Die mechanische Bearbeitung von Rohlingen bildet in der Industrie die Grundlage für die Fertigung komplexer Werkstücke. Rohteile werden so bearbeitet, dass sie als Teil des Ganzen eine Aufgabe ausführen können. Teile aus verschiedenen Werkstoffen müssen verschiedenste Anforderungen erfüllen. Mal müssen diese besonders robust sein, mal steht das Gewicht im Vordergrund. Daher wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Werkstoffen eingesetzt. Die Fertigung muss bei der mechanischen Bearbeitung der Werkstoffe auf deren individuelle Eigenschaften Rücksicht nehmen.
Die Unterschiede in der mechanischen Bearbeitung von Werkstoffen sind vielfältig. Sie zu kennen und zu wissen, wie der Bearbeitungsprozess idealerweise ablaufen sollte, ist von großem Vorteil.
Inhaltsverzeichnis
Die Bearbeitung von Gusseisen (Grauguss / Sphäroguss)
Bei der Herstellung von Gusseisen besteht durch das Gießen in der entsprechenden Form bereits eine hohe Endformnähe. Dennoch kann der Gießprozess nicht die Präzision der spanenden Bearbeitung erreichen. Nahezu immer müssen die Rohlinge mechanisch bearbeitet werden, um den hohen Qualitätsanforderungen zu genügen.
Gusseisen weist je nach Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften auf. Grauguss wird durch den Verbund mit Graphit hergestellt. Für die spätere mechanische Bearbeitung ist Grauguss relativ gut zu bearbeiten. Die Späne sind kurz und brechen schnell ab. Dadurch wird die Gefahr gemindert, dass die Maschine blockiert wird. Die Bearbeitung ist wartungsarm und das Zerspanwerkzeug wird nur relativ mäßig beansprucht.
Kommen wir aber zum Sphäroguss: Im Hinblick auf dessen Bearbeitung verhält sich Sphäroguss noch besser als Grauguss. Die Spanabfuhr gestaltet sich als simpel. Herausragend ist jedoch die Bearbeitung, falls Schnitte unterbrochen werden müssen. Komplizierte Hinterschneidungen mit mehrmaligem Absetzen oder Werkzeugwechseln sind allerdings möglich und führen zu keinen Qualitätseinbußen.
Die wirtschaftlichen Kenndaten dieser beiden Gussarten sind sehr ähnlich. Während der Grauguss mit höheren Schnittgeschwindigkeiten arbeitet, gleicht der Sphäroguss dies mit höheren Vorschüben aus.
Besonderheiten
Die Dichte des Gusseisens hängt von seiner genauen Zusammensetzung ab. Im Allgemeinen ist die Dichte niedriger, als bei Stahl oder reinem Eisen.
Bei Grauguss beträgt die Dichte zwischen 7,10 und 7,25 g/cm³. Der Sphäroguss bewegt sich im gleichen Rahmen. Hinsichtlich der mechanischen Bearbeitung sollten Mindestwanddicken von 5 mm eingehalten werden. Diese Einschränkung betrifft vor allem Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit. Andere Varianten, wie zum Beispiel Vermiculargraphitguss kann mit einer Wanddicke von 3 mm bearbeitet werden. Wird die Mindestwanddicke missachtet leidet die Stabilität auf einer größeren Fläche leiden.
Werkzeuge
Für die Bearbeitung von Grauguss haben sich Schneidplatten aus Oxidkeramik bewährt. Alternativ können die Schneidkeramiken auch aus Siliziumnitrid bestehen.
Zur drehenden Bearbeitung des Sphärogusses eignen sich Wendeschneidplatten mit verschiedenen Beschichtungen. Im Grundstoff bestehen die Wendeschneidplatten aus HC-K25 und HC-K30. Dieses Hartmetall wird entweder mit TiC, TiCN oder AI2O3 beschichtet. Diese Beschichtungen sind notwendig, da bei der Bearbeitung des Sphärogusses höhere Temperaturen an der Schneide auftreten. Ohne Beschichtung würde die hohe Temperatur zu einem höheren Verschleiß und Ungenauigkeiten während der Bearbeitung führen.
Aluminiumguss
Aluminiumlegierungen lassen sich durch die Zugabe verschiedener Legierungselemente herstellen. Damit werden die Eigenschaften des Werkstoffes so beeinflusst, dass er für die Anwendung optimal geeignet ist.
Je nach Legierung verändern sich die spanenden Eigenschaften. Allgemein sind Aluminiumlegierungen zum Zerspanen gut geeignet. Bei der mechanischen Bearbeitung treten relativ niedrige Temperaturen im Bereich bis zu 300 °C auf. Allerdings muss auch der niedrige Schmelzpunkt von Aluminiumlegierungen, der zwischen 580 °C bis 660 °C liegt, beachtet werden.
