Gratbildung: Entstehung, Werkzeugweg und Bohrungsaustritt

Thema: Fräsen, Drehen & Zerspanung

Ein Grat gilt oft als Zeichen einer stumpfen Schneide, das ein Werkzeugwechsel beseitigt. Verschleiß verstärkt die Gratbildung tatsächlich, doch auch eine scharfe Schneide hinterlässt einen Grat, wenn sie an einer ungestützten Kante austritt. Für die Werkstattpraxis ist deshalb die Frage nützlicher, wo die Schneiden das Werkstück verlassen und ob sich das im Werkzeugweg ändern lässt.

Wie ein Grat entsteht

Beim Zerspanen schert die Schneide den Werkstoff vor sich ab, während der umgebende Werkstoff die Schnittkraft aufnimmt. Nähert sie sich einer Kante, bleibt immer weniger stützender Werkstoff übrig. Nach Ávila und Dornfeld gibt der keilförmige Restwerkstoff vor dem Werkzeug dann plastisch nach und wird über die Kante gedrückt. Ein Grat ist also ein Vorsprung aus plastischer Verformung, kein liegen gebliebener Span.

Tritt die Schneide ein, stützt der übrige Werkstoff die Kante; meist entsteht nur ein kleiner Eintrittsgrat. Chu und Dornfeld nennen den Werkzeugaustritt deshalb eine notwendige Bedingung für den Austrittsgrat. Am Bohrungsaustritt gibt nach demselben Muster die letzte dünne Schicht unter der Bohrerspitze nach.

Typische Gratorte an gefrästen und gebohrten Teilen

Bei Blech-, Laser- und Plasmaschnitten haben Grate eigene Ursachen; die Schnittkante beim Laser behandelt der Artikel zum Assistenzgas beim Laserschneiden. Für gefräste und gebohrte Teile gilt:

Werkzeugweg und Kantenwinkel beim Fräsen

Chu und Dornfeld haben für das Planfräsen Werkzeugwege entwickelt, die Austritte an den Kanten vermeiden. An Teilen aus Al 6061-T6 entstanden mit herkömmlichen Bahnen Grate in der Größenordnung von 1 mm, mit den angepassten nur kleine Eintrittsgrate. Übertragbar ist der Grundgedanke: Fährt der Fräser im Gleichlauf an einer Kante entlang, treten die Schneiden dort nicht aus. Bei rechtsdrehender Spindel wird eine Außenkante dazu im Uhrzeigersinn umfahren.

An Ecken, Inseln und Durchbrüchen lassen sich Austritte nicht immer vermeiden. Grundlagen zu Eingriff und Bahnlage liefert der Artikel zum Planfräsen mit Stirnfräsern.

Auch der Winkel zwischen bearbeiteter Fläche und Austrittsfläche zählt: Nach Ávila und Dornfeld verstärken spitze Werkstückwinkel die Gratbildung, stumpfe verringern die plastische Verformung, weil mehr Werkstoff die Kante stützt. Liegt die letzte Schlichtzustellung innerhalb einer vorher gefrästen 45°-Fase, tritt die Schneide an einer 135°-Kante statt an einer 90°-Kante aus. Wie sich Fasenmaß und Frästiefe ergeben, zeigt der Artikel zum Berechnen der Fasenbreite.

Unter üblichen Bedingungen bestimmen nach den bei Chu und Dornfeld zitierten Arbeiten vor allem Zahnvorschub und Schnitttiefe den Austrittsgrat; hohe Schnittgeschwindigkeiten verkleinern ihn laut Ávila und Dornfeld bei kohlenstoffarmem Stahl und Aluminiumlegierungen deutlich. Verschleiß verstärkt die Gratbildung, beim Schlichten wiegt die Lage der Schneiden beim Austritt aber meist schwerer. Die Modelle gelten für zähe, plastisch verformbare Werkstoffe.

