Materialabtrag

Materialabtrag – Verfahren, Einflussgrößen und Berechnung

Der Materialabtrag bezeichnet das gezielte Entfernen von Werkstoff von einem Werkstück. Ziel ist es, eine definierte Form, Abmessung oder Oberflächenqualität herzustellen. Der Materialabtrag bildet damit die Grundlage zahlreicher Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen und Erodieren.

In der CNC-Bearbeitung wird Werkstoff überwiegend in Form von Spänen entfernt. Andere Verfahren lösen, verdampfen, schmelzen oder verdrängen das Material. Welches Verfahren geeignet ist, hängt vom Werkstoff, der Bauteilgeometrie, der geforderten Genauigkeit und der gewünschten Oberflächenqualität ab.

Was bedeutet Materialabtrag?

Beim Materialabtrag wird das Ausgangsvolumen eines Werkstücks schrittweise auf die gewünschte Endgeometrie reduziert. Die Differenz zwischen Rohteil und Fertigteil entspricht dem abzutragenden Werkstoffvolumen.

Typische Aufgaben sind:

• Herstellen von Konturen,
• Planfräsen von Flächen,
• Fertigen von Bohrungen,
• Erzeugen von Nuten und Taschen,
• Bearbeiten von Passflächen,
• Herstellen von Gewinden,
• Entfernen von Beschichtungen,
• Entgraten von Bauteilen,
• Erzeugen einer definierten Oberflächenstruktur.

Der Materialabtrag muss kontrolliert erfolgen. Ein zu geringer Abtrag verlängert die Bearbeitungszeit, während eine zu hohe Belastung Werkzeug, Werkstück und Maschine beschädigen kann.

Spanende und abtragende Verfahren

Material kann mit unterschiedlichen physikalischen Wirkprinzipien entfernt werden. Grundsätzlich wird zwischen spanenden und weiteren abtragenden Verfahren unterschieden.

Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide

Bei diesen Verfahren besitzen die verwendeten Werkzeuge klar definierte Schneiden. Die Schneidenform, der Spanwinkel und der Freiwinkel sind geometrisch festgelegt.

Dazu gehören:

• Fräsen,
• Drehen,
• Bohren,
• Reiben,
• Sägen,
• Räumen,
• Hobeln,
• Stoßen.

Die Schneide dringt in den Werkstoff ein und trennt einen Span vom Werkstück. Dabei wird das Material zunächst elastisch und anschließend plastisch verformt, bevor es entlang einer Scherzone abgetrennt wird.

Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide

Bei Schleif- und Läppverfahren übernehmen zahlreiche unterschiedlich ausgerichtete Schleifkörner den Materialabtrag. Die genaue Form und Lage der einzelnen Schneiden ist nicht eindeutig festgelegt.

Typische Verfahren sind:

• Schleifen,
• Honen,
• Läppen,
• Polieren,
• Strahlen.

Diese Verfahren werden häufig für besonders genaue Abmessungen und hochwertige Oberflächen eingesetzt. Der Materialabtrag pro Arbeitsschritt ist meist geringer als beim Fräsen oder Drehen.

Thermische Abtragverfahren

Bei thermischen Verfahren wird der Werkstoff lokal erwärmt, geschmolzen oder verdampft.

Beispiele sind:

• Laserschneiden,
• Laserabtragen,
• Plasmaschneiden,
• Funkenerodieren,
• Drahterodieren.

Beim Funkenerodieren entstehen elektrische Entladungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Dabei werden kleinste Werkstoffmengen thermisch abgetragen. Das Werkstück muss hierfür elektrisch leitfähig sein.

Chemische und elektrochemische Verfahren

Beim chemischen Abtragen wird Material durch eine kontrollierte Reaktion mit einem geeigneten Medium entfernt. Bei elektrochemischen Verfahren erfolgt der Abtrag durch eine Kombination aus elektrischem Strom und Elektrolyt.

Typische Anwendungen sind:

• chemisches Ätzen,
• elektrochemisches Abtragen,
• elektrochemisches Entgraten,
• Herstellung feiner Leiterbahnstrukturen,
• Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe.

Diese Verfahren arbeiten ohne klassische mechanische Schneide. Dadurch entstehen keine oder nur sehr geringe mechanische Schnittkräfte.

Materialabtrag beim Fräsen

Beim Fräsen rotiert ein mehrschneidiges Werkzeug und entfernt den Werkstoff durch eine unterbrochene Schnittbewegung. Jede Schneide tritt während einer Werkzeugumdrehung wiederholt in den Werkstoff ein und aus.

Der Materialabtrag wird beim Fräsen hauptsächlich beeinflusst durch:

• Fräserdurchmesser,
• Schneidenanzahl,
• Schnittgeschwindigkeit,
• Drehzahl,
• Vorschub pro Zahn,
• Vorschubgeschwindigkeit,
• axiale Zustelltiefe,
• radiale Eingriffsbreite,
• Werkzeuggeometrie,
• Werkstoff,
• Maschinensteifigkeit.

