Handbuch Spanen

Ansätze einer technologischen Entwicklung gab es schon in der Frühzeit der Menschheit. Voraussetzung dafür war die kreative Fähigkeit des Menschen. Mit der Verwendung zweckdienlich geformter Gegenstände der Natur aus Stein, Holz, Horn und Knochen als Hilfsmittel und Werkzeuge nahm diese Entwicklung ihren Anfang. Durch archäologische Funde aus der älteren Steinzeit sind uns einfache Steinwerkzeuge bekannt, die zunächst noch unbearbeitet, jedoch unter bewusster Ausnutzung von Keil- und Hebelwirkung verwendet wurden. Dabei machte der Mensch auch die ersten Erfahrungen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften.

Das Ziel der Kostenrechnung ist die realitätsnahe Abbildung des Wirtschaftens in monetäre Kenngrößen zur Unterstützung von Managemententscheidungen in einem Unternehmen. Mit ihrer Hilfe wird die informatorische Grundlage geschaffen, um nach möglichst objektiven Gesichtspunkten unternehmerische Entscheidungen treffen und rechtfertigen zu können.

Beim Zerspanen wird eine Formänderung erreicht, indem das Werkzeug das Werkstück mit einer Relativgeschwindigkeit durchdringt. Dabei findet eine Energieübertragung statt (DIN 8580) und die Schneiden des Werkzeuges trennen vom Werkstück Werkstoffschichten in Form von Spänen ab.

Als Steuerung wird im allgemeinen Sprachgebrauch sowohl der Vorgang des Steuerns als auch die Steuerungseinrichtung bezeichnet. Sie lassen sich nach unterschiedlichen Merkmalen charakterisieren, da es unterschiedliche Sichten auf die Steuerungstechnik gibt. Nach DIN 19226 ist Steuern ein Vorgang in einem System, bei dem Ausgangsgrößen eines Systems über Eingangsgrößen gezielt (durch Vorgabe von Führungsgrößen, dies kann auch ein Programm sein) beeinflusst werden.

Die technologische Bedeutung des Drehens kann am Anteil der produzierten Drehmaschinen am Gesamtwert der produzierten spanenden Werkzeugmaschinen gemessen werden. Er betrug 2012 in der Bundesrepublik Deutschland etwas über 20 %. Damit zählen Drehmaschinen/Drehzentren gemeinsam mit den Bearbeitungszentren (24 %) zur bedeutendsten Gruppe der Werkzeugmaschinen, auf denen heute auf Grund multifunktionaler Technologien neben Fräs-, Bohr- und anderen Bearbeitungen auch Drehbearbeitungen durchgeführt werden (VDW 2013).

Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung und beliebiger, quer zur Drehachse liegender Vorschubbewegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei (Drehachse werkzeuggebunden). In der DIN 8589 Teil 3 sind wesentliche Merkmale des Fräsens beschrieben. Der Fräsvorgang ist demzufolge gekennzeichnet durch eine diskontinuierliche Spanabnahme; zyklisch wiederkehrende Spanunterbrechungen und Schnittkraft-Schwankungen erfordern gute dynamische Eigenschaften der Fräsmaschinen (Spur 1979). Die Anzahl der Zähne, die sich im Eingriff befinden, wie auch die Geometrie der Schneiden haben einen signifikanten Einfluss auf die statische Beanspruchung der Werkzeugmaschine. Werkzeugmaschinen für Fräsbearbeitungen sollen ein hohes Maß an statischer und dynamischer Steifigkeit sowie gute Dämpfungseigenschaften aufweisen (Weck 2006). Gemeinsames Merkmal von Fräsprozessen ist der unterbrochene Schnitt. Daraus resultieren besonders hohe Anforderungen an die statische und an die dynamische Steifigkeit der Fräswerkzeuge, der Werkzeugmaschinen und der Werkstückspannung. Die Steifigkeitseigenschaften der Werkstücke beeinflussen die Prozessauslegung und die Werkzeugauswahl in entscheidendem Maße (Klocke 2008).

