Beim CNC-Bearbeiten von Stahl, Aluminium oder anderen duktilen Metallen mit niedrigen oder mittleren Schnittgeschwindigkeiten kann sich eine kleine Metallmasse an der Spanfläche des Schneidwerkzeugs anhaften. Dieses anhaftende Metall wird als Aufbauschneide bezeichnet. Aber wissen Sie, wie eine Aufbauschneide entsteht? Und welche Auswirkungen hat sie auf den Bearbeitungsprozess?
Ursachen für aufgebauschte Kanten (BUE)
Wenn die Funktion CNC-Bearbeitung duktiler Werkstoffe Bei der Bearbeitung von Werkstoffen wie Stahl unter Bedingungen relativ niedriger Schnittgeschwindigkeit, bei denen kontinuierliche Späne entstehen, haftet häufig eine dreieckige, keilförmige Metallmasse an der Spanfläche nahe der Schneide. Diese anhaftende Metallmasse wird als Aufbauschneide (BUE) bezeichnet, wie in der Abbildung dargestellt. Die Härte der Aufbauschneide ist extrem hoch und typischerweise 2- bis 3-mal so hoch wie die des Werkstückmaterials. Sobald die Aufbauschneide einen stabilen Zustand erreicht hat, kann sie die Schneide während des Zerspanungsvorgangs vorübergehend ersetzen. Die Größe der Aufbauschneide wird üblicherweise durch ihre Höhe (H_b) angegeben.
Beim Zerspanen entsteht starke Reibung zwischen der Spanunterseite und der Spanfläche des Werkzeugs. Erreicht die Kontaktfläche unter hohem Druck eine bestimmte Temperatur, haftet das Werkstückmaterial durch Adhäsion an der Spanfläche – ein Vorgang, der auch als Kaltverschweißung bezeichnet wird. Wenn der kontinuierlich fließende Span über die anhaftende Metallschicht gleitet und Temperatur und Druck weiterhin geeignet sind, wird auch Material an der Spanunterseite behindert. Dieses haftet an der zuvor kaltverschweißten Schicht auf der Spanfläche. Dadurch wächst die anhaftende Schicht allmählich und bildet schließlich eine Aufbauschneide.
Die Entstehung und das Wachstum von Aufbauschneiden hängen eng mit den Eigenschaften des Werkstückmaterials sowie der Temperatur- und Druckverteilung in der Schnittzone zusammen. Werkstoffe mit starker Kaltverfestigung neigen eher zur Bildung von Aufbauschneiden. Bei zu niedriger Temperatur und zu niedrigem Druck in der Schnittzone bildet sich kein Aufbauschneiden. Umgekehrt führt eine zu hohe Temperatur zur Erweichung des Materials und hemmt die Aufbauschneidenbildung. Bei Kohlenstoffstahl erreicht die Aufbauschneidenhöhe ihr Maximum bei einer Temperatur in der Schnittzone von etwa 300–350 °C, während sie bei Temperaturen über 500 °C automatisch verschwindet.
Bei konstanter Schnitttiefe (a_p) und konstantem Vorschub (f) ist die Aufbauschneidenhöhe (H_b) eng mit der Schnittgeschwindigkeit (v_c) verknüpft, da die beim Schneiden entstehende Wärme mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit ansteigt. Wie in der Abbildung dargestellt:
- Region I: Niedriggeschwindigkeitszone, in der sich keine BUE bildet
- Region II: Die BUE-Höhe nimmt mit zunehmendem ( v_c ) zu.
- Region III: Die BUE-Höhe nimmt mit zunehmendem ( v_c ) ab.
- Region IV: Keine BUE-Formulare
Einflüsse der aufgebauten Kante
(1) Erhöhung des effektiven Neigungswinkels
Die an der Spanfläche haftende BUE vergrößert effektiv den tatsächlichen Spanwinkel des Werkzeugs (siehe Abb. ), wodurch die Schnittkräfte reduziert werden.
(2) Variation der Schnittdicke
Der vordere Teil der BUE ragt über die Schneide hinaus und erhöht die tatsächliche Schnittdicke um einen Faktor von ( Δ h_D ). Mit zunehmendem BUE ( Δ h_D ) nimmt allmählich zu. Sobald sich die BUE von der Spanfläche löst oder abfällt, ( Δ h_D ) nimmt rasch ab. Da die Bildung, das Wachstum und die Ablösung der Aufbauschneide zyklisch erfolgen, führen Schwankungen der Schnittdicke zwangsläufig zu Variationen der Schnittkraft.
(3) Zunahme der Oberflächenrauheit
Der über die Schneide hinausragende Teil der Aufbauschneide ist in Form und Höhe unregelmäßig, was die Oberflächenrauheit der bearbeiteten Oberfläche erhöht. Darüber hinaus können sich abgelöste Bruchstücke der Aufbauschneide in die bearbeitete Oberfläche einbetten und die Oberflächenqualität weiter verschlechtern.
(4) Einfluss auf die Werkzeuglebensdauer
Eine stabile Aufbauschneide (BUE), die an der Spanfläche haftet, kann die Schneide während der Bearbeitung vorübergehend ersetzen und so den direkten Werkzeugverschleiß reduzieren und die Werkzeugstandzeit verlängern. Löst sich die Aufbauschneide jedoch wiederholt von der Spanfläche, kann sie – insbesondere bei Hartmetallwerkzeugen – Werkzeugmaterialpartikel von der Spanfläche selbst abreißen, was zu beschleunigtem Verschleiß und verkürzter Werkzeugstandzeit führt.
Maßnahmen zur Vermeidung von Kantenverdichtung
Der Einfluss von Aufbauschneiden auf den Zerspanungsprozess hat sowohl positive als auch negative Aspekte. Bei der Schruppbearbeitung, wo die Anforderungen an Maßgenauigkeit und Oberflächengüte relativ gering sind, kann das Aufbauschneiden den Zerspanungsprozess unterstützen, indem es als temporäre Schneidkante dient. Bei der Schlichtbearbeitung hingegen muss das Aufbauschneiden minimiert oder vollständig vermieden werden, um Maßgenauigkeit und Oberflächengüte zu gewährleisten.
Folgende Maßnahmen können zur Unterdrückung der BUE-Bildung ergriffen werden:
- Die Schnittgeschwindigkeit sollte so gewählt werden, dass der mittlere Geschwindigkeitsbereich vermieden wird, in dem die Bildung von Aufbauschneiden am wahrscheinlichsten ist.
- Um die Reibung zwischen der Spanunterseite und der Werkzeugspanfläche zu verringern, sollten Kühlschmierstoffe mit hervorragender Schmierleistung verwendet werden.
- Um den Druck zwischen Spanfläche und Span zu verringern, sollte der Spanwinkel des Werkzeugs erhöht werden.
- Um die Kaltverfestigungstendenz zu verringern, sollte die Härte des Werkstückmaterials entsprechend erhöht werden.
