Zerspanung wird meist mit nüchterner Technik in Verbindung gebracht: Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Späne und Kühlschmierstoffe. Dabei ist dieses Gebiet voller überraschender Geschichten, physikalischer Paradoxien und ingenieurtechnischer Errungenschaften, über die im Alltag nur selten gesprochen wird. Im Folgenden haben wir einige Fakten zusammengestellt, die zeigen, dass hinter der präzisen Bearbeitung von Metall weit mehr steckt, als man zunächst vermuten könnte.
In der Zerspanungszone kann die Temperatur lokal über 1000 °C steigen – das ist mehr als die Schmelztemperatur mancher Aluminiumlegierungen. Diese gesamte Energie entsteht innerhalb eines Sekundenbruchteils an der Kontaktstelle zwischen Schneide und Werkstoff und wird zu einem großen Teil über den Span abgeführt. Deshalb kann seine Farbe für einen erfahrenen Maschinenbediener ein wichtiger Hinweis auf den Verlauf des Prozesses sein – ein goldener oder bläulicher Farbton bei Stahlspänen sagt häufig mehr aus als so mancher Sensor.
Bei der modernen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM – High Speed Machining) können die Schnittgeschwindigkeiten bei bestimmten Leichtmetallen wie Aluminium mehrere Tausend Meter pro Minute erreichen. Das liegt zwar noch deutlich unter der Schallgeschwindigkeit, reicht aber aus, um ein charakteristisches, hochfrequentes Pfeifen der Maschine zu erzeugen. Erfahrene Bediener können dieses Geräusch sogar mit geschlossenen Augen erkennen und anhand dessen beurteilen, ob der Bearbeitungsprozess korrekt verläuft.
Einer der härtesten Werkstoffe für Schneidwerkzeuge ist polykristalliner Diamant (PCD). Interessanterweise werden Diamantwerkzeuge unter anderem zur Bearbeitung sehr harter, abrasiver Werkstoffe eingesetzt – gewissermaßen kann Diamant also gegen Materialien „antreten", die selbst eine sehr hohe Härte besitzen. Für die Bearbeitung von Diamant selbst, beispielsweise in der Schmuckindustrie oder Halbleitertechnik, werden wiederum andere Diamanten oder Laser eingesetzt.
Bevor Elektromotoren zum Einsatz kamen, wurden Drehmaschinen von Hand oder mit den Füßen angetrieben. Die sogenannte Fuß- oder Tret-Drehmaschine mit Schwungrad war noch im 19. Jahrhundert weit verbreitet und ermöglichte Handwerkern die überraschend präzise Bearbeitung von Holz und weichen Metallen. Das Grundprinzip – ein rotierendes Werkstück und ein Schneidwerkzeug – ist bis heute nahezu unverändert geblieben, obwohl der Fußantrieb inzwischen durch leistungsstarke Motoren und numerische Steuerungen ersetzt wurde.
Die Bezeichnung „Kühlschmierstoff" kann etwas irreführend sein, denn bei vielen Bearbeitungsprozessen besteht seine wichtigste Aufgabe nicht allein darin, die Temperatur zu senken, sondern vor allem darin, die Zerspanungszone zu schmieren und Späne abzutransportieren. Bei der Bearbeitung bestimmter Werkstoffe, beispielsweise Grauguss, wird teilweise bewusst auf Kühlschmierstoff verzichtet und trocken bearbeitet. Ein plötzlicher thermischer Schock durch Flüssigkeit könnte unter bestimmten Bedingungen zu Mikrorissen am Werkzeug führen. Die Wahl der richtigen Kühl- und Schmierstrategie kann daher ebenso wichtig sein wie die Auswahl des Werkzeugs selbst.
Weit verbreitet ist die Vorstellung, dass numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen nahezu vollständig autonom arbeiten. In der Praxis bleiben die Überwachung durch Programmierer und Maschinenbediener sowie deren Erfahrung von entscheidender Bedeutung. Menschen wählen geeignete Schnittparameter aus, berücksichtigen den Werkzeugverschleiß und reagieren auf Schwingungen oder Vibrationen, die kein Algorithmus mit hundertprozentiger Sicherheit vorhersagen kann. Die Automatisierung hat die Wiederholgenauigkeit erheblich verbessert, aber die Notwendigkeit von Erfahrung und Fachwissen nicht beseitigt.
Viele erfahrene Maschinenbediener können den Zustand eines Schneidwerkzeugs allein anhand der Arbeitsgeräusche einer Maschine beurteilen. Ein charakteristisches, hohes Quietschen oder Pfeifen kann beispielsweise auf ungünstige Schnittparameter oder eine verschlissene Schneidkante hindeuten. Ein dumpfes, unregelmäßiges Geräusch kann dagegen ein Hinweis auf selbsterregte Schwingungen – das sogenannte Rattern – sein, die im Extremfall sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück beschädigen können. Moderne Systeme zur Schwingungsüberwachung bilden im Grunde digital nach, was erfahrene Fachkräfte seit Generationen „nach Gehör" machen.
Bei der Bearbeitung bestimmter Leichtmetalle wie Magnesiumlegierungen können feine, trockene Späne leicht entzündlich sein und sich bei unzureichender Wärmeabfuhr entzünden. Dies ist einer der Gründe, warum die Bearbeitung von Magnesium besondere Sicherheitsmaßnahmen und geeignete Werkzeuge erfordert. Entgegen der Intuition sollte Wasser als Löschmittel bei Magnesiumbränden vermieden werden, da Magnesium heftig mit Wasser reagieren kann.
Bei der Präzisionszerspanung, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder Medizintechnik eingesetzt wird, sind Maßtoleranzen von nur 1–2 Mikrometern keine Seltenheit. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ungefähr 70 Mikrometern. Moderne Bearbeitungszentren können somit mit Genauigkeiten arbeiten, die nur einem Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares entsprechen – und dabei eine hohe Wiederholgenauigkeit über Tausende aufeinanderfolgende Bauteile hinweg gewährleisten.
Spanwinkel, Freiwinkel und Schneidkantenradius – jeder dieser Parameter kann bereits bei einer Veränderung um wenige Grad einen erheblichen Einfluss auf Oberflächenqualität, Werkzeugstandzeit und die während der Bearbeitung auftretenden Kräfte haben. Deshalb entwickeln Hersteller von Wendeschneidplatten Hunderte unterschiedlicher Geometrien, die auf bestimmte Werkstoffe und Bearbeitungsstrategien abgestimmt sind. Die Wahl eines „universellen" Werkzeugs für sämtliche Anwendungen bedeutet fast immer einen Kompromiss bei der Produktivität.
Die Zerspanung ist ein Bereich, in dem Präzisionstechnik auf Physik in ihrer unmittelbarsten Form trifft – auf Wärme, Schall, Reibung und mikroskopisch kleine Verformungen des Werkstoffs. Je tiefer man sich mit den Details des Bearbeitungsprozesses beschäftigt, desto deutlicher wird, dass hinter jedem glatten, glänzenden Bauteil enormes technologisches Know-how steckt.
Dieses Wissen ist häufig das Ergebnis jahrzehntelanger Versuche, Fehler, Erfahrungen und Beobachtungen – unabhängig davon, wie leistungsfähig und automatisiert moderne CNC-Maschinen inzwischen geworden sind.
TOKAR CNC Technology Mateusz Maćków
