Materialanhaftungen

Materialanhaftungen – Ursachen, Folgen und Vermeidung

Materialanhaftungen entstehen, wenn sich Teile des bearbeiteten Werkstoffs an der Schneide, Spanfläche oder im Spanraum eines Werkzeugs festsetzen. Besonders häufig treten sie bei der Zerspanung von Aluminium, Kupfer, Kunststoffen, Holzwerkstoffen und anderen zum Kleben oder Schmieren neigenden Materialien auf.

Die Anhaftungen verändern die wirksame Schneidengeometrie und können Spanabfuhr, Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit beeinträchtigen. Werden die Ursachen nicht rechtzeitig erkannt, können Werkzeugverschleiß, Schneidkantenausbrüche oder Werkzeugbruch die Folge sein.

Was sind Materialanhaftungen?

Beim Materialabtrag entstehen zwischen Werkzeug, Span und Werkstück hohe mechanische Belastungen. Gleichzeitig entwickelt sich Wärme durch Reibung und plastische Verformung des Materials.

Unter ungünstigen Bedingungen können Werkstoffpartikel an der Werkzeugoberfläche haften bleiben. Aus einzelnen Ablagerungen kann sich schrittweise eine größere Materialschicht bilden.

Materialanhaftungen treten typischerweise auf:

• direkt an der Schneidkante,
• auf der Spanfläche,
• in der Spannut,
• am Werkzeugumfang,
• an der Stirnschneide,
• zwischen Werkzeug und Werkstück,
• auf bereits bearbeiteten Oberflächen.

Die Ablagerungen können locker anliegen oder unter hohem Druck so fest mit der Schneide verbunden werden, dass sie sich nur schwer entfernen lassen.

Unterschied zwischen Materialanhaftung und Aufbauschneide

Eine Aufbauschneide ist eine besondere Form der Materialanhaftung. Dabei lagert sich Werkstoff unmittelbar an der Schneidkante ab und wird durch Druck und Temperatur stark verdichtet.

Die Aufbauschneide übernimmt zeitweise selbst einen Teil der Zerspanungsarbeit. Dadurch verändert sich die wirksame Werkzeuggeometrie.

Während der Bearbeitung kann die Aufbauschneide:

1. kontinuierlich wachsen,
2. die ursprüngliche Schneide überdecken,
3. teilweise abbrechen,
4. auf die Werkstückoberfläche übertragen werden,
5. sich anschließend erneut bilden.

Dieser wechselnde Vorgang führt häufig zu ungleichmäßigen Schnittkräften und einer schlechten Oberflächenqualität.

Nicht jede Materialanhaftung ist jedoch eine klassische Aufbauschneide. Harzablagerungen bei Holz, angeschmolzene Kunststoffe oder festgesetzte Späne im Spanraum zählen ebenfalls zu den Materialanhaftungen.

Welche Werkstoffe neigen zu Materialanhaftungen?

Die Neigung zur Anhaftung hängt von Härte, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenbeschaffenheit und chemischer Wechselwirkung mit dem Werkzeug ab.

Aluminium

Aluminium und weiche Aluminiumlegierungen können bei der Bearbeitung stark zur Aufbauschneidenbildung neigen. Das Material wird unter Druck an die Schneidkante geschmiert oder teilweise angeschweißt.

Besonders kritisch sind:

• stumpfe Schneiden,
• zu geringer Vorschub,
• ungeeignete Schnittgeschwindigkeit,
• mangelnde Schmierung,
• zu kleine Spanräume,
• unzureichende Spanabfuhr.

Kupfer

Reines Kupfer ist zäh und besitzt eine hohe Verformbarkeit. Es kann lange Späne bilden und an Werkzeugoberflächen haften. Geeignete Schneidengeometrien und eine zuverlässige Spanabfuhr sind deshalb besonders wichtig.

Kunststoffe

Thermoplastische Kunststoffe können sich durch Reibungswärme erweichen. Das Material beginnt zu schmieren und setzt sich an Schneiden oder Spannuten fest.

Bei bestimmten Kunststoffen kann eine zu hohe Temperatur außerdem zu Verfärbungen, Gratbildung oder Verformung des Werkstücks führen.

Holz und Holzwerkstoffe

Bei Holz entstehen Anhaftungen häufig durch Harze, Klebstoffe und feine Stäube. Besonders MDF, beschichtete Platten und harzreiche Hölzer können Ablagerungen in den Spannuten verursachen.

Edelstahl und zähe Stähle

Auch zähe metallische Werkstoffe können unter ungünstigen Schnittbedingungen Material an die Schneidkante übertragen. Dabei können Aufbauschneiden und adhäsiver Werkzeugverschleiß entstehen.

Ursachen von Materialanhaftungen

Materialanhaftungen haben selten nur eine einzelne Ursache. Meist wirken mehrere ungünstige Faktoren zusammen.

