Tribologie, die Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung, spielt in der Zerspanung eine zentrale Rolle. In der mikroskopischen Kontaktzone zwischen Span, Schneide und Werkstück entstehen der größte Teil der Wärme, der Schnittkräfte und der Mikroschäden. Diese äußern sich in der Praxis als Aufbauschneiden, beschleunigte Schneidkantenabstumpfung, Oberflächenrauheit oder Mikrorisse. Eine bewusste Steuerung tribologischer Phänomene ermöglicht eine Verbesserung der Oberflächenqualität, eine Verlängerung der Werkzeugstandzeit sowie eine Steigerung der Prozesseffizienz.

Grundlagen der Tribologie in der Zerspanungszone

In der Kontaktzone Werkzeug–Werkstück herrschen extreme Bedingungen: Drücke von mehreren hundert MPa bis über 1 GPa und sehr hohe Gleitgeschwindigkeiten. Meist liegt Grenz- oder Mischschmierung vor. Reibung entsteht durch Adhäsion, Abrasion und Rillenreibung infolge von Schneidenverrundung und Materialverdrängung. Auf der Spanfläche des Werkzeugs unterscheidet man eine Haftzone nahe der Schneide und eine Gleitzone weiter hinten. Auf der Freifläche führt Reibung zu Verschleißmarken und beeinflusst den Zustand der Werkstückoberfläche.

Merchant-Modell – Reibung und Schnittmechanik

Klassisch werden die Reibungseinflüsse durch den Reibungswinkel β und den Scherwinkel φ beschrieben. Steigende Reibung verringert den Scherwinkel, was zu dickerem Span, höheren Kräften und höheren Temperaturen führt. Der Reibungskoeffizient lässt sich durch Messung der Schnittkraftkomponenten bestimmen; in FEM-Simulationen wird häufig ein Scherreibungsmodell verwendet, in dem ein höherer Reibungskoeffizient die Wärmeentwicklung verstärkt und den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Reibung und Oberflächenqualität

Reibung beeinflusst sowohl die geometrische als auch die reale Rauheit. Selbst bei identischem Vorschub und Eckenradius verschlechtern zusätzliche Rillenbildung und Oberflächenverdrängung den Zustand der bearbeiteten Fläche. Aufbauschneiden führen zu Riefen und Unregelmäßigkeiten, instabile Gleitbewegungen können Mikrovibrationen auslösen. Zudem wirkt Reibung stark auf die Randzoneneigenschaften: Sie verursacht Eigen­spannungsänderungen, Mikrorisse sowie angelassene oder verfestigte Schichten. Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen begünstigt sie zusätzlich die Gratbildung.

Verschleißmechanismen der Werkzeuge

Die wichtigsten Verschleißmechanismen, deren Intensität stark von tribologischen Bedingungen abhängt, sind:

• Adhäsiver Verschleiß – durch Anhaften des Werkstoffs (z. B. Aluminium, rostfreie Stähle, Titan). Er äußert sich in Aufbauschneiden und Ausbrüchen der Schneide. Gegenmaßnahmen: glatte Schneiden, DLC- oder TiB₂-Beschichtungen, MQL-Schmierung oder Hochdruckkühlung.
• Abrassiver Verschleiß – verursacht durch harte Partikel wie Karbide oder Silizium in Al-Si-Legierungen. Führt zu Riefen und beschleunigtem Verschleiß an der Freifläche. Vermeidung: harte Beschichtungen (z. B. AlCrN, TiAlN) und effektive Kühlmittel­filtration.
• Diffusions- und Oxidationsverschleiß – bei hohen Temperaturen, erkennbar durch Kraterbildung auf der Spanfläche. Reduktion: oxidationsbeständige Beschichtungen und kryogene Kühlung.
• Ermüdungsverschleiß – durch zyklische Belastungs- und Temperaturschwankungen, führt zu Mikrorissen und Ausbrüchen. Minimierung: geeignete Schneidengeometrie und stabile Kühlbedingungen.

