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Ausbröckelung

Eine Ausbröckelung ist eine Form der mechanischen Beschädigung, bei der kleine Bereiche aus einer Werkzeugschneide oder Werkstoffoberfläche herausbrechen. An Zerspanungswerkzeugen zeigt sie sich meist durch unregelmäßige kleine Fehlstellen entlang der Schneidkante.

Ausbröckelungen werden auch als Mikroausbrüche oder Schneidkantenausbrüche bezeichnet. Sie entstehen häufig durch wechselnde mechanische oder thermische Belastungen und können sich bis zu einem vollständigen Werkzeugbruch vergrößern.

Kurz gesagt:

Ausbröckelung = örtliches Herausbrechen kleiner Bereiche aus einer Schneide oder Oberfläche.

Wie entsteht eine Ausbröckelung?

Schneidstoffe müssen während der Bearbeitung hohe Druckkräfte, Temperaturen und wechselnde Belastungen aufnehmen. Überschreitet die örtliche Beanspruchung die Festigkeit des Schneidstoffs, können kleine Risse entstehen.

Diese Risse breiten sich unter weiterer Belastung aus. Schließlich lösen sich kleine Teilchen aus der Schneidkante.

Ein typischer Ablauf ist:

Die Schneide wird mechanisch oder thermisch überlastet.
Im Schneidstoff entstehen feine Risse.
Die Risse vergrößern sich bei weiteren Werkzeugeingriffen.
Kleine Bereiche brechen aus der Schneidkante heraus.
Die veränderte Geometrie erzeugt zusätzliche Belastungsspitzen.
Weitere Ausbröckelungen oder ein vollständiger Schneidenbruch können folgen.

Erscheinungsbild

Typische Merkmale einer Ausbröckelung sind:

kleine unregelmäßige Ausbrüche
gezackte Schneidkante
örtlich fehlende Schneidstoffbereiche
raue Bruchflächen
unterschiedliche Größe der Fehlstellen
fortschreitende Beschädigung entlang der Schneide
plötzlich schlechtere Werkstückoberfläche
zunehmende Gratbildung

Unter einer Lupe oder einem Werkzeugmikroskop sind die einzelnen Ausbruchstellen meist deutlich erkennbar.

Mikroausbröckelungen

Mikroausbröckelungen sind sehr kleine Ausbrüche direkt an der Schneidkante. Sie können anfangs kaum mit bloßem Auge sichtbar sein.

Trotz ihrer geringen Größe verändern sie die Schneidengeometrie. Eine ursprünglich scharfe Schneide wird unregelmäßig und beginnt verstärkt zu drücken oder zu reiben.

Mögliche Folgen sind:

schlechtere Oberflächenqualität
zunehmende Schnittkräfte
erhöhte Wärmeentwicklung
Gratbildung
beschleunigter Verschleiß
weitere Schneidkantenausbrüche

Mikroausbröckelungen können ein frühes Warnzeichen für einen größeren Werkzeugschaden sein.

Ursachen für Ausbröckelungen

Ausbröckelungen können unterschiedliche Ursachen haben. Häufig wirken mehrere Faktoren gleichzeitig.

Typische Ursachen sind:

zu hoher Vorschub
zu große Schnitttiefe
unterbrochener Schnitt
Vibrationen und Rattern
instabile Werkzeugspannung
große Werkzeugauskragung
instabile Werkstückspannung
zu spröder Schneidstoff
ungeeignete Schneidengeometrie
thermische Wechselbelastung
Spanstau
Werkstoffeinschlüsse
harte Randschichten
Kollisionen
beschädigter Plattensitz
falsches Anzugsdrehmoment

Mechanische Überlastung

Eine Schneidkante kann nur eine begrenzte mechanische Belastung aufnehmen. Zu große Spanquerschnitte oder plötzliche Belastungsspitzen können die Schneide örtlich überfordern.

Mechanische Überlastung entsteht beispielsweise durch:

zu hohen Vorschub pro Zahn
zu große Schnitttiefe
schwankendes Aufmaß
unterbrochene Schnitte
Eintritt in harte Werkstoffbereiche
Späne zwischen Werkzeug und Werkstück
Kollision mit einer Störkontur

Besonders gefährlich sind plötzliche Lastwechsel, bei denen die Schneide schlagartig in das Material eintritt.

Unterbrochener Schnitt

Beim Fräsen und bei unterbrochenen Drehbearbeitungen tritt die Schneide wiederholt in den Werkstoff ein und aus.

