Obrabialność

Skrawalność jest właściwością materiału przez obróbkę , aby to przetwarzane. Jest to jeden z najważniejszych parametrów materiałów inżynierii mechanicznej.DIN 6583 definiuje obrabialność jako „[...] właściwość przedmiotu lub materiału, który można obrabiać w danych warunkach”. Odpowiednio, lejność , formowalność i spawalność rozumiane są jako właściwości materiałów, które mogą być przetwarzane przez odlewanie , formowanie lub spawanie .

Obróbka, taka jak toczenie , frezowanie i wiercenie , zmienia kształt obrabianych przedmiotów. Materiały łatwo obrabialne wykazują po obróbce gładkie powierzchnie, wytwarzają wióry , które nie utrudniają procesu produkcyjnego, siły skrawania są niskie, a żywotność narzędzi długa. Często niektóre, ale nie wszystkie z tych kryteriów są łatwo osiągalne. To, czy materiał może być dobrze obrabiany, zależy zatem również od wymagań. Ze względu na duże wykorzystanie stali i żeliwa duże znaczenie ma również skrawalność stali i żeliwa . W obu przypadkach zależy to od dokładnego rodzaju materiału, najczęściej spotykane typy (stal konstrukcyjna i żeliwo z grafitem płytkowym) są uważane za łatwe w obróbce.

Czynniki wpływające

Obrabialność materiału zależy od wielu parametrów. Zwykle ważnymi czynnikami są siła i wytrzymałość . Na przykład materiały o wysokiej wytrzymałości są trudniejsze do obróbki, ponieważ do obróbki wymagane są wyższe siły skrawania, a tym samym wyższa energia.

Ważne są również inne czynniki, takie jak przewodność cieplna materiału. Z tego powodu materiały o niskiej przewodności cieplnej, takie jak tworzywa sztuczne, są trudniejsze w obróbce, ponieważ powstające ciepło tarcia nie może być wystarczająco szybko odprowadzone.

Ilościowa ocena skrawalności jest trudna, ponieważ zależy nie tylko od materiału, ale również od warunków obróbki. Pod tym pojęciem rozumie się rozmiary wiórów i rozmiary interwencji, głębokość i szerokość skrawania, a także prędkość skrawania i materiał skrawający (materiał narzędzia). Wpływ ma również zastosowanie smarów chłodzących . Ponadto różne procesy produkcyjne wymagają również różnych warunków skrawania.

Kwantyfikacja skrawalności

Zmienne wpływające na kompleks obrabialności nie tylko są zmienne, ale również sama obliczalność skrawalności nie jest trywialna. Istnieje kilka parametrów, które można wykorzystać do ilościowego opisu obrabialności.

Żywotność narzędzia

Żywotność narzędzia to czas, w którym narzędzie może obrabiać materiał w określonych warunkach, zanim będzie musiał zostać wymieniony. W dużej skali żywotność narzędzia jest ważna, ponieważ ma duże znaczenie dla interwałów konserwacji maszyn i zużycia narzędzi, a tym samym dla kosztów obróbki.

Jednak trwałość narzędzia nie jest bezwzględną miarą skrawalności materiału, ponieważ zależy nie tylko od materiału, ale także od warunków obróbki (np. prędkości skrawania) i narzędzia.

Zużycie narzędzia

Zużycie narzędzia jest kolejnym kryterium oceny obrabialności. Ma bezpośredni wpływ na żywotność. Jednak na siłę skrawania wpływa również zużycie narzędzia, ponieważ zużyte, stępione narzędzie wymaga większej siły skrawania. Jakość powierzchni materiału również spada wraz ze wzrostem zużycia narzędzia. Jako miara zużycia narzędzia służąca szerokości zużycia lub głębokości szorowania .

Siła cięcia

Siła cięcia ma znaczenie dla opłacalności procesu cięcia, ponieważ jest bezpośrednio związana ze zużyciem energii. Napędy maszyn mogą zapewnić jedynie ograniczoną moc, która jest obliczana jako iloczyn siły skrawania i efektywnej prędkości. Im większe siły występują, tym mniejsza musi być prędkość skrawania, co prowadzi do wydłużenia czasu obróbki.

Wykończenie powierzchni

Ważnym kryterium jakości gotowego przedmiotu obrabianego jest jego jakość powierzchni . Zwykłe parametry chropowatości są używane jako parametry jakości powierzchni .

Kształt wióra

Kształt układ umożliwia bezpośrednie wyciąganie wniosków o procesie obróbki, co ma wpływ na zużycie narzędzia i jakość powierzchni. Pożądane jest pośrednie między krótkimi, zwartymi wiórami, które umożliwiają łatwe usuwanie, a długimi, równymi wiórami, które zapewniają wyższą jakość powierzchni obrabianego przedmiotu. Jeśli wióry są zbyt długie, istnieje ryzyko, że np. podczas wiercenia zakleszczą się i zablokują odprowadzanie wiórów, co prowadzi do złamania lub przynajmniej zwiększonego zużycia narzędzia. Frytki, które zwijają się spiralnie, są tańsze niż te, które składają się w kształt leporello , ponieważ te drugie wiążą się z dużym ryzykiem zakleszczenia.

Wpływ warunków obróbki

Prędkość cięcia i posuw

Zasadniczo pożądana jest obróbka z możliwie najwyższymi prędkościami skrawania i dużymi posuwami. To umożliwia cykle być zminimalizowane. Jednak słaba skrawalność czasami wymaga drastycznego zmniejszenia tych parametrów prędkości, jeśli zbyt wysokie prędkości skutkowałyby niedopuszczalnie wysokim zużyciem narzędzia, a tym samym krótką trwałością narzędzia i nieodpowiednią jakością powierzchni.

