Bearbeitbarkeit verstehen:Messungen und Schlüsselfaktoren

Beginnen wir mit der Hauptfrage, die es zu beantworten gilt:Was ist Bearbeitbarkeit? Vereinfacht ausgedrückt ist Bearbeitbarkeit die Leichtigkeit, mit der ein Material geschnitten (bearbeitet) werden kann, um die gewünschte Teilequalität zu erreichen. Unter Teilequalität versteht man hier Eigenschaften wie Maßhaltigkeit, Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit.

Werkstoffe mit hoher Bearbeitbarkeit benötigen im Allgemeinen weniger Zeit und Kraft für die Bearbeitung, verursachen weniger Werkzeugverschleiß und weisen eine bessere Oberflächenqualität auf. Verständlicherweise sind aus produktionstechnischer Sicht immer Materialien mit hoher Zerspanbarkeit vorzuziehen. Dies entspricht jedoch möglicherweise nicht immer der Sichtweise des Designers, der eine hohe Festigkeit, Leistung und thermische Stabilität anstrebt, was bei leicht zu bearbeitenden Materialien nicht immer der Fall ist.

Dadurch entsteht ein interessanter Kompromiss zwischen verschiedenen technischen Anforderungen, auf den wir in diesem Artikel näher eingehen werden.

Faktoren, die die Bearbeitbarkeit beeinflussen

Bei der Diskussion der Bearbeitbarkeit von Materialien spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle. Diese ergeben sich aus den Kerneigenschaften des Materials, seinen Nachbearbeitungen und den Schnittbedingungen.

1. Materialeigenschaften

Die wichtigsten Eigenschaften, die die Bearbeitbarkeit beeinflussen, sind Materialeigenschaften. Da jedes Material über einzigartige Eigenschaften verfügt, müssen Ingenieure die Auswirkungen jeder Eigenschaft auf die Bearbeitbarkeit verstehen, um fundierte Entscheidungen treffen zu können.

1,1 Härte

Die Härte ist ein Schlüsselfaktor für die Bearbeitbarkeit von Materialien, da sie definiert, wie schwer es ist, die Oberfläche zu „schneiden“. Da das Bearbeitungswerkzeug hauptsächlich mit der Werkstückoberfläche interagiert, ist die Härte ein wichtiges Merkmal der Zerspanbarkeit.

Im Allgemeinen erfordern härtere Materialien wie Inconel mehr Kraft zum Schneiden, da das Werkzeug eine höhere Kraft ausüben muss. Darüber hinaus verschleißen die Werkzeuge bei der Bearbeitung harter Materialien schneller. Kurz gesagt bedeutet eine hohe Härte eine geringe Bearbeitbarkeit.

1,2 Zähigkeit

Die Zähigkeit ist ein weiterer entscheidender Parameter für die Bearbeitbarkeit. Materialien mit hoher Zähigkeit wie Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt können Schnittkräfte gut absorbieren und Verformungen widerstehen, was höhere Schnittkräfte und langlebigere Werkzeuge erfordert.

Darüber hinaus erzeugen zähe Materialien aufgrund ihrer hohen Duktilität lange, faserige Späne. Dies ist zwar gut für die Aufrechterhaltung eines reibungslosen Schnittvorgangs und einer effektiven Wärmeübertragung, lange Späne verfangen sich jedoch häufig im Werkzeug, was zu Schnittverzögerungen und Oberflächenverschleiß am Werkstück führt.

1.3 Wärmeleitfähigkeit

Bei Bearbeitungsprozessen entsteht durch die Scherung des Materials Wärme. Daher ist das Wärmemanagement an der Schneidschnittstelle für effektive Schneidprozesse sehr wichtig. Bezüglich der Wärmeübertragung hängt diese stark von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.

Schwer zu schneidende Materialien weisen im Allgemeinen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, was bedeutet, dass die an der Schneidschnittstelle erzeugte Wärmeenergie nicht schnell abfließt. Dies führt zu mehreren negativen Auswirkungen wie thermischer Erweichung von Werkstück und Werkzeug, geringerer Werkzeugstandzeit und Maßgenauigkeit. Ein klassisches Beispiel für ein solches Material ist Titan, das all diese Probleme aufweist.

Eine geringe Wärmeleitfähigkeit verhindert auch die Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, da die erzeugte Wärme nicht effektiv abgeleitet wird.

2. Schnittbedingungen

Bei der Bearbeitbarkeit geht es vor allem darum, wie sich ein Material beim Schneiden verhält. Daher haben neben den Materialeigenschaften auch die Schnittbedingungen Einfluss auf die Bearbeitbarkeit von Materialien.