Jeder Eintritt erzeugt eine stoßartige Belastung. Gleichzeitig erwärmt sich die Schneide während des Eingriffs und kühlt beim Austritt wieder ab.

Dadurch entstehen:

mechanische Wechselbelastungen
thermische Spannungen
Ermüdungsrisse
Schneidkantenausbrüche
Kammrisse

Ein ausreichend zäher Schneidstoff und eine stabile Schneidengeometrie sind bei unterbrochenen Schnitten besonders wichtig.

Rattern und Vibrationen

Bei Rattern schwankt die Belastung der Schneide während der Bearbeitung. Die Schneide wird wiederholt in das Werkstück gedrückt und anschließend entlastet.

Diese schlagartige Beanspruchung kann Ausbröckelungen verursachen.

Mögliche Ursachen für Rattern sind:

zu große Werkzeugauskragung
instabile Werkzeugaufnahme
dünnwandiges Werkstück
ungünstige Drehzahl
ungeeigneter Vorschub
verschlissenes Werkzeug
zu große Eingriffsbreite
unzureichende Maschinensteifigkeit

Eine Beseitigung der Schwingungsursache ist meist wirksamer als eine alleinige Reduzierung des Vorschubs.

Thermische Wechselbelastung

Werkzeugschneiden werden während des Schnitts stark erwärmt. Beim Austritt aus dem Werkstück können sie wieder abkühlen.

Besonders beim Fräsen entsteht dadurch ein ständiger Wechsel zwischen Erwärmung und Abkühlung. Kühlschmierstoff kann diesen Temperaturwechsel unter bestimmten Bedingungen zusätzlich verstärken.

Die unterschiedlichen Ausdehnungen im Schneidstoff können feine thermische Risse verursachen. Treffen diese Risse auf mechanische Belastungen, können kleine Bereiche ausbrechen.

Mögliche Gegenmaßnahmen sind:

Schnittgeschwindigkeit anpassen
Kühlstrategie prüfen
Kühlschmierstoff kontinuierlich zuführen
Trockenbearbeitung einsetzen, wenn Werkzeug und Prozess dafür geeignet sind
thermisch beständigeren Schneidstoff verwenden
unnötige Unterbrechungen vermeiden

Ungeeigneter Schneidstoff

Sehr harte Schneidstoffe bieten häufig eine hohe Verschleißfestigkeit, können jedoch vergleichsweise spröde sein.

Eine zu harte oder zu verschleißfeste Schneidstoffsorte kann bei instabilen Bedingungen zu Ausbröckelungen neigen.

Eine zähere Sorte kann vorteilhaft sein bei:

unterbrochenen Schnitten
instabiler Aufspannung
großen Vorschüben
Gusshaut oder Zunder
Schmiedeteilen
wechselndem Aufmaß
vibrationsgefährdeten Bearbeitungen

Die zähere Sorte kann allerdings einen geringeren Widerstand gegen gleichmäßigen abrasiven Verschleiß besitzen.

Einfluss der Schneidengeometrie

Eine sehr scharfe Schneidkante benötigt geringe Schnittkräfte, ist jedoch mechanisch empfindlicher. Eine stabilisierte Schneidkante kann höhere Belastungen aufnehmen.

Möglichkeiten zur Stabilisierung sind:

größere Schneidkantenverrundung
Schutzfase
negative Fase
größerer Keilwinkel
stabilere Wendeschneidplattenform
geringerer Spanwinkel

Eine zu stark stabilisierte Schneide erhöht jedoch Schnittkräfte und Wärmeentwicklung. Die Geometrie muss deshalb zur Bearbeitung passen.

Einfluss der Wendeschneidplattenform

Die Form einer Wendeschneidplatte beeinflusst den eingeschlossenen Eckenwinkel und damit die Stabilität.

Wendeschneidplatten mit großen Eckenwinkeln besitzen grundsätzlich mehr Material hinter der Schneidkante und sind häufig stabiler.

Beispiele für vergleichsweise stabile Formen sind:

runde Wendeschneidplatten
quadratische Wendeschneidplatten
trigonförmige Wendeschneidplatten
rhombische Platten mit großem Eckenwinkel

Spitze Plattenformen bieten eine bessere Zugänglichkeit, können aber empfindlicher gegenüber Ausbröckelungen sein.

Fehlerhafte Plattenmontage

Eine Wendeschneidplatte muss sauber und vollständig im Plattensitz aufliegen.

