Bearbeitbarkeit

Die Zerspanbarkeit beschreibt, wie leicht ein Metall zerspant werden kann, sodass das Material kostengünstig und mit zufriedenstellender Oberflächengüte abgetragen werden kann. ^{[ 1 ]} Gut zerspanbare Werkstoffe ( Automatenwerkstoffe ) benötigen wenig Energie zum Zerspanen, lassen sich schnell bearbeiten, erzielen leicht eine gute Oberflächengüte und verursachen keinen nennenswerten Werkzeugverschleiß . Faktoren, die typischerweise die Eigenschaften eines Werkstoffs verbessern , verschlechtern oft seine Zerspanbarkeit und stellen somit eine erhebliche technische Herausforderung dar.

Die Bearbeitbarkeit ist aufgrund der Vielzahl an Variablen im Bearbeitungsprozess schwer vorherzusagen. Zwei Faktorengruppen sind der Zustand und die physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs. ^{[ 2 ]} Der Zustand des Werkstoffs umfasst mindestens acht Faktoren: Mikrostruktur , Korngröße , Wärmebehandlung , chemische Zusammensetzung, Fertigung, Härte , Streckgrenze und Zugfestigkeit . ^{[ 3 ]} Zu den physikalischen Eigenschaften zählen die Eigenschaften der einzelnen Werkstoffgruppen, wie beispielsweise Elastizitätsmodul , Wärmeleitfähigkeit , Wärmeausdehnung und Kaltverfestigung . ^{[ 3 ]} Weitere wichtige Faktoren sind die Betriebsbedingungen, das Schneidwerkzeugmaterial und dessen Geometrie sowie die Parameter des jeweiligen Bearbeitungsprozesses. ^{[ 3 ]}

Stähle zählen zu den wichtigsten und am häufigsten verwendeten Werkstoffen im Maschinenbau. Automatenstähle sind Legierungen , die Elemente wie Schwefel und Blei enthalten , welche die Größe der beim Zerspanen entstehenden Späne reduzieren. ^{[ 4 ]} Automatenstähle sind zwar teurer als Standardstähle, die höheren Kosten werden jedoch durch Einsparungen bei den Herstellungskosten kompensiert.

Die Zerspanbarkeit wird von vielen Faktoren beeinflusst, jedoch gibt es keine allgemein anerkannte Methode, sie zu quantifizieren. Daher wird sie häufig fallweise beurteilt, und die Tests werden auf die Bedürfnisse des jeweiligen Fertigungsprozesses zugeschnitten. Gängige Vergleichskriterien sind Werkzeugstandzeit, Oberflächengüte, Schnitttemperatur, Werkzeugkräfte und Leistungsaufnahme. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Die Bearbeitbarkeit kann anhand der Werkzeugstandzeit gemessen werden. Dies ist hilfreich beim Vergleich von Werkstoffen mit ähnlichen Eigenschaften und ähnlichem Energiebedarf, wobei ein Werkstoff abrasiver ist und dadurch die Werkzeugstandzeit verkürzt. Der größte Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Werkzeugstandzeit von mehr als nur dem zu bearbeitenden Material abhängt. Weitere Faktoren sind das Schneidwerkzeugmaterial, die Schneidwerkzeuggeometrie, der Maschinenzustand, die Werkzeugspannung, die Schnittgeschwindigkeit, der Vorschub und die Schnitttiefe. Außerdem lässt sich die Bearbeitbarkeit eines Werkzeugtyps nicht mit der eines anderen Werkzeugtyps vergleichen (z. B. HSS- Werkzeug mit einem Hartmetallwerkzeug). ^{[ 6 ]}

${\displaystyle {\text{Bearbeitbarkeitsindex (}}\%{)}={\frac {\text{Schnittgeschwindigkeit des Materials bei 20 Minuten Werkzeugstandzeit}}{\text{Schnittgeschwindigkeit des Automatenstahls bei 20 Minuten Werkzeugstandzeit}}}\times 100}$

Die zum Durchtrennen eines Materials erforderlichen Kräfte eines Werkzeugs stehen in direktem Zusammenhang mit der aufgenommenen Leistung. Daher werden Werkzeugkräfte häufig in Einheiten spezifischer Energie angegeben . Dies führt zu einer Bewertungsmethode, bei der höhere spezifische Energien eine geringere Bearbeitbarkeit bedeuten. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass äußere Faktoren nur geringen Einfluss auf die Bewertung haben. ^{[ 6 ]}

