Spanende Werkzeuge - Eine kleine Einführung

Ob beim Bau von Maschinen, der Reparatur im Handwerk oder der Fertigung von Präzisionsbauteilen, spanende Werkzeuge sind nahezu überall im Einsatz. Drehwerkzeuge, Fräswerkzeuge, Bohrwerkzeuge und Schleifwerkzeuge kommen immer dann zum Einsatz, wenn Material in Form von Spänen abgetragen werden soll. Welche Arten von spanenden Werkzeugen es gibt und worauf es bei der Benutzung ankommt, erklärt dieser Artikel.

Was versteht man unter spanender Bearbeitung?

Spanende Bearbeitung bezeichnet ein Fertigungsverfahren, bei dem Material von einem Werkstück durch mechanische Einwirkung in Form von Spänen abgetragen wird, um die gewünschte Form, Oberfläche oder Maßgenauigkeit zu erreichen. Diese Verfahren lassen sich in die Kategorie der trennenden Fertigungsverfahren nach DIN 8580 einordnen. Mit diesen Verfahren lassen sich komplexe Bauteile mit engsten Toleranzen wirtschaftlich herstellen.

Zu den wichtigsten Verfahren der spanenden Bearbeitung zählen:

Welche Rolle spielen spanende Werkzeuge in der industriellen Fertigung?

In der industriellen Fertigung spielen spanende Werkzeuge eine entscheidende Rolle. Sie ermöglichen die Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien, engen Toleranzen und hochwertigen Oberflächen. Dabei beeinflusst die Auswahl des richtigen Werkzeugs die Produktionsgeschwindigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit maßgeblich.

Hauptgruppen von spanenden Werkzeugen

Es gibt eine ganze Reihe von spanenden Werkzeugen für die verschiedensten Anwendungsbereiche. Grundsätzlich lassen sie sich in folgende Hauptgruppen einteilen:

Drehwerkzeuge

Drehwerkzeuge werden beim Drehen verwendet, einem Verfahren, bei dem das Werkstück rotiert und das Werkzeug die gewünschte Form erzeugt.

Zu den typischen Drehwerkzeugen gehören:

• Werkzeughalter (außen und innen)
• Nutenfräs-/Trennhalter
• Gewindeschneidhalter
• Bohrspitzen

Fräswerkzeuge

Beim Fräsen rotiert das Werkzeug, während das Werkstück geführt wird.

Zu den typischen Fräswerkzeugen gehören:

• Schaftfräser
• Spezialfräser
• Planfräser
• Nutenfräser
• Formfräser
• Scheibenfräser

Bohrwerkzeuge

Bohrwerkzeuge dienen der Herstellung zylindrischer Innenflächen.

Zu den typischen Bohrwerkzeugen gehören:

• Spiralbohrer z.B. zum Erzeugen zylindrischer Bohrungen.
• Stufenbohrer z.B. zum Herstellen mehrerer Lochdurchmesser in einem Arbeitsgang.
• Senkwerkzeuge zum Anbringen von Kegel- oder Zylindersenkungen, etwa zum bündigen Versenken von Schraubenköpfen.

Schleifwerkzeuge

Schleifwerkzeuge bestehen aus gebundenem Schleifkorn und werden zur Feinbearbeitung von Oberflächen eingesetzt (siehe dazu auch unseren Beitrag zur Auswahl von Oberflächen).

Zu den typischen Schleifwerkzeugen gehören:

• Schleifscheiben
• Schleifbänder
• Honwerkzeuge (für Feinbearbeitungen als letzter Bearbeitungsschritt nach dem Drehen oder Fräsen)

Materialien und Beschichtungen bei spanenden Werkzeugen

Die Leistungsfähigkeit spanender Werkzeuge hängt vom Schneidstoff und der Beschichtung ab. Zu den gängigen Materialien gehören (☐ = Farbcodierung):

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Anwendungshauptgruppen für Schneidstoffe nach DIN ISO 513.

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick für die Eignung der Hauptanwendungsgruppe nach DIN ISO 513 für die HRC Festigkeitsklassen.

( geeignet / nicht geeignet )

Beschichtungen wie RiN, TiAIN, AlCrN oder DLC steigern die Standzeit, reduzieren die Reibung und verbessern die Wärmeleitfähigkeit. Die Auswahl richtet sich nach dem Werkstoff, dem Kühlschmiermittel sowie den Schnittparametern.

Werkzeuggeometrie und Spanbildung

Die Geometrie eines Schneidwerkzeugs bestimmt maßgeblich die Zerspanungsleistung und die Qualität der Bearbeitung. Sie sorgt für einen kontrollierten Spanfluss und hochwertige Oberflächen.

Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• Schneidwinkel/Keilwinkel: beeinflusst Spanbildung und Schnittkraft.
  • Ein großer Winkel erhöht die Stabilität und eignet sich für schwere Schnitte
  • Ein kleiner Winkel verbessert Schärfe und Präzision.
• Spanwinkel: steuert Spanfluss.
  • Ein positiver Spanwinkel senkt die Schnittkräfte und eignet sich für weiche Werkstoffe.
  • Beim negativen Spanwinkel ist die Schneidfläche von der Schneidrichtung weg geneigt, was eine stärkere Schneidkante erzeugt. (für härtere und spröde Werkstoffe)
• Freiwinkel: verhindert Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück.
  • Ein kleiner Freiwinkel erhöht die Stabilität der Schneide bei grober Bearbeitung.
  • Ein größerer Freiwinkel reduziert Reibung und Wärmeentwicklung bei feinen Schnitten.

Auswahlkriterien für spanende Werkzeuge

Bei der Auswahl spanender Werkzeuge spielen mehrere Eigenschaften eine zentrale Rolle: Werkstoff des Werkstücks, gewünschte Oberflächengüte, Maschinenleistung, Kosten, Standzeit, Geometrie und Beschichtung. Hart werkende Materialien erfordern beispielsweise hochhitzebeständige Schneidstoffe wie Hartmetall oder HSS mit PVD-Beschichtung, während weichere Werkstoffe auch mit einfacheren Stählen effizient bearbeitet werden können. Günstigere Werkzeuge lassen sich einfacher nachschleifen, erreichen aber meist eine geringere Standzeit und Schneidleistung im Vergleich zu beschichteten Hartmetall- oder CBN-Werkzeugen.

Die gewählte Geometrie, z.B. Span- und Freiwinkel, beeinflusst deutlich die Spanbildung, Schnittkräfte und damit letztlich Oberflächengüte und Maßhaltigkeit. Bei höheren Maschinenleistungen und Schnittgeschwindigkeiten entstehen stärkere Kräfte, was robuste Schneidengeometrien und Beschichtungen mit hoher Wärmebeständigkeit nötig macht.

Hier eine kurze Entscheidungshilfe für spanende Werkzeuge nach Härtegrad:

• Weiche Werkstoffe: HSS oder unbeschichtetes Hartmetall mit großem Spanwinkel, hohe Schnittgeschwindigkeit, geringe Schnittkräfte.
• Mittelharte Werkstoffe: beschichtetes Hartmetall (z. B. TiAlN), robuste Geometrie, gute Balance aus Standzeit und Präzision.
• Harte Werkstoffe (größer als 60 HRC): CBN, PKD oder feinkörniges Hartmetall mit stabiler Schneidkante, niedrige Schnittgeschwindigkeit, hohe Verschleißfestigkeit nötig.

Maschinenkompatibilität: Anforderungen an die Werkzeugaufnahme

Es gibt verschiedene genormte Aufnahme-Systeme wie Steilkegel SK (ISO 7388), Hohlschaftkegel HSK (DIN 69893), metrische Kegel (ME), Weldon-Aufnahme und Morsekegel. HSK-Werkzeughalter überzeugen durch ihre hohe statische und dynamische Steifigkeit sowie die präzise radiale Positionierung, was selbst bei hohen Drehzahlen eine exakte und wiederholgenaue Bearbeitung ermöglicht. Dank der kurzen Wechselzeiten, integrierten Kühlmittelzufuhr und optionalen Codierung sind sie ideal für automatisierte Hochgeschwindigkeitsprozesse mit höchsten Anforderungen an Präzision und Effizienz. Der Hohlschaftkegel gilt als Standardschnittstelle. Morsekegel-Reibahlen bieten ebenfalls hohe Präzision durch exakt gefertigte Kegelwinkel für passgenaue Werkzeugaufnahmen und zeichnen sich durch ihre Vielseitigkeit im Einsatz an verschiedensten Werkzeugmaschinen und Branchen aus. Die Weldon-Aufnahme wird traditionell in Fräsanwendungen verwendet und gewährleistet hier Drehmomentfestigkeit und sicheren Werkzeughalt.

Werkzeugverschleiß und Standzeit

Werkzeuge unterliegen beim spanenden Bearbeiten verschiedenen Verschleißmechanismen, die ihre Lebensdauer und Bearbeitungsqualität erheblich beeinflussen. Zu den häufigsten Verschleißarten zählen:

• Freiflächenverschleiß: Abrieb an der Werkzeugflanke durch Reibung
• Kolkverschleiß: Materialabtrag auf der Spanfläche durch hohe Temperaturen und Diffusion
• Schneidkantenbruch: Plötzlicher Ausbruch der Schneidkante durch Überlast oder Vibrationen
• Plastische Verformung: Bleibende Verformung der Schneide durch Überhitzung

Werkzeugverschleiß kann durch Sichtkontrolle, Verschlechterung der Oberflächenqualität oder durch Monitoring der Schnittkräfte und Prozessgeräusche frühzeitig erkannt werden. Um die Standzeit zu erhöhen, sind optimal abgestimmte Schnittdaten, eine effiziente Kühlung sowie regelmäßiges Nachschleifen entscheidend. Auch die Wahl verschleißfester Beschichtungen (z.B. TiAlN) und eine vibrationsarme Maschinenumgebung tragen zur Standzeitverlängerung bei.