Die Bearbeitungsverfahren Hobeln und Stoßen gehören wie das Drehen und Bohren zu den ältesten Verfahren der spanenden Fertigungstechnik. Ihr gemeinsames Kennzeichen ist das Spanen mit einschneidigem, nicht ständig im Eingriff stehendem Werkzeug. Der Unterschied zwischen beiden Bearbeitungsverfahren liegt darin, dass beim Hobeln das Werkstück eine im allgemeinen geradlinig reversierende Schnittbewegung und das Werkzeug eine intermittierende Vorschubbewegung ausführt, während dies beim Stoßen umgekehrt ist, d. h. das Werkzeug wird in Schnittrichtung und das Werkstück in Vorschubrichtung bewegt (Abb. 8.1) (DIN 8589-4; Klocke, König 2008; Paucksch 1996).

Beim Fertigungsverfahren Räumen wird der Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstückes durch ein Räumwerkzeug abgetragen, dessen Schneidzähne hintereinander liegen und jeweils um den Betrag einer Spanungsdicke gestaffelt sind. Die Staffelung der Schneidzähne des Räumwerkzeuges ersetzt somit die Vorschubbewegung. Die Räummaschine führt nur eine Schnittbewegung aus. Sie ist geradlinig, entweder senkrecht oder waagerecht, in besonderen Fällen auch schraubenförmig. Das Räumen gehört zur Hauptgruppe Trennen nach DIN 8580 und zählt zu den Fertigungsverfahren Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden (DIN 8589-5).

Das Sägen von Metallwerkstoffen – insbesondere von Langgutmaterial oder von Platten, Blöcken und Brammen – gehört innerhalb der Produktionstechnik zur Vorfertigung. Dabei wird nach DIN 8580/8589 das Sägen als Prozess zum Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden mit mehrschneidigen Werkzeugen eingeordnet (DIN 8580; DIN8589).

Feilen ist Spanen mit wiederholter, meist geradliniger Schnittbewegung mit einem Werkzeug mit einer Vielzahl dicht hinter- und nebeneinander liegender Schneidezähne von geringer Höhe (DIN 8589-7). Das Feilen ist durch eine sehr geringe Spanungsdicke gekennzeichnet und wird meist zur manuellen Nacharbeit und zum Entgraten von gefertigten Bauteilen eingesetzt (Spur 1979). Die Auswahl einer Feile richtet sich im Allgemeinen nach der geforderten Oberflächenrauhigkeit sowie der Form und Lage der Bearbeitungsfläche (Falk 1999). Raspeln ist Feilen mit einem raspelhiebigen Werkzeug und wird auf Grund der Gleichheit der Kinematik beim Zerspanvorgang dem Feilen zugeordnet (DIN 8589-7).

Das Schaben ist ein seit langem bekanntes spanendes Fertigungsverfahren, dessen Bedeutung heute sehr unterschiedlich beurteilt wird. Besonders Werkzeugmaschinenbetriebe wenden dieses Verfahren sehr häufig an. Auf Grund verbesserter Fertigungsverfahren ist das Schaben bei der Neumaschinenproduktion nahezu bedeutungslos. Sehr viel wird es im Gebrauchtmaschinenbereich angewandt, wie z. B. bei der Aufarbeitung von verschlissenen Maschinenführungen und -betten. Die VDI-Richtlinie 3220 enthält folgende Definition: „Schaben ist das Spanen mit vorzugsweise einschneidigem, nicht ständig im Eingriff stehendem, in einer Hauptrichtung bewegtem Werkzeug zur Verbesserung von Form, Maß, Lage und Oberfläche vorgearbeiteter Werkstücke” (Abb. 12.1). Die erzielten Oberflächen weisen unregelmäßig gekreuzte muldige Bearbeitungsspuren auf. Die fertigungstechnische Aufgabe des Schabens ist die Erzeugung bestimmter geometrischer und bzw. oder funktioneller Eigenschaften von Oberflächen. Im Werkzeugmaschinenbau dient das Schaben daher vor allem zur Bearbeitung von Führungsbahnen und von Gleitflächen an Maschinentischen und -schlitten, zur Erzeugung von Pass- und Anschraubflächen und zur Herstellung von Öltaschen in Gleitführungen. Besonders geeignet ist das Schaben für die Nacharbeit an Passoder Führungsflächen bei der Endabnahme der Maschine zur Korrektur von Ungenauigkeiten; ebenso zur Beseitigung von Beschädigungen, die im Rahmen des Maschineneinsatzes durch Verschleiß an den Führungsbahnen entstehen. Kennzeichnend für dieses Fertigungsverfahren sind die erzielbare hohe Lage-, Form- und Maßgenauigkeit, die geringe Schnittgeschwindigkeit sowie die geringe Spanabnahme, da das Schaben entweder von Hand oder mit handgehaltenen Elektrowerkzeugen durchgeführt wird.