2.1 Schnittparameter

Die wichtigsten Schnittparameter bei der Bearbeitung sind Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe. Die Optimierung aller drei Punkte ist aus Produktionssicht vorteilhaft, da sie zu einem höheren Materialabtrag führt. Dies ist jedoch nicht immer möglich.

Höhere Schnittgeschwindigkeiten machen Materialien im Allgemeinen schlechter bearbeitbar, da übermäßige Wärmeentwicklung und Reibung zu Werkzeugverschleiß führen. In den meisten Fällen verbessert es jedoch die Oberflächenbeschaffenheit. Gleichzeitig führt die Erhöhung des Schnittvorschubs zu höheren Spanlasten und Schnittkräften. Dies kann das Werkzeug beschädigen und übermäßige Vibrationen verursachen.

Die Schnitttiefe steht auch in positivem Zusammenhang mit den Schnittkräften, dem Stromverbrauch und der Wärmeentwicklung. Dabei handelt es sich um Stöße auf Werkzeug und Werkstück. Darüber hinaus wirkt sich eine höhere Schnitttiefe auch negativ auf die Oberflächenintegrität aus, da mechanische und thermische Spannungen entstehen.

Darüber hinaus trägt auch die Schnitttiefe maßgeblich zur dynamischen Stabilität von Schneidprozessen bei. Eine Erhöhung über einen bestimmten Grenzwert hinaus kann zu Ratterschwingungen führen, die schädlich für Werkzeug und Maschine sind.

2.2 Schneidwerkzeug

CNC-Fräser weisen komplizierte geometrische Merkmale auf, die sich erheblich auf die Bearbeitbarkeit auswirken. Das offensichtlichste Beispiel ist der Spanwinkel (Winkel der Schneidkante). Ein negativer Spanwinkel reduziert die Schnittbelastung und verbessert die Spanbildung, was ein Zeichen für eine gute Zerspanbarkeit ist. Allerdings wird das Werkzeug dadurch auch schwächer.

Ein weiterer Faktor ist der Freiwinkel, der sich auf Bearbeitbarkeitsindikatoren wie Werkzeugverschleiß und Wärmeableitung auswirkt.

2.3 Kühlung und Schmierung

Maschinenbauer tragen häufig Kühl- und Schmiermittel auf die Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück auf, um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern. Diese verbessern die Wärmeableitung und die Reibungseigenschaften des Materials, was zu einem gleichmäßigeren Schnittvorgang, einer besseren Oberflächengüte und einer längeren Werkzeugstandzeit führt.

2.4 Zustand der Werkzeugmaschine

Der Zustand der CNC-Maschine ist ein weiterer Faktor, der die Bearbeitbarkeit bestimmt. Ältere Maschinen haben in der Regel Spiel in den Achsantrieben und vibrieren bei dynamischer Schnittbelastung stärker. Dies erschwert die Bearbeitung und macht die Maschine nicht mehr in der Lage, schwer zu schneidende Materialien zu verarbeiten.

Was ist die Bearbeitbarkeitsbewertung?

Da es im Werkzeugkasten eines Ingenieurs eine große Vielfalt an bearbeitbaren Materialien gibt, kann es schwierig sein, sie hinsichtlich der Bearbeitbarkeit zu vergleichen. Eine der beliebtesten Methoden zur Beurteilung der Bearbeitbarkeit von Materialien ist die Bewertung ihrer Bearbeitbarkeit.

Ein Standardmerkmal der Bearbeitbarkeitsbewertungen ist die Verfügbarkeit eines Referenzmaterials zum bequemen Vergleich. Eines der Standardmaterialien ist beispielsweise C36000-Messing mit einer Bearbeitbarkeitsbewertung von 100 %. Je schwieriger die Materialien zu schneiden sind, desto geringer wird ihre jeweilige Einstufung. AISI 1018 hat beispielsweise eine Bewertung von 70 %, was auf eine durchschnittliche Bearbeitbarkeit hinweist.

Warum ist ein Bearbeitbarkeitsdiagramm wichtig?

Im Allgemeinen werden Bearbeitbarkeitsbewertungen in einer Bearbeitbarkeitstabelle dokumentiert, die in jeder CNC-Maschinenwerkstatt zu finden ist. Mit einem einfach zu navigierenden Bearbeitbarkeitsdiagramm ist es schnell und einfach, die Bearbeitbarkeit des gesamten Spektrums technischer Materialien zu vergleichen.