Gerade der Aluminiumguss weist gute Eigenschaften zum Zerspanen auf. Allerdings ist der Werkzeugverschleiß höher als bei vergleichbaren Werkstoffen.
Besonderheiten
Die Dichte des Aluminiumgusses ist abhängig von der Legierung. Sie liegt für die meisten Varianten in einem Bereich um die 2,7 g/cm³. Bei der für die spanende Bearbeitung bevorzugten Aluminiumlegierung AC-AL Si9Cu3 liegt die Dichte bei 2,76 g/cm³.
Der Vorteil von Aluminium im Gussverfahren ist, dass es eine dünnere Wandstärke benötigt als zum Beispiel das Gusseisen. Für eine stabile Bearbeitbarkeit sind Wandstärken von nur 1,4 mm notwendig.
Werkzeuge
Beim Einsatz der Schneidkeramiken muss der hohe Verschleiß berücksichtigt werden. Daher sind vor allem sehr robuste Materialien im Einsatz. Für einfache Arbeiten, wie dem Bohren, kann Wolframcarbid genutzt werden.
Für aufwändigere Arbeiten, wie dem Zerspanen, sind Schneiden mit einer Diamantbeschichtung von Vorteil. Diese Schneiden sind besonders langlebig und wenig wartungsintensiv.
Stahlguss
Werden spezielle Ansprüche an die Güte des Werkstoffes gestellt, ist Stahlguss meist eine bessere Variante als Gusseisen. Er lässt sich gut verformen, ist schweißbar und mit bestimmten Zusätzen nicht rostend.
Bei der Schmelze werden allerdings höhere Temperaturen benötigt. Dies stellt größere Anforderungen an den gesamten Herstellungsprozess.
Stahlguss kann auf vielfältige Weise bearbeitet werden. Bei der mechanischen Bearbeitung werden höhere Schnittgeschwindigkeiten aufgrund der zunehmenden Verschleißfestigkeit benötigt. Eine Wärmevorbehandlung erleichtert die spanende Bearbeitung.
Besonderheiten
Bei der mechanischen Bearbeitung des Stahlgusses ist nicht nur die Werkstoffzusammensetzung, sondern auch der Wärmeprozess entscheidend. Wurde eine umfangreiche, spanende Bearbeitung durchgeführt, kann ein Spannungsarmglühen empfehlenswert sein.
Im Vergleich zu Gusseisen weist Stahlguss eine höhere Dichte auf. Diese liegt bei etwa 7,8 g/cm³. Aufgrund der hohen Temperaturentwicklung bei der zerspanenden Bearbeitung muss ein besonderes Augenmerk auf das Kühlmittel gelegt werden.
Werkzeuge
Für die mechanische Bearbeitung des Stahlgusses werden Hartmetalle verwendet. Für die Erhöhung der Warmverschleißfestigkeit werden den Stoffen Wolfram-Karbid und Kobalt noch Titan und Tantal hinzugefügt. Da mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und großen Vorschüben gearbeitet wird, bietet dieses Material einen sehr geringen Verschleiß. Die Wahl anderer Materialien würde zu einer kürzeren Standzeit und einer aufwendigen Wartungsarbeit führen. Eine hohe Warmverschleißfestigkeit ist für die Bearbeitung des Stahlgusses wichtig, da während der Fertigung hohe Temperaturen auftreten.
Holz
Die mechanische Bearbeitung des Holzes gehört zu den wenigen Aufgaben, die auch im Privatbereich durchgeführt werden kann. Das Sägen gehört hierbei zu einer der am häufigsten auftretenden Bearbeitungsart.
Das Drehen des Stoffes wird in Verbindung mit dem Werkstoff Holz auch als Drechseln bezeichnet. Darüber hinaus ist natürlich auch das Fräsen des Holzes möglich.
Wichtig bei der weiteren Bearbeitung ist die Auswahl des Holzes. Grundsätzlich lassen sich fast alle Holzarten spanend bearbeiten. In der Anwendung gibt es allerdings Unterschiede, die die Bearbeitung erschweren.
Günstig in der Bearbeitung sind einheimische Hölzer. Kiefer ist sehr wirtschaftlich nutzbar, allerdings kann die Bearbeitung etwas komplexer sein. Weniger herausfordernd ist das Drechseln mit Hölzern der Edelkastanie oder Walnuss.