Schleifen ist laut Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 der Hauptgruppe „Trennen” und der Gruppe „Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide” zugeordnet. Die weiterführende Unterteilung erfolgt in DIN 8589-0. Charakteristisch für das Schleifen sind die Abtrennmechanismen, die aus dem Eingriff einer Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden aus gebundenen und meist synthetischen Schleifmitteln resultieren. Dabei grenzt sich das Schleifen im Vergleich zu anderen spanenden Fertigungsverfahren insbesondere durch die geringen Spanungsdicken, die zumeist negativen Spanwinkel der jeweiligen Schneiden und die hohe Geschwindigkeit der Schneiden während des Eingriffs in den Werkstoff ab (DIN 8580; DIN 8589-0; DIN 8589-11).

Das ständige Bestreben der Menschheit war seit eh und je die Qualität in den verschiedenen technischen Bereichen weiter zu entwickeln. Als Präzedenzfall dafür kann sicher die Entwicklung der Bohrungen über Jahrtausende bis zum heutigen Entwicklungsstand gesehen werden. Explizit an einigen Beispielen wird im Folgenden die Entwicklungsgeschichte der Bohrungsherstellung aufgezeigt.

Das spanende Fertigungsverfahren „Läppen” dient der Herstellung von Funktionsoberflächen, an die hohe Anforderungen hinsichtlich Form- und Maßgenauigkeit sowie Oberflächengüte gestellt werden.

Hochgenau arbeitende Werkzeugmaschinen mit oft komplexen kinematischen Bewegungskopplungen der Maschinenachsen sind zum Herstellen von Verzahnungen unerlässlich. Durch eine Vielzahl gängiger Verzahnungs- und Getriebearten ergibt sich eine hohe Vielfalt der Geometrie der Verzahnungswerkstücke. Unterschiedliche Bauarten von Zahnradgetrieben sind in Abbildung 16.1 dargestellt. Diese werden unterteilt nach der relativen Lage ihrer Drehachsen und erfordern jeweils individuelle Verzahnungsverfahren auf speziellen Verzahnmaschinen, um eine wirtschaftliche Fertigung zu ermöglichen.

Die erste Beschreibung einer technischen Anwendung eines Gewindes beruht auf Archimedes im Altertum, der für den Bau von Bewässerungsmaschinen schraubenförmige Wellen eingesetzt hat. Der Durchbruch von Gewinden begann mit der Möglichkeit der großindustriellen Fertigung, die in Amerika mit der Schraubenschneidmaschine im Jahr 1873 durch Spencer erfolgte. Anfang des 20. Jahrhunderts konnte man in Europa durch die Entwicklung einer Gewindeschleifmaschine auch dem Wunsch der automatischen Fertigung von Gewindewerkzeugen gerecht werden. Eine Hemmschwelle der automatischen Fertigung von Gewinden stellte zudem die Entwicklung der unterschiedlichen Gewindesysteme in den jeweiligen Industrieländern dar. So gab es in Deutschland vor 1895 Gewindesysteme mit 274 einzelnen Gewindesorten. Deshalb ist die Einführung der ISO-Gewinde im metrischen Bereich ein wichtiger Bestandteil zur Vereinheitlichung der Gewindesysteme (Spur 1980). Der Einsatzzweck von Gewinden wird grundsätzlich in den folgenden vier Formen ausgeführt:

Unter dem Begriff „Maschinensysteme” sind verkettete und automatisierte Mehrmaschinenanlagen zu verstehen, die zur Herstellung großer Stückzahlen als sich ersetzende oder ergänzende Fertigungseinrichtungen in den Produktionsbetrieben im Einsatz sind.

Durch zunehmenden Marktwettbewerb ist eine immer größere Produktivität und Flexibilität bei der Fertigung erforderlich. Hieraus folgt das Bestreben, immer mehr Güter mit immer weniger Aufwand an Material und Kosten zu erzeugen. Darüber hinaus ergeben sich zunehmend höhere Anforderungen im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit neuartiger Werkstoffe. Diesen Herausforderungen kann die Fertigungstechnik sowohl durch eine stetige Adaption und Evolution konventioneller Verfahren als auch durch die Schaffung gänzlich neuer Fertigungstechnologien begegnen.

