Messung des Spanwinkels
Der Spanwinkel ist der Winkel zwischen dem Drehwerkzeug und den Spänen. Er hat einen großen Einfluss auf den Schneidwiderstand, die Emission von Spänen, die Schneidhitze und die Lebensdauer. Die Überprüfung und Kontrolle des Spanwinkels ist entscheidend für eine korrekte Bearbeitung. Die Messung des Spanwinkels mit handelsüblichen Messgeräten kann jedoch schwierig sein. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Grundlagen des Spanwinkels und stellt die neueste Technologie vor, mit der genaue Messungen des Spanwinkels durchgeführt werden können.
- Spanwinkel
- Positiver und negativer Spanwinkel beim Schaftfräsen
- Beziehung zwischen dem Keilwinkel, dem Spanwinkel und dem Freiwinkel
- Herausforderung bei gängigen Messungen von Spanwinkeln
- Lösung von Herausforderungen bei der Messung des Spanwinkels
- Zusammenfassung
Spanwinkel
Eine am Ende des Drehwerkzeugs angebrachte Spitze hat einen Spanwinkel, der so gestaltet ist, dass die Späne beim Schneiden des Werkstücks abfließen können. Der Spanwinkel ist der Winkel, der zwischen der Oberfläche des Werkstücks (Bezugsebene) und der Spanfläche gebildet wird, auf der die Späne abfließen, wenn das Schneidwerkzeug das Messobjekt abschleift.
- A
- Bezugsebene (Späne)
- B
- Spanwinkel
- C
- Spanfläche
- D
- Spitze (Drehwerkzeug)
- E
- Schnittrichtung
- F
- Werkstück
Der Winkel der Kante des Drehwerkzeugs wird als Keilwinkel bezeichnet. Die Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite (in der Abbildung die untere Seite) der Spanfläche der Spitze (des Schneidwerkzeugs) wird als Freifläche bezeichnet. Der Winkel, den die Freifläche mit dem Werkstück bildet, wird als Freiwinkel bezeichnet. Dies ist der Winkel, der erforderlich ist, um eine Überschneidung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu vermeiden.
Positiver und negativer Spanwinkel beim Schaftfräsen
Schaftfräser werden zum Erzeugen von Formen und Löchern beim Fräsen verwendet und können eine Vielzahl von Materialien in mehreren Richtungen schneiden. Der Schaftfräser kann im Allgemeinen eine positive oder negative Form haben, je nach Spanwinkel des Drehwerkzeugs.
In den meisten Fällen wird eine positive Form mit geringerem Schneidwiderstand für das Drehwerkzeug gewählt. Ein Schaftfräser mit negativem Spanwinkel kann bei der Bearbeitung harter Werkstücke, wie z. B. gehärteter Stähle, verwendet werden, bei denen eine hohe Festigkeit des Drehwerkzeugs erforderlich ist. Die Unterschiede zwischen positiver und negativer Form sind folgend dargestellt.
Positive Form
- A
- Spanwinkel = positiv
- B
- Spanfläche (Rückseite des Drehwerkzeugs)
- C
- Kante des Drehwerkzeugs
- D
- Freifläche
- Merkmale eines positiven Spanwinkels
-
- Die Klinge ist scharf und der Schneidwiderstand ist gering.
- Selbst bei der Bearbeitung mit niedrigen Geschwindigkeiten kann eine hervorragende Oberflächenrauheit erzielt werden.
- Geeignet für weiche Materialien oder Werkstücke, die leicht zu bearbeiten sind (Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Kunststoff, Rohmaterial, wärmebehandelter Stahl).
Negative Form
- A
- Spanwinkel = negativ
- B
- Spanfläche (Rückseite des Drehwerkzeugs)
- C
- Kante des Drehwerkzeugs
- D
- Freifläche
- Merkmale eines negativen Spanwinkels
-
- Bei der Bearbeitung mit niedriger Geschwindigkeit ist der Schneidwiderstand hoch, aber die Oberflächenrauheit geringer.
- Bei der Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit wird eine hervorragende Oberflächenrauheit erzielt.
- Geeignet für harte Materialien, bei denen es zu Absplitterungen kommen kann (gehärteter Stahl oder Gusseisen).
Bei einem Kugelschaftfräser mit halbkugelförmiger Spitze kann der Kern des Drehwerkzeugs dicker gemacht werden, indem man eine negative Form für den Schrägungswinkel des Werkzeugs verwendet. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit erreicht.
