Auskolkung

Auskolkung

Kurz erklärt

Als Auskolkung wird eine mulden- oder kraterförmige Vertiefung auf der Spanfläche eines Zerspanungswerkzeugs bezeichnet. Sie entsteht dort, wo der ablaufende Span unter hohem Druck und hoher Temperatur über die Spanfläche gleitet.

Die Auskolkung wird deshalb auch als Kolkverschleiß bezeichnet. Sie tritt besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und bei der Bearbeitung zäher Werkstoffe auf. Wird der Kolk zu groß, kann die Schneide geschwächt werden und schließlich ausbrechen.

Wo entsteht die Auskolkung?

Die Auskolkung bildet sich normalerweise:

• auf der Spanfläche des Werkzeugs,
• in einem gewissen Abstand zur Schneidkante,
• innerhalb der Kontaktzone zwischen Span und Werkzeug,
• häufig parallel zur Schneidkante.

Der stärkste Verschleiß liegt nicht zwangsläufig direkt an der Schneidkante. Der Span übt auch etwas hinter der Schneide noch hohen Druck auf die Spanfläche aus. Gleichzeitig entstehen dort hohe Temperaturen und starke Reibung.

Dadurch bildet sich zunächst eine flache Mulde, die sich mit zunehmender Bearbeitungszeit zu einem deutlich erkennbaren Kolk entwickeln kann.

Wie entsteht eine Auskolkung?

Bei der Spanbildung wird der Werkstoff stark plastisch verformt. Der heiße Span gleitet anschließend mit hoher Geschwindigkeit über die Spanfläche des Werkzeugs.

In der Kontaktzone wirken gleichzeitig:

• hohe Flächenpressungen,
• hohe Temperaturen,
• starke Reibung,
• Adhäsionsvorgänge,
• Abrasion durch harte Bestandteile,
• chemische und diffusionsbedingte Vorgänge.

Die Auskolkung ist daher meist nicht auf einen einzigen Verschleißmechanismus zurückzuführen. Häufig wirken mehrere Mechanismen zusammen.

Wichtige Verschleißmechanismen

Adhäsion

Unter hohem Druck können sich Spanwerkstoff und Schneidstoff kurzfristig miteinander verbinden. Beim Weiterfließen des Spans werden kleinste Bestandteile aus der Werkzeugoberfläche herausgerissen.

Dieser Vorgang wird als Adhäsionsverschleiß bezeichnet.

Abrasion

Harte Bestandteile im Werkstück oder Span können die Spanfläche mechanisch abschleifen. Sie wirken dabei ähnlich wie kleine Schleifkörner.

Dieser Mechanismus wird als abrasiver Verschleiß bezeichnet.

Diffusion

Bei hohen Temperaturen können Atome zwischen Werkzeug und Span ausgetauscht werden. Dadurch verändert sich die Zusammensetzung des Schneidstoffs in der oberflächennahen Zone.

Der Schneidstoff verliert lokal an Festigkeit und wird vom ablaufenden Span leichter abgetragen. Diffusionsverschleiß spielt besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und entsprechend hohen Schneidentemperaturen eine Rolle.

Chemische Reaktionen und Oxidation

Bei erhöhten Temperaturen können auch chemische Reaktionen zwischen Werkzeug, Werkstoff, Beschichtung und Umgebung auftreten. Die entstehenden Reaktionsschichten besitzen möglicherweise eine geringere Festigkeit und werden vom Span abgetragen.

Einfluss der Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit besitzt einen besonders großen Einfluss auf die Auskolkung.

Mit steigender Schnittgeschwindigkeit erhöht sich normalerweise die Temperatur in der Kontaktzone zwischen Span und Werkzeug. Dadurch werden thermisch und chemisch aktivierte Verschleißmechanismen begünstigt.

Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit kann deshalb zu folgenden Auswirkungen führen:

• schnelleres Wachstum des Kolks,
• stärkere thermische Belastung,
• zunehmender Diffusionsverschleiß,
• Schwächung der Schneidkante,
• verkürzte Werkzeugstandzeit.

Eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit ist daher häufig eine wirksame Maßnahme gegen übermäßige Auskolkung.

Einfluss des Vorschubs

Ein höherer Vorschub führt zu einem größeren Spanungsquerschnitt. Dadurch steigen die mechanische und thermische Belastung des Werkzeugs.

