Was ist Bearbeitbarkeit: Erläuterung ihrer Messungen und Faktoren

Was ist Bearbeitbarkeit?

Beginnen wir mit der wichtigsten Frage: Was ist Bearbeitbarkeit? Vereinfacht ausgedrückt ist Bearbeitbarkeit die Leichtigkeit, mit der ein Material geschnitten (bearbeitet) werden kann, um die gewünschte Teilequalität zu erreichen. Teilequalität bezieht sich hier auf Eigenschaften wie Maßgenauigkeit, Toleranzen und Oberflächenfinish.

Materialien mit hoher Zerspanbarkeit benötigen in der Regel weniger Zeit und Energie für die Bearbeitung, verursachen weniger Werkzeugverschleiß und weisen eine bessere Oberflächenqualität auf. Aus produktionstechnischer Sicht sind Materialien mit hoher Zerspanbarkeit verständlicherweise immer vorzuziehen. Dies entspricht jedoch nicht immer der Perspektive des Konstrukteurs, der hohe Festigkeit, Leistung und thermische Stabilität anstrebt, was bei leicht zerspanbaren 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 Bearbeitbarkeit von Werkstoffen spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle. Diese ergeben sich aus den Kerneigenschaften des Materials, seiner Nachbehandlung und den Schnittbedingungen.

1. Materialeigenschaften

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

1.1-Härte

Die Härte ist ein Schlüsselfaktor für die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen, da sie angibt, wie schwer die Oberfläche zu bearbeiten ist. Da das Bearbeitungswerkzeug hauptsächlich mit der Werkstückoberfläche interagiert, ist die Härte ein wichtiges Merkmal der Bearbeitbarkeit.

Härtere Materialien wie Inconel erfordern im Allgemeinen mehr Schneidkraft, da das Werkzeug eine höhere Kraft aufbringen muss. Zudem verschleißen Werkzeuge bei der Bearbeitung harter Materialien schneller. Kurz gesagt: Hohe Härte bedeutet geringere Zerspanbarkeit.

1.2 Zähigkeit

Die Zähigkeit ist ein weiterer entscheidender Parameter für die Zerspanbarkeit. Werkstoffe mit hoher Zähigkeit, wie z. B. Kohlenstoffstähle, können Schnittkräfte gut absorbieren und Verformungen widerstehen. Dies erfordert höhere Schnittkräfte und langlebigere Werkzeuge.

Darüber hinaus erzeugen zähe Werkstoffe aufgrund ihrer hohen Duktilität lange, faserige Späne. Dies ist zwar gut für einen gleichmäßigen Schnitt und eine effektive Wärmeübertragung, doch verfangen sich lange Späne 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 Schnittstelle für effektive Schneidprozesse von großer Bedeutung. Die Wärmeübertragung hängt maßgeblich von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.

Schwer zerspanbare Werkstoffe weisen in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Das bedeutet, dass die an der Schnittfläche erzeugte Wärmeenergie nicht schnell abgeführt wird. Dies führt zu verschiedenen negativen Auswirkungen wie thermischer Erweichung von Werkstück und Werkzeug, verkürzter Werkzeugstandzeit und verringerter Maßgenauigkeit. Ein klassisches Beispiel für ein solches Material ist Titan, das all diese Probleme aufweist.

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

2. Schnittbedingungen

Bei der Zerspanbarkeit geht es darum, wie sich ein Werkstoff beim Schneiden verhält. Daher beeinflussen neben den Materialeigenschaften auch die Schnittbedingungen die Zerspanbarkeit von Werkstoffen.

2.1 Schnittparameter

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

Höhere Schnittgeschwindigkeiten beeinträchtigen die Zerspanbarkeit von Werkstoffen in der Regel aufgrund übermäßiger Wärmeentwicklung und Reibung, die zu Werkzeugverschleiß führt. Die Oberflächengüte wird jedoch in den meisten Fällen verbessert. Gleichzeitig führt ein erhöhter Schnittvorschub zu höheren Spanlasten und Schnittkräften. Dies kann das Werkzeug beschädigen und zu übermäßigen Vibrationen führen.

Die Schnitttiefe wirkt sich zudem positiv auf Schnittkräfte, Stromverbrauch und Wärmeentwicklung aus. Diese wirken sich auf Werkzeug und Werkstück aus. Darüber hinaus wirkt sich eine höhere Schnitttiefe negativ auf die Oberflächenintegrität aus, da mechanische und thermische Spannungen entstehen.

Darüber hinaus trägt die Schnitttiefe maßgeblich zur dynamischen Stabilität von Schneidprozessen bei. Wird sie über einen bestimmten Grenzwert hinaus erhöht, können Ratterschwingungen auftreten, die für Werkzeug und Maschine schädlich sind.

2.2 Schneidwerkzeug

CNC-Fräser weisen komplexe geometrische Merkmale auf, die die Bearbeitbarkeit erheblich beeinflussen. Das deutlichste Beispiel ist der Spanwinkel (Winkel der Schneide). Ein negativer Spanwinkel reduziert die Schnittbelastung und verbessert die Spanbildung, was auf eine hohe Bearbeitbarkeit hindeutet. Allerdings schwächt er auch das Werkzeug.