Späne oder Verschmutzungen unter der Platte können:

Platte verkippen
ungleichmäßige Klemmung erzeugen
Rundlauf verändern
lokale Spannungen verursachen
Plattenbruch auslösen

Auch eine beschädigte Spannschraube oder ein falsches Anzugsdrehmoment kann die Prozesssicherheit beeinträchtigen.

Vor dem Einsetzen einer neuen Wendeschneidplatte müssen Plattensitz und Anlageflächen sorgfältig gereinigt werden.

Ausbröckelung beim Fräsen

Beim Fräsen sind Schneiden regelmäßig unterbrochenen Belastungen ausgesetzt. Ausbröckelungen entstehen häufig beim Eintritt oder Austritt aus dem Werkstück.

Einfluss haben:

Eintrittswinkel
Fräsrichtung
Vorschub pro Zahn
radiale Eingriffsbreite
axiale Schnitttiefe
Werkzeugrundlauf
Schneidenzahl
Werkstückaufspannung

Beim ungünstigen Werkzeugeintritt kann die Schneide zunächst mit einem sehr dünnen Span in Kontakt kommen und über die Oberfläche gleiten. Anschließend steigt die Belastung an. Dieser Verlauf kann Schneide und Beschichtung beanspruchen.

Ausbröckelung beim Drehen

Beim Drehen treten Ausbröckelungen besonders bei unterbrochenen Schnitten auf.

Typische Anwendungen sind:

Werkstücke mit Nuten
Wellen mit Passfedernuten
Gussteile
Schmiedeteile
unrunde Rohteile
Werkstücke mit Querbohrungen
Bearbeitung von Zunder oder Gusshaut

Auch ein schwankendes Aufmaß kann die Schneide wiederholt unterschiedlich stark belasten.

Ausbröckelung beim Bohren

Bei Bohrern können Ausbröckelungen an den Hauptschneiden, Schneidenecken oder Führungsfasen auftreten.

Mögliche Ursachen sind:

unterbrochener Bohrungseintritt
schräger Bohrungsaustritt
Querbohrungen
Spanstau
zu hoher Vorschub
unzureichende Kühlung
schlechter Rundlauf
instabile Werkzeugaufnahme
harte Einschlüsse im Werkstoff

Schon ein kleiner Ausbruch an einer Hauptschneide führt zu einer ungleichen Belastung der beiden Bohrerseiten. Der Bohrer kann verlaufen und eine zu große oder unrunde Bohrung erzeugen.

Ausbröckelung beim Gewindebohren

Beim Gewindebohrer sind besonders die Zähne im Anschnitt belastet. Sie übernehmen den größten Teil der Schneidarbeit.

Ausbröckelungen können verursacht werden durch:

falschen Kernlochdurchmesser
zu kurzen Anschnitt
schlechte Spanabfuhr
unzureichende Schmierung
falsche Synchronisierung
zu hohe Schnittgeschwindigkeit
Rücklauf über verklemmte Späne
schiefes Ansetzen des Werkzeugs

Beschädigte Anschnittzähne können das gesamte nachfolgende Gewinde beeinträchtigen.

Einfluss des Werkstückwerkstoffs

Werkstoffe mit harten Bestandteilen oder ungleichmäßigem Gefüge können Ausbröckelungen begünstigen.

Dazu gehören:

Gusseisen mit harter Gusshaut
Schmiedeteile mit Zunder
Werkstoffe mit Karbiden
gehärtete Werkstoffe
Sinterwerkstoffe
Verbundwerkstoffe
Werkstücke mit Einschlüssen
Schweißnähte
flammgeschnittene Randschichten

Beim Eintritt in einen unerwartet harten Bereich steigt die Schneidenbelastung plötzlich an.

Folgen von Ausbröckelungen

Bereits kleine Ausbröckelungen können die Bearbeitungsqualität deutlich beeinträchtigen.

Mögliche Folgen sind:

schlechte Oberfläche
Maßabweichungen
Gratbildung
erhöhte Schnittkräfte
instabile Spanbildung
Rattermarken
Beschädigung weiterer Schneiden
Bruch der Wendeschneidplatte
Beschädigung des Werkzeughalters
Ausschuss

Bei mehrschneidigen Werkzeugen kann eine beschädigte Schneide höherstehende oder benachbarte Schneiden zusätzlich belasten.

Unterschied zum normalen Verschleiß

Normaler Freiflächenverschleiß entwickelt sich meist gleichmäßig und kontinuierlich. Die Werkzeugoberfläche wird über eine größere Fläche abgetragen.

