Begrijpen van bewerkbaarheid: definitie, belang en meetmethoden

Het productieproces bewerken is een veelzijdige en effectieve manier om metaal en kunststof te snijden. Het creëert fijne details met strakke toleranties en is hoogst kosteneffectief voor prototypes en kleine series.

Toch werkt bewerken niet even goed voor alle materialen. Omdat het proces een krachtig roterend snijgereedschap gebruikt om materiaal af te halen, moet het materiaal zacht genoeg zijn om het gereedschap te laten penetreren – anders beschadigt het gereedschap en lijdt de kwaliteit. Te zacht, en het materiaal deformeert ongewild bij contact, wat leidt tot vervormde, onbruikbare onderdelen.

De gemak waarmee een metaal gesneden kan worden met een snijgereedschap heet bewerkbaarheid. Aangezien veel factoren de bewerkbaarheid bepalen, is de eigenschap moeilijk te kwantificeren. Dit artikel behandelt de basis: wat is bewerkbaarheid, welke materialen zijn het meest bewerkbaar, hoe kan bewerkbaarheid verbeterd worden, en hoe wordt het gemeten.

Wat is bewerkbaarheid?

Bewerkbaarheid is een maat voor de gemak of moeilijkheidsgraad waarmee een materiaal gesneden kan worden met een snijgereedschap. Een materiaal dat met minimale kracht gesneden kan worden, zonder deformatie van de omgeving, is bewerkbaarder dan een materiaal dat meer inspanning vereist en meer deformatie veroorzaakt.

In de praktijk levert het gebruik van materialen met goede bewerkbaarheid korte- en langetermijnvoordelen op. Kortetermijn: betere onderdelen met strakke toleranties, minimale deformatie, goede oppervlakteafwerking, en snellere productie. Langetermijn: minder gereedschapslijst, langere gereedschapslevensduur, en dus lagere kosten voor werkplaatsen.

Waarom gebruiken freeswerkers niet uitsluitend de meest bewerkbare materialen? Het probleem is dat bewerkbaarheid vaak ten koste gaat van materiaalprestaties, en vice versa. Sterke materialen zijn doorgaans moeilijker te bewerken dan zwakke materialen, wat ingenieurs dwingt tot een afweging tussen bewerkbaarheid en prestaties.

De bewerkbaarheid van een materiaal hangt af van zowel de wetenschappelijke fysieke eigenschappen van de materiaalgroep (samenstelling) als de toestand van het specifieke werkstuk (hoe het vervaardigd is). Fysieke eigenschappen zijn vast, maar de toestand van een werkstuk kan sterk varieren.

Fysieke eigenschappen omvatten:

• Werkverharding
• Thermische uitdijing
• Thermische geleiding
• Elasticiteitsmodulus

Toestandsfactoren omvatten:

• Microstructuur
• Korrelgrootte
• Warmtebehandeling
• Hardheid
• Treksterkte

Bewerkbare materialen

Aluminium

Eén van de meest geschikte materialen voor bewerken. Aluminium is relatief goedkoop en beschikbaar in veel gangbare legeringen. 6061 is de standaardwerkpaardkwaliteit voor bewerken, hoewel minder gangbare legeringen zoals aluminium 2011 en 8280 nog bewerkbaarder zijn, met heel kleine spanen en een uitstekende oppervlakteafwerking.

Staal

Stalen zijn doorgaans moeilijker te bewerken dan aluminiumlegeringen, maar graden met een matig koolstofgehalte zoals 303 roestvrij staal zijn het meest bewerkbaar (te veel koolstof maakt staal te hard; te weinig maakt het 'klebrig'). Lood als toevoeging verbetert de spaanafvoer. Zwavel kan de bewerkbaarheid van staal ook verhogen.

Overige metalen

Andere bewerkbare metalen omvatten diverse messinglegeringen, die redelijk zacht zijn maar goede treksterkte hebben. Koper heeft ook een goed bewerkbaarheidsniveau, gecombineerd met eigenschappen zoals elektrische geleiding.

Kunststoffen

Thermoplasten kunnen moeilijk te bewerken zijn, want de warmte van het snijgereedschap kan het plastic laten smelten en aan het gereedschap kleven. Met die achtergrond zijn enkele van de beste bewerkbare kunststoffen: ABS, nylon, acrylaat, en Delrin.

Bewerkbaarheid van materialen verbeteren

Hoewel metalen vaste fysieke eigenschappen hebben, kan de toestand van een werkstuk worden aangepast om het bewerkbaarder te maken. Additieven kunnen aan legeringen worden toegevoegd.

• Additieven: Elementen toevoegen die het materiaal gunstiger maken voor snijden. Bij staal verbeteren lood en zwavel de bewerkbaarheid.
• Warmtebehandeling: Metalen ondergaan verwarming en afkoeling om eigenschappen te veranderen. Warmtebehandeling kan de hardheid verlagen voor eenvoudiger bewerking. Bijvoorbeeld: aanlaten van nikkel-gebaseerde legeringen verbetert bewerkbaarheid.
• Externe factoren: Bewerken kan gemakkelijker gemaakt worden zonder het werkstukmateriaal te veranderen. Bijvoorbeeld: snijgereedschapsmateriaal, snijsnelheid, snijhoek, bedrijfsomstandigheden en andere parameters aanpassen.

Hoe bewerkbaarheid gemeten wordt

Omdat zoveel verschillende factoren de bewerkbaarheid beïnvloeden, kan het een vaag concept zijn dat moeilijk te kwantificeren is.

Toch hebben ingenieurs en materiaalkundigen geprobeerd bewerkbaarheid te meten via metrics als energieverbruik (hoeveel energie nodig is om het materiaal te snijden), snijgereedschapslevensduur (hoe snel het gereedschap verslijt), en oppervlakteafwerking (resulterende gladheid).

• Energieverbruik: Beoordeeld aan de hand van de krachten die nodig zijn om door het materiaal te snijden, gemeten met standaard energiemetrics.
• Snijgereedschapslevensduur: Beoordeeld door te timen hoe lang een gereedschap meegaat bij het snijden van een bepaald materiaal.
• Oppervlakteafwerking: Beoordeeld door de mate van opgebouwde rand (built-up edge) te noteren; hoog bewerkbare materialen produceren geen opgebouwde rand.

Helaas is geen van deze methoden volledig betrouwbaar, omdat onafhankelijke factoren energieverbruik, gereedschapslijst en oppervlakteafwerking beïnvloeden.