Bei der Bearbeitung mit Holz können Temperaturen entstehen, die das Werkzeug und das Holz schnell beschädigen. Daher ist die Arbeit per Nassschliff zu empfehlen. Dadurch wird der Verschleiß des Werkzeuges reduziert und die Qualität der spanenden Bearbeitung erhöht.
Besonderheiten
Holz gehört zu den leichteren Werkstoffen, die mechanisch bearbeitet werden können. Die Dichte beträgt je nach Holzart etwa 0,5 g/cm³. Wie dünn das Holz zur stabilen Bearbeitung sein darf, hängt vor allem von dessen Beschaffenheit ab. Grobe Holzarten sollten eine Wandstärke von mindestens 10 mm aufweisen. Ist das Holz aber feinfasrig, können auch Wandstärken von 2 bis 3 mm realisiert werden.
Werkzeuge
Die Widerstandskraft der meisten Holzarten ist relativ gering. Dementsprechend ist der Anspruch an das Werkzeug nicht so hoch, wie das zum Beispiel bei der Bearbeitung von Stahlguss ist.
Für die einfache mechanische Bearbeitung kann ein Flachmeißel zum Einsatz kommen. Der Meißel und die anderen Werkzeuge zur Bearbeitung des Holzes werden aus Stahl gefertigt.
Bearbeitung aus dem Vollen
Die mechanische Bearbeitung kann entweder aus dem Vollen oder mit einem schon vorbearbeiteten Rohteil erfolgen. Bei den hier vorgestellten Werkstoffen werden Gussteile meistens bereits in die grobe Form gegossen und durch die mechanische Bearbeitung wird ihnen der Feinschliff verpasst.
Welche Bearbeitungsweise wann bevorzugt wird, hängt von mehreren Faktoren ab.
Der oberste Faktor ist die Komplexität des Bauteils und der notwendige Abtrag. Sind komplizierte Konturen zu fertigen und der Materialabtrag ist mit einer mechanischen Bearbeitung kaum wirtschaftlich durchführbar, ist es sinnvoll, Rohteile in Formen zu gießen.
Beachtet werden muss hier nicht nur der Materialabtrag, sondern auch der Werkzeugverschleiß. Damit einher geht der zeitliche Aufwand, der mit der Bearbeitung eines vollen Rohmaterials verbunden ist. Insbesondere dann, wenn eine hohe Stückzahl produziert wird, scheint die Erzeugung von Rohlingen durch den Formguss von Vorteil zu sein.
Die mechanische Bearbeitung von vollen Werkstoffen scheint nur sinnvoll, wenn die entsprechende Technik nicht vorhanden ist, um die Rohlinge herzustellen, oder falls eine sehr geringe Stückzahl produziert werden muss. Hierbei ist die Herstellung von Formstücken nur schwer zu rechtfertigen.
Bei der Bearbeitung von Rohlingen ist jedoch darauf zu achten, dass diese über eine hohe Wiederholgenauigkeit verfügen. Andernfalls müssten die Teile erst individuell eingemessen werden. Dadurch erhöht sich der Arbeitsaufwand und die Zeitersparnis wird annulliert.
Erkenntnisse für die mechanische Bearbeitung verschiedener Werkstoffe
Die mechanische Bearbeitung ist immer in Abhängigkeit zum verwendeten Werkstoff zu betrachten. Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten sind für jedes Material anzupassen. Dadurch werden eine optimale Bearbeitungsqualität und eine kurze Fertigungsdauer erreicht.
Bei der Bearbeitung der Werkstoffe stellt die Spanbildung eine wichtige Eigenschaft dar. Im Idealfall sind die Späne fein und werden beim Bearbeitungsvorgang vom Werkzeug getrennt. Dadurch wird eine Beschädigung der Maschine verhindert.
Die Schmelztemperatur besitzt einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der mechanische Bearbeitung. Diese zeigt auf, welche Kräfte auf das Werkstück einwirken können. In den meisten Fällen ist ein Kühlmittel notwendig, um die Temperatur unter Kontrolle zu halten.
Konkurrenz erhält die mechanische Bearbeitung zudem von anderen modernen Technologien. Die Weiterentwicklung des Laserschneidens führt dazu, dass bestimmte Materialien vermehrt mit dem Laser bearbeitet werden.
Unter Beachtung der spezifischen Eigenschaften kann mittels der mechanischen Bearbeitung ein Höchstmaß der wirtschaftlichen Arbeit und Fertigungsqualität erzielt werden. Daher kommt der mechanischen Bearbeitung auf absehbare Zeit eine hohe Bedeutung in der Fertigung zu. Die hier präsentierten Erkenntnisse helfen dabei, die Fertigungsergebnisse zu optimieren und eine hohe Güte zu erreichen.