Bewerkbaarheid begrijpen:metingen en sleutelfactoren

Laten we beginnen met de belangrijkste vraag die we moeten beantwoorden:wat is bewerkbaarheid? In eenvoudige bewoordingen is bewerkbaarheid het gemak waarmee een materiaal kan worden gesneden (bewerkt) om de gewenste onderdeelkwaliteit te bereiken. Onderdeelkwaliteit verwijst hier naar kenmerken zoals maatnauwkeurigheid, toleranties en oppervlakteafwerking.

Materialen met een hoge bewerkbaarheid vergen over het algemeen minder tijd en kracht om te bewerken, veroorzaken minder gereedschapsslijtage en hebben een betere oppervlaktekwaliteit. Het is begrijpelijk dat vanuit productieperspectief altijd de voorkeur wordt gegeven aan materialen met een hoge bewerkbaarheid. Dit komt echter niet altijd overeen met het perspectief van de ontwerper, die op zoek is naar hoge sterkte, prestaties en thermische stabiliteit, wat niet altijd het geval is bij gemakkelijk te bewerken materialen.

Dit creëert een interessante afweging tussen verschillende technische vereisten, waarover we in dit artikel meer zullen vertellen.

Factoren die de bewerkbaarheid beïnvloeden

Bij de bespreking van de bewerkbaarheid van materialen spelen tal van factoren een rol. Deze komen voort uit de kerneigenschappen van het materiaal, de postproductiebehandelingen en de snijomstandigheden.

1. Materiaaleigenschappen

De belangrijkste reeks kenmerken die de bewerkbaarheid beïnvloeden, zijn materiaaleigenschappen. Omdat elk materiaal een unieke reeks eigenschappen heeft, moeten ingenieurs begrijpen welke impact elke eigenschap heeft op de bewerkbaarheid om weloverwogen beslissingen te kunnen nemen.

1.1 Hardheid

Hardheid is een sleutelfactor bij het bepalen van de bewerkbaarheid van materialen, omdat deze bepaalt hoe moeilijk het is om het oppervlak te ‘snijden’. Omdat het bewerkingsgereedschap voornamelijk in wisselwerking staat met het werkstukoppervlak, is hardheid een belangrijk kenmerk van de bewerkbaarheid.

Over het algemeen hebben hardere materialen zoals Inconel meer kracht nodig om te snijden, omdat het gereedschap een grotere kracht moet uitoefenen. Bovendien slijten gereedschappen sneller bij het bewerken van harde materialen. Kortom, hoge hardheid betekent lage bewerkbaarheid.

1.2 Taaiheid

Taaiheid is een andere kritische parameter bij het bepalen van de bewerkbaarheid. Materialen met een hoge taaiheid, zoals koolstofstaal, zijn goed in het absorberen van snijkrachten en zijn goed bestand tegen vervorming, waardoor hogere snijkrachten en duurzamer gereedschap nodig zijn.

Bovendien produceren taaie materialen lange, draderige spanen vanwege hun hoge taaiheid. Hoewel dit goed is voor het behouden van een soepele snijwerking en een effectieve warmteoverdracht, raken lange spanen vaak verstrikt in het gereedschap, waardoor snijvertragingen en oppervlakteslijtage van het werkstuk ontstaan.

1,3 Thermische geleidbaarheid

Bewerkingsprocessen genereren warmte als gevolg van het afschuiven van het materiaal. Daarom is thermisch beheer op het snijvlak erg belangrijk voor effectieve snijprocessen. Wat de warmteoverdracht betreft, is dit sterk afhankelijk van de thermische geleidbaarheid van het materiaal.

Moeilijk te snijden materialen hebben over het algemeen een lage thermische geleidbaarheid, wat betekent dat de warmte-energie die wordt gegenereerd op het snijvlak niet snel verdwijnt. Dit veroorzaakt verschillende negatieve effecten, zoals thermische verzachting van het werkstuk en het gereedschap, een lagere standtijd en maatnauwkeurigheid. Een klassiek voorbeeld van een dergelijk materiaal is titanium, dat al deze problemen kent.

Een lage thermische geleidbaarheid voorkomt ook het gebruik van hoge snijsnelheden en voedingen, omdat de gegenereerde warmte niet effectief wordt overgedragen.

