Fünf beim Zerspanen häufig auftretende Probleme

Der niederländische Fußballer Johan Cruijff hat einmal gesagt: „Jeder Nachteil hat seinen Vorteil“. Doch das gilt auch in umgekehrter Richtung und zeigt sich auch ganz klar immer wieder bei der Werkstoffauswahl.

Denn ein Material, das sich gut zerspanen lässt, kann beispielsweise schwierig zu schweißen sein. Automatenstahl fällt einem gleich dazu ein. Dank der Zugabe von Schwefel ist es hervorragend zu zerspanen, dann allerding sehr schwierig zu schweißen.

Für jede Anwendung ist es daher entscheidend, das am besten dafür geeignete Material zu verwenden. Denken Sie also über das reine Bearbeitungsverfahren hinaus. Welche Verfahren kommen später noch zur Anwendung? 

Die am häufigsten auftretenden Probleme beim Zerspanen lassen sich in fünf Kategorien einteilen.

1. Standzeit

2. Form- und Maßtoleranz

3. Homogenität des Materials

4. Spannungen

5. Oberflächenfinish

Die Standzeit ist die Lebensdauer eines Zerspanungswerkzeugs und wird in Minuten angegeben. Wer mit Zerspanung beschäftigt ist, führt meist häufig wiederkehrende Tätigkeiten aus und kann aus diesem Grund die Standzeit gut einschätzen.

Es kann jedoch vorkommen, dass eine neue Materialcharge zur Bearbeitung eintrifft, durch die sich die Standzeit verringert. Das kann eine Kostensteigerung zur Folge haben. Die letztendliche Standzeit ist abhängig von Material, Kühlmittel, Werkzeugen, Mensch und Maschine.

Die Ursachen für eine verkürzte Standzeit können sehr unterschiedlich sein. Zum Beispiel kann es an einem Übermaß an Hartkarbiden oder anderen intermetallischen Verbindungen liegen. Jedes Mal, wenn die Meißelspitze auf ein Karbid trifft, bekommt sie einen Schlag, wodurch sie früher abbricht. Oder das Material verfestigt sich weiterhin, wodurch der Verschleiß des Meißels sich beschleunigt. Usw...

Jede Materialcharge unterscheidet sich ein wenig von der vorigen. Meist sieht man dabei nur einen geringen Rückgang in der Standzeit, doch sie kann auch mit einem hohen Prozentsatz sinken.

Die Form- und Maßtoleranzen eines Halbfabrikats sind miteinander verbunden, und sie werden oft auch zusammen in der Norm genannt. Ein zerspanender Verarbeiter wünscht sich eine Stange, die so gerade wie möglich ist und die in einem automatisierten Zufuhrsystem keine Probleme verursacht. Große Maßtoleranzen und Unrundungen können ebenfalls zu Problemen führen. Die Norm erlaubt viel, sodass auch ein Werkstoff, der der Norm entspricht, zu Problemen führen kann. 

Zerspaner stellen hohe Anforderungen an die Qualität des Materials sowie an die Form- und Maßtoleranzen. Dadurch ist gut zerspanbares Material auch etwas kostspieliger. „Je höher die Anforderung, desto höher der Preis.“ Aber auf lange Sicht amortisiert sich dies, denn Probleme beim Zerspanen können sehr kostenintensiv sein.

Alle Materialien enthalten so genannte Phasen, Einschlüsse und intermetallische Verbindungen wie Mangansulfide, die dafür sorgen, dass Späne besser und kürzer abbrechen. Wenn diese Partikel nicht gleichmäßig verteilt sind, bricht der Span schlecht und unregelmäßig ab. Für einen stabilen Zerspanungsprozess ist es wünschenswert, dass der Span vorhersehbar und gleichmäßig bricht. 

Die Materialstruktur muss daher für eine optimale Bearbeitung ausgelegt sein. Und dann ist die Auswahl manchmal schwierig. Der Schwefel im Mangansulfid zum Beispiel ist günstig für die Zerspanung, aber nachteilig für das Schweißen und Umformen.

