Bewerkbaarheid begrijpen: Metingen & sleutelfactoren

Laten we beginnen met de kernvraag: wat is bewerkbaarheid? In eenvoudige termen is bewerkbaarheid de gemak waarmee een materiaal gesneden (bewerkt) kan worden om de gewenste onderdeelkwaliteit te bereiken. Onderdeelkwaliteit verwijst naar kenmerken zoals dimensionale nauwkeurigheid, toleranties en oppervlakteafwerking.

Materialen met hoge bewerkbaarheid vereisen doorgaans minder tijd en vermogen om te bewerken, veroorzaken minder gereedhijsslijtage en leveren betere oppervlaktekwaliteit. Vanuit productieperspectief zijn materialen met hoge bewerkbaarheid altijd te prefereren. Dit komt echter niet altijd overeen met het perspectief van de ontwerper, die zoekt 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 ingenieurseisen, waar we dieper op ingaan in dit artikel.

Factoren die bewerkbaarheid beïnvloeden

Bij het bespreken van de bewerkbaarheid van materialen spelen talloze factoren een rol. Deze komen voort uit de kern eigenschappen van het materiaal, nabewerkingsbehandelingen en snijcondities.

1. Materiaaleigenschappen

De belangrijkste reeks kenmerken die bewerkbaarheid beïnvloeden zijn de materiaaleigenschappen. Aangezien elk materiaal unieke eigenschappen heeft, moeten ingenieurs de impact van elke eigenschap op bewerkbaarheid begrijpen om geïnformeerde beslissingen te nemen.

1.1 Hardheid

Hardheid is een sleutelfactor bij het bepalen van bewerkbaarheid omdat het definieert hoe moeilijk het is om het oppervlak te snijdeen. Omdat het bewerkingsgereedschap voornamelijk met het werkstukoppervlak interactie heeft, is hardheid een belangrijke kenmerk.

Over het algemeen vereisen harder materialen zoals Inconel meer vermogen om te snijden omdat het gereedschap een hogere kracht moet uitoefenen. Bovendien slijten gereedschappen sneller bij het bewerken van harde materialen. Kortom: hoge hardheid betekent lage bewerkbaarheid.

1.2 Zwaarte

Zwaarte is een andere cruciale parameter voor bewerkbaarheid. Materialen met hoge zwaarte, zoals hoogkoolstofstalen, absorberen snijkrachten goed en weerstaan vervorming, wat hogere snijkrachten en duurzamere tooling vereist.

Daarnaast produceren zware materialen lange, draadvormige spannen door hun hoge duktiliteit. Hoewel dit goed is voor soepel snijden en effectieve warmteoverdracht, raken lange spannen vaak verstrengeld met het gereedschap, wat snijvertragingen en oppervlakteslijtage aan het werkstuk veroorzaakt.

1.3 Thermische geleiding

Bewerkingsprocessen genereren warmte door afschuiving van het materiaal. Thermisch beheer aan de snijinterface is daarom cruciaal voor effectieve snijprocessen. Wat warmteoverdracht betreft, hangt dit zwaar af van de thermische geleiding van het materiaal.

Moelijk te bewerken materialen hebben doorgaans lage thermische geleiding, wat betekent dat de warmte aan de snijinterface niet snel afgeleid wordt. Dit veroorzaakt negatieve effecten als thermische verzachting van werkstuk en gereedschap, lagere gereedschapslevensduur en dimensionale nauwkeurigheid. Een klassiek voorbeeld is Titanium, dat al deze problemen kent.

Lage thermische geleiding voorkomt ook het gebruik van hoge snijsnelheden en voedingen, omdat de gegenereerde warmte niet effectief afgeleid wordt.

2. Snijcondities

Bewerkbaarheid gaat over hoe een materiaal zich gedraagt bij snijden. Naast materiaaleigenschappen beïnvloeden snijcondities ook de bewerkbaarheid.

2.1 Snijparameters

De primaire snijparameters zijn snijsnelheid, voeding en snijdiepte. Het optimaliseren van alle drie is gunstig vanuit productieperspectief omdat het een hogere materiaalverwijderingssnelheid geeft. Dit is echter niet altijd mogelijk.

Hogere snijsnelheden maken materialen doorgaans minder bewerkbaar door excessieve warmteopbouw en wrijving die gereedhijsslijtage veroorzaken. Wel verbetert het de oppervlakteafwerking in de meeste gevallen. Tegelijkertijd leidt verhoging van de voeding tot hogere spanbelasting en snijkrachten. Dit kan het gereedschap beschadigen en excessieve trillingen veroorzaken.

De snijdiepte is ook positief gecorreleerd met snijkrachten, stroomverbruik en warmteopbouw. Dit zijn impacten op gereedschap en werkstuk. Bovendien beïnvloedt een hogere snijdiepte de oppervlakte-integriteit negatief door mechanische en thermische spanningen te creëren.

