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JOT Journal für Oberflächentechnik

, Volume 53, Issue 6, pp 54–56 | Cite as

Reinheitsgerechte Bauteilfertigung

Zerspanung und technische Bauteilsauberkeit
  • Tina Eyrisch
Reinigen & Vorbehandeln
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Ein erheblicher Kostenanteil in der spanenden Fertigung wird durch Späne und Grate verursacht. Die Folge sind verlängerte Taktzeiten, zusätzliche Aufwendungen für Arbeitskräfte und Maschinenstillstände. Im folgenden Beitrag werden verschiedene Lösungsansätze zur Beherrschung der technischen Sauberkeit aus Sicht der Zerspanung aufgezeigt.

Bei der mechanischen Fertigung entstehen neben filmischen Verschmutzungen durch Prozesshilfsstoffe grundsätzlich auch partikuläre Verschmutzungen, diese sind prinzipbedingt nicht zu vermeiden. Die Quelle und die Eigenschaften dieser Partikel sind dabei immer abhängig vom jeweiligen Fertigungsverfahren:
  • - Beim Urformen können Partikel aus Rückständen verlorener Gussformen und Gusskerne resultieren.

  • - Beim Umformen stammen Partikel unter anderem aus Abrieb von Scherbewegungen.

  • - Beim Trennen entstehen Späne und Grate direkt in den spanenden Fertigungsprozessen.

  • - Auch beim Fügen verursachen Scherbewegungen Partikel, beispielsweise als Abrieb bei Verschraubungen.

Um die wirtschaftliche Bedeutung der Span- und Gratbildung in der industriellen Fertigung einschätzen zu können, wurde 2006 eine vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierte Vorstudie durchgeführt. In diesem Rahmen wurden verschiedene Unternehmen vom KMU bis zum Großkonzern gebeten, für ein exemplarisches Bauteil ihrer spanenden Fertigung die durch Späne und Grate bedingten anteiligen Fertigungskosten anzugeben. Die befragten Unternehmen stammten aus den Bereichen Automobilbau, Zerspanung, Werkzeugherstellung, Werkzeugmaschinenherstellung sowie Entgrat- und Reinigungstechnik und entsprechende Messtechnik.

Dabei wurde deutlich, dass ein erheblicher Kostenanteil in der spanenden Fertigung durch Späne und Grate verursacht wird. Dieser kann im Bereich verlängerter Taktzeiten und Aufwendungen für Arbeitskräfte bis zu 20 % betragen. Durch Maschinenstillstände verursachte Kostenanteile wurden mit bis zu 10 % angegeben /1/.

Ansätze zur Beherrschung der technischen Sauberkeit

Neben der Beherrschung der Span- und Gratbildung, auf die im Folgenden näher eingegangen wird, gibt es verschiedene weitere Ansätze zur Beherrschung der technischen Sauberkeit aus Sicht der Zerspanung. Beispielsweise lässt sich mit dem Einsatz von Sonderwerkzeugen beim Bohren der Späneeintrag ins Werkstück reduzieren /2/. Abdeckungen von Werkstückhohlräumen stellen ebenfalls eine Möglichkeit dar, den sekundären Späneeintrag in Werkstücke zu vermindern. Ferner können durch angepasste Kühlschmierstoffstrategien bereits während der Fertigung Späne aus dem Bauteil herausgespült werden.

Spanbildung

Ob ein Span bereits während des Fertigungsprozesses oder in einem anschließenden Reinigungsprozess aus Innenräumen eines Werkstücks entfernt werden kann, hängt sehr stark von seiner Form und Größe ab. So neigen zum Beispiel aus fertigungstechnischer Sicht günstige Spiralspäne oft dazu, im Werkstück zu verklemmen. Dann besteht die Gefahr, dass sich ein solcher Span erst beim späteren Einsatz des Bauteils löst und massive Schäden verursacht, bis hin zum Ausfall kompletter Funktionseinheiten.

