Spanbildung: Scherzone, Spanarten und Spanform beurteilen

Thema: Fräsen, Drehen & Zerspanung

Ein Span ist kein sauber abgeschnittener Streifen. Der Werkstoff wird vor der Schneide gestaucht und plastisch umgeformt; der Span ist deshalb meist dicker und kürzer als die abgetragene Schicht. Gerade das macht Späne aufschlussreich: Art, Form und Dicke zeigen Probleme mit Geometrie, Wärme oder Schnittwerten oft früher als Werkstück oder Schneide.

Wie ein Span entsteht: Stauchen, Scheren, Abgleiten

Der Schneidkeil wird von Spanfläche und Freifläche begrenzt; der Spanwinkel γ beschreibt die Neigung der Spanfläche. Nach den Vorlesungsfolien der TU Bergakademie Freiberg erzeugt der Keil in der Spanwurzel einen Spannungszustand, der die Fließgrenze überschreitet. Der Werkstoff wird elastisch, dann plastisch verformt, gleitet in der Scherzone ab und läuft als Span unter Druck über die Spanfläche.

Durch die Stauchung ist der Span dicker als die Spanungsdicke h vor dem Schnitt. Das Verhältnis λ = h_ch / h heißt Spanstauchung; die Lehrunterlagen des MIT verwenden den Kehrwert als Schnittverhältnis kleiner 1.

Nahezu die gesamte Zerspanenergie wird zu Wärme: in der Scherebene, an der Spanfläche und an der Freifläche. Die höchste Temperatur herrscht laut den Freiberger Folien zwischen Span und Werkzeug, also dort, wo auch Kolkverschleiß auf der Spanfläche entsteht. Eine dort nach Kronenberg wiedergegebene Aufteilung nennt etwa 75 % der Wärme im Span, 18 % im Werkzeug und 7 % im Werkstück; solche Anteile gelten für bestimmte Versuchsbedingungen.

Spanarten: vom Fließspan bis zum Reißspan

Die Spanart beschreibt, wie der Werkstoff bei der Spanbildung zusammenhält. Die Freiberger Folien unterscheiden vier Grundformen und Zwischenformen.

Die Spanart ist keine feste Werkstoffeigenschaft. In einem Freiberger Versuchsbeispiel mit einer aushärtbaren Aluminium-Knetlegierung hing sie vom Spanwinkel der Schneide ab: Bei −20° entstanden unregelmäßige Scher- und Reißspäne bei stark zunehmender Spanstauchung, bei 0° wechselnd Fließ- und Scherspan, bei 45° ein gleichförmiger Fließspan. Segmentierte Späne bildet Titan schon bei relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, hochfester Stahl erst bei höheren.

Ein Sonderfall ist die Aufbauschneide: Werkstoff von der Spanunterseite haftet vor allem bei niedrigen und mittleren Schnittgeschwindigkeiten an der Schneide, schneidet mit und reißt wieder ab.

Spanform und Spanbruch: was lange und kurze Späne anzeigen

Neben der Spanart zählt die Spanform, also Länge und Krümmung der Späne. Nach dem Deutschen Kupferinstitut ist die Spanbildung meistens das wichtigste Kriterium der Spanbarkeit: Lange Späne stören den Ablauf, können die Maschine blockieren und empfindliche Werkzeuge brechen. Homogene Legierungen bilden besonders im weichen Zustand lange Wirrspäne; bei Kupferwerkstoffen wirkt daher oft ein Legierungselement, meist Blei, als Spanbrecher.

Ob ein Span bricht, hängt vor allem von Dicke und Krümmung ab. Nach Mitsubishi Materials brechen beim Drehen dünne Späne mit großem Krümmungsradius schwerer. Ein kleinerer Spanwinkel erzeugt dickere Späne, die sich leichter einrollen und brechen. Weniger Vorschub bei größerer Schnitttiefe verschlechtert die Spankontrolle, ebenso ein größerer Eckenradius bei kleiner Schnitttiefe.

Mit steigender Schnittgeschwindigkeit wird der Arbeitsbereich eines Spanbrechers tendenziell schmaler, weil der wärmere Span verformbarer ist. Kühlung erweitert ihn, da der rasch abgekühlte Span härter wird; weitere Auswahlkriterien nennt der Beitrag zum Kühlschmierstoff.

