Bearbeitung von Messing und freizerspanbarem Messing: Praktische Grundlagen für die CNC-Fertigung

Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung, die sich durch gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Leitfähigkeit und angenehme Verarbeitungseigenschaften auszeichnet. Freizerspanbares Messing – auch als Automatenmessing bezeichnet – ist eine spezielle Variante, die für die spanende Bearbeitung optimiert wurde. In diesem Artikel lernen Sie, wie Sie diese Materialien richtig bearbeiten, welche Parameter Sie einstellen müssen und wo die Grenzen liegen.

Was dieses Material ist: Eigenschaften, die für die Bearbeitung wichtig sind

Beim Messing unterscheidet man zwischen zwei Hauptgruppen, die sich in ihren Bearbeitungseigenschaften stark unterscheiden:

Standardmessing

Standardmessing (z. B. CuZn30, CuZn37) besteht aus Kupfer und Zink ohne weitere Zusätze. Es hat eine gute Zähigkeit und Festigkeit, aber seine Zerspanbarkeit ist begrenzt. Für die Bearbeitung bedeutet das:

• Hohe Zähigkeit: Das Material neigt dazu, sich unter der Schneidkante zu verformen, statt sauber abzubrechen.
• Geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu freizerspanbarem Messing: Wärme bleibt länger im Schneidbereich.
• Geringe Härte: Die Schneidkante kann leicht verformt werden, wenn die Parameter nicht passen.

Freizerspanbares Messing

Freizerspanbares Messing (z. B. CuZn39Pb3, CuZn40Pb2) enthält Zusätze, die die Zerspanbarkeit verbessern. Traditionell wurde Blei verwendet, das sich zwischen den Metallkörnern anreichert und als Schmiermittel wirkt. Da Blei gesundheitsschädlich ist, gibt es heute bleifreie Alternativen, die mit Zusätzen wie Wismut, Selen oder Tellur arbeiten. Die wichtigsten Eigenschaften für die Bearbeitung sind:

• Ausgezeichnete Spanbrechung: Die Zusätze sorgen dafür, dass Späne sauber abgebrochen werden, statt lange Fäden zu bilden.
• Geringe Schnittkräfte: Die Schmierwirkung der Zusätze reduziert die Reibung zwischen Schneidkante und Werkstück.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit: Wärme wird schnell abgeführt, was die Werkzeugverschleißrate senkt.
• Geringe Zähigkeit: Das Material bricht unter der Schneidkante sauber ab, ohne sich zu verformen.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Das Verhalten von Messing während der Bearbeitung hängt stark von der Legierung ab. Hier die wichtigsten Mechanismen:

Schnittkräfte

• Standardmessing: Erfordert hohe Schnittkräfte, da das Material zäh ist und sich verformt. Die Kräfte sind vergleichbar mit denen von weichem Stahl.
• Freizerspanbares Messing: Erfordert bis zu 30 % geringere Schnittkräfte als Standardmessing. Die Zusätze reduzieren die Reibung zwischen Schneidkante und Werkstück, sodass weniger Kraft benötigt wird.

Wärmeentwicklung

• Standardmessing: Wärme bleibt im Schneidbereich, da die Wärmeleitfähigkeit geringer ist. Dies kann zu einer Überhitzung der Schneidkante führen.
• Freizerspanbares Messing: Wärme wird schnell über das Werkstück und den Span abgeführt. Nur etwa 20 % der Wärme verbleibt im Schneidbereich, im Vergleich zu bis zu 40 % bei Standardmessing.

Spanbildung

• Standardmessing: Bildet lange, dünne Späne, die sich um das Werkzeug oder das Werkzeug wickeln können. Dies kann zu Beschädigungen des Werkstücks oder des Werkzeugs führen.
• Freizerspanbares Messing: Bildet kurze, gebrochene Späne. Die Zusätze sorgen dafür, dass der Span schon bei geringer Belastung abbricht.

Werkzeugverschleiß

• Standardmessing: Der Verschleiß erfolgt hauptsächlich durch Abrasion und Adhäsion. Die hohe Zähigkeit des Materials führt dazu, dass sich Werkstückmaterial an der Schneidkante anlagert (Aufbauschneide), was die Schneidleistung reduziert.
• Freizerspanbares Messing: Der Verschleiß ist geringer. Die Schmierwirkung der Zusätze reduziert die Abrasion und Adhäsion. Bei bleihaltigem Messing kann Blei sogar die Lebensdauer des Werkzeugs um bis zu 50 % erhöhen. Bei bleifreien Alternativen ist der Verschleiß etwas höher, aber immer noch deutlich geringer als bei Standardmessing.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe und Werkzeuggeometrie

Die Parameter hängen von der Legierung, der Bearbeitungsart und der verwendeten Maschine ab. Hier die wichtigsten Bereiche und Abwägungen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneidkante am Werkstück vorbeibewegt wird. Sie wird in Metern pro Minute (m/min) angegeben.