Die Oberflächenbeschaffenheit wird mitunter zur Beurteilung der Zerspanbarkeit eines Werkstoffs herangezogen. Weiche, duktile Werkstoffe neigen zur Bildung von Aufbauschneiden . Auch Edelstahl und andere Werkstoffe mit hoher Kaltverfestigungskapazität neigen zur Bildung von Aufbauschneiden. Aluminiumlegierungen, kaltverformte Stähle und Automatenstähle sowie Werkstoffe mit einer hohen Scherzone neigen nicht zur Bildung von Aufbauschneiden und sind daher besser zerspanbar. ^{[ 7 ]}

Der Vorteil dieser Methode liegt in ihrer einfachen Messbarkeit mit geeigneter Ausrüstung. Der Nachteil dieses Kriteriums besteht darin, dass es oft irrelevant ist. Beispielsweise ist die Oberflächengüte bei einem Schruppschnitt unerheblich. Auch Schlichtschnitte erfordern häufig eine gewisse Genauigkeit, die naturgemäß eine gute Oberflächengüte erzielt. Diese Bewertungsmethode stimmt zudem nicht immer mit anderen Methoden überein. So würden beispielsweise Titanlegierungen nach der Oberflächengütemethode gut, nach der Werkzeugstandzeitmethode schlecht und nach der Leistungsaufnahmemethode mittelmäßig abschneiden. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Die Zerspanbarkeitskennzahl eines Werkstoffs versucht, dessen Zerspanbarkeit zu quantifizieren. Sie wird als Prozentsatz oder normierter Wert angegeben . Das American Iron and Steel Institute (AISI) ermittelte Zerspanbarkeitskennzahlen für eine Vielzahl von Werkstoffen durch Drehversuche mit einer Schnittgeschwindigkeit von 180 Fuß pro Minute (sfpm). ^{[ 9 ]} Anschließend wurde dem Stahl B1112 mit einer Brinellhärte von 160 willkürlich eine Zerspanbarkeitskennzahl von 100 % zugewiesen. ^{[ 9 ]} Die Zerspanbarkeitskennzahl wird durch Messung der gewichteten Mittelwerte der normalen Schnittgeschwindigkeit, der Oberflächengüte und der Werkzeugstandzeit für jeden Werkstoff bestimmt. ^{[ 9 ]} Ein Werkstoff mit einer Zerspanbarkeitskennzahl unter 100 % ist schwieriger zu bearbeiten als B1112, ein Werkstoff mit einer Kennzahl über 100 % hingegen leichter.

Bearbeitbarkeitsbewertung = (Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstücks bei 60 Minuten Werkzeugstandzeit) / (Bearbeitungsgeschwindigkeit des Standardmetalls)

${\displaystyle {\text{Bearbeitbarkeitsbewertung ($

Die Zerspanbarkeitskennwerte können in Verbindung mit der Taylor-Gleichung zur Werkzeugstandzeit verwendet werden , um Schnittgeschwindigkeiten oder die Werkzeugstandzeit zu bestimmen. Es ist bekannt, dass B1112 bei einer Schnittgeschwindigkeit von 100 sfpm eine Werkzeugstandzeit von 60 Minuten aufweist. Besitzt ein Werkstoff einen Zerspanbarkeitskennwert von 70 %, so lässt sich mit den oben genannten Informationen ableiten, dass zur Beibehaltung der gleichen Werkzeugstandzeit (60 Minuten) eine Schnittgeschwindigkeit von 70 sfpm erforderlich ist (vorausgesetzt, es wird dasselbe Werkzeug verwendet). ^{[ 1 ]}${\displaystyle VT^{n}=C}$

Der Kohlenstoffgehalt von Stahl beeinflusst seine Bearbeitbarkeit maßgeblich. Hochkohlenstoffstähle sind schwer zu bearbeiten, da sie zwar fest sind, aber auch Karbide enthalten können, die das Schneidwerkzeug abreiben. Niedrigkohlenstoffstähle hingegen sind problematisch, da sie zu weich sind – sie sind zähflüssig und haften am Schneidwerkzeug, was zu einer Aufbauschneide führt und die Werkzeugstandzeit verkürzt. Daher weist Stahl mit einem mittleren Kohlenstoffgehalt von etwa 0,20 % die beste Bearbeitbarkeit auf. ^{[ 5 ]}

Chrom, Molybdän und andere Legierungsmetalle werden Stahl häufig zugesetzt, um seine Festigkeit zu verbessern. Die meisten dieser Metalle verringern jedoch auch die Bearbeitbarkeit.

