Identifizieren von CNC-Fräschiptypen

1.0 Einführung

Einer der gebräuchlichsten CNC-Bearbeitungsprozesse zur Herstellung nicht rotierender, nicht zylindrischer Gegenstände, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden, ist das Fräsen. Hochgeschwindigkeitsfräser werden von den Fräsmaschinen verwendet, um das Arbeitsprodukt in die gewünschte Form zu bringen. Der Fräser erzeugt kleine Späne aus dem Metall am Werkstück. Nach dem Schneiden werden diese Späne vom Werkstück entfernt. Diese Späne kommen in verschiedenen Formen und Größen vor, abhängig von den im Werkstück verwendeten Materialien, der Schneidumgebung und etwaigen Verformungen, die während des Vorgangs aufgetreten sind. Die entstehenden Späne werden häufig nach ihrer Form in kontinuierliche Späne, nicht kontinuierliche Späne, kontinuierliche Späne mit Aufbaukante und inhomogene Späne eingeteilt.

1.1 Die Bearbeitungstechnik der Fräsmaschine

Fräsen ist die Technik, ein Werkstück durch schnelles Berühren mit einem Fräser in die gewünschte Form und Größe zu bringen. Während dieses Fräsvorgangs trennt der Fräser die Metallspäne von der Bearbeitungsfläche, indem er das Metall auf der Oberfläche des Werkstücks in Späne schneidet und die Klingenoberfläche drückt und spreizt. Die Spannung im Werkstück nimmt mit zunehmender Arbeitsbelastung stetig zu, wobei die Spannung am Kontaktpunkt mit der Klingenkante am größten ist. Dies ist die Schneidwirkung der Klinge. Die Metallsubstanz reißt und trennt sich zuerst dort, wo die Spannung am größten und am stärksten auf das Werkstück konzentriert ist.

Infolgedessen löst sich durch die Schneidwirkung der Klinge immer zuerst das Material der Metalloberflächenschicht vom Metallsubstrat des Werkstücks. Das zu schneidende Metall wird entlang der Bewegungsrichtung der Klinge gespalten, um eine bearbeitete Oberfläche zu erzeugen, wenn ausreichend mechanische Kraft angewendet wird, während sich Werkzeug und Werkstück weiterhin relativ zueinander bewegen. Die Schneidschicht verformt sich aufgrund des Drucks vor dem Werkzeug sowohl elastisch als auch plastisch und bildet schließlich Späne, die entlang der Vorderseite des Werkzeugs herausfließen. Vor dem Werkzeug ist dies der Schubeffekt.

Unter der Wirkung der Schneide erzeugt das geschnittene Metall vier Verformungsbereiche: Vorder- und Rückseite des Werkzeugs, Grundverformungsbereich, Reibungsverformungsbereich vor dem Werkzeug, Verformungsbereich vor der Klinge und Reibung hinter dem Werkzeug Verformungszone. In den vier Verformungszonen bestehen Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den inneren Spannungszuständen und den Verformungsverhältnissen.

2.0 Chiparten und ihre Entstehungsbedingungen

Das Metall vor dem Werkzeug zieht sich während des Schneidens zusammen, wenn es tiefer in das Werkstück eindringt. Eine zu starke Kompression führt dazu, dass sich das Metall vom Werkstück löst und plastisch in Form eines Spans fließt (Scherverformung). Die Hauptscherung bewirkt, dass das Metall an der Scherebene fließt. Die ungeschnittene Oberfläche vor dem Werkzeug ist dort, wo die Scherebene beginnt, sich schräg nach oben zu erstrecken. Der Scherwinkelwert wird von der Art des Materials und den Schneidbedingungen beeinflusst. Wenn der Scherwinkel gering ist, ist der Scherweg lang, die Späne sind dick und die Schneidkraft ist groß. Das Gegenteil ist auch der Fall. Die Sekundärscherung wird durch Reibung verursacht, wenn sich der Span über die Fläche der Werkzeugspitze bewegt. Die Späne überhitzen sich aufgrund der Reibung, wodurch die Betriebstemperatur des Fräsprozesses steigt.

Die vier Hauptkategorien von Spänen, die von einer Fräsmaschine erzeugt werden, sind folgende: Diskontinuierliche Späne; Kontinuierlicher Chip; Durchgehender Span mit Aufbauschneide; Inhomogene Chips.