2. Snijomstandigheden

Bewerkbaarheid heeft alles te maken met hoe een materiaal zich gedraagt tijdens het snijden. Daarom hebben naast de materiaaleigenschappen ook de snijomstandigheden invloed op de bewerkbaarheid van materialen.

2.1 Snijparameters

De belangrijkste snijparameters bij het bewerken zijn snijsnelheid, voeding en snedediepte. Het optimaliseren van deze drie is voordelig vanuit productieperspectief, omdat het resulteert in een hogere materiaalverwijderingssnelheid. Dit is echter niet altijd mogelijk.

Hogere snijsnelheden maken materialen over het algemeen minder bewerkbaar als gevolg van overmatige warmteontwikkeling en wrijving die gereedschapsslijtage veroorzaken. In de meeste gevallen verbetert het echter wel de oppervlakteafwerking. Tegelijkertijd resulteert het verhogen van de snijvoeding in hogere spaanbelastingen en snijkrachten. Dit kan het gereedschap beschadigen en overmatige trillingen veroorzaken.

De snedediepte houdt ook positief verband met de snijkrachten, het energieverbruik en de warmteontwikkeling. Dit zijn schokken op het gereedschap en het werkstuk. Bovendien heeft een grotere snedediepte ook een negatieve invloed op de integriteit van het oppervlak, omdat er mechanische en thermische spanningen ontstaan.

Bovendien levert de snedediepte ook een belangrijke bijdrage aan de dynamische stabiliteit van snijprocessen. Als u deze boven een bepaalde limiet verhoogt, kunnen klapperende trillingen ontstaan, die schadelijk zijn voor gereedschap en machine.

2.2 Snijgereedschap

CNC-frezen hebben ingewikkelde geometrische kenmerken die de bewerkbaarheid aanzienlijk beïnvloeden. Het duidelijkste voorbeeld is dat van de hellingshoek (hoek van de snijkant). Een negatieve spaanhoek vermindert de snijbelasting en verbetert de spaanvorming, wat tekenen zijn van een hoge bewerkbaarheid. Het maakt de tool echter ook zwakker.

Een andere factor is de vrijloophoek, die van invloed is op bewerkbaarheidsindicatoren zoals gereedschapsslijtage en warmteafvoer.

2.3 Koeling en smering

Machinisten passen vaak koel- en smeermiddelen toe op het grensvlak tussen gereedschap en werkstuk om de bewerkbaarheid van materialen te verbeteren. Deze verbeteren de warmteafvoer en wrijvingseigenschappen van het materiaal, wat leidt tot een soepelere snijwerking, een betere oppervlakteafwerking en een langere standtijd.

2.4 Conditie van werktuigmachine

De staat van de CNC-machine is een andere factor die de bewerkbaarheid bepaalt. Oudere machines hebben over het algemeen speling in hun asaandrijvingen en trillen meer onder dynamische snijbelastingen. Dit maakt het bewerken moeilijk, waardoor de machine niet in staat is om moeilijk te snijden materialen te verwerken.

Wat is de bewerkbaarheidsbeoordeling?

Met een grote verscheidenheid aan bewerkbare materialen in de gereedschapskist van een ingenieur, kan het lastig zijn om ze te vergelijken op het gebied van bewerkbaarheid. Een van de populaire methoden om de bewerkbaarheid van materialen te meten is aan de hand van hun bewerkbaarheidsbeoordeling.

Een standaardkenmerk van bewerkbaarheidsbeoordelingen is het beschikken over een referentiemateriaal voor gemakkelijke vergelijking. Een van de standaardmaterialen is bijvoorbeeld C36000 Messing met een bewerkbaarheidsgraad van 100%. Naarmate materialen moeilijker te snijden zijn, neemt hun respectievelijke beoordeling af. AISI 1018 heeft bijvoorbeeld een beoordeling van 70%, wat een gemiddelde bewerkbaarheid aangeeft.

Waarom een bewerkbaarheidsgrafiek belangrijk is?

Over het algemeen worden de bewerkbaarheidsbeoordelingen gedocumenteerd in een bewerkbaarheidstabel, die in elke CNC-machinewerkplaats te vinden is. Met een overzichtelijke bewerkbaarheidstabel in de hand kunt u snel en eenvoudig de bewerkbaarheid van het hele spectrum aan technische materialen vergelijken.