Das Hauptziel dieses Bewertungssystems besteht darin, technische Entscheidungen zu unterstützen. Für einen Konstrukteur bietet es Hilfe beim Verständnis etwaiger Produktionskomplikationen für ein bestimmtes Material, das er auswählt. Dies ist in praktischen Situationen hilfreich.

Wenn sie sich beispielsweise für ein schwer zu schneidendes Material entscheiden, können sie dies in der Konstruktionszeichnung durch einen besonderen Hinweis angeben oder ausdrücklich eine Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit aufnehmen, um sicherzustellen, dass der Maschinist die Konstruktionsabsicht vollständig versteht. Für einen Maschinisten hilft es bei der Auswahl von Werkzeugen, Schnittparametern und Schmier-/Kühlbedingungen.

Verschiedene Methoden zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit

Maschinenwerkstätten wenden verschiedene Strategien an, um Materialien besser bearbeitbar zu machen. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich, wie z. B. eine produktivere Bearbeitung, niedrigere Kosten und eine insgesamt höhere Produktqualität.

Wärmebehandlung

Die Abhängigkeit der Materialeigenschaften von der Bearbeitbarkeit wurde in den vorherigen Abschnitten ausführlich behandelt. Wenn es darum geht, die Bearbeitbarkeit zu verbessern, steht die Änderung der Materialeigenschaften daher an erster Stelle auf der Liste der Maßnahmen.

Die Wärmebehandlung ist eine wirksame Methode zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit von Materialien. Beispielsweise werden gängige CNC-Materialien wie Stahl und Aluminium häufig geglüht, um ihre Härte zu verringern, die Kornstruktur zu verfeinern und innere Spannungen abzubauen.

Materialzusätze

Der Einsatz von Materialzusätzen ist eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit. Das Kernthema besteht darin, Materialzusätze in die Gitterstruktur des Grundmaterials einzubauen, um dessen mechanische Eigenschaften bearbeitungsfreundlich zu gestalten.

Beispielsweise verbessert die Zugabe von Zink zur Bildung von Kupferlegierungen wie Messing die Bearbeitbarkeit von reinem Kupfer drastisch, was geringere Kräfte, Reibung und eine bessere Spanbildung ermöglicht. Tatsächlich verwenden viele Normen zur Bearbeitbarkeitsbewertung die zinkhaltige Kupferlegierung C36000 aufgrund ihrer guten Bearbeitbarkeit als Referenzmaterial.

Kühlmittel/Schmiermittel

Durch die Optimierung der Schnittbedingungen, insbesondere durch den Einsatz von Kühl-/Schmiermitteln, kann die Zerspanbarkeit deutlich verbessert werden. Durch den Einsatz solcher Mittel werden die tribologischen Eigenschaften an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück verbessert, sodass sich das Werkstückmaterial leichter schneiden lässt.

Schmierstoffe verringern die Reibung und die daraus resultierende Wärmeentwicklung, wodurch Faktoren wie Werkzeugverschleiß und hitzebedingte Spannungen verringert werden. Darüber hinaus können Maschinisten aggressivere Schnittparameter verwenden, was zu einem höheren Materialabtrag führt.

Kühlmittel verbessern die Wärmeableitungseigenschaften an der Schnittschnittstelle. Da mehr Wärme effizient von der Schneidzone abgeleitet wird, kommt es zu geringeren thermischen Spannungen, Maßungenauigkeiten und Werkzeugbrüchen.

Schnittparameteroptimierung

Schließlich kann eine bewusste Wahl der Schnittparameter auch die Bearbeitbarkeit von Materialien positiv beeinflussen. Meistens ist die Gleichung einfach. Höhere Geschwindigkeiten, Vorschübe und Schnitttiefen verringern die Bearbeitbarkeit und umgekehrt.

Es gibt jedoch auch einige kontraintuitive Fälle, die von den Herstellern ein umfassendes Verständnis der Grundprinzipien der Metallzerspanung erfordern. Beispielsweise im Fall der Aufbauschneide. Wenn Maschinenbauer eine hohe Materialanhaftung an ihren Werkzeugeinsätzen feststellen, was sich negativ auf die Standzeit auswirkt, kann eine geringfügige Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit oder des Vorschubs von Vorteil sein, um die Aufbauschneidenbildung und den Werkzeugverschleiß zu verringern.

Wie wird die Bearbeitbarkeit gemessen?

Zwar gibt es keine Standardmethode zur Berechnung der Bearbeitbarkeit eines Materials, es gibt jedoch einige allgemein anerkannte Systeme. Die meisten davon basieren auf zwei Hauptkomponenten:einer Reihe von Kriterien zur Schätzung der Bearbeitbarkeit von Materialien und einem Referenzmaterial, mit dem andere Materialien aus praktischen Gründen verglichen werden können.