Einfluss von Kühlschmierstoffen

Bei der spanenden Verarbeitung entsteht Hitze, die einerseits zum Werkzeugverschleiß, andererseits aber auch zur thermischen Verformung des Werkstücks selbst führen kann. Der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS) wirkt dem durch effiziente Kühlung und Schmierung entgegen. Gleichzeitig werden Späne, die während der Bearbeitung entstehen, weggespült und so der Arbeitsraum gereinigt.

Je nach Funktion unterscheiden sich auch die Kühlschmierstoffe: Es gibt reine Schneidöle, die eine besonders hohe Schmierfähigkeit besitzen, aber z.B. weniger zum Kühlen geeignet sind. Kühlschmierstoffe, die sich mit Wasser mischen lassen, bringen wiederum eine hohe Kühlwirkung mit sich, erzielen bei regelmäßigem Umrühren aber eine ebenso gute Schmierwirkung. Synthetische Kühlschmierstoffe müssen im Wasser gelöst werden und sind transparent, was bei der Beobachtung des Bearbeitungsprozesses hilfreich ist. Welcher Kühlschmierstoff zum Einsatz kommt, richtet sich nach dem angewandten Fertigungsverfahren. Herrschen hohe Arbeitstemperaturen bei leicht bearbeitbaren Werkstücken empfiehlt sich ein Kühlschmierstoff mit hoher Kühleigenschaft. Bei schwergängigen Werkstoffen und mäßigen Geschwindigkeiten steht die Schmierwirkung im Vordergrund. Die Beigabe von Zusätzen, z.B. Korrosionsschutzmittel, optimiert den Kühlschmierstoff für eine Vielzahl von Anwendungen.

Typische Fehler beim Zerspanen

Ein zentrales Problem beim Zerspanen liegt in der unzureichenden Abstimmung zwischen Werkstoffauswahl und den nachfolgenden Bearbeitungsschritten. Häufig wird nur auf die Zerspanbarkeit geachtet, ohne zu berücksichtigen, wie sich das Material in weiteren Prozessen wie Schweißen oder Umformen verhält. Typische Fehlerquellen sind unter anderem eine verkürzte Standzeit, die durch inhomogene Materialchargen, Hartphasen oder falsche Schnittbedingungen verursacht wird. Auch Probleme bei Form- und Maßtoleranzen treten häufig auf, wenn das Vormaterial zu große Unrundheiten oder Bogenabweichungen aufweist. Ein weiteres Risiko ist die mangelnde Homogenität des Werkstoffs. Ungleich verteilte Einschlüsse erschweren die Spanbildung und führen zu instabilen Prozessen. Innere Spannungen im Material können während der Bearbeitung zu ungewollten Verformungen führen, was die Maßhaltigkeit gefährdet. Durch Wärmebehandlung lassen sich diese Spannungen zwar reduzieren, allerdings kann dies wiederum andere Eigenschaften wie die Spanbarkeit verschlechtern. Ein unzureichendes Oberflächenfinish entsteht, wenn Materialstruktur, Werkzeug, Kühlung und Bearbeitungsparameter nicht optimal aufeinander abgestimmt sind. Zudem bergen Normabweichungen und zulässige Materialfehler wie Porositäten ein oft unterschätztes Risiko, wenn keine weitergehenden Anforderungen mit dem Lieferanten definiert wurden. Wer diese Punkte nicht beachtet, riskiert unnötige Nacharbeit, Ausschuss und Kostensteigerung im gesamten Fertigungsprozess.

Folgende Lösungen können die typischen Fehler reduzieren:

• Prozessüberwachung und Schnittdatenanpassung: Durch fortlaufende Überwachung kann z.B. die Schnittgeschwindigkeit an die gegebenen Bedingungen angepasst werden.
• Homogenes Material verwenden (hier z.B. auch auf Fremdkörper wie LABS achten)
• Werkstoffe verwenden, die sowohl für die Zerspanung als auch nachfolgende Prozesse geeignet sind oder Zusätze wie Schwefel vermeiden, die schlechtere Schweißbarkeit mit sich bringen
• Spannungen im Werkstück verringern, z.B. durch geeignetes Ausglühen