Spanende Fertigung Wirrspäne vermeiden

Redakteur: Güney Dr.S.

Einfluss von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub auf die Spanbildung bei Drehen mit MMS.

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Die Kühl- und Schmierflüssigkeiten beim Zerspanen beeinflussen die Werkzeugstandzeit, die Eigenschaften der bearbeiteten Flächen, die Schnittkraft und die Spanbildungsbedingungen. Zunehmend sind Unternehmen dabei, durch Minimalmengeschmierung und/oder Trockenbearbeitung den Einsatz von Kühlschmiermitteln zu reduzieren, sowohl aus Kostengründen – bei Anwendung entsprechender Technologie kann die Wirtschaftlichkeit von Produktionsprozessen erheblich gesteigert werden – als auch wegen des Umweltschutzes [1 und 2]. So betragen beispielsweise in der deutschen Automobilindustrie die Kosten für Kühlschmierstoffe (Anlieferung, direkte Verwendung sowie Entsorgung und Recycling) immerhin etwa 7,5 bis 17% der Gesamtproduktionskosten [1 bis 3].Die Trockenbearbeitung hat sich bewährt bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Sandwichschicht-Werkzeugen oder Werkzeugen aus superharten Werkstoffen [2 bis 4]. Bei den Fertigungsverfahren Sägen, Drehen und Fräsen kann die Trockenbearbeitung beziehungsweise Minimalmengenschmierung für ein großes Werrkstückspektrum heutzutage als Stand der Technik angesehen werden.Lässt sich eine Trockenbearbeitung nicht realisieren, ist häufig die Minimalmengeschmierung eine mögliche Alternative. Bei einem optimal eingestellten Minimalmengenschmiersystem kann die Dosierung des Mediums auf weniger als 50 ml/h herabgesetzt werden [5]. Ein wesentliches Merkmal solcher Zerspanungsbedingungen ist, dass das Werkzeug, das Werkstück und der Span trocken oder fast trocken bleiben. Das Medium wird der Zerspanungszone in einem Druckluftstrahl (Emulsionsnebel) zugeführt.Kühlung und Schmierung des Prozesses ist besserUntersuchungen beim Drehen zeigen, dass solche Zerspanungsbedingungen keinesfalls die Standzeit der Werkzeuge mindern [6], weil bei diesen Bedingungen bessere Kühl- und Schmierverhältnisse an dem Berührungspunkt „Schneide-Span- Werkstück“ erreicht werden. Der Anteil der Mikrotropfen im Sprühnebel an den Kontaktflächen zwischen Werkstück und Werkzeuge beeinflusst die Basiskennziffern des Zerspanungsprozesses und somit die Spanbildung. Untersucht wurde der Spanbildungsprozess beim Drehen von Kohlenstoffstahl R35 PN-89/H-84023/07 (0,07 bis 0,16% C). Der Stahl hat erhöhte Plastizitätseigenschaften: Härte 125 HB, Reissfestigkeit Rr = 350 MPa, Fließgrenze R0,2 = 235 MPa, spezifische Dehnung A5 = 25%. Das Drehwerkzeug mit Schneidplatte SNUN120408, Freiwinkel der Hauptschneidkante 70°, Freiwinkel der Nebenschneidkante 20°, Spanwinkel -8°, Plattenwerkstoff Hartmetall P25, mehrlagig beschichtet (obere Lage TiN), Zerspanungstiefe 1 mm.Untersucht wurden die Spanbildungsbedingungen bei Trockenbearbeitung, bei Kühlung mit Druckluft und Sprühnebel. Zur Kühlung sowohl mit Luft als auch mit Sprühnebel wurde eine spezielle Vorrichtung mit zwei Düsen zur Durchfluss-einstellung der Luft und des aktiven Stoffes verwendet. Das aktive Medium war die Emulsion Oportet RG-2 mit einer Konzentration von 4%. Um die Anzahl der Mikrotropfen N auf 1 mm2 der aktiven Kontaktfläche sowie ihren mittleren Durchmesser D zu bestimmen, wurden bei der Kalibrierung der Vorrichtung die Beziehungen zwischen Düsenabstand, Emulsionsdurchfluss und Luftdurchfluss ermittelt, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Die Versuche wurden mit Schnittgeschwindigkeiten zwischen 80 bis 450 m/min, Vorschüben von 0,1 bis 0,5 m/min-1, Emulsionsdurchflüsse von 1,5 bis 3,5 g/min und Luftdurchflüsse von 4,5 bis 7 m3/h durchgeführt. Niedrige Vorschübe bilden kontinuierliche SpäneUntersucht wurde die Spanform in Bezug auf die sich verändernde Schnittgeschwindigkeit, auf Vorschub und Kühlart (trocken, mit Druckluft, mit Sprühnebel). Die Änderung der Spanform beim Trockendrehen ist in Bild 1 dargestellt. Die Spanformen beim Drehen mit Druckluftkühlung zeigt Bild 2 und bei Kühlung mit Emulsionssprühnebel Bild 3. Es zeigt sich, dass beim Trockendrehen mit niedrigen Vorschüben ein kontinuierlicher Span gebildet wird. Die Anwendung von Druckluft verbessert die Spanbildungssituation nur bei niedrigen Vorschüben.Die besten Ergebnisse bei der Spanbildung ergibt die Kühlung mit Emulsionssprühnebel. Bei diesen Bedingungen erweitert sich der Schnittparameterbereich, in dem Späne in Form von kurzen Spiralabschnitten entstehen. Solche Späne beschädigen nicht die bearbeitete Oberfläche und sind leicht aus der Zerspanungszone abzuführen.Wirrspäne, Span oder Späne in Form langer Spiralen vergrößern die Rauigkeit der bearbeiteten Oberfläche infolge der dauernden Berührung. Bei großen Emulsionsdurchflüssen sind schlechtere Ergebnisse erzielt worden, weil sich lange, verflochtene Späne bildeten. Gute Spanbildung wurde bei einem Emulsionsdurchfluss von weniger als 3 g/min erreicht.Literatur:[1]Gente A., und W. Hoffmeister: Chip Formation in Machining Ti6Al14V at Extremly High Cutting Speeds. Annals of CIRP, 2001, Vol. 50, Nr 1, S. 49-52.[2]Schulz H., Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. München, Wien: Carl Hanser Verlag 1996.[3]Cselle T., und A. Barimani: Today’s applications and future developments of coatings for drill and rotating cutting tools, Surface & Coating Technology, 1995, Vol. 76-77, S. 712-718. [4]Grzesik W.: Podstawy skrawania materiaów metalowych, Wydawnictwo Naukowo Techniczne Warszawa, 1998.[5]Schmidt J., H. Lang und M. Dyck: Trockenbearbeitung ist wirtschaftlich und umweltfreundlich. Maschinenmarkt 29/2001, S. 20-23.[6] Oczo K. E.: Rozwój innowacyjnych technologii ubytkowego ksztaótowania materiaów. Cz. I. Obróbka skrawaniem, Mechanik, 2002, Nr. 8/9, S. 537 - 550.

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