2.1 Diskontinuierlicher Chip

Diskontinuierliche Späne haben eine unregelmäßige Form und verformen sich häufig aufgrund wiederholter Brüche. Gusseisen, Messing und Bronze sind nur einige Beispiele für harte, empfindliche Metalle, deren Werkstücke bekanntermaßen diskontinuierliche Späne erzeugen. Bei erheblicher Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug kann es bei duktilen Werkstücken auch zu diskontinuierlichen Spänen kommen. Ein Werkzeug mit einem kurzen Spanwinkel, einer hohen Schnittgeschwindigkeit, einem tiefen Schnitt im Material und anderen Faktoren kann zur Bildung diskontinuierlicher Späne führen.

Durch die Bildung diskontinuierlicher Späne kann die Oberflächenveredelung spröder Materialien verbessert und ihr Stromverbrauch gesenkt werden. Bei duktilen Materialien führt die Entwicklung diskontinuierlicher Späne jedoch zu einer mangelhaften Oberflächenpolitur und kann den Bearbeitungsprozess verlängern.

2.2 Kontinuierliche Chips

Kontinuierliche Späne entstehen typischerweise, wenn formbare Metalle wie Stahl, Kupfer oder Aluminium mit hohen Schnittgeschwindigkeiten bearbeitet werden. Während des Schneidvorgangs erhöht sich der Temperaturunterschied zwischen der Werkzeugspitze und dem duktilen Werkstück. Ein langer und kontinuierlicher Spänestrom entsteht, wenn aufeinanderfolgende Schichten des abgetragenen Metalls durch Schweißen miteinander verbunden werden. Die folgenden Bearbeitungsbedingungen führen typischerweise zu kontinuierlichen Spänen:

• minimale Schnitttiefe
• großer Spanwinkel
• hohe Schnittgeschwindigkeit
• Verwendung von Schmiermitteln oder Kühlmitteln, um die Reibung zwischen Werkzeug und Spänen zu verringern
• scharfe Schneide

Kontinuierliche Späne sorgen für eine glatte Oberflächenqualität, eine längere Lebensdauer des Werkzeugs und einen geringeren Stromverbrauch. Allerdings kann es schwierig sein, bestimmte Arten von Chips zu entsorgen. Um die Entsorgungsbedingungen zu verbessern, sind Spänebrecher erforderlich.

2.3 Durchgehender Span mit aufgebauter Kante

Hohe Reibung zwischen Werkzeug und Span beim Schneiden duktiler Metalle führt bei der BUE zur Bildung von kontinuierlichen Spänen. Unter diesen Umständen neigen einige Spanfragmente dazu, an der Werkzeugspitze zu haften. Die neue Schneide entwickelt sich weiter als gebundenes Material, bis sie sich von der Werkzeugspitze löst. Eine schlechte Oberflächengüte entsteht durch die Bindung des aufgebauten Materials an den Span und die Werkstückoberfläche während des Abbruchvorgangs. Der Prozess der Bildung von BUE wird oft als „Spanschweißen“ bezeichnet. Die folgenden Umstände führen typischerweise zu kontinuierlichen Spänen bei BUE:

• Niedriger Spanwinkel;
• niedrige Schnittgeschwindigkeit;
• hohe Reibungskräfte;
• großes Futter.

Kontinuierliche BUE-Späne wirken sich negativ auf die Standzeit des Werkzeugs aus, erhöhen den Stromverbrauch und führen zu einer mangelhaften Oberflächengüte. Daher ist ihre Vermeidung unbedingt erforderlich.

Die Verhinderung des Spanschweißens kann verbessert werden, indem Maßnahmen ergriffen werden, um die Reibung durch den Einsatz von Schmiermitteln zu verringern, den Kontakt von Metall auf Metall durch den Einsatz von Werkzeugbeschichtungen zu vermeiden und die Temperatur durch den Einsatz von Kühlmitteln zu senken.

2.4 Gezackte Chips

Gezackte Späne, auch als inhomogene Späne bekannt, sind halbkontinuierlich. Aufgrund der Zonen mit geringer und hoher Scherspannung haben sie ein Sägezahn-Aussehen. Die zur Herstellung dieser Späne verwendeten Materialien haben normalerweise eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit oder mechanische Festigkeit, die durch thermische Erweichung beeinträchtigt wird. Zu den in Werkstücken verwendeten Materialien, die beim Bearbeiten inhomogene Späne erzeugen können, gehören Nickel, austenitischer Edelstahl und Titanlegierungen. Einer der Gründe für inhomogene Späne ist eine erhebliche Spannung, die sich beim Schneiden harter Materialien bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten an der Spanoberfläche des Werkzeugs bildet.

3.0 Vergleich zwischen kontinuierlichen, unterbrochenen und kontinuierlichen Chips mit aufgebauter Kante

In der folgenden Tabelle werden kontinuierliche, unterbrochene und kontinuierliche Chips mit aufgebauter Kante verglichen und gegenübergestellt.