Einschlüsse im Stahl, insbesondere Oxide, können das Schneidwerkzeug abreiben. Zerspanbarer Stahl sollte frei von diesen Oxiden sein.

Die Zerspanbarkeit legierter Rotorstähle wird auch durch die Schmierbedingungen und durch Strukturphasenmodifikationen des Materials beeinflusst. Experimentelle Untersuchungen an 38KhN3MFA-Stahl haben gezeigt, dass Kühlschmierstoffe die Spanmorphologie, die Oberflächenverformungsmechanismen und die Bildung von Zerspanungsprodukten signifikant beeinflussen können, während technologische Modifikationen des Stahls sein mikrostrukturelles Verhalten unter variablen Bearbeitungsbedingungen verändern. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Es gibt eine Vielzahl von Chemikalien, sowohl metallischen als auch nichtmetallischen, die Stahl beigemischt werden können, um das Zerspanen zu erleichtern. Diese Additive wirken unter anderem durch Schmierung der Werkzeug-Span-Kontaktfläche, Verringerung der Scherfestigkeit des Materials oder Erhöhung der Spanversprödung. Traditionell waren Schwefel und Blei die gebräuchlichsten Additive, doch Wismut und Zinn gewinnen aus Umweltgründen zunehmend an Bedeutung.

Blei kann die Zerspanbarkeit von Stahl verbessern, da es in der Schnittzone als internes Schmiermittel wirkt. ^{[ 12 ]} Aufgrund seiner geringen Scherfestigkeit ermöglicht es dem Span, leichter an der Schneide vorbeizugleiten. In geringen Mengen zugesetzt, kann Blei die Zerspanbarkeit von Stahl deutlich verbessern, ohne die Festigkeit des Stahls wesentlich zu beeinträchtigen.

Schwefel verbessert die Zerspanbarkeit von Stahl durch die Bildung von Einschlüssen mit geringer Scherfestigkeit in der Schnittzone. Diese Einschlüsse wirken als Kerbwirkung, schwächen den Stahl und ermöglichen so eine leichtere Verformbarkeit.

Edelstahl ist im Vergleich zu normalem Kohlenstoffstahl schlechter bearbeitbar, da er zäher und zäher ist und schnell zur Kaltverfestigung neigt. ^{[ 5 ]} Durch leichtes Härten des Stahls lässt sich seine Zähigkeit verringern und die Bearbeitung erleichtern. Die AISI-Sorten 303 und 416 sind aufgrund der Zugabe von Schwefel und Phosphor leichter zu bearbeiten . ^{[ 13 ]}

Aluminium ist ein deutlich weicheres Metall als Stahl, und die Verfahren zur Verbesserung seiner Bearbeitbarkeit beruhen üblicherweise darauf, es spröder zu machen. Die Legierungen 2007, 2011 und 6020 weisen eine sehr gute Bearbeitbarkeit auf. ^{[ 13 ]}

Thermoplaste sind aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit schwer zu bearbeiten. ^{[ 12 ]} Dadurch entsteht Wärme, die sich in der Schnittzone staut, die Werkzeugstandzeit verkürzt und den Kunststoff lokal anschmelzen lässt. Sobald der Kunststoff geschmolzen ist, fließt er um die Schneidkante herum, anstatt abgetragen zu werden. Die Bearbeitbarkeit lässt sich durch den Einsatz von Kühlmittel mit hoher Schmierfähigkeit und durch Spanfreiheit im Schnittbereich verbessern.

Bei Verbundwerkstoffen ist die Bearbeitbarkeit oft am schlechtesten, da sie die schlechte Wärmeleitfähigkeit eines Kunststoffharzes mit den zähen oder abrasiven Eigenschaften des Fasermaterials (Glas, Kohlenstoff usw.) kombinieren.

Die Bearbeitbarkeit von Gummi und anderen weichen Werkstoffen verbessert sich durch den Einsatz eines Kühlmittels mit sehr niedriger Temperatur, beispielsweise flüssigem Kohlendioxid . Die niedrigen Temperaturen kühlen das Material vor dem Schneiden ab, sodass es sich nicht verformen oder an der Schneide haften bleiben kann. Dies führt zu geringerem Werkzeugverschleiß und erleichtert die Bearbeitung.

• Bearbeitungsschwingungen

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003). Werkstoffe und Prozesse in der Fertigung (9. Aufl.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4Die
• Schneider, George Jr. (2002). Anwendungen von Schneidwerkzeugen (PDF) . Archiviert vom Original (PDF) am 30. November 2006.

• Bearbeitbarkeitsbewertungen aus einer Branchenpublikation