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

2.3 Kühlung und Schmierung

Um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern, tragen Maschinenbauer häufig Kühl- und Schmiermittel auf die Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück auf. Diese verbessern die Wärmeableitung und die Reibungseigenschaften des Materials, was zu einem gleichmäßigeren Schneidvorgang, 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 unter dynamischen Schnittbelastungen stärker. Dies erschwert die Bearbeitung und macht die Maschine für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien ungeeignet.

Was ist die Bearbeitbarkeitsbewertung?

Angesichts der großen Vielfalt an bearbeitbaren Werkstoffen im Werkzeugkasten eines Ingenieurs kann es schwierig sein, diese hinsichtlich ihrer Bearbeitbarkeit zu vergleichen. Eine gängige Methode zur Beurteilung der Bearbeitbarkeit von Werkstoffen ist die Bearbeitbarkeitsbewertung.

Ein Standardmerkmal der Zerspanbarkeitsbewertung ist die Verfügbarkeit eines Referenzmaterials zum einfachen Vergleich. Beispielsweise ist Messing C36000 ein Standardmaterial mit einer Zerspanbarkeitsbewertung von 100 %. Je schwieriger die Zerspanbarkeit der Materialien wird, desto geringer ist die Bewertung. Beispielsweise hat AISI 1018 eine Bewertung von 70 %, was auf eine durchschnittliche Zerspanbarkeit hindeutet.

Warum ist ein Bearbeitbarkeitsdiagramm wichtig?

Im Allgemeinen werden die Bearbeitbarkeitswerte in einer Bearbeitbarkeitstabelle dokumentiert, die in jedem CNC-Maschinenwerkstatt. Mit einer leicht zu navigierenden Bearbeitbarkeitstabelle können Sie die Bearbeitbarkeit des gesamten Spektrums technischer Materialien schnell und einfach vergleichen.

Das Hauptziel dieses Bewertungssystems ist die Unterstützung technischer Entscheidungen. Konstrukteuren hilft es, Produktionsprobleme bei der Auswahl eines bestimmten Materials zu verstehen. Dies ist in der Praxis hilfreich.

Wenn sie beispielsweise ein schwer zu schneidendes Material wählen, können sie dies in der technische Zeichnung Geben Sie einen speziellen Hinweis an oder fügen Sie eine spezifische Anforderung an die Oberflächenbeschaffenheit ein, um sicherzustellen, dass der Maschinist die Konstruktionsabsicht vollständig versteht. Dem Maschinisten hilft es bei der Auswahl von Werkzeugen, Schnittparametern und Schmier-/Kühlbedingungen.

Verschiedene Methoden zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit

Maschinenwerkstätten wenden verschiedene Strategien an, um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich, wie z. B. eine produktivere Bearbeitung, geringere Kosten und eine insgesamt höhere Produktqualität.

Wärmebehandlung

Die Abhängigkeit der Materialeigenschaften von der Bearbeitbarkeit wurde in den vorherigen Abschnitten ausführlich behandelt. Daher steht die Änderung der Materialeigenschaften bei der Verbesserung der Bearbeitbarkeit an erster Stelle.

Wärmebehandlung ist eine effektive Methode, um die Bearbeitbarkeit von Materialien zu verbessern. Beispielsweise werden gängige CNC-Werkstoffe wie Stahl und Aluminium häufig geglüht, um ihre Härte zu reduzieren, die Kornstruktur zu verfeinern und innere Spannungen abzubauen.

Materialzusätze

Der Einsatz von Materialzusätzen ist eine weitere Methode zur Verbesserung der Zerspanbarkeit. Kernthema ist die Einarbeitung von Materialzusätzen in die Gitterstruktur des Grundmaterials, um dessen mechanische Eigenschaften bearbeitbar zu machen.

Beispielsweise verbessert die Zugabe von Zink zur Herstellung von Kupferlegierungen wie Messing die Zerspanbarkeit von reinem Kupfer drastisch und ermöglicht geringere Kräfte, Reibung und eine bessere Spanbildung. Tatsächlich verwenden viele Normen zur Bewertung der Zerspanbarkeit die zinkhaltige Kupferlegierung C36000 aufgrund ihrer hohen Zerspanbarkeit als Referenzmaterial.

Kühlmittel/Schmiermittel

Die Optimierung der Schnittbedingungen, insbesondere der Einsatz von Kühl- und Schmiermitteln, kann die Zerspanbarkeit deutlich verbessern. Der Einsatz solcher Mittel verbessert die tribologischen Eigenschaften an der Werkzeug-Werkstück-Grenzfläche und erleichtert so die Zerspanung des Werkstückmaterials.

