Bewerkbaarheid uitgelegd: sleutelfactoren, verbeteringstechnieken en meting

De gemak waarmee metaal met een snijgereedschap gesneden kan worden, heet bewerkbaarheid. Het is echter moeilijk om deze eigenschap te kwantificeren vanwege de vele factoren die de bewerkbaarheid van metalen bepalen. Dit artikel introduceert de basisprincipes van bewerkbaarheid: wat het is, factoren die bewerkbaarheid beïnvloeden, metaal bewerkbaarheidstabel, hoe bewerkbaarheid te verbeteren en hoe bewerkbaarheid te meten.

Wat is bewerkbaarheid?

Bewerkbaarheid is een maat voor hoe gemakkelijk een materiaal met een snijgereedschap gesneden kan worden, of hoe gemakkelijk metaal gesneden kan worden. Het definieert hoe gemakkelijk een materiaal (voornamelijk metaal) kan worden gesneden of gevormd terwijl een bevredigende oppervlakteafwerking wordt geleverd. Materialen met goede bewerkbaarheid vereisen zeer weinig vermogen om te snijden, produceren een gladde oppervlakteafwerking en minimaliseren toolslijtage. Integenstelling, minder bewerkbare materialen vereisen hogere snijkrachten, hebben een slechte oppervlakteafwerking en slijten gereedschappen. Daarom zijn materialen met slechte bewerkbaarheid duurder om te verwerken.

Het American Iron and Steel Institute (AISI) heeft een bewerkbaarheidscijfer van 100% vastgesteld ten opzichte van de bewerkbaarheid van 160 Brinell B1112 staal voor diverse materialen. Metalen met hogere bewerkbaarheid dan B1112 worden boven 100% gewaardeerd, terwijl metalen met lagere bewerkbaarheid onder 100% worden gewaardeerd. De bewerkbaarheidscijfer wordt bepaald door het gewogen gemiddelde van de normale snijsnelheid, oppervlakteafwerking en gereedschapslevensduur voor elk materiaal te meten.

Metaal bewerkbaarheidstabel

(Bron: https://www.cnclathing.com/guide/cnc-machining-material-machinability-chart-machinability-of-metals-and-plastics-cnclathing)

Factoren die metaal bewerkbaarheid beïnvloeden

1) Factoren gerelateerd aan werkstukeigenschappen

Hardheid van het metaal:

Als het metaal hard is, vereist het meer energieverbruik en genereert hoge temperatuur. Daardoor kan toolslijtage optreden, wat resulteert in slechte bewerkbaarheid.

Chemische samenstelling:

Bij het bewerken van zuivere metalen zijn snijkrachten en toolslijtage erg hoog. Als echter kleine hoeveelheden koolstof, mangaan, lood, zwavel en fosfor aan het staal worden toegevoegd, kan de bewerkbaarheid worden verbeterd. Productiviteit en oppervlakteafwerking worden ook verbeterd.

Laagkoolstofstalen met 0,01% tot 0,15% koolstof vertonen slechte bewerkbaarheid vanwege hun hoge duktiliteit en zwaarte.

Als de koolstofgehalte hoger is (d.w.z. van 0,25% tot 0,3%), toont het goede bewerkbaarheid.

De toevoeging van 1% mangaan en 0,15% fosfor verbetert de bewerkbaarheid van metalen.

Als zwavel en fosfor in het metaal aanwezig zijn, neigen de bewerkingsspanen te breken door brosheid.

Echter, sommige metalen die aan staal worden toegevoegd, zoals silicium, nikkel, chroom, vanadium en molybdeen, hebben een nadelige invloed op de bewerkbaarheid.

Microstructuur:

Metalen zullen slechte bewerkbaarheid vertonen als ze abrasieve insluitingen en een niet-uniforme structuur, grote, vervormde korrels bevatten.

Behandeling van metalen:

Koudgewalst staal vertoont betere bewerkbaarheid omdat het de gereedschapslevensduur verhoogt en kan worden bewerkt bij hoge snijsnelheden.

De bewerkbaarheid van hoogkoolstofstalen kan worden verbeterd door warm bewerking.

Verschillende warmtebehandelingen, zoals normaliseren, anlassen, vergelen, etc., helpen de bewerkbaarheid te verbeteren.

2) Gereedschapsgerelateerde factoren

De diverse snijgereedschapsgerelateerde factoren die metaal bewerkbaarheid beïnvloeden, zijn:

• Gereedschapsmateriaal
• Gereedschapsgeometrie
• Snijaard
• Gereedschapsstevigheid

3) Factoren gerelateerd aan snijcondities

Verschillende factoren gerelateerd aan snijcondities die metaal bewerkbaarheid beïnvloeden:

• Snijsnelheid
• Voer en snijdiepte
• Snijtemperatuur
• Koelvloeistof

4) Factoren gerelateerd aan machines

Werkzeugmachines die voor bewerkingsoperaties worden gebruikt, moeten stevig en sterk zijn voor betere werkstukbewerkbaarheid.

Verbetering van de bewerkbaarheid van materialen

Hoewel metalen vaste fysische eigenschappen hebben, kan de toestand van een werkstuk worden gewijzigd om het makkelijker te bewerken. Additieven kunnen ook aan het legering worden toegevoegd om de bewerkbaarheid te verbeteren.

Additieven: Een manier om de bewerkbaarheid van een gegeven materiaal te verbeteren, is het toevoegen van elementen van andere materialen om ze makkelijker te snijden. Bijvoorbeeld, bij het bewerken van staal, kan het toevoegen van lood en zwavel het werkstuk makkelijker te snijden maken.

Warmtebehandeling: Metalen worden vaak verhit en gekoeld om hun eigenschappen te veranderen. Warmtebehandeling verlaagt de hardheid van het metaal, wat het makkelijker maakt om te bewerken. Bijvoorbeeld, anlassen van nikkel-gebaseerde legeringen kan de bewerkbaarheid verbeteren.

Externe factoren: Bewerking makkelijker maken zonder het werkstukmateriaal daadwerkelijk te veranderen. Bijvoorbeeld, het aanpassen van gereedschapsmateriaal, snijsnelheid, snijhoek, bedrijfscondities en andere parameters maakt het makkelijker om moeilijk te bewerken materialen te snijden.

Meting van bewerkbaarheid

Omdat er veel verschillende factoren zijn die de bewerkbaarheid van een materiaal beïnvloeden, kan bewerkbaarheid worden beschouwd als een vaag concept dat moeilijk te kwantificeren is.

Toch proberen ingenieurs en materialenwetenschappers de bewerkbaarheid te meten via metrische gegevens zoals energieverbruik (hoeveel energie het kost om het materiaal te snijden), gereedschapslevensduur (hoe snel het gereedschap verslijdt bij het snijden van het materiaal) en oppervlakteafwerking (de resulterende gladheid van het gesneden materiaal).

• Energieverbruik: Bewerkbaarheid kan worden beoordeeld door de kracht die nodig is om het materiaal te snijden, gemeten met standaard energiemetrieken.
• Gereedschapslevensduur: Bewerkbaarheid kan worden beoordeeld door te berekenen hoe lang het gereedschap zal duren tijdens het snijden van een gegeven materiaal.
• Oppervlakteafwerking: Bewerkbaarheid kan worden beoordeeld door de mate van opgebouwde rand die ontstaat tijdens bewerking te noteren, hoog bewerkbare materialen ontwikkelen geen opgebouwde rand.