Was ist „Bearbeitbarkeit“ und wie wird sie gemessen?

Der Herstellungsprozess der Bearbeitung ist ein vielseitiges und effektives Mittel zum Schneiden von Metall und Kunststoff. Es kann sehr feine Details mit engen Toleranzen erstellen und ist äußerst kostengünstig für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien von Teilen.

Die Bearbeitung funktioniert jedoch nicht bei allen Materialien gleich gut. Weil der Prozess ein leistungsstarkes rotierendes Schneidwerkzeug verwendet Um Teile des Materials zu entfernen, muss das Material weich genug sein, damit das Schneidwerkzeug in es eindringen kann – sonst wird das Werkzeug selbst beschädigt und die Qualität des Teils leidet. Ist es jedoch zu weich, verformt sich das Material beim Kontakt mit dem Schneidwerkzeug auf unerwünschte Weise, was zu verzogenen und unwirksamen Teilen führt.

Die Leichtigkeit, mit der ein Metall mit einem Schneidwerkzeug geschnitten werden kann, wird als Bearbeitbarkeit bezeichnet . Da es jedoch viele Faktoren gibt, die die Bearbeitbarkeit eines Metalls bestimmen, ist die Eigenschaft schwer zu quantifizieren. Dieser Artikel behandelt die Grundlagen der Bearbeitbarkeit:was es ist, welche Materialien am besten bearbeitbar sind, wie die Bearbeitbarkeit verbessert werden kann und wie die Bearbeitbarkeit gemessen wird.

Was ist Bearbeitbarkeit?

Bearbeitbarkeit ist ein Maß für die Leichtigkeit oder Schwierigkeit mit der ein Material geschnitten werden kann mit einem Schneidwerkzeug . Ein Material, das mit minimaler Kraft geschnitten werden kann, ohne dass es zu einer Verformung der umgebenden Bereiche kommt, ist besser bearbeitbar als eines, das mehr Kraftaufwand erfordert und mehr Verformung verursacht.

In der Praxis bietet die Verwendung von Materialien mit guter Bearbeitbarkeit kurz- und langfristige Vorteile . Kurzfristig kann die Verwendung von zerspanbaren Materialien zu besseren Teilen führen mit engen Toleranzen, minimaler Verformung und guter Oberflächengüte. Sie können auch schneller hergestellt werden als Teile aus schwer zerspanbaren Materialien. Langfristig führt der Einsatz zerspanbarer Werkstoffe zu geringerem Werkzeugverschleiß und längerer Standzeit , wodurch Maschinenwerkstätten letztendlich Geld sparen.

Warum verwenden Maschinisten also nicht immer nur die am besten bearbeitbaren Materialien? Das Problem ist, dass die maschinelle Bearbeitbarkeit oft auf Kosten der Materialleistung geht , und umgekehrt. Starke Materialien sind in der Regel schwerer zu schneiden als schwache Materialien, daher müssen Ingenieure oft einen Kompromiss zwischen Bearbeitbarkeit und Leistung eingehen.

Die maschinelle Bearbeitbarkeit eines bestimmten Materials hängt sowohl von den wissenschaftlichen physikalischen Eigenschaften ab der Materialgruppe (aus welchen Elementen sie besteht) und dem Zustand des konkreten Arbeitsmaterials (wie es hergestellt wurde). Die physikalischen Eigenschaften eines Materials sind festgelegt, aber der Zustand eines Werkstücks kann stark variieren.

Physikalische Eigenschaften umfassen:

• Arbeitshärten
• Wärmeausdehnung
• Wärmeleitfähigkeit
• Elastizitätsmodul

Zu den Zustandsfaktoren gehören:

• Mikrostruktur
• Korngröße
• Wärmebehandlung
• Härte
• Zugfestigkeit

Bearbeitbare Materialien

Aluminium

Als eines der am besten geeigneten Materialien für die Bearbeitung ist Aluminium relativ kostengünstig und wird in einer Reihe gängiger Legierungen hergestellt. 6061 ist die Standard-Arbeitspferde-Sorte für die Zerspanung, obwohl weniger verbreitete Legierungen wie Aluminium 2011 und 8280 sind noch besser bearbeitbar, erzeugen sehr kleine Späne und eine hervorragende Oberflächengüte.

Stahl

Stähle sind in der Regel schwerer zu bearbeiten als Aluminiumlegierungen, aber Sorten mit einem moderaten Kohlenstoffgehalt wie 303 Edelstahl ist am besten bearbeitbar (zu viel Kohlenstoff macht den Stahl zu hart; zu wenig und er wird gummiartig). Die Verwendung von Blei als Additiv kann Stahl besser bearbeitbar machen und die Spanabfuhr verbessern. Schwefel kann auch die Bearbeitbarkeit von Stahl verbessern.