Schmiermittel verringern die Reibung und die daraus resultierende Wärmeentwicklung und reduzieren so Faktoren wie Werkzeugverschleiß und wärmebedingte Spannungen. Darüber hinaus ermöglichen sie dem Anwender die Verwendung aggressiverer Schnittparameter, was zu einem höheren Materialabtrag führt.

Kühlmittel verbessern die Wärmeableitung an der Schnittfläche. Durch die effizientere Wärmeableitung aus der Schneidzone treten weniger thermische Spannungen, Maßungenauigkeiten und Werkzeugbrüche auf.

Schnittparameter-Optimierung

Schließlich kann auch eine fundierte Auswahl der Schnittparameter die Bearbeitbarkeit von Materialien positiv beeinflussen. Meistens ist die Gleichung einfach: Höhere Schnittgeschwindigkeiten, Vorschübe und Schnitttiefen verringern die Bearbeitbarkeit und umgekehrt.

Es gibt jedoch auch einige kontraintuitive Fälle, die von den Herstellern ein tiefes Verständnis der Grundprinzipien der Metallzerspanung erfordern. Ein Beispiel hierfür ist die Aufbauschneidenbildung. Stellen Maschinenbauer eine hohe Materialhaftung an ihren Werkzeugeinsätzen fest, die sich negativ auf die Werkzeugstandzeit auswirkt, kann eine leichte Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit oder des Vorschubs im Hinblick auf eine geringere Aufbauschneidenbildung und Werkzeugverschleiß von Vorteil sein.

Wie wird die Bearbeitbarkeit gemessen?

Es gibt zwar keine Standardmethode zur Berechnung der Zerspanbarkeit eines Materials, aber einige allgemein anerkannte Systeme. Die meisten dieser Systeme basieren auf zwei Hauptkomponenten: einem Kriterienkatalog zur Einschätzung der Zerspanbarkeit von Materialien und einem Referenzmaterial, anhand dessen andere Materialien zum einfacheren Vergleich bewertet werden können.

Standzeit des Schneidwerkzeugs

Die Standzeit von Schneidwerkzeugen ist ein praktisches Maß für die Zerspanbarkeit, da sie direkten Einfluss auf Produktivität, Qualität und Kosten hat. Die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen wird anhand der Lebensdauer eines Schneidwerkzeugs beurteilt, bevor es ausgetauscht oder nachgeschliffen werden muss. Dabei werden natürlich alle anderen Faktoren wie die Werkzeuggeometriekonstante berücksichtigt.

Verständlicherweise verursachen Materialien mit hoher Zerspanbarkeit keinen hohen Werkzeugverschleiß und keine thermischen Schäden, sodass die Werkzeuglebensdauer lang ist. Schwer zerspanbare Materialien wie Stahl hingegen verschleißen das Werkzeug schnell.

Eine Methode, dies mathematisch zu messen, ist die Verwendung der Taylorschen Werkzeuglebensdauergleichung:

Dabei entsprechen Vc und T der Schnittgeschwindigkeit bzw. der Standzeit. Die anderen Parameter beziehen sich auf die Schnittbedingungen und das Werkzeugmaterial, die für die Zerspanbarkeitsanalyse unverändert bleiben. Materialien, die höhere Schnittgeschwindigkeiten bei ähnlicher Standzeit wie das Referenzmaterial ermöglichen, gelten als besser zerspanbar.

Oberflächenfinish

Die Oberflächengüte ist ein weiterer gängiger Parameter zur Messung der Bearbeitbarkeit. Sie ist ein relevanter Parameter, da sich jede Veränderung der Bearbeitbarkeit meist direkt in einer Veränderung der Oberflächenqualität niederschlägt. Beispielsweise weisen harte Werkstoffe eine geringe Bearbeitbarkeit auf und weisen aufgrund von Absplitterungen und Reibung eine raue Oberflächenbeschaffenheit auf.

Auch die Messung der Oberflächenbeschaffenheit selbst ist sehr praktisch. Sie ist für Maschinenbauer meist gut sichtbar. Ingenieure können zudem einfach zu bedienende Oberflächenprüfgeräte nutzen, um die Oberflächenbeschaffenheit einer bearbeiteten Oberfläche schnell abzubilden.

Energieverbrauch

Beim Zerspanen wird aufgrund der Schnittkräfte Energie verbraucht. Schwer zerspanbare Materialien erfordern mehr Kraft zum Schneiden und verbrauchen daher mehr Energie. Bei leicht zerspanbaren Materialien ist es umgekehrt.

Aufgrund dieser sehr einfachen Beziehung 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, ist sie eine sehr praktische Methode, die in Maschinenwerkstätten weit verbreitet ist.

Gängige CNC-Materialien und ihre Bearbeitbarkeit

Der gesamte Pool an CNC-Bearbeitungsmaterialien ist zu umfangreich, um sie alle aufzulisten. Daher stellen wir in diesem Abschnitt eine repräsentative Auswahl an CNC-Materialien und deren relative Bearbeitbarkeit vor, um einen allgemeinen Überblick über die Bearbeitbarkeit von Materialien zu geben.