Het belangrijkste doel van dit beoordelingssysteem is het ondersteunen van technische beslissingen. Voor een ontwerpingenieur biedt het hulp bij het begrijpen van eventuele productiecomplicaties voor een bepaald materiaal dat hij kiest. Dit is handig in praktische situaties.

Als ze bijvoorbeeld een moeilijk te snijden materiaal kiezen, kunnen ze dit in de technische tekening aangeven via een speciale opmerking of specifiek een vereiste voor de oppervlakteafwerking opnemen om ervoor te zorgen dat de machinist de ontwerpbedoeling volledig begrijpt. Voor een machinist helpt het bij het selecteren van gereedschappen, snijparameters en smerings-/koelingsomstandigheden.

Verschillende methoden om de bewerkbaarheid te verbeteren

Machinewerkplaatsen hanteren verschillende strategieën om materialen beter bewerkbaar te maken. Dit brengt verschillende voordelen met zich mee, zoals een productievere bewerking, lagere kosten en een algehele hogere kwaliteit van de producten.

Warmtebehandeling

De afhankelijkheid van materiaaleigenschappen van de bewerkbaarheid is in de voorgaande paragrafen gedetailleerd besproken. Als we het daarom hebben over het verbeteren van de bewerkbaarheid, is het veranderen van de materiaaleigenschappen het belangrijkste idee in de lijst met acties.

Warmtebehandeling is een effectieve methode om de bewerkbaarheid van materialen te verbeteren. Gangbare CNC-materialen zoals staal en aluminium worden bijvoorbeeld vaak gegloeid om hun hardheid te verminderen, de korrelstructuur te verfijnen en interne spanningen te verlichten.

Materiaaladditieven

Het gebruik van materiaaladditieven is een andere methode om de bewerkbaarheid te verbeteren. Het kernthema is om materiaaladditieven in de roosterstructuur van het basismateriaal op te nemen om de mechanische eigenschappen ervan machinaal vriendelijk te maken.

De toevoeging van zink om koperlegeringen zoals messing te vormen, verbetert bijvoorbeeld drastisch de bewerkbaarheid van puur koper, waardoor lagere krachten, wrijving en betere spaanvorming mogelijk zijn. Veel bewerkbaarheidsnormen gebruiken de zinkhoudende koperlegering C36000 zelfs als referentiemateriaal vanwege de hoge bewerkbaarheid.

Koelvloeistof/smeermiddel

Het optimaliseren van de snijomstandigheden, met name de toepassing van koel-/smeermiddelen, kan de bewerkbaarheid aanzienlijk verbeteren. Het gebruik van dergelijke middelen verbetert de tribologische eigenschappen op het grensvlak van gereedschap en werkstuk, waardoor het materiaal van het werkstuk gemakkelijker te snijden is.

Smeermiddelen verminderen de wrijving en de daaruit voortvloeiende warmteontwikkeling, waardoor factoren zoals gereedschapsslijtage en door hitte veroorzaakte spanningen worden verminderd. Bovendien kunnen machinisten agressievere snijparameters gebruiken, wat leidt tot een hogere materiaalverwijderingssnelheid.

Koelmiddelen verbeteren de warmteafvoerende eigenschappen op het snijvlak. Doordat er meer warmte efficiënt wordt afgevoerd van de snijzone, zijn er minder thermische spanningen, maatonnauwkeurigheden en gereedschapsbreuken.

Snijparameteroptimalisatie

Ten slotte kan een weloverwogen selectie van snijparameters ook de bewerkbaarheid van materialen positief beïnvloeden. Meestal is de vergelijking eenvoudig. Hogere snelheden, voedingen en snededieptes verminderen de bewerkbaarheid, en omgekeerd.

Er zijn echter ook enkele tegenintuïtieve gevallen, waarbij fabrikanten een goed begrip moeten hebben van de basisprincipes van het verspanen van metaal. Het geval van randopbouw bijvoorbeeld. Als machinisten een hoge mate van materiaalhechting op hun wisselplaten waarnemen, wat slecht is voor de standtijd, kan het verhogen van de snijsnelheid of een klein beetje voeding gunstig zijn in termen van minder snijkantopbouw en minder gereedschapsslijtage.

Hoe wordt de bewerkbaarheid gemeten?