Deshalb ist es für die Materialauswahl wichtig, nicht nur das eine Verfahren zu betrachten, sondern auch die Vorgänge, die das Material danach noch zu durchlaufen hat. In diesem Punkt muss man die beste Entscheidung treffen.

Ein Stahlwerk betrachtet den Hauptzweck: Konstruktion oder Zerspanung. Unter diesem Gesichtspunkt werden die Produkte hergestellt. Also produzieren nur Hersteller, die sich auf die Zerspanung konzentrieren, Materialien, die sich sehr gut verarbeiten lassen. Andere Hersteller gehen Kompromisse im Hinblick auf die unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren ein.

Es gibt immer innere (mechanische) Spannungen in einem Material. Diese Spannungen sind so verteilt, dass sie zusammen dafür sorgen, dass eine Stange gerade ist. Beim Zerspanen verändert sich diese Spannungsverteilung: Spannungen werden umgeleitet, hinzugefügt oder sie fallen weg. Dies kann dazu führen, dass sich ein Werkstück verformt, während das Halbzeug gerade war (oder umgekehrt). Je mehr Spannungen im Material vorhanden sind, desto stärker zeigt sich diese Veränderung in ihrer Verteilung.

Wir wünschen uns also eigentlich ein Material mit nicht zu vielen Spannungen. Durch Vorglühen des Werkstoffs kann ein erheblicher Teil dieser Spannungen abgebaut werden. Dadurch wird die Materialspannung reduziert. Aber wie gesagt... Jeder Vorteil hat seinen Nachteil. Durch das Erhitzen eines Stabes werden die Spannungen freigegeben und ihre Verteilung verändert sich. Ein gerader Stab kann dadurch gebogen aus dem Ofen kommen. Darüber hinaus ist ein geglühtes Material etwas zäher, sodass Späne nicht ganz so schnell abbrechen. 

Für Kunden ist es oft wichtig, dass das Material eine schöne Oberfläche hat. Die ist Ergebnis der richtigen Kombination aus Bearbeitungsverfahren, Werkzeugen, Kühlung und Werkstoff. Wenn einer der Faktoren nicht stimmt, ist das Resultat enttäuschend. Die Struktur und die Eigenschaften der Werkstoffe spielen dabei eine große Rolle. Eine homogene Verteilung der vorhandenen Einschlüsse und Phasen (gewünscht und unerwünscht) wird angestrebt.

Es ist wichtig, dass Sie den Inhalt der betreffenden Normen kennen. Man muss sich ihrer Lücken und den bestehenden, zulässigen Toleranzen bewusst sein.

Ein gutes Beispiel ist eine Edelstahlstange 1.4305 (≈AISI 303) mit einem Durchmesser von 300 mm. Gemäß der europäischen Norm EN 10088-3 dürfen darin Einschlüsse, Porositäten usw. (Diskontinuitäten) bestehen. Es wird jedoch nicht beschrieben, in welchem Rahmen sich diese befinden müssen. Wird die Ultraschallprüfung vereinbarungsgemäß nach der leichtesten Qualitätsklasse (Klasse 1) durchgeführt, dürfen isolierte Diskontinuitäten 19 mm nicht überschreiten. Das ist ziemlich viel...

Wenn der Kunde keine zusätzlichen Anforderungen gestellt hat, ist ein Werkstoff mit solch signifikanten Materialfehlern (denn darum handelt es sich) also akzeptiert. In der Praxis können diese Mängel jedoch zu großen Problemen führen.

Man sollte sich also hinsichtlich der Erwartungshaltung vorab genauestens austauschen. Ebenfalls wichtig: Der Kunde hat dies auch dem Endkunden zu kommunizieren. Wir streben zwar nach einer perfekten Oberfläche, aber es ist per Definition unmöglich, diese zu erreichen. Unser Ziel kann nur „so gut wie möglich“ sein.

Interessiert es Sie auch, ob Sie das richtige Material verwenden, um das Beste aus Ihrem Verfahren herauszuholen? Oder wünschen Sie sich Beratung für ein zukünftiges Projekt? Ich helfe Ihnen gerne.