Zerspanen

Zerspanen in der Bearbeitung bedeutet, ein Werkzeug gegen ein Werkstück zu drehen, um Metallspäne abzutragen und eine fertige Oberfläche freizulegen. Eine Drehmaschine könnte eine Stahlstange mit 400 U/min drehen, während ein Hartmetall-Plättchen sie gleichmäßig durchfährt, oder ein Fräswerkzeug in einer Fräsmaschine könnte mit 2000 U/min drehen und vertikal in Aluminium eindringen. Die Werkzeuggeometrie, die Vorschubgeschwindigkeit, die Spindelgeschwindigkeit und das Kühlmittel arbeiten zusammen, um Größe und Form des entstehenden Spans zu kontrollieren.

Das Werkstückwerkstoff und die gewünschte Oberflächengüte bestimmen die Zerspanparameter. Härtere Werkstoffe wie Gusseisen erfordern niedrigere Geschwindigkeiten und höhere Vorschübe; weiche Werkstoffe wie Aluminium vertragen höhere Geschwindigkeiten und können lange fadenförmige Späne produzieren, die Maschinen verstopfen, wenn sie nicht beherrscht werden. Die Oberflächengüte reicht von groben Schnitten, die schnell Material abtragen, bis zu Finish-Schnitten mit sehr kleinen Schnitttiefen, oft 0,005 bis 0,010 Zoll, um enge Toleranzen und Maßvorgaben einzuhalten.

Schneidwerkzeuge verschleißen mit der Zeit. Die Schneidkante des Werkzeugs wird stumpf und entwickelt Verschleiß oder Ausbrüche; schließlich bricht es oder wird zu stumpf für sauberes Zerspanen. Schnellarbeitsstahl (HSS) ist günstig, verschleißt aber schnell und muss häufig nachgeschliffen werden. Hartmetallwerkzeuge sind teurer, halten aber höhere Temperaturen aus und halten viel länger, besonders bei Serienproduktion. Mit Titannitrid oder Aluminiumoxid beschichtete Hartmetalle verlängern die Standzeit noch weiter und ermöglichen noch höhere Geschwindigkeiten.

Kühlmittel kühlt das Werkzeug und spült Späne ab. Bei grober Drehmaschinenarbeit genügt ein einfaches lösliches Öl (Wasser mit Emulgator). Bei schnellem Fräsen sind oft Mineralöl oder synthetisches Kühlmittel erforderlich, das durch das Werkzeug selbst gespritzt wird. Trockenbearbeitung ist bei manchen Werkstoffen und Geschwindigkeiten möglich, riskiert aber Werkzeugbruch und schlechte Oberflächengüte, wenn die Bedingungen ungünstig werden.

Der Zerspanprozess erzeugt erhebliche Hitze an der Stelle, wo Werkzeug auf Werkstück trifft. Die Werkzeugtemperatur an der Schneidkante kann beim Stahlzerspanen über 815 Grad Celsius erreichen. Diese Wärme schwächt das Werkzeug und kann das Werkstück in seiner Nähe aufweichen, was Härte oder Maßstabilität verändert. Starre Maschinen, scharfe Werkzeuge, richtige Geschwindigkeiten und ausreichend Kühlmittel helfen, die Wärmeleistung zu bewältigen und den Prozess stabil und reproduzierbar zu halten.