Hoewel er geen standaardmanier bestaat om de bewerkbaarheid van een materiaal te berekenen, zijn er wel enkele algemeen aanvaarde systemen. De meeste hiervan zijn gebaseerd op twee belangrijke componenten:het hebben van een reeks criteria om de bewerkbaarheid van materialen te schatten en een referentiemateriaal waarmee andere materialen voor het gemak kunnen worden vergeleken.

Levensduur snijgereedschap

De standtijd van het snijgereedschap is een van de meest praktische maatstaven voor de bewerkbaarheid, omdat het een directe impact heeft op de productiviteit, kwaliteit en financiën. Het principe is om de bewerkbaarheid van materialen te beoordelen in termen van hoe lang een snijgereedschap bruikbaar is op een materiaal voordat het moet worden vervangen of opnieuw moet worden geslepen. Hierbij wordt uiteraard rekening gehouden met alle andere factoren, zoals de constante van de gereedschapsgeometrie.

Het is begrijpelijk dat materialen met een hoge bewerkbaarheid geen hoge gereedschapsslijtage en thermische schade veroorzaken, waardoor de standtijd lang is. Aan de andere kant verslijten moeilijk te snijden materialen zoals staal het gereedschap snel.

Een van de methoden om dit wiskundig te meten is door gebruik te maken van de Taylor-standtijdvergelijking:

Hier komen Vc en T respectievelijk overeen met de snijsnelheid en de standtijd. De andere parameters hebben betrekking op de snijomstandigheden en het gereedschapsmateriaal, die vast blijven voor analyses van de bewerkbaarheid. Materialen die hogere snijsnelheden mogelijk maken en tegelijkertijd een vergelijkbare standtijd behouden als referentiemateriaal, worden als beter verspaanbaar beschouwd.

Oppervlakafwerking

Oppervlakteafwerking is een andere veel voorkomende parameter om de bewerkbaarheid te meten. Het is een haalbare parameter, aangezien elke verandering in de bewerkbaarheid meestal direct wordt weerspiegeld in een verandering in de oppervlaktekwaliteit. Harde materialen zijn bijvoorbeeld slecht bewerkbaar en hebben een ruwe oppervlakteafwerking als gevolg van chippen en wrijving.

Bovendien is het meten van de oppervlakteafwerking zelf ook best handig. Meestal is het zichtbaar waarneembaar voor machinisten. Daarnaast kunnen ingenieurs ook gebruik maken van eenvoudig te gebruiken oppervlaktetesters om snel de oppervlakteafwerking van een bewerkt oppervlak in kaart te brengen.

Stroomverbruik

Bij het bewerken wordt energie verbruikt als gevolg van snijkrachten. Moeilijk te snijden materialen vereisen meer kracht om te snijden. Daarom verbruiken ze meer stroom. Voor gemakkelijk te snijden materialen is het tegenovergestelde het geval.

Vanwege deze zeer eenvoudige relatie tussen bewerkbaarheid en energieverbruik, is het een populaire maatstaf voor de bewerkbaarheid van materialen.

Bewerkbaarheidsbeoordeling

De bewerkbaarheidsbeoordeling is een andere manier om de bewerkbaarheid van materialen te meten. Hoewel niet zo wetenschappelijk als de andere methoden, is het een zeer praktische methode die op grote schaal wordt gebruikt in machinewerkplaatsomgevingen.

Gemeenschappelijke CNC-materialen en hun bewerkbaarheid

De hele verzameling CNC-bewerkingsmaterialen is te groot om in te zetten. Daarom delen we in deze sectie een representatief voorbeeld van CNC-materialen en hun relatieve bewerkbaarheidsbeoordelingen om een algemeen overzicht te geven van de bewerkbaarheid van materialen.

MateriaalcategorieMateriaalBewerkbaarheid (%)MetalenVrijsnijdend messing (C36000)100Aluminium (6061-T6)90-95Austenitisch roestvrij staal (AISI 304)30-40Titanium (graad 5, Ti-6Al-4V)20-25KunststoffenPolyethyleen (HDPE)90Polycarbonaat80Polyvinylchloride (PVC)70ComposietenKoolstofvezelversterkt polymeer40-50Glasvezelversterkt polymeer30-40KeramiekAluminiumoxide (aluminiumoxide)30Zirkoniumoxide (zirkoniumdioxide)15Organische materialenZachthout (bijv. grenen)90Hardhout (bijv. eiken)70