3.1 Chipkontrolle

Es entstehen lange und faserige Späne, wenn formbare Metalle wie Stahl mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und großen Spanwinkeln bearbeitet werden. Die Sicherheit von Maschinenarbeitern kann gefährdet sein und das Produkt kann beschädigt werden, wenn es sich im Werkzeug verfängt. Darüber hinaus kann die Entfernung dieser heißen, kontinuierlichen und scharfkantigen Späne eine Herausforderung darstellen. Die Späne müssen in handliche Größen zerkleinert werden. Die Späne können sich entweder durch Selbstbrechen oder durch Zwangsbrechen trennen. Beim Schneiden duktiler Materialien rollen sich die Späne aufgrund der Temperatur- und Durchflussunterschiede oft auf. Die drei verschiedenen Methoden, mit denen sich die gewellten Chips selbst brechen können, sind folgende:

• durch durch Abkühlung verursachte Belastung, die zu einem spontanen Bruch führt;
• durch Aufprall auf das Werkstück;
• durch Kontakt mit dem Werkzeug.

Der Einsatz eines Spanbrechers ist bei weitem die gängigste Technik zum Zwangsbrechen.

3.2 Spanbrecher

Der wichtigste Zweck von Spanbrechern besteht darin, die Späne enger zu wickeln, als dies sonst der Fall wäre. Der Span bricht beim erzwungenen Einrollen ab, wenn er auf das Werkzeug oder das Werkstück trifft. Spanbrecher verbessern die Spankontrolle und verringern die Schnittkräfte, was die Bearbeitungseffizienz erhöht.

Die meisten modernen Spanbrecher befinden sich am Schneidwerkzeug in Form von Rillen oder Hindernissen. Der Schlüssel zum Erzeugen der Spannung, die ein leichtes Abbrechen des Spans ermöglicht, liegt darin, bei der Konstruktion von Spanbrechern die geeignete Form für ein bestimmtes Bearbeitungsszenario zu finden. Hinter der Vorderschneide von Nut-Spanbrechern befindet sich eine kleine Nut.

Der Radius der Spankrümmung ist eine Funktion der Kurvenform. Die geometrische Gestaltung von Spanbrechern mit Hindernis ist ungewöhnlich und ähnelt einer Stufe. Das Hindernis kann vom Schneidwerkzeug getrennt oder daran befestigt sein. Bei der „befestigten“ Art können sie für unterschiedliche Bearbeitungsbedingungen geändert werden.

4.0 Fazit

Physik und Materialwissenschaft sind beim Fräsen eng miteinander verwoben. Das Spannungsspiel zwischen Werkstück und Schneidwerkzeug während des Fräsvorgangs führt zum Materialabtrag. Farbe und Spangröße werden durch die Art dieser Kontaktkräfte bestimmt. Die Späne enthalten nützliche Informationen für die Forschung und Diagnose von Schneidtechnikern. Werden Späne jedoch nicht richtig gehandhabt, können sie zu einer Verringerung der Maschinenproduktivität führen. Während der Bearbeitung können segmentierte, durchgehende und durchgehende Späne mit BUE-Späne dreier verschiedener Sorten auftreten. 

Sowohl die Parameter des Fräsvorgangs als auch die Materialauswahl beeinflussen die Spanbildung.

Bei der Verbesserung der Gesamteffizienz beim Fräsen und bei der Planung des autonomen Betriebs der Maschinen ist die Spanentsorgung ein entscheidender Aspekt, der berücksichtigt werden muss. Generell sollten bei Fräsarbeiten Spanbrecher eingesetzt werden, auch wenn segmentierte und kontinuierliche Späne unter bestimmten Bearbeitungsbedingungen selbst brechen können.

Spanverwicklungen mit dem Werkzeug, Vibrationen und Werkzeugschäden werden vermieden, wenn die Späne durch einen Spanbrecher in handliche Längen gebrochen werden. Darüber hinaus verringern Spanbrecher den Schnittwiderstand, sodass die Schneidkante nicht absplittert und bricht. Beim Einsatz ist es wichtig, den passenden Spanbrecher für die jeweilige Aufgabe auszuwählen. Wir müssen für jeden Drehvorgang, z. B. Schlichten, mittleres Schruppen und Schruppen, die geeigneten Spanbrecher auswählen. Verwenden Sie einen Spanbrecher, der für die vorgesehene Schnitttiefe, Vorschubgeschwindigkeit, Spindeldrehzahl und Oberflächenpolitur geeignet ist.