Die Größe und Form der Späne hängt neben dem bearbeiteten Werkstoff auch von den Prozessparametern sowie der Geometrie des eingesetzten Werkzeugs ab. Bild 1 zeigt exemplarisch Späne aus verschiedenen Bohrprozessen. Dabei wurden zur Bearbeitung eines rostfreien hochlegierten Stahls (1.4301) zwei verschiedene Bohrwerkzeuge eingesetzt. Diese unterschieden sich hinsichtlich des Drallwinkels, des Spitzenanschliffs, der Anzahl der Führungsfasen sowie der Beschichtung. Hier wird deutlich, dass sich durch eine Modifikation der Werkzeuggeometrie deutlich günstigere Spanformen erreichen lassen, sowohl hinsichtlich der Spanabfuhr aus der Bohrung als auch einer späteren Bauteilreinigung.
Bild 1

Einfluss von Bearbeitungsparametern und Werkzeuggeometrie auf Spanbildung beim Bohren

Gratbildung

Nähert sich das Zerspanwerkzeug bei der Bearbeitung der Werkstückkante, wird der Restwerkstoff von der Schneide im Kantenbereich abgedrängt. Sobald keine ausreichende Stabilität gegenüber der Zerspankraft mehr vorhanden ist, entsteht ein Grat. Der Kantenwinkel beeinflusst dabei wesentlich die Abstützwirkung (Bild 2). Hier ist bei kleinen Kantenwinkeln mit deutlich stärkerer Gratbildung zu rechnen.
Bild 2

Einfluss des Werkstückkantenwinkels auf die Gratbildung

Durch eine Optimierung der Bearbeitungsstrategie kann die Gratbildung zwar nicht vollständig verhindert, jedoch deutlich minimiert werden. Hierzu ist es notwendig, die Haupteinflussgrößen auf die Gratbildung zu kennen:
  • - Werkstück: Material, Geometrie, etc.

  • - Werkzeug: Verschleiß, Geometrie, etc.

  • - Bearbeitungsbedingungen: Schnittparameter, Kühlung, etc.

Im Allgemeinen ist mit einer Zunahme der Gratbildung mit steigendem Vorschub, abnehmender Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise abnehmendem Werkstückkantenwinkel zu rechnen. Da die Problematik der Gratbildung gerade beim Bohren und Fräsen von Bedeutung ist, werden für diese beiden Verfahren im Folgenden Strategien zur Beherrschung der Gratbildung vorgestellt.

Beim Fräsen besteht die Möglichkeit, durch eine angepasste Auslegung der Werkzeugbahn die Gratbildung zu reduzieren. Hierbei sollen Werkzeugaustritte und kleine Werkzeugaustrittswinkel nach Möglichkeit vermieden werden /3/. Eine Beachtung der Austrittsreihenfolge der Schneiden beim Fräsen (Exit Order Sequence) kann dazu beitragen, die Gratbildung an ausgewählten Werkstückkanten zu reduzieren und an weniger störende Werkstückkanten zu verlegen /4/.

Eine besondere Herausforderung hinsichtlich der Gratbildung stellt die Herstellung von Bohrungsverschneidungen dar. Eine Beschreibung der Gratbildung bei Bohrungsverschneidungen durch analytische Modelle in Abhängigkeit der Verschneidungsgeometrie (Bild 3) ermöglicht eine Vorhersage der Wahrscheinlichkeit einer Bohrkappenbildung als eine Sonderform von Bohrungsgraten (Bild 4) sowie die Bestimmung der Position von Gratmaxima und Gratminima /5/. So ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit der Bohrkappenbildung bei Austritt des Bohrwerkzeugs mit der Spitze am höchsten. Tritt dagegen das Werkzeug mit der Hauptschneide zuerst aus dem Werkstoff aus, ist die Wahrscheinlichkeit am geringsten. Dies ist dann der Fall, wenn der Verschneidungswinkel gleich dem halben Spitzenwinkel des Werkzeugs ist.
Bild 3