Beziehung zwischen dem Keilwinkel, dem Spanwinkel und dem Freiwinkel
Beim Schneiden gräbt sich ein Schneidwerkzeug (in der Regel ein Werkzeug aus Hartmetall) in ein Werkstück ein, um Materialien zu schneiden, zu formen und zu entfernen.
Sie müssen nicht nur den Keilwinkel berücksichtigen, sondern auch sicherstellen, dass der Spanwinkel richtig eingestellt ist, damit die Späne in die richtige Richtung abfließen. Der Freiwinkel muss ebenso richtig eingestellt sein, um zu verhindern, dass das Werkzeug nach dem Schneiden mit der fertigen Oberfläche in Berührung kommt. Die wichtigsten Beziehungen zwischen den einzelnen Winkeln sind im Folgenden zusammengefasst.
Keilwinkel
Beim Schneiden von Materialien mit hoher Härte ist es wichtig, den Keilwinkel zu erhöhen. Wenn dieser Winkel nämlich zu klein ist, kann es zu Absplitterungen oder Rissen kommen. Beim Schneiden von weichem Material oder Materialien mit hoher Schweißeigenschaft sollten Sie den Keilwinkel verringern, um die Schnittleistung zu verbessern.
Spanwinkel
Der Spanwinkel bestimmt die Spandicke und die Fließrichtung.
Je größer der Spanwinkel, desto kleiner der Scherwinkel der Späne. Wenn der Scherwinkel abnimmt, werden die Späne dünner. Dadurch werden die Schnittkraft und die Schnitttemperatur reduziert, was letztlich den Werkzeugverschleiß verringert. Allerdings kann ein zu großer Spanwinkel die Festigkeit der Werkzeugschneide verringern und bei der Bearbeitung harter Materialien zu Rissen führen.
Zum Schneiden harter Materialien sollten Sie ein Werkzeug mit einem negativen Spanwinkel verwenden, wie im obigen Beispiel erläutert. Ein negativer Spanwinkel könnte dazu führen, dass Späne auf die Oberfläche des Werkstücks fließen und das Material an Stellen geschnitten wird, die nicht erwünscht sind. Bei der Verwendung dieses Werkzeugtyps ist Vorsicht geboten, da er die Bedingungen für die Spanproduktion, die Lebensdauer des Werkzeugs und die fertige Oberflächenrauheit beeinträchtigen kann.
Freiwinkel
Der Freiwinkel ist erforderlich, um Beeinträchtigungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zu vermeiden. Ein zu großer Freiwinkel verringert die Festigkeit der Schneidkante und macht sie anfälliger für mechanische Stöße. Allerdings führt ein großer Freiwinkel auch bei fortschreitender Abnutzung nicht zu einer zunehmenden Verschleißbreite auf der Freifläche. Dies hat den Vorteil, dass klappernde Vibrationen weniger wahrscheinlich sind. Beim Schneiden von duktilen Materialien (wie z. B. Aluminiumlegierungen) ist es weniger wahrscheinlich, dass Späne an der Freifläche haften bleiben, wenn Sie den Freiwinkel vergrößern.
Der Winkel an jedem Teil des Werkzeugs steht in engem Zusammenhang mit der Effizienz der Werkstückbearbeitung, der Genauigkeit, der Oberflächenqualität und der Lebensdauer des Werkzeugs. Da diese Winkel aufgrund von Werkzeugverschleiß variieren können, ist die Messung der Werkzeugform äußerst wichtig für die Aufrechterhaltung und Verbesserung der Bearbeitungsqualität und -effizienz.
Herausforderung bei gängigen Messungen von Spanwinkeln
Die genaue Messung des Spanwinkels ist äußerst wichtig, da ein falscher Spanwinkel zu Werkzeugverschleiß, Anhaftungen von totem Metallresten, Fehlern in der Oberflächenrauheit und einer verkürzten Lebensdauer des Werkzeugs führen kann.
Üblicherweise wird für die Messung des Spanwinkels ein Profilmesssystem oder ein Mikroskop verwendet. Diese Methoden sind jedoch mit den nachfolgend beschriebenen Herausforderungen verbunden.
Herausforderung bei der Messung von Spanwinkeln mit einem Profilmesssystem
Ein Profilmesssystem oder Konturograph misst und erfasst das Profil eines Messobjekts, indem es dessen Oberfläche mit einem Taststift nachfährt.
In den letzten Jahren wurden Profilmesssysteme entwickelt, die mit einem Laser anstelle eines Taststifts komplexe Formen messen, indem sie das Profil berührungslos verfolgen. Einige Modelle sind sogar in der Lage, Messungen sowohl der Ober- als auch der Unterseite durchzuführen.