Daarnaast is de snijdiepte een primaire bijdrager aan de dynamische stabiliteit van snijprocessen. Verhogen boven een bepaalde limiet kan kattertrillingen veroorzaken, wat schadelijk is voor gereedschap en machine.

2.2 Snijgereedschap

CNC-snijgereedschappen hebben ingewikkelde geometrische kenmerken die bewerkbaarheid significant beïnvloeden. Het meest voor de hand liggende voorbeeld is de haakhoek (hoek van de snijrand). Een negatieve haakhoek verlaagt snijbelasting en verbetert spanvorming, wat tekenen zijn van hoge bewerkbaarheid. Het maakt het gereedschap echter zwakker.

Een andere factor is de vrijheidshoek, die bewerkbaarheidsindicatoren als gereedhijsslijtage en warmteafvoering beïnvloedt.

2.3 Koeling en smering

Machinisten passen vaak koelvloeistoffen en smermiddelen toe aan de tool-werkstukinterface om de bewerkbaarheid van materialen te verbeteren. Deze verbeteren warmteafvoer en wrijvingseigenschappen, wat leidt tot soepelere snijactie, betere oppervlakteafwerking en hogere gereedschapslevensduur.

2.4 Machineconditie

De conditie van de CNC-machine is een andere factor die bewerkbaarheid bepaalt. Oudere machines hebben doorgaans spel in hun asaandrijvingen en trillen meer onder dynamische snijbelasting. Dit maakt bewerken moeilijker, waardoor de machine ongeschikt is voor moeilijk te bewerken materialen.

Wat is de bewerkbaarheidsclassificatie?

Met een grote verscheidenheid aan bewerkbare materialen in de gereedschapskist van een ingenieur, kan het lastig zijn om ze te vergelijken op bewerkbaarheid. Een populaire methode is de bewerkbaarheidsclassificatie.

Een standaardkenmerk van bewerkbaarheidsclassificaties is een referentiemateriaal voor gemakkelijke vergelijking. Een standaardmateriaal is C36000 Messing met een bewerkbaarheidsclassificatie van 100%. Naarmate materialen moeilijker te snijden zijn, daalt hun classificatie. Bijvoorbeeld AISI 1018 heeft een classificatie van 70%, wat gemiddelde bewerkbaarheid aangeeft.

Waarom een bewerkbaarheidstabel belangrijk is?

Bewerkbaarheidsclassificaties worden gedocumenteerd in een bewerkbaarheidstabel, aanwezig in elke CNC-machineshop. Met een gemakkelijk te navigeren tabel is het snel en eenvoudig om bewerkbaarheid te vergelijken over het hele spectrum van ingenieursmaterialen.

Het hoofddoel van dit classificatiesysteem is het ondersteunen van ingenieursbeslissingen. Voor een ontwerperingenieur biedt het hulp bij het begrijpen van productiecomplicaties voor een gekozen materiaal. Dit is nuttig in praktische situaties.

Bijvoorbeeld, als ze een moeilijk te bewerken materiaal kiezen, kunnen ze dit aangeven in de technische tekening via een speciale opmerking of specifiek een oppervlakteafwerkingsvereiste opnemen om de machinist de ontwerpintentie duidelijk te maken. Voor een machinist helpt het bij het selecteren van gereedschappen, snijparameters en koeling/smeringscondities.

Verschillende methoden om bewerkbaarheid te verbeteren

Machineshops hanteren diverse strategieën om materialen bewerkbaarder te maken. Dit draagt voordelen als productievere bewerking, lagere kosten en hogere productkwaliteit.

Warmtebehandeling

De afhankelijkheid van materiaaleigenschappen van bewerkbaarheid werd in vorige secties gedetailleerd behandeld. Daarom is het wijzigen van materiaaleigenschappen de eerste actie bij het verbeteren van bewerkbaarheid.

Warmtebehandeling is een effectieve methode om bewerkbaarheid te verbeteren. Veelvoorkomende CNC-materialen als staal en aluminium worden vaak verglazen om hardheid te verlagen, korrelstructuur te verfijnen en interne spanningen te verlichten.

Materiaaladditieven

Het gebruik van materiaaladditieven is een andere methode voor het verbeteren van bewerkbaarheid. Het kernthema is het incorporeren van additieven in het rooster van het basismateriaal om de mechanische eigenschappen bewerkingsvriendelijk te maken.

Bijvoorbeeld, de toevoeging van zink om koperlegeringen als messing te vormen, verbetert de bewerkbaarheid van zuiver koper drastisch, wat lagere krachten, wrijving en betere spanvorming mogelijk maakt. Feitelijk gebruiken veel bewerkbaarheidsstandaards de zinkdragende koperlegering C36000 als referentiemateriaal vanwege de hoge bewerkbaarheid.

Koelvloeistof/smering

Het optimaliseren van snijcondities, met name de toepassing van koelvloeistoffen/smermiddelen, kan bewerkbaarheid merkbaar verbeteren. Het gebruik van dergelijke middelen verbetert de tribologische eigenschappen aan de tool-werkstukinterface, waardoor het werkstukmateriaal makkelijker te snijden is.