Mögliche Folgen sind:

• höhere Schnittkräfte,
• größerer Span-Werkzeug-Kontakt,
• stärkere Wärmeentwicklung,
• höhere Belastung der Spanfläche,
• beschleunigte Kolkbildung.

Der Vorschub sollte jedoch nicht beliebig reduziert werden. Ein zu geringer Vorschub kann Reiben, Aufbauschneidenbildung und ungünstige Temperaturverhältnisse verursachen.

Einfluss der Schnitttiefe

Eine größere Schnitttiefe erhöht die gesamte Werkzeugbelastung und die entstehende Wärmemenge. Ihr Einfluss auf die Auskolkung ist jedoch häufig weniger unmittelbar als der Einfluss von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub.

Bei einer größeren Schnitttiefe wird außerdem ein längerer Bereich der Schneidkante belastet.

Gefahren einer fortschreitenden Auskolkung

Ein kleiner, gleichmäßig ausgeprägter Kolk kann während der normalen Werkzeugnutzung auftreten. Kritisch wird die Auskolkung, wenn sie sich zu stark vergrößert oder der Schneidkante nähert.

Dadurch wird der verbleibende Materialquerschnitt zwischen Kolk und Freifläche immer dünner. Die Schneide verliert an mechanischer Stabilität.

Mögliche Folgen sind:

• Veränderung der wirksamen Schneidengeometrie,
• höhere Temperatur an der Schneidkante,
• zunehmende Schnittkräfte,
• unkontrollierte Spanbildung,
• Beschädigung der Beschichtung,
• Ausbröckelung der Schneidkante,
• größerer Schneidenausbruch,
• vollständiger Bruch der Schneidplatte.

Besonders gefährlich ist eine tiefe Auskolkung, deren Rand sehr nahe an die Schneidkante heranreicht.

Auskolkung beim Drehen

Beim Drehen ist die Auskolkung häufig deutlich auf der Spanfläche der Wendeschneidplatte erkennbar. Der Span gleitet kontinuierlich über einen begrenzten Bereich der Spanfläche und erzeugt dort eine intensive thermische und mechanische Belastung.

Begünstigt wird die Auskolkung beispielsweise durch:

• hohe Schnittgeschwindigkeit,
• hohe Vorschübe,
• lange Eingriffszeiten,
• kontinuierliche Bearbeitung,
• zähe und langspanende Werkstoffe,
• ungeeignete Schneidstoffsorte,
• unzureichende Kühlung.

Bei der Drehbearbeitung lässt sich der Kolk nach dem Ausbau der Schneidplatte häufig als längliche Mulde hinter der Schneidkante erkennen.

Auskolkung beim Fräsen

Beim Fräsen wird jede Schneide abwechselnd belastet und entlastet. Die Temperatur schwankt deshalb stärker als beim kontinuierlichen Drehen.

Auch beim Fräsen kann Auskolkung auftreten, insbesondere bei:

• hohen Schnittgeschwindigkeiten,
• langen Span-Werkzeug-Kontaktwegen,
• zähen Werkstoffen,
• unzureichender Wärmeabfuhr,
• ungeeigneter Schneidplattengeometrie,
• thermisch nicht ausreichend beständigen Schneidstoffen.

Beim Fräsen können sich Kolkverschleiß, thermische Risse und Ausbröckelungen gegenseitig beeinflussen.

Auskolkung beim Bohren

Beim Bohren kann sich Kolkverschleiß auf den Spanflächen der Hauptschneiden bilden. Die Wärmeabfuhr ist insbesondere bei tiefen Bohrungen erschwert.

Zusätzlich müssen die Späne zuverlässig aus der Bohrung transportiert werden. Ein Spanrückstau erhöht Reibung und Temperatur und kann den Verschleiß verstärken.

Wichtige Einflussgrößen sind:

• Schnittgeschwindigkeit,
• Vorschub,
• Bohrungstiefe,
• Kühlschmierstoffversorgung,
• Spanabfuhr,
• Werkzeugbeschichtung,
• Werkstoff des Werkstücks.

Einfluss des Werkstückwerkstoffs

Die Neigung zur Auskolkung hängt stark vom bearbeiteten Werkstoff ab.

Begünstigend wirken unter anderem:

• hohe Zähigkeit,
• hohe Warmfestigkeit,
• geringe Wärmeleitfähigkeit,
• starke chemische Affinität zum Schneidstoff,
• harte Bestandteile im Werkstoff,
• langspanendes Verhalten.