Ungeeignete Schnittgeschwindigkeit

Eine nicht zum Werkstoff passende Schnittgeschwindigkeit kann die Bildung von Anhaftungen begünstigen. Bei metallischen Werkstoffen können bestimmte niedrige oder mittlere Schnittgeschwindigkeiten die Entstehung von Aufbauschneiden fördern.

Bei Kunststoffen kann eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit dagegen zu starker Reibungswärme und zum Erweichen des Materials führen.

Zu geringer Vorschub

Ist der Vorschub pro Zahn zu gering, schneidet das Werkzeug nicht mehr zuverlässig. Die Schneide reibt und drückt stärker über die Werkstückoberfläche.

Dadurch entstehen:

• zusätzliche Reibung,
• erhöhte Temperatur,
• unzureichende Spanbildung,
• stärkerer Werkzeugverschleiß,
• größere Anhaftungsgefahr.

Stumpfe oder beschädigte Schneiden

Eine stumpfe Schneide benötigt höhere Schnittkräfte. Das Material wird stärker verformt und an der Schneidkante entlanggedrückt. Dadurch steigt das Risiko einer Aufbauschneide.

Ungeeignete Werkzeuggeometrie

Zu kleine Spannuten, geringe Spanwinkel oder ungeeignete Schneidenpräparationen können den Spantransport behindern. Die Späne verbleiben länger im Kontakt mit dem Werkzeug und können sich in der Spannut festsetzen.

Unzureichende Spanabfuhr

Werden die Späne nicht schnell genug aus der Bearbeitungszone entfernt, können sie erneut von der Schneide erfasst werden. Es kommt zur Mehrfachzerspanung und zusätzlicher Wärmeentwicklung.

Hoher Rundlauffehler

Bei einem Rundlauffehler werden die Schneiden ungleichmäßig belastet. Eine Schneide trägt den größten Teil des Materials ab, während die anderen Schneiden teilweise nur reiben.

Die stärker belastete Schneide erwärmt sich schneller und kann verstärkt zu Materialanhaftungen neigen.

Unzureichende Kühlung oder Schmierung

Bei Werkstoffen mit hoher Klebeneigung kann eine geeignete Schmierung den direkten Kontakt zwischen Span und Werkzeugoberfläche reduzieren. Fehlt diese Wirkung, steigt die Gefahr von Reibung und adhäsiven Ablagerungen.

Folgen von Materialanhaftungen

Materialanhaftungen wirken sich auf Werkzeug, Werkstück und Maschine aus.

Mögliche Folgen sind:

• Veränderung der Schneidengeometrie,
• erhöhte Schnittkräfte,
• steigende Spindelbelastung,
• zusätzliche Wärmeentwicklung,
• schlechte Spanabfuhr,
• unruhiger Maschinenlauf,
• Rattern und Vibrationen,
• Gratbildung,
• verschmierte Oberflächen,
• Maßabweichungen,
• Schneidkantenausbrüche,
• verkürzte Werkzeugstandzeit,
• Werkzeugbruch.

Bricht eine Aufbauschneide ab, kann sie Teile der eigentlichen Schneidkante mitreißen. Dadurch wird das Werkzeug dauerhaft beschädigt.

Anzeichen für Materialanhaftungen

Materialanhaftungen lassen sich häufig bereits während der Bearbeitung erkennen.

Typische Anzeichen sind:

• verändertes Schnittgeräusch,
• steigende Spindellast,
• schlechter werdende Oberfläche,
• plötzlich entstehende Grate,
• ungleichmäßige Spanform,
• erhöhte Temperatur,
• verschmierte Werkstückkanten,
• Ablagerungen in den Spannuten,
• Maßabweichungen trotz unverändertem Programm.

Bei CNC-Maschinen kann eine Überwachung von Spindellast, Vibrationen und Bearbeitungsgeräusch helfen, Veränderungen frühzeitig zu erkennen.

Materialanhaftungen vermeiden

Die wirksamste Maßnahme besteht darin, Werkzeug, Schnittwerte und Spanabfuhr gemeinsam auf den Werkstoff abzustimmen.

Scharfes Werkzeug verwenden

Scharfe Schneiden trennen den Werkstoff mit geringerer Verformung. Dadurch werden Reibung und Wärmeentwicklung reduziert.

Für Aluminium und Kunststoffe werden häufig Werkzeuge mit:

• scharfen Schneidkanten,
• positivem Spanwinkel,
• polierten Spannuten,
• großen Spanräumen,
• geringer Schneidenanzahl

eingesetzt.

Vorschub korrekt einstellen

Der Vorschub pro Zahn muss groß genug sein, damit jede Schneide einen definierten Span bildet. Zu geringe Vorschubwerte führen häufig zu Reibung anstelle eines sauberen Schnitts.

Der Vorschub darf jedoch nicht so hoch gewählt werden, dass Werkzeug, Werkstück oder Maschine überlastet werden.