Eine Ausbröckelung ist dagegen ein örtlicher Bruchvorgang. Das Material wird nicht langsam abgeschliffen, sondern bricht in kleinen Bereichen heraus.

Normaler Verschleiß	Ausbröckelung
häufig gleichmäßiger Materialabtrag	unregelmäßige örtliche Ausbrüche
meist gut vorhersehbar	teilweise plötzlich
fortschreitende Verschleißmarke	gezackte oder beschädigte Schneidkante
häufig abrasiv oder diffusiv	überwiegend mechanischer Bruch

Unterschied zum vollständigen Schneidenbruch

Bei einer Ausbröckelung lösen sich kleine Teilbereiche aus der Schneide. Das Werkzeug kann unter Umständen noch weiterarbeiten, erzeugt jedoch häufig schlechtere Ergebnisse.

Bei einem Schneidenbruch geht ein größerer Teil der Schneide oder der gesamten Wendeschneidplatte verloren. Eine sichere Weiterbearbeitung ist dann in der Regel nicht möglich.

Fortschreitende Ausbröckelungen können einen vollständigen Schneidenbruch vorbereiten.

Unterschied zur Beschichtungsablösung

Bei einer Beschichtungsablösung löst sich zunächst nur die dünne Hartstoffschicht vom Werkzeuggrundmaterial.

Bei einer Ausbröckelung bricht dagegen Schneidstoff aus dem Werkzeugkörper oder der Wendeschneidplatte heraus.

Eine Beschichtungsablösung kann jedoch das Grundmaterial freilegen und dadurch spätere Ausbröckelungen begünstigen.

Unterschied zum Kerbverschleiß

Kerbverschleiß entsteht örtlich an der Schnitttiefenlinie. Er kann durch Abrasion, Adhäsion, Oxidation und Kaltverfestigung verursacht werden.

Ausbröckelungen können innerhalb eines Kerbverschleißes auftreten, sind aber nicht auf die Schnitttiefenlinie begrenzt.

Erkennen der Ursache

Für eine erfolgreiche Fehlerbehebung muss das Verschleißbild genau untersucht werden.

Wichtige Fragen sind:

Wo befinden sich die Ausbröckelungen?
Sind alle Schneiden betroffen?
Entstehen die Schäden beim Werkzeugeintritt?
Ist die Bearbeitung unterbrochen?
Treten Vibrationen auf?
Ist die Schneide zu scharf oder zu spröde?
Ist der Plattensitz sauber?
Wird Kühlschmierstoff gleichmäßig zugeführt?
Sind Vorschub und Schnitttiefe zu hoch?
Gibt es harte Randschichten oder Einschlüsse?

Die reine Reduzierung aller Schnittwerte ist nicht immer die richtige Lösung. Ein zu geringer Vorschub kann Reiben und instabile Schnittbedingungen erzeugen.

Maßnahmen gegen Ausbröckelungen

Mögliche Gegenmaßnahmen sind:

zähere Schneidstoffsorte einsetzen
stabilere Schneidengeometrie wählen
Vorschub kontrolliert reduzieren
Schnitttiefe anpassen
Werkzeugauskragung verkürzen
Werkstückspannung verbessern
Rattern beseitigen
Eintrittsbewegung optimieren
Werkzeugrundlauf verbessern
Plattensitz reinigen
Schrauben mit richtigem Drehmoment anziehen
Kühlstrategie stabilisieren
Spanabfuhr verbessern
harte Randschicht in einem geeigneten Schnitt durchfahren
Werkzeug vor Erreichen der Verschleißgrenze wechseln

Prozessüberwachung

Ausbröckelungen können sich durch Veränderungen im Prozess ankündigen:

plötzlich steigende Maschinenlast
unregelmäßiges Bearbeitungsgeräusch
zunehmende Schwingungen
schlechtere Oberfläche
Gratbildung
Maßsprünge
veränderte Spanform
sichtbare Funken
ungleiche Belastung mehrerer Schneiden

Eine automatische Bruch- oder Lastüberwachung kann größere Folgeschäden verhindern.

Kurz erklärt

Eine Ausbröckelung ist das örtliche Herausbrechen kleiner Bereiche aus einer Werkzeugschneide. Sie entsteht häufig durch mechanische Überlastung, unterbrochene Schnitte, Vibrationen, thermische Wechselbelastung oder einen zu spröden Schneidstoff.

Kleine Ausbröckelungen verändern bereits die Schneidengeometrie und können zu schlechter Oberfläche, Maßfehlern und schließlich zu einem vollständigen Werkzeugbruch führen.

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