Schmierung und Kühlung

In der Zerspanung herrschen meist Grenz- oder Mischschmierungsregime. Entscheidend sind Additive (z. B. Schwefel, Phosphor, Ester), die Schutzschichten bilden. Wichtige Methoden sind:

• MQL (Minimum Quantity Lubrication) – reduziert Adhäsion und erhöht die Standzeit,
• Hochdruckkühlung – besonders effektiv bei Nickellegierungen und rostfreien Stählen,
• Trockenbearbeitung – möglich bei wärmeleitfähigen Werkstoffen wie Gusseisen,
• Kryogene Kühlung – vorteilhaft bei Titan- und Inconel-Legierungen.

Werkzeugwerkstoffe und -beschichtungen

Die Wahl des Werkzeugwerkstoffs beeinflusst tribologische Effekte direkt. Hartmetalle sind universell einsetzbar und in Kombination mit PVD-/CVD-Beschichtungen verschleißbeständig. Cermets liefern exzellente Oberflächenqualität. Keramiken und SiAlON eignen sich für Gusseisen und hochwarmfeste Legierungen. PCBN ist optimal für gehärtete Stähle, PCD für Aluminium und Kupfer. Spezielle Beschichtungen wie DLC oder TiB₂ reduzieren Adhäsion bei Aluminium und Leichtmetallen.

Geometrie und Schneidkantenpräparation

Die Werkzeuggeometrie beeinflusst die Reibung maßgeblich. Ein positiver Spanwinkel verringert Kräfte und erleichtert die Spanabfuhr, schwächt jedoch die Schneide. Ein gezieltes Honen (Verrundung von einigen µm) reduziert Aufbauschneiden und Mikroscharten. Mikrofasen (K-Land, T-Land) stabilisieren die Schneide in schwierigen Bedingungen; lasertexturierte Spanflächen verbessern zusätzlich die Schmierbedingungen.

Prozessparameter

• Höhere Schnittgeschwindigkeit reduziert Aufbauschneiden, verstärkt aber Kraterverschleiß.
• Zu kleiner Vorschub bei stark verrundeter Schneide fördert Reibung statt Schnitt.
• Die Schnitttiefe bestimmt die Kontaktfläche und Wärmeerzeugung.
• Optimierte Werkzeugbahnen wie trochoidales Fräsen verkürzen die mittlere Kontaktzeit und stabilisieren die Temperatur.

Standzeit und Energieeffizienz

Ein höherer Reibungskoeffizient steigert Schnittkräfte und Temperatur, beschleunigt den Verschleiß und erhöht den Energieverbrauch. Verbesserte tribologische Bedingungen verlängern nicht nur die Werkzeugstandzeit, sondern senken auch die Energiekosten des Prozesses.

Diagnostik

Die Analyse tribologischer Phänomene umfasst Messung von Schnittkräften, Span- und Oberflächentemperaturen, Rauheit sowie Untersuchung des Werkzeugverschleißes mittels Mikroskopie und Randzonenanalysen. In der Praxis kommen auch Versuchsplanungsmethoden zum Einsatz, um Prozessbedingungen hinsichtlich Reibung und Qualität zu optimieren.

Empfehlungen für ausgewählte Werkstoffe

• Aluminium und Al-Si-Legierungen: PCD-Werkzeuge oder DLC/TiB₂-Beschichtungen, MQL-Schmierung.
• Rostfreie Stähle: AlCrN-/AlTiN-Beschichtungen, positiver Spanwinkel, Hochdruckkühlung.
• Nickellegierungen: AlTiN-Beschichtungen, Fasen­geometrien, HP- oder Kryokühlung.
• Titanlegierungen: scharfe Schneiden, Kryo- oder HP-Kühlung, positiver Spanwinkel.
• Gehärtete Stähle: PCBN-Werkzeuge, Trockenbearbeitung, geringe Schlichtparameter.

Zusammenfassung

Reibung in der Zerspanung bestimmt Oberflächenqualität, Werkzeugstandzeit und Prozesskosten. Durch gezielte Wahl von Werkzeugwerkstoff und -geometrie, geeignete Schmierung sowie optimierte Prozessparameter lassen sich negative tribologische Effekte erheblich reduzieren. Ein bewusstes Reibungsmanagement in der Zerspanung ist der Schlüssel zu höherer Qualität, stabiler Fertigung und größerer Energieeffizienz.