Smermiddelen verlagen wrijving en de daaruit voortvloeiende warmteopbouw, wat factoren als gereedhijsslijtage en warmte-geïnduceerde spanningen vermindert. Bovendien stelt het machinisten in staat om agressievere snijparameters te gebruiken, wat leidt tot een hogere materiaalverwijderingssnelheid.

Koelvloeistoffen verbeteren de warmteafvoereigenschappen aan de snijinterface. Met meer warmte die efficiënt van de snijzone wordt afgevoerd, zijn er lagere thermische spanningen, dimensionale onnauwkeurigheden en gereedschapsbreuken.

Snijparameteroptimalisatie

Tot slot kan een weloverwogen selectie van snijparameters de bewerkbaarheid positief beïnvloeden. Meestal is de vergelijking simpel: hogere snelheden, voedingen en snijdiepten verlagen bewerkbaarheid, en omgekeerd.

Er zijn echter ook tegenintuitieve gevallen, die vergen dat fabricanten een sterk begrip hebben van de basisprincipes van metaalsnijden. Het geval van opgebouwde rand (built-up edge) bijvoorbeeld. Als machinisten een hoge mate van materiaalhechting op hun snijplaten observeren, wat slecht is voor gereedschapsleven, kan een kleine verhoging van snijsnelheid of voeding gunstig zijn voor minder opgebouwde rand en gereedhijsslijtage.

Hoe wordt bewerkbaarheid gemeten?

Hoewel er geen standaardmanier is om de bewerkbaarheid van een materiaal te berekenen, zijn er een paar algemeen geaccepteerde systemen. De meeste vertrouwen op twee hoofcomponenten: een set criteria om bewerkbaarheid te schatten en een referentiemateriaal om andere materialen te rangschikken voor gemakkelijke vergelijking.

Gereedschapslevensduur

Gereedschapslevensduur is een van de meest praktische maten voor bewerkbaarheid omdat het een direct effect heeft op productiviteit, kwaliteit en financiën. Het principe is om de bewerkbaarheid van materialen te beoordelen op basis van hoe lang een snijgereedschap bruikbaar is op een materiaal voordat het vervangen of bijgeslepen moet worden, waarbij alle andere factoren zoals gereedschapsgeometrie constant blijven.

Begrijpelijk hebben materialen met hoge bewerkbaarheid geen hoge gereedhijsslijtage en thermische schade, dus de gereedschapslevensduur is lang. Aan de andere kant slijten moeilijk te bewerken materialen als staal het gereedschap snel uit.

Een van de methoden om dit wiskundig te meten is de Taylor's gereedschapslevensduurvergelijking: Vc * T^n = C. Hierbij corresponderen Vc en T met snijsnelheid en gereedschapsleven. De overige parameters hangen samen met snijcondities en gereedschapsmateriaal, wat vast blijft voor bewerkbaarheidsanalyses. Materialen die hogere snijsnelheden toelaten bij vergelijkbare gereedschapslevensduur als referentiemateriaal worden als bewerkbaarder beschouwd.

Oppervlakteafwerking

Oppervlakteafwerking is een andere veelvoorkomende parameter om bewerkbaarheid te meten. Het is een haalbare parameter omdat elke verandering in bewerkbaarheid meestal direct weerspiegeld wordt in een verandering in oppervlaktekwaliteit. Harde materialen hebben lage bewerkbaarheid en een grove oppervlakteafwerking door uitbraken en wrijving.

Bovendien is het meten van oppervlakteafwerking zelf ook behoorlijk handig. Meestal is het zichtbaar observeerbaar voor machinisten. Daarnaast kunnen ingenieurs ook eenvoudige oppervlaktetesters gebruiken om de oppervlakteafwerking van een bewerkt oppervlak snel in kaart te brengen.

Stroomverbruik

Bewerking verbruikt stroom door snijkrachten. Moeilijk te snijden materialen vereisen meer kracht om te snijden en verbruiken dus meer stroom. Voor gemakkelijk te snijden materialen is het omgekeerde geval.

Vanwege deze zeer duidelijke relatie tussen bewerkbaarheid en stroomverbruik, is het een populaire maat voor de bewerkbaarheid van materialen.

Bewerkbaarheidsclassificatie

De bewerkbaarheidsclassificatie is een andere manier om bewerkbaarheid te meten. Hoewel niet zo wetenschappelijk als de andere methoden, is het een zeer praktische methode die wijd wordt gebruikt in machineshop-omgevingen.

Veelvoorkomende CNC-materialen en hun bewerkbaarheid

De gehele pool van CNC-bewerkingsmaterialen is te groot om op te sommen. In deze sectie delen we een representatieve steekproef van CNC-materialen en hun relatieve bewerkbaarheidsclassificaties om een algemeen overzicht te geven.