Bearbeitbarkeit - Machinability

Bearbeitbarkeit ist die Leichtigkeit, mit der ein Metall geschnitten ( bearbeitet ) werden kann, wodurch das Material mit einer zufriedenstellenden Oberfläche zu geringen Kosten entfernt werden kann. Materialien mit guter Zerspanbarkeit ( frei zerspanbare Materialien) benötigen wenig Kraft zum Schneiden, können schnell geschnitten werden, erzielen leicht eine gute Oberfläche und verschleißen die Werkzeuge nicht stark. Die Faktoren, die typischerweise die Leistung eines Materials verbessern, verschlechtern oft seine Bearbeitbarkeit. Um Komponenten wirtschaftlich herstellen zu können, müssen Ingenieure daher Wege finden, die Bearbeitbarkeit zu verbessern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Die Bearbeitbarkeit kann schwer vorherzusagen sein, da die Bearbeitung so viele Variablen hat. Zwei Gruppen von Faktoren sind der Zustand der Arbeitsmaterialien und die physikalischen Eigenschaften der Arbeitsmaterialien. Der Zustand des Arbeitsmaterials umfasst acht Faktoren: Mikrostruktur, Korngröße, Wärmebehandlung, chemische Zusammensetzung, Verarbeitung, Härte, Streckgrenze und Zugfestigkeit. Physikalische Eigenschaften sind die der einzelnen Materialgruppen, wie Elastizitätsmodul, Wärmeleitfähigkeit , Wärmeausdehnung und Kaltverfestigung. Weitere wichtige Faktoren sind Betriebsbedingungen, Schneidstoff und Geometrie sowie die Parameter des Bearbeitungsprozesses.

Bearbeitbarkeit von Stählen

Stähle gehören zu den wichtigsten und am häufigsten verwendeten Konstruktionswerkstoffen. Ihre Bearbeitbarkeit wurde durch die Zugabe von Blei und Schwefel, den sogenannten Freibearbeitungswerkzeugen, stark verbessert.

Quantifizierung der Zerspanbarkeit

Es gibt viele Faktoren, die die Bearbeitbarkeit beeinflussen, aber keine allgemein akzeptierte Methode, sie zu quantifizieren. Stattdessen wird die Bearbeitbarkeit oft von Fall zu Fall beurteilt und Tests werden auf die Bedürfnisse eines bestimmten Herstellungsprozesses zugeschnitten. Gängige Vergleichskennzahlen sind die Standzeit, die Oberflächengüte, die Schnitttemperatur sowie die Werkzeugkräfte und der Energieverbrauch.

Standzeitmethode

Die Bearbeitbarkeit kann auf der Messung der Standzeit eines Werkzeugs basieren. Dies kann beim Vergleich von Materialien mit ähnlichen Eigenschaften und Leistungsaufnahmen nützlich sein, aber eines ist abrasiver und verringert somit die Werkzeugstandzeit. Der größte Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Werkzeugstandzeit nicht nur von dem zu bearbeitenden Material abhängt. andere Faktoren sind Schneidmaterial, Schneidwerkzeuggeometrie, Maschinenzustand, Schneidwerkzeugspannung, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe. Außerdem ist die Zerspanbarkeit eines Werkzeugtyps nicht mit einem anderen Werkzeugtyp (zB HSS- Werkzeug mit Hartmetallwerkzeug) zu vergleichen.

Werkzeugkräfte und Energieverbrauchsmethode

Die Kräfte, die ein Werkzeug benötigt, um ein Material zu durchtrennen, stehen in direktem Zusammenhang mit der verbrauchten Leistung. Daher werden Werkzeugkräfte oft in Einheiten spezifischer Energie angegeben. Dies führt zu einem Bewertungsverfahren, bei dem höhere spezifische Energien einer geringeren Bearbeitbarkeit entsprechen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass äußere Faktoren kaum Einfluss auf das Rating haben.