Ein hoher Materialabtrag erfordert eine ausreichende Maschinenleistung, stabile Werkzeugspannung und zuverlässige Spanabfuhr.

Materialabtrag beim Drehen

Beim Drehen rotiert in der Regel das Werkstück, während sich das Werkzeug entlang der Werkstückoberfläche bewegt. Der Werkstoff wird kontinuierlich von einer geometrisch bestimmten Schneide abgetragen.

Wichtige Einflussgrößen sind:

• Schnittgeschwindigkeit,
• Vorschub pro Umdrehung,
• Schnitttiefe,
• Schneidplattengeometrie,
• Einstellwinkel,
• Werkstückdurchmesser,
• Werkstofffestigkeit,
• Kühlung und Schmierung.

Beim Schruppen steht ein hoher Materialabtrag im Vordergrund. Beim Schlichten werden geringere Zustellungen und Vorschübe verwendet, um Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität zu verbessern.

Schruppen und Schlichten

Die spanende Bearbeitung wird häufig in Schrupp- und Schlichtoperationen unterteilt.

Schruppen

Beim Schruppen soll in möglichst kurzer Zeit viel Werkstoff entfernt werden. Verwendet werden vergleichsweise große Zustellungen und Vorschubwerte.

Ziele des Schruppens sind:

• hoher Materialabtrag,
• kurze Bearbeitungszeit,
• wirtschaftliche Vorbearbeitung,
• gleichmäßiges Aufmaß für die Schlichtbearbeitung.

Schlichten

Beim Schlichten steht nicht das maximale Abtragsvolumen, sondern das genaue Erreichen der Endkontur im Mittelpunkt.

Ziele des Schlichtens sind:

• hohe Maßgenauigkeit,
• geringe Formabweichung,
• gute Oberflächenqualität,
• Einhaltung enger Toleranzen,
• gleichmäßige Werkzeugbelastung.

Zwischen Schruppen und Schlichten bleibt normalerweise ein definiertes Schlichtaufmaß stehen.

Berechnung des Zeitspanvolumens

Das Zeitspanvolumen beschreibt, wie viel Werkstoff innerhalb einer bestimmten Zeit entfernt wird. Es wird auch als Materialabtragsrate bezeichnet.

Beim Fräsen kann das Zeitspanvolumen näherungsweise mit folgender Formel berechnet werden:

Qw = ae × ap × vf

Dabei bedeuten:

• Qw: Zeitspanvolumen in mm³/min,
• ae: radiale Eingriffsbreite in mm,
• ap: axiale Zustelltiefe in mm,
• vf: Vorschubgeschwindigkeit in mm/min.

Soll das Ergebnis in cm³/min angegeben werden, wird der errechnete Wert durch 1.000 geteilt.

Beispiel

Bei einer radialen Eingriffsbreite von 5mm, einer axialen Zustelltiefe von 3mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1.000mm/min ergibt sich:

Qw = 5mm × 3mm × 1.000mm/min

Qw = 15.000mm³/min

Das entspricht:

Qw = 15cm³/min

Die Berechnung beschreibt das theoretische Zeitspanvolumen. Einfahrbewegungen, Werkzeugwechsel, Zustellbewegungen und Maschinenstillstände werden dabei nicht berücksichtigt.

Einfluss der Schnittwerte

Die Schnittwerte bestimmen maßgeblich, wie effizient und sicher der Materialabtrag erfolgt.

Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit der Schneide relativ zur Werkstückoberfläche. Eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit kann Werkzeugverschleiß und Wärmeentwicklung erhöhen.

Vorschub

Der Vorschub bestimmt, wie schnell sich Werkzeug und Werkstück relativ zueinander bewegen. Ein zu geringer Vorschub kann dazu führen, dass die Schneide überwiegend reibt, statt einen ausreichend großen Span zu bilden.

Ein zu hoher Vorschub kann dagegen Schneidkanten, Werkzeugaufnahme und Maschine überlasten.

Zustelltiefe

Die Zustelltiefe beeinflusst den Spanquerschnitt und damit die auftretenden Schnittkräfte. Große Zustellungen ermöglichen einen höheren Materialabtrag, erfordern jedoch eine ausreichende Stabilität.

Eingriffsbreite

Die radiale Eingriffsbreite beeinflusst, wie stark der Fräser seitlich in den Werkstoff eingreift. Sie wirkt sich auf Werkzeugbelastung, Wärmeentwicklung und Spanbildung aus.

Einfluss des Werkstoffs

Das Verhalten beim Materialabtrag unterscheidet sich zwischen verschiedenen Werkstoffen erheblich.

Wichtige Werkstoffeigenschaften sind:

• Härte,
• Zugfestigkeit,
• Zähigkeit,
• Wärmeleitfähigkeit,
• Gefügestruktur,
• Elastizität,
• Abrasivität,
• Neigung zu Materialanhaftungen.

Aluminium kann beispielsweise zur Bildung von Aufbauschneiden neigen. Faserverstärkte Kunststoffe wirken häufig stark abrasiv. Gehärtete Stähle erfordern besonders verschleißbeständige Schneidstoffe und angepasste Schnittwerte.