Schnittgeschwindigkeit anpassen

Die Schnittgeschwindigkeit muss zum Werkstoff, Werkzeugdurchmesser und verwendeten Schneidstoff passen. Eine pauschale Erhöhung oder Verringerung ist nicht für alle Werkstoffe geeignet.

Aluminium, Kunststoff und Holz reagieren unterschiedlich auf Temperatur und Schnittgeschwindigkeit. Änderungen sollten daher kontrolliert vorgenommen und anhand von Spanform, Oberfläche und Werkzeugzustand bewertet werden.

Spanabfuhr verbessern

Die Späne müssen möglichst schnell aus der Bearbeitungszone entfernt werden.

Geeignete Maßnahmen sind:

• Druckluft innerhalb eines geschlossenen Maschinenraums,
• Kühlschmierstoff,
• Minimalmengenschmierung,
• Absaugung,
• ausreichend große Spannuten,
• angepasste Bearbeitungsstrategie,
• Vermeidung unnötiger Mehrfachzerspanung.

Werkzeugauskragung reduzieren

Eine kurze Werkzeugauskragung verbessert die Stabilität und reduziert Schwingungen. Dadurch werden Schneiden gleichmäßiger belastet und die Spanbildung wird stabiler.

Rundlauf kontrollieren

Spannzange, Werkzeugaufnahme und Werkzeugschaft müssen sauber und unbeschädigt sein. Bereits kleine Verschmutzungen können den Rundlauf beeinträchtigen.

Beschichtungen gegen Materialanhaftungen

Geeignete Werkzeugbeschichtungen können Reibung und Materialanhaftungen reduzieren. Entscheidend ist eine möglichst geringe chemische Affinität zwischen Werkstoff und Beschichtung.

Eine DLC-Beschichtung kann bei ausgewählten Anwendungen Vorteile bieten. Die glatte und reibungsarme Oberfläche unterstützt den Spanablauf und kann das Festsetzen von Aluminium, Kunststoff oder anderen Materialien reduzieren.

Auch unbeschichtete, hochglanzpolierte VHM-Werkzeuge können bei Aluminium sehr gute Ergebnisse erzielen. Die Auswahl hängt von Werkstoff, Werkzeuggeometrie und Bearbeitungsbedingungen ab.

Eine Beschichtung kann ungeeignete Schnittwerte oder eine schlechte Spanabfuhr nicht ausgleichen.

Reinigung betroffener Werkzeuge

Materialanhaftungen sollten entfernt werden, bevor das Werkzeug erneut verwendet wird. Dabei darf die Schneidkante nicht beschädigt werden.

Zu beachten sind:

• Werkzeug aus der Maschine entnehmen,
• geeignete Schutzausrüstung verwenden,
• keine harten Metallgegenstände an der Schneide einsetzen,
• nur geeignete und materialverträgliche Reinigungsmittel verwenden,
• Beschichtung nicht durch aggressive Verfahren beschädigen,
• Werkzeug nach der Reinigung auf Ausbrüche kontrollieren,
• Spannflächen gründlich reinigen.

Sind Schneidkante oder Beschichtung bereits beschädigt, sollte das Werkzeug nicht ohne Prüfung weiterverwendet werden.

Häufige Fragen

Was ist eine Aufbauschneide?

Eine Aufbauschneide besteht aus verdichtetem Werkstückmaterial, das sich direkt an der Werkzeugschneide festsetzt. Sie verändert die wirksame Schneidengeometrie und kann periodisch abbrechen.

Warum klebt Aluminium am Fräser?

Aluminium kann sich unter Druck plastisch verformen und an der Werkzeugoberfläche festsetzen. Stumpfe Schneiden, zu geringer Vorschub, Wärme und schlechte Spanabfuhr erhöhen das Risiko.

Können Beschichtungen Materialanhaftungen verhindern?

Geeignete Beschichtungen können Reibung und Klebeneigung reduzieren. Vollständig verhindern lassen sich Anhaftungen jedoch nur, wenn auch Werkzeuggeometrie, Schnittwerte und Spanabfuhr stimmen.

Warum schmilzt Kunststoff am Fräser?

Häufig ist die Wärmeentwicklung zu hoch. Ursachen können zu hohe Drehzahl, zu geringer Vorschub, stumpfe Schneiden oder eine unzureichende Spanabfuhr sein.

Fazit

Materialanhaftungen verändern die Schneidengeometrie und beeinträchtigen einen kontrollierten Zerspanungsprozess. Häufige Ursachen sind stumpfe Werkzeuge, ungeeignete Schnittwerte, schlechte Spanabfuhr und eine zu hohe thermische Belastung.

Scharfe Schneiden, passende Werkzeuggeometrien, korrekter Vorschub, kontrollierter Rundlauf und eine zuverlässige Spanabfuhr reduzieren das Risiko. Geeignete Werkzeugbeschichtungen können die Prozesssicherheit zusätzlich verbessern.