Bei schlecht wärmeleitenden Werkstoffen konzentriert sich ein größerer Teil der Wärme im Bereich der Schneide und der Spanfläche.

Einfluss des Schneidstoffs

Der verwendete Schneidstoff muss zur thermischen, mechanischen und chemischen Belastung passen.

Wichtige Eigenschaften sind:

• Warmhärte,
• Verschleißfestigkeit,
• chemische Beständigkeit,
• Zähigkeit,
• Wärmeleitfähigkeit,
• Widerstand gegen Diffusion,
• Haftfestigkeit der Beschichtung.

Ein sehr harter Schneidstoff kann eine hohe Verschleißfestigkeit besitzen, gleichzeitig aber empfindlicher gegen Stöße und Ausbröckelungen sein. Die Auswahl muss deshalb immer zur Bearbeitungssituation passen.

Einfluss der Werkzeugbeschichtung

Eine geeignete Beschichtung kann die Reibung zwischen Span und Werkzeug reduzieren und den Schneidstoff vor hohen Temperaturen, Adhäsion und chemischen Reaktionen schützen.

Eine Beschichtung kann unter anderem:

• die Reibung vermindern,
• die Spanablauffläche schützen,
• als Wärmesperre wirken,
• die chemische Beständigkeit verbessern,
• die Kolkbildung verzögern.

Wird die Beschichtung jedoch beschädigt oder vollständig abgetragen, liegt der Grundwerkstoff frei. In diesem Bereich kann sich die Auskolkung anschließend schneller entwickeln.

Einfluss der Spanformgeometrie

Die Spanformgeometrie bestimmt, wie der Span geformt, gelenkt und gebrochen wird. Sie beeinflusst außerdem die Länge und Lage des Kontakts zwischen Span und Spanfläche.

Eine ungeeignete Geometrie kann:

• den Span-Werkzeug-Kontakt vergrößern,
• die Flächenpressung erhöhen,
• die Reibung verstärken,
• die Wärmeabfuhr verschlechtern,
• den Span ungünstig gegen die Spanfläche drücken.

Eine passende Spanformgeometrie unterstützt dagegen einen kontrollierten Spanablauf und kann die thermische Belastung reduzieren.

Einfluss des Kühlschmierstoffs

Kühlschmierstoff kann die Temperatur senken, die Reibung reduzieren und den Abtransport der Späne unterstützen.

Entscheidend ist jedoch, dass der Kühlschmierstoff die Wirkzone tatsächlich erreicht. Eine große Kühlmittelmenge allein garantiert keine wirksame Kühlung.

Hilfreich können sein:

• gezielte Kühlmittelzufuhr,
• ausreichender Kühlmitteldruck,
• Innenkühlung,
• saubere Kühlmittelkanäle,
• geeignete Düsenposition,
• an den Werkstoff angepasster Kühlschmierstoff.

Bei unterbrochenen Schnitten kann eine ungleichmäßige Kühlung starke Temperaturwechsel verursachen. Diese können thermische Risse und Ausbröckelungen begünstigen.

Erkennen und Beurteilen der Auskolkung

Eine Auskolkung lässt sich normalerweise durch eine Sichtprüfung der Spanfläche erkennen. Für eine genauere Beurteilung können Lupe, Werkzeugmikroskop oder digitales Messsystem eingesetzt werden.

Beurteilt werden unter anderem:

• Lage des Kolks,
• Kolktiefe,
• Kolkbreite,
• Abstand zur Schneidkante,
• Entwicklung im Verlauf der Standzeit,
• Zustand der Beschichtung,
• zusätzliche Risse oder Ausbröckelungen.

Nicht nur die Tiefe des Kolks ist entscheidend. Auch seine Position zur Schneidkante muss berücksichtigt werden.

Typische Anzeichen im Bearbeitungsprozess

Eine fortschreitende Auskolkung kann sich bemerkbar machen durch:

• Veränderung der Spanform,
• höhere Schnittkräfte,
• steigende Leistungsaufnahme,
• zunehmende Schneidentemperatur,
• schlechtere Maßhaltigkeit,
• nachlassende Oberflächengüte,
• ungewöhnliche Geräusche,
• plötzliches Ausbrechen der Schneidkante.