Andere Metalle

Andere bearbeitbare Metalle umfassen verschiedene Messing Legierungen, die ziemlich weich sind, aber eine gute Zugfestigkeit haben. Ebenso Kupfer hat eine gute Bearbeitbarkeit zusammen mit Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit.

Kunststoffe

Thermoplaste können schwierig zu bearbeiten sein, da die vom Schneidwerkzeug erzeugte Hitze dazu führen kann, dass der Kunststoff schmilzt und am Werkzeug haftet. Vor diesem Hintergrund gehören ABS zu den besten Kunststoffen für die Bearbeitung , Nylon , Acryl , und Delrin .

Verbesserung der Bearbeitbarkeit von Materialien

Obwohl Metalle feste physikalische Eigenschaften haben, kann der Zustand eines Werkstücks geändert werden, um es besser bearbeitbar zu machen. Legierungen können auch Additive hinzugefügt werden, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern.

• Zusatzstoffe: Eine Möglichkeit, die Bearbeitbarkeit eines gegebenen Materials zu verbessern, besteht darin, Elemente aus anderen Materialien einzuarbeiten, die es für das Schneiden zugänglicher machen. Bei der Bearbeitung von Stahl beispielsweise kann die Zugabe von Blei und Schwefel das Werkstück leichter zerspanbar machen.
• Wärmebehandlung: Metalle werden häufig erhitzt und abgekühlt, um ihre Eigenschaften zu verändern, und eine Wärmebehandlung kann die Härte eines Metalls verringern, um es leichter zu bearbeiten. So kann beispielsweise das Glühen von Nickelbasislegierungen zu einer verbesserten Zerspanbarkeit führen.
• Externe Faktoren :Die Bearbeitung kann vereinfacht werden, ohne das Werkstückmaterial tatsächlich zu ändern. Beispielsweise kann das Anpassen des Schneidwerkzeugmaterials, der Schnittgeschwindigkeit, des Schnittwinkels, der Betriebsbedingungen und anderer Parameter das Schneiden durch ein schwer zu bearbeitendes Material erleichtern.

Wie die Bearbeitbarkeit gemessen wird

Weil so viele verschiedene Faktoren die Bearbeitbarkeit beeinflussen eines Materials kann die Bearbeitbarkeit als ein vages Konzept angesehen werden, das schwer zu quantifizieren ist.

Ingenieure und Materialwissenschaftler haben jedoch versucht, die Bearbeitbarkeit anhand von Metriken wie Leistungsaufnahme zu messen (wie viel Energie wird benötigt, um das Material zu schneiden), Standzeit des Schneidwerkzeugs (wie schnell sich das Werkzeug beim Schneiden des Materials abnutzt) und Oberflächenbeschaffenheit (resultierende Glätte des geschnittenen Materials).

• Leistungsaufnahme :Die Bearbeitbarkeit kann anhand der Kräfte beurteilt werden, die erforderlich sind, um das Material zu durchtrennen, gemessen mit Standard-Energiemetriken.
• Standzeit des Schneidwerkzeugs :Die Bearbeitbarkeit kann anhand der Zeit gemessen werden, wie lange ein Werkzeug hält, wenn es durch ein bestimmtes Material schneidet.
• Oberflächenbeschaffenheit :Die Bearbeitbarkeit kann anhand des Grades der während der Bearbeitung erzeugten Aufbauschneide beurteilt werden; hochzerspanbare Werkstoffe erzeugen keine Aufbauschneide.

Leider ist keine dieser Methoden absolut zuverlässig, da unabhängige Faktoren den Stromverbrauch, den Verschleiß des Schneidwerkzeugs und die Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen können.

Das American Iron and Steel Institute (AISI) hat ebenfalls ein Bewertungssystem für die maschinelle Bearbeitbarkeit entwickelt basierend auf Drehversuchen. Diese als Prozentsatz ausgedrückten Bewertungen beziehen sich auf die Bearbeitbarkeit von 160 Brinell B1112-Stahl (willkürlich ausgewählt), der eine Bearbeitbarkeitsbewertung von 100 % aufweist. Metalle mit einer höheren Bearbeitbarkeit als B1112 haben eine Bewertung von über 100 %, während Metalle mit schlechterer Bearbeitbarkeit eine Bewertung von unter 100 % haben.