• Standardmessing: 100–200 m/min. Bei höheren Geschwindigkeiten steigt die Wärmeentwicklung stark an, was zu Werkzeugverschleiß führt.
• Freizerspanbares Messing: 200–400 m/min. Die hohe Wärmeleitfähigkeit erlaubt höhere Geschwindigkeiten, ohne dass die Schneidkante überhitzt.

Abwägung: Höhere Geschwindigkeiten erhöhen die Produktivität, aber auch den Werkzeugverschleiß. Für Serienfertigungen empfehlen sich Geschwindigkeiten im mittleren Bereich, um die Lebensdauer des Werkzeugs zu optimieren.

Vorschub (f)

Der Vorschub ist die Strecke, die das Werkzeug pro Umdrehung der Spindel zurücklegt. Er wird in Millimeter pro Umdrehung (mm/U) angegeben.

• Standardmessing: 0,1–0,3 mm/U. Bei zu hohen Vorschüben steigen die Schnittkräfte stark an, was zu Verformungen des Werkstücks führen kann.
• Freizerspanbares Messing: 0,2–0,5 mm/U. Die geringeren Schnittkräfte erlauben höhere Vorschübe, ohne dass das Werkstück beschädigt wird.

Abwägung: Höhere Vorschübe erhöhen die Produktivität, können aber zu einer geringeren Oberflächenqualität führen. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Oberfläche empfehlen sich Vorschübe im unteren Bereich.

Werkzeuggeometrie

Die Werkzeuggeometrie hat einen großen Einfluss auf die Spanbildung und den Werkzeugverschleiß.

• Schneidwinkel: Für Messing empfehlen sich positive Schneidwinkel (10–15 Grad), um die Schnittkräfte zu reduzieren.
• Spanbrecher: Bei Standardmessing ist ein starker Spanbrecher erforderlich, um lange Späne zu brechen. Bei freizerspanbarem Messing reicht ein schwächerer Spanbrecher aus.
• Schneidstoff: Für Messing eignen sich Hartmetallwerkzeuge mit einer TiN-Beschichtung (Titannitrid) oder unbeschichtete Hartmetallwerkzeuge. Die Beschichtung reduziert den Verschleiß.

Maschinenwahl

Die Wahl der Maschine hängt von der Größe des Werkstücks und der erforderlichen Genauigkeit ab. Hier einige Beispiele für Gree CNC-Maschinen:

• Für kleine bis mittlere Werkstücke (z. B. Elektronikkomponenten): Das Vertikale Bearbeitungszentrum GA-DV750 mit einer maximalen Spindeldrehzahl von 30.000 U/min eignet sich hervorragend für die Bearbeitung von freizerspanbarem Messing. Seine hohe Positioniergenauigkeit von 0,003 mm macht es ideal für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit.
• Für große Werkstücke (z. B. Sanitärarmaturen): Das Vertikale Bearbeitungszentrum GA-MV856 mit einer maximalen Tischbelastung von 500 kg und einem Drehmoment von bis zu 95,5 Nm eignet sich für die Bearbeitung von größeren Messingwerkstücken.
• Für Bohr- und Gewindeschneidarbeiten: Das Bohr-/Gewindezentrum GA-VT540 mit einer maximalen Spindeldrehzahl von 20.000 U/min und einer Werkzeugwechselzeit von nur 1,2 s ist ideal für die Bearbeitung von Messing in großen Serien.

Was schiefgehen kann: Fehlerarten und Lösungen

Bei der Bearbeitung von Messing können verschiedene Fehler auftreten. Hier die häufigsten:

Lange Späne

Ursache: Zu geringe Schnittgeschwindigkeit, zu geringer Vorschub oder falsche Werkzeuggeometrie. Lösung: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit oder den Vorschub. Überprüfen Sie die Werkzeuggeometrie und verwenden Sie gegebenenfalls einen stärkeren Spanbrecher.

Werkzeugverschleiß

Ursache: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu hoher Vorschub, falscher Schneidstoff oder falsche Werkzeuggeometrie. Lösung: Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit oder den Vorschub. Verwenden Sie ein Werkzeug mit einer geeigneten Beschichtung oder einem geeigneten Schneidstoff. Überprüfen Sie die Werkzeuggeometrie.

Aufbauschneide

Ursache: Zu geringe Schnittgeschwindigkeit, zu geringer Vorschub oder falsche Werkzeuggeometrie. Lösung: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit oder den Vorschub. Verwenden Sie ein Werkzeug mit einer glatteren Oberfläche oder einer geeigneten Beschichtung.