Standzeit des Schneidwerkzeugs

Die Standzeit von Schneidwerkzeugen ist eine der praktischsten Messgrößen für die Zerspanbarkeit, da sie einen direkten Einfluss auf Produktivität, Qualität und Finanzen hat. Das Prinzip besteht darin, die Bearbeitbarkeit von Materialien danach zu bewerten, wie lange ein Schneidwerkzeug auf einem Material verwendet werden kann, bevor es ersetzt oder nachgeschärft werden muss. Dabei werden natürlich alle anderen Faktoren wie die Werkzeuggeometriekonstante berücksichtigt.

Verständlicherweise verursachen Materialien mit hoher Bearbeitbarkeit keinen hohen Werkzeugverschleiß und keine thermischen Schäden, sodass die Werkzeugstandzeit lang ist. Andererseits verschleißen schwer zerspanbare Materialien wie Stahl das Werkzeug schnell.

Eine der Methoden, dies mathematisch zu messen, ist die Verwendung der Taylor-Gleichung für die Werkzeuglebensdauer:

Hier entsprechen Vc und T der Schnittgeschwindigkeit bzw. der Werkzeugstandzeit. Die anderen Parameter beziehen sich auf Schnittbedingungen und Werkzeugmaterial, die für Bearbeitbarkeitsanalysen festgelegt bleiben. Materialien, die höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen und gleichzeitig eine ähnliche Standzeit wie Referenzmaterialien aufweisen, gelten als besser bearbeitbar.

Oberflächenbeschaffenheit

Die Oberflächenbeschaffenheit ist ein weiterer gängiger Parameter zur Messung der Bearbeitbarkeit. Dies ist ein brauchbarer Parameter, da sich jede Änderung der Bearbeitbarkeit meist direkt in einer Änderung der Oberflächenqualität widerspiegelt. Harte Materialien sind beispielsweise schlecht bearbeitbar und weisen aufgrund von Absplitterungen und Reibung eine raue Oberflächenbeschaffenheit auf.

Darüber hinaus ist auch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit selbst sehr praktisch. Meistens ist es für Maschinisten sichtbar. Darüber hinaus können Ingenieure benutzerfreundliche Oberflächentester nutzen, um schnell die Oberflächenbeschaffenheit einer bearbeiteten Oberfläche abzubilden.

Stromverbrauch

Die Bearbeitung verbraucht aufgrund der Schnittkräfte Energie. Schwer zu schneidende Materialien erfordern mehr Kraft zum Schneiden. Daher verbrauchen sie mehr Strom. Bei leicht zu schneidenden Materialien ist das Gegenteil der Fall.

Aufgrund dieses sehr einfachen Zusammenhangs zwischen Bearbeitbarkeit und Stromverbrauch ist es ein beliebtes Maß für die Bearbeitbarkeit von Materialien.

Bearbeitbarkeitsbewertung

Die Bearbeitbarkeitsbewertung ist eine weitere Möglichkeit, die Bearbeitbarkeit von Materialien zu messen. Obwohl sie nicht so wissenschaftlich ist wie die anderen Methoden, handelt es sich um eine sehr praktische Methode, die in Maschinenwerkstätten weit verbreitet ist.

Gängige CNC-Materialien und ihre Bearbeitbarkeit

Der gesamte Pool an CNC-Bearbeitungsmaterialien ist zu groß, um ihn in Anspruch zu nehmen. Daher stellen wir in diesem Abschnitt eine repräsentative Auswahl von CNC-Materialien und ihre relativen Bearbeitbarkeitsbewertungen vor, um einen allgemeinen Überblick über die Bearbeitbarkeit von Materialien zu geben.

MaterialkategorieMaterialBearbeitbarkeit (%)MetalleAutomatenmessing (C36000)100Aluminium (6061-T6)90–95Austenitischer Edelstahl (AISI 304)30–40Titan (Klasse 5, Ti-6Al-4V)20–25KunststoffePolyethylen (HDPE)90Polycarbonat80Polyvinylchlorid (PVC)70VerbundwerkstoffeKohlenstoff Faserverstärktes Polymer40–50Glasfaserverstärktes Polymer30–40KeramikAluminiumoxid (Aluminiumoxid)30Zirkonoxid (Zirkoniumdioxid)15Organische MaterialienWeichholz (z. B. Kiefer)90Hartholz (z. B. Eiche)70