Das Abtragprinzip bei der Funkenerosion, kurz EDM (Electro Discharge Machining) genannt, beruht auf der Ausnutzung der erodierenden Wirkung elektrischer Entladungen zwischen zwei Elektroden aus elektrisch leitenden Werkstoffen. Dabei wird die elektrische Energie unmittelbar an der Wirkstelle umgesetzt. Durch hochfrequente, räumlich und zeitlich voneinander getrennte, nichtstationäre oder quasistationäre Entladungen (Funken) erfolgt die Profilgebung durch Abbildung der Werkzeugelektrode im Werkstück. In einer elektrisch nichtleitenden (dielektrischen) Flüssigkeit werden dazu Werkzeug und Werkstück einander angenähert. Die angelegte Spannung löst bei genügend kleinem Abstand der Elektroden, abhängig von der durch die Isolierfähigkeit festgelegten Durchschlagfestigkeit des eingesetzten Arbeitsmediums, die Entladung aus. Abbildung 2.1 zeigt schematisch den zeitlichen Ablauf einer Funkenentladung mit dem entsprechenden Strom- und Spannungsverlauf.

Nach DIN 8590 gehört das elektrochemische Abtragen zu den abtragenden Fertigungsverfahren, dessen Abtragsprinzip auf der anodischen Auflösung von Metallen in einem Elektrolyten beruht. Damit unterscheidet sich dieses Verfahren fertigungstechnisch von den traditionellen spanenden Verfahren (Abb. 3.1).

Der Begriff der Zerspanbarkeit ist durch die Vielfalt von Einflussfaktoren schwer zu definieren und kaum zahlenmäßig erfassbar. Nach DIN 6583 ist Zerspanbarkeit „die Eigenschaft eines Werkstückes oder Werkstoffes, sich unter gegebenen Bedingungen spanend bearbeiten zu lassen”. Obgleich die Zerspanbarkeit also grundsätzlich eine werkstoffgebundene Eigenschaft ist, haben auch die Prozessbedingungen großen Einfluss. Für die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs sind seine physikalischen Eigenschaften und die Gefügeausbildung verantwortlich. Insbesondere seine Härte, Festigkeit und Zähigkeit, sein Umformvermögen und seine Umformverfestigung sowie seine Wärmeleitung tragen dazu bei. Beurteilt wird die Zerspanbarkeit anhand der Spanbildung, dem Werkzeugverschleiß und der Standzeit, der Oberflächenausbildung sowie der auftretenden Zerspankräfte. Da sich der Schneidstoff, die Prozessbedingungen und die Zerspanbarkeit des Werkstoffs gegenseitig beeinflussen, ist eine allgemeingültige Bewertung der Zerspanbarkeit kaum möglich. Die Beurteilung und der Vergleich der Zerspanbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe können daher nur unter Verwendung des gleichen Schneidstoffs bei konstanten Prozessbedingungen erfolgen.

Die stetige Zunahme der Funktionalität von Sensoren, Aktoren und mechatronischen Systemen bewirkt eine fortschreitende Miniaturisierung bei gleichzeitiger Erhöhung der Funktions- und Leistungsdichte. Vor allem in Bereichen der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik, der Medizin-, der Bio- und der Analysetechnik ist dieser Trend erkennbar (Klocke, König 2007). Die anhaltende Miniaturisierung von Produkten bietet dabei erhebliche Vorteile. Mikrosysteme sind oft leichter, genauer und kostengünstiger als Standardprodukte und ermöglichen zudem neue Funktionen. Der Markt für Mikrosysteme wächst daher überdurchschnittlich (Wicht 2005; Alcock, Attia 2013). Um die an die Mikrobauteile gestellten hohen Geometrie- und Genauigkeitsanforderungen wie Fertigungstoleranzen kleiner 2 μm realisieren zu können, sind präzise Fertigungsverfahren und deren permanente Weiterentwicklung erforderlich (Masuzawa et al. 2001; Gentili, Tabaglio, Aggogeri 2005).