein meist mehrschneidiges Werkzeug um seine eigene Achse. Die Vorschubbewegung ist im Gegensatz zum Bohren senkrecht zur Rotationsachse. Es dient vor allem der Herstellung von ebenen Flächen wie Nuten und Führungen für bewegte Maschinenteile. Mit modernen CNC-Maschinen lassen sich auch beliebig geformte dreidimensionale Geometrien erzeugen. Hobeln und Stoßen werden wegen ihrer identischen Kinematik ebenfalls zusammengefasst. Beide haben eine geradlinige Schnittbewegung und eine schrittweise Vorschubbewegung. Außer in der Holzbearbeitung wurden sie in beinahe allen Bereichen vom Fräsen verdrängt. Weitere Ausnahmen sind das Wälzstoßen zur Herstellung von Verzahnungen und das Hobeln von Führungen für Werkzeugmaschinen. Räumen: Es wird mit einem Räumwerkzeug (meist eine Räumnadel) durchgeführt, bei der die Schneiden hintereinander liegen und zunehmend größer werden. Der Vorschub ist daher im Werkzeug integriert. Sägen: Es dient zum Schlitzen oder Abtrennen von Werkstücken mit einem vielzahnigen Werkzeug. Die Schnittbreite ist möglichst klein. Feilen, Raspeln: Diese Verfahren werden meist manuell, manchmal auch maschinell eingesetzt. Das Werkzeug (Feile oder Raspel) verfügt über zahlreiche Schneiden, die dicht hintereinander angeordnet sind. Bürstspanen: Das Spanen mit Bürsten dient meist zur Oberflächenveränderung. Schaben, Meißeln: Es handelt sich um ein Spanen mit einschneidigem Werkzeug. Beim Schaben wird das Werkzeug geschoben oder gezogen, beim Meißeln schlägt ein Hammer darauf.
Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide mini|Verfahrensprinzip des Läppens Beim Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide bestehen die Werkzeuge aus kleinen harten Körnern. Sie können mit einem Bindemittel zu Schleifscheiben, -steinen oder -bändern zusammengefügt oder auf einem flexiblen Träger befestigt werden, was als Spanen mit gebundenem Korn bezeichnet wird. Sie können auch lose bleiben und in Form von Pulvern oder Pasten (verteilt in einer Suspension als Trägermedium) vorliegen wie beim Läppen, was als Spanen mit losem Korn bezeichnet wird. Die erreichbaren Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten sind besser als beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, dafür sind die Verfahren weniger produktiv, sie eignen sich aber auch für sehr harte Werkstoffe. Die Fertigbearbeitung der meisten Werkstücke geschieht durch Schleifen; nur in seltenen Fällen sind andere Verfahren nötig. Die schleifenden Verfahren und das Honen zählen zum Spanen mit gebundenem Korn, die übrigen zum Spanen mit losem Korn.Alfred Herbert Fritz, Günter Schulze: Fertigungstechnik. Springer, 11. Auflage, 2015, S. 337–339.
Hinweis: Die nachfolgenden Beschreibungen sind möglichst allgemeinverständlich gehalten und daher zum Teil stark vereinfachend. Für die genauen Definitionen der einzelnen Verfahren, die zugehörigen Werkzeuge, Maschinen und erreichbaren Genauigkeiten siehe Liste der spanenden Fertigungsverfahren.
Schleifen mit rotierendem Werkzeug: Es erfordert rotierende Schleifscheiben und wird auch einfach als Schleifen bezeichnet. Bandschleifen: Dazu werden Bänder verwendet, die um zwei Rollen laufen. Hubschleifen: Dies erfordert Schleifsteine mit hin- und hergehender Bewegung. Honen: Hier wird eine hin- und hergehende Schnittbewegung mit einer rotierenden Vorschubbewegung überlagert, sodass auf der Oberfläche gekreuzte Riefen entstehen. Das Honen dient der Oberflächenverbesserung, insbesondere von Zylinderbohrungen in Kolbenmotoren. Läppen: Dazu wird mit losem Korn gearbeitet, das auf die Werkstückoberfläche gedrückt wird. Die Körner rollen über die Oberfläche und trennen mikroskopische Späne ab. Eine nicht genormte Präzisionsvariante wird als Polieren bezeichnet. Strahlspanen: Hier werden die Körner mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück geschleudert. Eine Variante ist das Wasserstrahlschneiden, sofern dem Wasserstrahl Körner zugesetzt werden. Gleitspanen: Hier befinden sich die Werkstücke und die Schleifkörper als Werkzeuge in einer Trommel, die durch Drehung eine Relativbewegung zwischen ihnen bewirkt.
Bedeutung und Einordnung in Prozessketten
Werkstoffspektrum Die zerspanenden Verfahren werden vorwiegend in der Metallbearbeitung eingesetzt und folgen dort in der Prozesskette auf das Gießen und das Schmieden. Die wichtigsten metallischen Werkstoffe sind Stahl, inklusive des Automatenstahls, der besonders auf die zerspanende Bearbeitung ausgelegt ist, Gusseisen und Aluminium. Ansonsten werden noch Kupferlegierungen und Titan in nennenswertem Umfang spanend bearbeitet, letzteres bereitet jedoch wegen seiner hohen Festigkeit Probleme.