Bei der Messung des Spanwinkels mit einem Profilmesssystem ergeben sich die folgenden Herausforderungen:
- Wenn der Winkel zu klein ist, kann es sein, dass sich der Taststift vom Messobjekt löst und es nicht möglich ist, den richtigen Wert zu messen.
- Wenn die Spanfläche nachpoliert wird, ist es schwierig zu beurteilen, ob die Anpassungen wirksam waren, wenn die Messungen auf einer Linie durchgeführt werden.
Lösung von Herausforderungen bei der Messung des Spanwinkels
Bei handelsüblichen Messgeräten kann es viel Zeit in Anspruch nehmen, das Messobjekt mit einer Vorrichtung zu befestigen. Da die Messung durch Punkt- oder Linienkontakt auf einem dreidimensionalen Messobjekt oder einer dreidimensionalen Fläche erfolgt, stellt sich außerdem die Frage der Auswahl der Messpunkte.
Um diese Messprobleme zu lösen, hat KEYENCE das 3D-Profilometer der Modellreihe VR entwickelt.
Dieses System erfasst präzise die 3D-Form der gesamten Oberfläche, ohne das Messobjekt zu berühren. Die 3D-Form kann zudem durch einen 3D-Scan des Messobjekts auf dem Objekttisch in nur einer Sekunde mit hoher Präzision gemessen werden. Das System ist in der Lage, sofortige und quantitative Messungen durchzuführen, ohne fehlerhafte Messergebnisse zu erhalten. In diesem Abschnitt werden einige Vorteile der Modellreihe VR vorgestellt.
Vorteil 1: Berührungslose 3D-Formmessung mit ausgezeichneten Winkeleigenschaften.
Gängige Messgeräte sind auf die Erfassung von Punkten oder Linien anhand eines Messtasters beschränkt. Dies erschwert die Messung von Objekten, die steile Winkel aufweisen, klein sind oder komplexe Formen haben.
Mit der Modellreihe VR kann die gesamte Oberfläche eines Messobjekts sofort gescannt werden, was eine berührungslose 3D-Formmessung ermöglicht. Dies ermöglicht eine exzellente Darstellung der Winkeleigenschaften des Messobjekts, da sofort genaue Profildaten für die gesamte 3D-Form erfasst werden können. Darüber hinaus bietet das VR viele Vorteile bei der Messung von Werkzeugen wie Schaftfräsern, deren Formen und Winkeleigenschaften fein und komplex sind.
Vorteil 2: Die Messungen können gemäß den nationalen Normen nachverfolgt werden.
Die Modellreihe VR erfasst berührungslos die gesamte Oberfläche, an welcher anschließend Messungen durchgeführt werden können.
Die Messungen basieren auf einem Rückverfolgbarkeitssystem, das die entsprechenden nationalen Normen erfüllt.
Das XYZ-rückführbare Messsystem ist mit der Referenzskala eines JCSS-zertifizierten Labors verbunden, sodass jederzeit eine genaue Kalibrierung vor Ort möglich ist. Dies gewährleistet eine zuverlässige Messung, die mit dem Standard übereinstimmt.
Zusammenfassung
Mit der Modellreihe VR kann die 3D-Form des Messobjekts durch sofortiges, berührungsloses Scannen gemessen werden. Der Spanwinkel des Werkzeugs, der für eine ordnungsgemäße Bearbeitung erforderlich ist, kann einfach und genau gemessen werden. Anwender können einfach das Messobjekt auf den Objekttisch platzieren und die Aufnahme per Klick starten. Die Verwendung der Modellreihe VR bietet folgende Vorteile:
- Im Gegensatz zu handelsüblichen taktilen Messsystemen kann die Modellreihe VR unabhängig von der Form oder Größe des Messobjekts oder von den Winkeleigenschaften der gemessenen Stelle präzise Messungen durchführen.
- Die Messergebnisse sind auf nationale Normen rückführbar, um zuverlässige Messungen der Form zu gewährleisten. Außerdem kann das System jederzeit einfach kalibriert werden.
Die Modellreihe VR kann die Form des Werkzeugs, einschließlich des Spanwinkels, sofort und genau messen und so die Bearbeitungsqualität, die Effizienz und die Lebensdauer des Werkzeugs verbessern.
Zusätzlich zu den Werkzeugen kann das System auch die genaue 3D-Form von bearbeiteten Werkstücken messen. Die Modellreihe VR ist ein System, das die Effizienz aller damit verbundenen Arbeitsabläufe am Arbeitsplatz sowie die Qualität und Produktivität erheblich verbessert.