Verformung des Werkstücks

Ursache: Zu hohe Schnittkräfte, zu geringe Spannung des Werkstücks oder falsche Werkzeuggeometrie. Lösung: Reduzieren Sie den Vorschub. Erhöhen Sie die Spannung des Werkstücks. Verwenden Sie ein Werkzeug mit einem positiveren Schneidwinkel.

Schlechte Oberflächenqualität

Ursache: Zu hoher Vorschub, zu geringe Schnittgeschwindigkeit, verschlissenes Werkzeug oder falsche Werkzeuggeometrie. Lösung: Reduzieren Sie den Vorschub. Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit. Ersetzen Sie das verschlissene Werkzeug. Überprüfen Sie die Werkzeuggeometrie.

Ehrliche Grenzen: Wo dieses Material oder dieser Ansatz eine schlechte Wahl ist

Messing und freizerspanbares Messing haben auch Nachteile. Hier die wichtigsten Grenzen:

Hohe Kosten

Freizerspanbares Messing ist teurer als Standardmessing oder Stahl. Die Zusätze erhöhen die Materialkosten um bis zu 20 %.

Gesundheitsrisiken bei bleihaltigem Messing

Bleihaltiges Messing ist gesundheitsschädlich, wenn es nicht richtig verarbeitet wird. Bei der Bearbeitung können Bleiabfälle entstehen, die eingeatmet oder verschluckt werden können. In vielen Ländern gibt es Vorschriften, die die Verwendung von bleihaltigem Messing in bestimmten Anwendungen (z. B. Trinkwasserarmaturen) verbieten.

Begrenzte Festigkeit

Messing hat eine geringere Festigkeit als Stahl oder Aluminium. Es eignet sich nicht für Anwendungen, bei denen hohe Belastungen auftreten.

Schwierige Bearbeitung von dünnwandigen Werkstücken

Messing ist relativ weich und neigt dazu, sich zu verformen, wenn es dünnwandig ist. Die Bearbeitung von dünnwandigen Messingwerkstücken erfordert spezielle Spannvorrichtungen und Parameter.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

Bevor Sie mit der Bearbeitung beginnen, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Materialidentifikation: Stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Legierung verwenden (Standardmessing oder freizerspanbares Messing).
2. Werkzeugauswahl: Wählen Sie ein Werkzeug mit der geeigneten Geometrie und Beschichtung für Messing.
3. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine, die für die Größe des Werkstücks und die erforderliche Genauigkeit geeignet ist.
4. Parameter einstellen: Stellen Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub entsprechend der Legierung ein.
5. Spannung des Werkstücks: Stellen Sie sicher, dass das Werkstück fest gespannt ist, um Verformungen zu vermeiden.
6. Kühlmittel: Verwenden Sie ein geeignetes Kühlmittel, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren und den Werkzeugverschleiß zu senken.
7. Erster Testlauf: Führen Sie einen Testlauf mit reduzierten Parametern durch, um die Spanbildung und die Oberflächenqualität zu überprüfen.

FAQ

1. Ist bleifreies Messing genauso gut zu bearbeiten wie bleihaltiges Messing? Nein, bleifreies Messing hat eine etwas geringere Zerspanbarkeit als bleihaltiges Messing. Der Werkzeugverschleiß ist um bis zu 20 % höher, und die Spanbrechung ist etwas schlechter. Allerdings erfüllt es die Anforderungen der meisten Anwendungen und ist gesundheitlich unbedenklich.

2. Kann ich Messing mit einer Aluminiummaschine bearbeiten? Ja, aber Sie müssen die Parameter anpassen. Messing hat eine höhere Festigkeit als Aluminium, sodass Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub reduzieren müssen. Außerdem sollten Sie ein Werkzeug verwenden, das für Messing geeignet ist.

3. Welche Maschine eignet sich am besten für die Serienfertigung von Messingkomponenten? Für kleine bis mittlere Serien eignet sich das Vertikale Bearbeitungszentrum GA-DV750 oder das Bohr-/Gewindezentrum GA-VT540. Für große Serien eignet sich das Vertikale Bearbeitungszentrum GA-MVD2560 mit zwei Spindeln, das die Produktivität verdoppelt.

4. Kann ich Messing ohne Kühlmittel bearbeiten? Ja, aber nur für kurze Bearbeitungszeiten. Bei längeren Bearbeitungen führt die Wärmeentwicklung zu einem starken Werkzeugverschleiß und einer schlechten Oberflächenqualität. Es wird empfohlen, ein Kühlmittel zu verwenden.

5. Wie kann ich die Lebensdauer des Werkzeugs bei der Bearbeitung von Messing erhöhen? Verwenden Sie ein Werkzeug mit einer TiN-Beschichtung, stellen Sie die Parameter richtig ein und verwenden Sie ein geeignetes Kühlmittel. Bei freizerspanbarem Messing können Sie auch die Schnittgeschwindigkeit im mittleren Bereich wählen, um den Verschleiß zu optimieren.

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