Bedeutung des Werkzeugmaterials

Das Werkzeugmaterial muss den mechanischen und thermischen Belastungen des Zerspanungsprozesses standhalten.

Gebräuchliche Schneidstoffe sind:

• Schnellarbeitsstahl,
• Vollhartmetall,
• Hartmetall-Wendeschneidplatten,
• Schneidkeramik,
• CBN,
• PKD beziehungsweise PCD.

Zusätzliche Hartstoffschichten können Reibung und Verschleiß reduzieren. Dazu gehören beispielsweise TiN-, TiAlN- oder DLC-Beschichtungen.

Die Auswahl richtet sich nach Werkstoff, Bearbeitungsverfahren, Schnittgeschwindigkeit und geforderter Standzeit.

Spanbildung und Spanabfuhr

Beim mechanischen Materialabtrag entstehen Späne, deren Form Rückschlüsse auf den Bearbeitungsprozess ermöglicht.

Mögliche Spanformen sind:

• Fließspäne,
• Lamellenspäne,
• Scherspäne,
• Reißspäne,
• kurze Bruchspäne,
• lange Bandspäne.

Lange oder schlecht abtransportierte Späne können Werkzeug und Werkstück beschädigen. Eine geeignete Werkzeuggeometrie, ausreichender Spanraum und zuverlässige Spanabfuhr sind deshalb erforderlich.

Je nach Bearbeitungsprozess erfolgt die Spanabfuhr durch:

• Druckluft,
• Kühlschmierstoff,
• Minimalmengenschmierung,
• Absaugung,
• Späneförderer,
• Werkzeuggeometrie und Zentrifugalkraft.

Wärmeentwicklung beim Materialabtrag

Ein Teil der eingesetzten Energie wird während der Bearbeitung in Wärme umgewandelt. Wärme entsteht hauptsächlich durch plastische Verformung des Werkstoffs und Reibung zwischen Werkzeug, Span und Werkstück.

Zu hohe Temperaturen können folgende Auswirkungen haben:

• beschleunigter Werkzeugverschleiß,
• Maßabweichungen durch Wärmeausdehnung,
• Veränderungen der Werkstoffoberfläche,
• Aufbauschneidenbildung,
• Beschädigung von Beschichtungen,
• Verformung des Werkstücks.

Eine angepasste Prozessführung und geeignete Kühlung können die thermische Belastung reduzieren.

Werkzeugverschleiß

Mit zunehmender Bearbeitungsdauer verändern sich Schneidkante und Werkzeuggeometrie.

Typische Verschleißformen sind:

• Freiflächenverschleiß,
• Kolkverschleiß,
• Schneidkantenausbrüche,
• Kerbverschleiß,
• plastische Verformung,
• Ablösung der Beschichtung,
• Aufbauschneidenbildung.

Ein verschlissenes Werkzeug kann weiterhin Material abtragen, erzeugt jedoch häufig höhere Schnittkräfte, schlechtere Oberflächen und größere Maßabweichungen.

Häufige Probleme

Ein nicht optimal abgestimmter Materialabtrag kann zu verschiedenen Bearbeitungsfehlern führen:

• Rattern und Vibrationen,
• Gratbildung,
• schlechte Oberflächen,
• Maßabweichungen,
• thermische Verformung,
• Werkzeugbruch,
• unzureichende Spanabfuhr,
• Materialanhaftungen,
• vorzeitiger Werkzeugverschleiß,
• Beschädigung der Werkstückspannung.

Die Ursache liegt häufig in ungeeigneten Schnittwerten, mangelnder Maschinensteifigkeit, zu großer Werkzeugauskragung oder unzureichender Spannung.

Sicherheit beim Materialabtrag

Beim Zerspanen können scharfkantige und heiße Späne entstehen. Bei Holz, Graphit, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen können zusätzlich gesundheitsgefährdende Stäube freigesetzt werden.

Erforderliche Schutzmaßnahmen können sein:

• geschlossener Maschinenraum,
• geeignete Schutzbrille,
• zuverlässige Absaugung,
• sichere Werkstückspannung,
• kontrollierte Spanabfuhr,
• regelmäßige Werkzeugkontrolle,
• geeigneter Umgang mit Kühlschmierstoffen.

Späne dürfen nicht mit der Hand aus dem Arbeitsraum entfernt werden. Hierfür sind geeignete Hilfsmittel zu verwenden.

Fazit

Der Materialabtrag ist eine zentrale Größe in der spanenden und abtragenden Fertigung. Er bestimmt, wie schnell und wirtschaftlich ein Werkstück von der Rohform zur gewünschten Endgeometrie bearbeitet werden kann.

Ein hoher Materialabtrag ist nur dann sinnvoll, wenn Maschine, Werkzeug, Spannung und Spanabfuhr die entstehenden Kräfte sicher aufnehmen können. Für eine zuverlässige Bearbeitung müssen Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Zustellung und Eingriffsbreite auf Werkzeug und Werkstoff abgestimmt werden.