Beim Fräsen ist der Schnitt unterbrochen; jeder Zahn erzeugt einen Kommaspan mit veränderlicher Spanungsdicke, wie im Beitrag Fräsen verstehen beschrieben. Lange Wirrspäne sind dadurch seltener, die Freiberger Folien nennen ihr Fehlen als Vorteil des Drehfräsens. Kritisch ist eher, ob die Späne Nut oder Tasche rechtzeitig verlassen.

Eigenes Rechenbeispiel: Spanstauchung am Drehspan

Wir nehmen Längsdrehen mit einem Einstellwinkel von 90° an; dann gilt h = f = 0,20 mm. Die Wendeschneidplatte hat γ = 6°. Mit der Bügelmessschraube an mehreren Stellen gemessen, sei der Span im Mittel h_ch = 0,50 mm dick. Alle Werte sind Lehrwerte, keine Schnittdatenempfehlung.

Die Spanstauchung beträgt λ = 0,50 mm / 0,20 mm = 2,5. Für den idealisierten Orthogonalschnitt folgt aus der Geometrie von Scherebene und Spanfläche tan Φ = cos γ / (λ − sin γ). Mit cos 6° ≈ 0,995 und sin 6° ≈ 0,105 ergibt sich tan Φ ≈ 0,415, also ein Scherwinkel Φ ≈ 22,6°. Bei annähernd gleicher Spanbreite liefern 100 mm Schnittweg wegen der Volumenkonstanz nur rund 40 mm Span.

Angenommen, nach einer einzigen Änderung bei derselben Platte misst der Span nur noch 0,38 mm. Dann sinkt λ auf 1,9, der Scherwinkel steigt auf rund 29°, und 100 mm Schnittweg ergeben etwa 53 mm Span. Die Scherebene ist mit h / sin Φ ≈ 0,41 mm statt 0,52 mm kürzer, der Werkstoff wird weniger umgeformt. Ob der dünnere Span noch bricht, zeigt erst die Spanform.

Typische Fehlschlüsse und Grenzen der Spanbeurteilung

Kurze Späne sind nicht automatisch gut. Ein Reißspan kann die Oberfläche durch Ausbrüche beschädigen, und ein stark negativer Spanwinkel erkauft kurze Späne mit hoher Spanstauchung. Ein langer Fließspan in zähem Werkstoff zeigt dagegen zunächst gleichmäßige Spanbildung; zum Problem wird er, wenn er sich um Werkzeug oder Werkstück wickelt.

Die Spanfarbe wird gern als Temperaturanzeige gelesen. Anlauffarben hängen aber auch von Werkstoff, Einwirkzeit und Kühlung ab und taugen nur zum Vergleich unter sonst gleichen Bedingungen. Beim Fräsen ist λ nur grob bestimmbar, weil die Spanungsdicke entlang des Eingriffsbogens wechselt.

Häufig führt eine Mehrfachänderung in die Irre: Werden Vorschub, Drehzahl und Kühlung zugleich verstellt, lässt sich die neue Spanform keiner Ursache zuordnen. Herstellerangaben zum Einsatzbereich eines Spanbrechers gelten nur für die genannte Plattengeometrie und Werkstoffgruppe.

Prüfliste: Späne gezielt auswerten

Eine feste Reihenfolge macht Späne zum Prüfmerkmal.

• Referenzspäne eines bewährten Zustands mit Werkstoff, Werkzeug und Schnittwerten beschriftet aufbewahren.
• Spanart bestimmen: zusammenhängend, segmentiert oder bröckelig.
• Spanform prüfen: Länge, Krümmung, Neigung zum Wickeln oder Verklemmen.
• Beim Drehen die Spandicke an mehreren Stellen messen und λ = h_ch / h berechnen.
• Schneide und Spanfläche auf anhaftenden Werkstoff und beginnenden Kolk ansehen.
• Nur eine Größe ändern und mit dem Einsatzbereich des Spanbrechers laut Hersteller vergleichen.
• Späne nur bei stillstehender Spindel mit Haken oder Pinsel entfernen, siehe Maschinenreinigung.