Ein starker Kolk kann lange unauffällig wachsen und anschließend zu einem plötzlichen Schneidenversagen führen. Regelmäßige Werkzeugkontrollen sind deshalb wichtig.

Maßnahmen gegen Auskolkung

Abhängig von der Ursache kommen folgende Maßnahmen infrage:

• Schnittgeschwindigkeit reduzieren,
• Vorschub und Schnitttiefe überprüfen,
• verschleißfestere Schneidstoffsorte einsetzen,
• thermisch beständigere Beschichtung wählen,
• Spanformgeometrie anpassen,
• Kühlschmierstoff gezielter zuführen,
• Spanabfuhr verbessern,
• stabilere Schneidkante verwenden,
• Werkzeugwechselgrenze festlegen,
• Werkzeug regelmäßig kontrollieren,
• Bearbeitungszeit pro Schneide begrenzen.

Die Schnittparameter sollten nicht isoliert verändert werden. Eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit kann beispielsweise die thermische Belastung senken, verändert aber gleichzeitig Spanbildung, Bearbeitungszeit und Produktivität.

Unterschied zwischen Auskolkung und Freiflächenverschleiß

Die beiden Verschleißformen treten an unterschiedlichen Bereichen des Werkzeugs auf.

Merkmal	Auskolkung	Freiflächenverschleiß
Lage	Spanfläche	Freifläche
Hauptkontakt	Ablaufender Span	Neu erzeugte Werkstückoberfläche
Typische Form	Mulde oder Krater	Verschleißmarke beziehungsweise Verschleißfase
Starker Einfluss	Temperatur und Spanreibung	Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück
Mögliche Folge	Schwächung der Schneidkante	Maßabweichung und schlechtere Oberfläche

Beide Verschleißformen können gleichzeitig auftreten.

Unterschied zwischen Auskolkung und Ausbröckelung

Die Auskolkung ist ein meist fortschreitender Materialabtrag auf der Spanfläche. Sie entwickelt sich häufig über einen längeren Zeitraum.

Die Ausbröckelung besteht dagegen aus kleinen, örtlich begrenzten Ausbrüchen an der Schneidkante. Sie wird vor allem durch mechanische oder thermische Überlastung, Schwingungen, unterbrochenen Schnitt oder eine zu spröde Schneide verursacht.

Eine starke Auskolkung kann die Schneidkante jedoch so weit schwächen, dass anschließend eine Ausbröckelung entsteht.

Unterschied zwischen Auskolkung und abrasivem Verschleiß

Der abrasive Verschleiß bezeichnet einen Verschleißmechanismus. Harte Teilchen oder Gefügebestandteile tragen dabei Werkzeugmaterial mechanisch ab.

Die Auskolkung bezeichnet dagegen das sichtbare Verschleißbild auf der Spanfläche.

Abrasion kann an der Entstehung einer Auskolkung beteiligt sein. Zusätzlich können Adhäsion, Diffusion und chemische Reaktionen eine wichtige Rolle spielen.

Unterschied zwischen Auskolkung und Beschichtungsablösung

Bei einer Beschichtungsablösung wird zunächst nur die Werkzeugbeschichtung beschädigt oder vom Grundwerkstoff getrennt. Eine deutliche Vertiefung im Schneidstoff muss noch nicht vorhanden sein.

Bei der Auskolkung wird tatsächlich Werkzeugmaterial abgetragen und eine muldenförmige Vertiefung gebildet.

Eine beschädigte Beschichtung kann allerdings den Beginn oder das Wachstum einer Auskolkung beschleunigen.

Zusammenfassung

Die Auskolkung ist eine kraterförmige Verschleißerscheinung auf der Spanfläche eines Zerspanungswerkzeugs. Sie entsteht im Kontaktbereich zwischen dem heißen, ablaufenden Span und dem Werkzeug.

Besonders großen Einfluss besitzen:

• Schnittgeschwindigkeit,
• Schneidentemperatur,
• Werkstückwerkstoff,
• Schneidstoff und Beschichtung,
• Spanformgeometrie,
• Kühlschmierstoffversorgung,
• Dauer des Werkzeugeingriffs.

Eine fortschreitende Auskolkung schwächt die Schneidkante und kann zu Ausbröckelungen oder zum vollständigen Schneidenbruch führen. Durch passende Schnittwerte, geeignete Schneidstoffe, eine wirksame Kühlung und regelmäßige Werkzeugkontrollen lässt sich das Risiko deutlich reduzieren.