Mögliche Verschneidungsgeometrien kreuzender Bohrungen

Bild 4

Wahrscheinlichkeit der Bohrkappenbildung in Abhängigkeit der Verschneidungsgeometrie /5/

Einflüsse auf die Span- und Gratbildung

Bei der Span- und Gratbildung spielen neben Werkzeug und Bearbeitungsparametern auch Chargenschwankungen des Werkstoffs, bei denen der Anteil von Legierungselementen innerhalb zulässiger Toleranzen variiert, eine große Rolle. Auch können sich eine unterschiedliche Wärmebehandlung und gegebenenfalls bereits Temperaturunterschiede bei der Lagerung der Werkstoffe auf das Werkstoffgefüge und damit auf das Zerspanverhalten der Werkstoffe auswirken. Bild 5 zeigt den Einfluss von Chargenschwankungen auf das Zerspanverhalten beim Bohren eines rostfreien hochlegierten Stahls. Insbesondere der Anteil der Legierungselemente Nickel und Chrom ist hier dargestellt. Der Nickelanteil beeinflusst sehr stark die Gratbildung.
Bild 5

Einfluss von Chargenschwankungen auf das Zerspanverhalten beim Bohren eines rostfreien hochlegierten Stahls

Durch die zunehmende Duktilität mit steigendem Nickelanteil bilden sich bei der Bohrbearbeitung größere Grate. Eine Zunahme des Chromanteils führt aufgrund der Bildung von Chromkarbiden zu einer Steigerung der Zerspankräfte und zu erhöhtem Werkzeugverschleiß. Bei allen untersuchten Werkstoffchargen lag der Anteil von Chrom und Nickel innerhalb der in der Norm vorgegebenen Toleranz. Jedoch wirken sich diese Abweichungen bereits sichtbar auf die Gratbildung und die Zerspankräfte aus.

Die während der Zerspanung entstehenden Partikel in Form von Spänen und Graten können sich auf die technische Bauteilsauberkeit auswirken. In diesem Beitrag wurden insbesondere für die Verfahren Fräsen und Bohren Strategien zur Beherrschung der Span- und Gratbildung vorgestellt. So lässt sich eine reinheitsgerechte Bauteilfertigung erreichen.

Literatur

  1. /1/.
    Aurich, J.C. (Hrsg.): SpanSauber. Ergebnisbericht der Untersuchung zur Beherrschung der Sauberkeit von zerspanend hergestellten Bauteilen. Forschungs- und Entwicklungsprojekt, gefördert vom BMBF und betreut vom PTKA. Kaiserslautern. 2006.Google Scholar
  2. /2/.
    Stürenburg, B.: Optimierung der Spanbildung und Minimierung des Späneeintrages in das Werkstück für das Bohren von Al-Legierungen. Produktionstechnische Berichte aus dem FBK (Hrsg.: J. C. Aurich), Band 02/2009, Kaiserslautern: Universität, Dissertation, 2009.Google Scholar
  3. /3/.
    Chu, C-H.; Dornfeld, D.: Tool Path Planning for Avoiding Exit Burrs. Journal of Manufacturing Processes, 2000 (2), Heft 2, S. 116-123.CrossRefGoogle Scholar
  4. /4/.
    Kumar, S.; Dornfeld, D.: Basic Approach to a Prediction System for Burr Formation in Face Milling. Journal of Manufacturing Processes, 2003 (5), Heft 2, S. 127-142.CrossRefGoogle Scholar
  5. /5/.
    Leitz, L.: Beitrag zur Beherrschung der Gratbildung bei Bohrungsverschneidungen. Produktionstechnische Berichte aus dem FBK (Hrsg.: J. C. Aurich), Band 02/2011, Kaiserslautern: Universität, Dissertation, 2011.Google Scholar

Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden 2013

Authors and Affiliations

  1. 1.FBK — Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation Technische Universität KaiserslauternKaiserslauternGermany

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