Bohrungsaustritt: Restschicht und Vorschub

Kurz vor dem Durchbruch bleibt unter der Bohrerspitze eine dünne Schicht stehen. Nach dem Modell von Segonds und Mitautoren trägt sie bei zähen Werkstoffen unterhalb einer kritischen Dicke die axiale Schnittkraft nicht mehr und verformt sich plastisch; daraus wird der Grat, je nach Bedingungen mit Kappe. Die Schnittgeschwindigkeit wirkt danach vor allem indirekt über diese Kraft.

Den deutlichsten Einfluss hatte der Vorschub, aber nicht in eine Richtung: Kleiner Vorschub begünstigte Kappen, großer das Durchbiegen der Restschicht; die Autoren folgern einen optimalen Vorschub. Ein pauschal gesenkter Vorschub vor dem Durchbruch ist deshalb ein Versuchsparameter, kein sicheres Mittel. Eine feste Unterlage stützt die Restschicht nach demselben Prinzip wie der übrige Werkstoff eine Fräskante. Drehzahl, Vorschub und Bohrungsqualität behandelt der Artikel Bohren verstehen.

Eigenes Rechenbeispiel: Grat in der zweiten Aufspannung

Wir nehmen eine 100 mm lange Aluminiumplatte an, die nach dem Fräsen der Oberseite gewendet wird. An einer Stirnkante steht ein übersehener Austrittsgrat 0,08 mm über die neue Auflagefläche hinaus. Liegt die Platte an diesem Ende auf dem Grat und am anderen flach auf, ist sie um 0,08 mm auf 100 mm gekippt, also um 0,8 mm/m oder etwa 0,046°.

Eine 60 mm lange Tasche auf der zweiten Seite wird dann an einem Ende um 60 mm × 0,0008 ≈ 0,048 mm tiefer als am anderen. Eine 20 mm hohe Wand, die in derselben Aufspannung gefräst wird, steht um 20 mm × 0,0008 = 0,016 mm schief. Bei einem Grat in der von Chu und Dornfeld genannten Größenordnung von 1 mm wären es an der Tasche bereits 0,6 mm. Zusätzlich zeigt ein Messschieber über dem Grat die Plattendicke um die Grathöhe zu groß an.

Die Abweichung entsteht hier in der Auflage, nicht in der Maschine. Auflageflächen werden deshalb vor jeder weiteren Aufspannung entgratet.

Typische Fehler und Grenzen

Häufig wird ein großer Grat von Hand abgenommen und dabei die Kante verrundet, an der später gemessen oder angeschlagen wird. Ein in die Bohrung umgelegter statt entfernter Grat fällt oft erst bei der Montage auf. Wie sich Entgraten als eigener Arbeitsgang einplanen lässt, beschreibt der Artikel Endbearbeitung planen.

Auch die Regel „Eintritt statt Austritt“ hat Grenzen: Bei großer radialer Eingriffsbreite können Eintrittsgrate nach Ávila und Dornfeld so groß wie Austrittsgrate werden. Chu und Dornfeld nennen außerdem die Verletzungsgefahr und die Kosten des schwer automatisierbaren Entgratens.

Die Angabe „gratfrei“ ohne Maß lässt offen, wie viel Grat oder Kantenabtrag zulässig ist. Für solche Kanten gibt es DIN EN ISO 13715 „Technische Produktdokumentation – Kanten mit unbestimmter Gestalt – Angaben und Bemaßung“; zur eindeutigen Zeichnung insgesamt siehe Konstruktionszeichnung erstellen.

Prüfliste für gratarme Teile

• Im CAM die Stellen suchen, an denen Schneiden an einer Kante austreten.
• Außenkanten zuletzt im Gleichlauf entlangfahren.
• Funktionskanten vor dem Schlichten anfasen, wenn die letzte Zustellung in der Fase liegt.
• Wachsende Grate als Hinweis auf Verschleiß werten.
• Am Bohrungsaustritt eine Unterlage vorsehen und den Vorschub im Versuch abstimmen.
• Auflageflächen vor jeder Aufspannung entgraten, erst danach messen.
• Den zulässigen Kantenzustand in der Zeichnung angeben.