Oberflächenfinish-Methode

Die Oberflächenbeschaffenheit wird manchmal verwendet, um die Bearbeitbarkeit eines Materials zu messen. Weiche, duktile Materialien neigen zur Aufbauschneide . Auch Edelstahl und andere Werkstoffe mit hoher Kaltverfestigung wollen eine Aufbauschneide bilden. Aluminiumlegierungen, kaltverformte Stähle und Automatenstähle sowie Werkstoffe mit hoher Scherzone neigen nicht zur Bildung von Aufbauschneiden, so dass diese Werkstoffe als besser zerspanbar einzustufen sind.

Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie mit der entsprechenden Ausrüstung leicht gemessen werden kann. Der Nachteil dieses Kriteriums ist, dass es oft irrelevant ist. Beim Schruppen zum Beispiel spielt die Oberflächenbeschaffenheit keine Rolle. Auch Schlichtschnitte erfordern oft eine gewisse Genauigkeit, die natürlich eine gute Oberflächengüte erreicht. Diese Bewertungsmethode stimmt auch nicht immer mit anderen Methoden überein. Zum Beispiel würden Titanlegierungen nach dem Oberflächenfinish-Verfahren gut, nach dem Werkzeugstandzeit-Verfahren niedrig und nach dem Energieverbrauchs-Verfahren mittelmäßig bewertet werden.

Bearbeitbarkeitsbewertung

Die Zerspanbarkeitsbewertung eines Materials versucht, die Zerspanbarkeit verschiedener Materialien zu quantifizieren. Er wird als Prozentsatz oder als normalisierter Wert ausgedrückt . Das American Iron and Steel Institute (AISI) ermittelte die Bearbeitbarkeitsbewertungen für eine Vielzahl von Materialien, indem es Drehtests mit 180 Fuß pro Minute (sfpm) durchführte. Dann wurde 160 Brinell B1112 Stahl willkürlich eine Bearbeitbarkeitsbewertung von 100 % zugewiesen. Die Bearbeitbarkeitsbewertung wird durch Messung der gewichteten Mittelwerte der normalen Schnittgeschwindigkeit, Oberflächengüte und Standzeit für jedes Material bestimmt. Beachten Sie, dass ein Material mit einer Zerspanbarkeitsbewertung von weniger als 100 % schwieriger zu bearbeiten wäre als B1112 und ein Material mit einem Wert von mehr als 100 % wäre einfacher.

Bearbeitbarkeitsbewertung = (Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstücks mit einer Standzeit von 60 Minuten) / (Bearbeitungsgeschwindigkeit des Standardmetalls)

Bearbeitbarkeitsbewertungen können in Verbindung mit der Taylor-Werkzeugstandzeitgleichung verwendet werden , um Schnittgeschwindigkeiten oder Werkzeugstandzeiten zu bestimmen. Es ist bekannt, dass B1112 eine Standzeit von 60 Minuten bei einer Schnittgeschwindigkeit von 100 sfpm hat. Wenn ein Material eine Zerspanbarkeitsrate von 70 % hat, kann mit den oben genannten Erkenntnissen bestimmt werden, dass die Schnittgeschwindigkeit 70 sfpm betragen muss, um die gleiche Werkzeugstandzeit (60 Minuten) beizubehalten (unter der Annahme, dass das gleiche Werkzeug verwendet wird).

Stähle

Siehe auch: Automatenstahl

Der Kohlenstoffgehalt von Stahl beeinflusst stark seine Bearbeitbarkeit. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt sind schwer zu bearbeiten, da sie stark sind und Karbide enthalten können, die das Schneidwerkzeug abschleifen. Am anderen Ende des Spektrums sind kohlenstoffarme Stähle problematisch, weil sie zu weich sind. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt sind "gummiartig" und haften am Schneidwerkzeug, was zu einer Aufbauschneide führt, die die Werkzeugstandzeit verkürzt. Daher hat Stahl die beste Zerspanbarkeit bei mittleren Kohlenstoffmengen, etwa 0,20%.

Chrom, Molybdän und andere Legierungsmetalle werden Stahl oft zugesetzt, um seine Festigkeit zu verbessern. Die meisten dieser Metalle verringern jedoch auch die Bearbeitbarkeit.

Einschlüsse im Stahl, insbesondere Oxide, können das Schneidwerkzeug abschleifen. Bearbeitbarer Stahl sollte frei von diesen Oxiden sein.

Additive

Es gibt eine Vielzahl von Chemikalien, sowohl aus Metall als auch aus Nichtmetall, die Stahl hinzugefügt werden können, um das Schneiden zu erleichtern. Diese Additive können wirken, indem sie die Grenzfläche Werkzeug-Span schmieren, die Scherfestigkeit des Materials verringern oder die Sprödigkeit des Spans erhöhen. Historisch gesehen waren Schwefel und Blei die gebräuchlichsten Zusatzstoffe, aber Wismut und Zinn werden aus Umweltgründen immer beliebter.

Blei kann die Bearbeitbarkeit von Stahl verbessern, da es als inneres Schmiermittel in der Schneidzone wirkt. Da Blei eine geringe Scherfestigkeit hat, kann der Span freier an der Schneidkante vorbei gleiten. Wenn es in kleinen Mengen zu Stahl hinzugefügt wird, kann es seine Bearbeitbarkeit erheblich verbessern, ohne die Festigkeit des Stahls wesentlich zu beeinträchtigen.

Schwefel verbessert die Bearbeitbarkeit von Stahl, indem er Einschlüsse mit geringer Scherfestigkeit in der Schneidzone bildet. Diese Einschlüsse sind Spannungssteigerer, die den Stahl schwächen und ihm ermöglichen, sich leichter zu verformen.

Rostfreier Stahl

Rostfreie Stähle haben im Vergleich zu normalem Kohlenstoffstahl eine schlechte Bearbeitbarkeit, da sie zäher und gummiartiger sind und dazu neigen, sehr schnell kalt zu werden. Ein leichtes Härten des Stahls kann seine Gummierung verringern und das Schneiden erleichtern. AISI-Qualitäten 303 und 416 sind aufgrund der Zugabe von Schwefel und Phosphor leichter zu bearbeiten.

Aluminium

Aluminium ist ein viel weicheres Metall als Stahl, und die Techniken zur Verbesserung seiner Bearbeitbarkeit beruhen normalerweise darauf, es spröder zu machen. Die Legierungen 2007, 2011 und 6020 haben eine sehr gute Bearbeitbarkeit.

Andere Materialien

Thermoplaste sind schwierig zu bearbeiten, da sie eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben. Dadurch entsteht Wärme, die sich in der Schneidzone aufbaut, die Standzeit verschlechtert und den Kunststoff lokal aufschmilzt. Sobald der Kunststoff schmilzt, fließt er einfach um die Schneide herum, anstatt von dieser abgetragen zu werden. Die Bearbeitbarkeit kann verbessert werden, indem ein Kühlmittel mit hoher Schmierfähigkeit verwendet wird und der Schneidbereich frei von Spänenbildung gehalten wird.

Verbundwerkstoffe haben oft die schlechteste Bearbeitbarkeit, weil sie die schlechte Wärmeleitfähigkeit eines Kunstharzes mit den zähen oder abrasiven Eigenschaften des Fasermaterials (Glas, Kohlenstoff usw.) kombinieren.

Die Bearbeitbarkeit von Gummi und anderen weichen Materialien wird durch die Verwendung eines Kühlmittels mit sehr niedriger Temperatur, wie beispielsweise flüssigem Kohlendioxid, verbessert. Die niedrigen Temperaturen kühlen das Material vor dem Schneiden ab, so dass es sich nicht verformen oder an der Schneide kleben kann. Das bedeutet weniger Verschleiß an den Werkzeugen und eine einfachere Bearbeitung.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links