Smar chłodzący

Wszystkie kryteria oceny skrawalności można poprawić, stosując środek chłodząco-smarujący . Głównymi zadaniami środka chłodząco-smarującego są chłodzenie i smarowanie procesu obróbki. Chłodzenie zapewnia, że ​​narzędzie i obrabiany przedmiot nie przegrzewają się miejscowo. Ta obniżona temperatura skrawania powoduje mniejsze zużycie. Pozwalając na mniejsze siły skrawania, smarowanie prowadzi również do mniejszego zużycia i mniejszego zużycia energii. Dodatkowo smarowanie poprawia chropowatość powierzchni.

Obrabialność niektórych materiałów

Materiały żelazne

Kolorowych materiałów są materiały, które zawierają głównie żelazo. Rozróżnia się stal i żeliwo.

Stale

Najczęściej obrabianym materiałem jest stal . Wraz z żeliwem należy do grupy materiałów żelaznych i charakteryzuje się zawartością węgla poniżej 2%, podczas gdy żeliwo zawiera ponad 2%. Stale to bardzo różnorodne materiały. Ich obrabialność zależy przede wszystkim od struktury, która z kolei zależy od dokładnej zawartości węgla i stanu obróbki cieplnej. Istotną rolę odgrywają również liczne pierwiastki stopowe. Niektóre są celowo dodawane do stopu w celu poprawy skrawalności, inne w celu zwiększenia właściwości, takich jak wytrzymałość, przy czym pogorszenie skrawalności jest akceptowane w celu uzyskania lepszych właściwości użytkowych. Inne pierwiastki, takie jak fosfor, są w rzeczywistości niepożądane, ale poprawiają skrawalność.

żeliwo

Żeliwo wraz ze stalą jest materiałem żelaznym i charakteryzuje się zawartością węgla powyżej 2%. Żeliwo jest bardzo często używane, daje się bardzo dobrze wylewać, ale nie można go przerabiać. Kształtowanie odbywa się zatem głównie przez odlewanie, a następnie obróbkę dokładną przez obróbkę skrawaniem.

Obrabialność zależy w dużej mierze od struktury i precyzyjnego formowania grafitu. Rodzaje żeliwa z dużą zawartością cementytu są bardzo trudne w obróbce. Inne gatunki zawierające ferryt lub perlit są uważane za łatwiejsze w obróbce ze względu na osadzony grafit, ponieważ materiał jest przerywany przez grafit, a tym samym ma niższą wytrzymałość, co prowadzi do mniejszych sił skrawania i łatwiejszego łamania wiórów. Ponadto grafit działa smarująco na powierzchnię natarcia, tworząc w ten sposób warstwę ochronną, dzięki czemu żywotność może być bardzo długa.

Metale nieżelazne

Aluminium i stopy aluminium

Uważa się, że aluminium i stopy aluminium są łatwe w obróbce. Jest to szczególnie w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w motoryzacji ważnym materiałem konstrukcyjnym, który jest dobry ze względu na odpowiednią lekkość . Do 90% surowych części jest obrabianych maszynowo. Jednak gatunki o niskiej wytrzymałości mogą tworzyć długie wióry i mają tendencję do przyklejania się do krawędzi skrawającej. Siły skrawania są na ogół niskie, zużycie zależy od konstrukcji. Aluminium i jego stopy doskonale nadają się do obróbki szybkościowej . Temperatury, które występują to tylko około 300°C, co jest bardzo niskie w porównaniu z temperaturami występującymi przy stali, ale stosunkowo wysokie w porównaniu z temperaturą topnienia stopów aluminium (od 580°C do 660°C). Prędkość skrawania może zmieniać się w szerokich granicach, w dół jest ograniczona przez narost na krawędzi, a w górę przez temperaturę topnienia. Pomimo niewielkich sił skrawania, napędy są wymagane ze względu na wysokie prędkości skrawania, które muszą dostarczać około pięciokrotnie większą moc niż jest to konieczne do obróbki stali. Stale szybkotnące są używane jako materiały skrawające do prostej obróbki, takiej jak wiercenie. Często rodzaje twardych metali są oparte na węgliku wolframu. Z drugiej strony gatunki z tytanem lub tantalem nie są odpowiednie, ponieważ pierwiastki te wchodzą w reakcje chemiczne z aluminium. Dlatego też powłoki nie są odpowiednie. Ceramika do cięcia nie jest również odporna chemicznie i bardzo szybko się zużywa. Diament natomiast doskonale nadaje się do obróbki aluminium i jest stosowany ze względu na bardzo długą żywotność i wysoką jakość powierzchni. Jest to szczególnie korzystne przy obróbce luster. Zużycie jest zwykle niewielkie, ale niektóre stopy zawierają twarde dodatki ścierne, które zwiększają zużycie, ale poprawiają łamanie wiórów. Zużycie jest prawie zawsze na otwartej przestrzeni; Zużycie kraterowe występuje tylko w przypadku wysoce ściernych elementów konstrukcyjnych przy dużych prędkościach skrawania.

Dokładne warunki zależą w dużej mierze od stopu.

• Materiały miękkie, takie jak nieutwardzalne stopy do obróbki plastycznej i utwardzalne w stanie miękkim, mają tendencję do wytwarzania długich wiórów i tworzenia narostów na krawędziach. Jakość powierzchni jest raczej słaba, można ją poprawić przy dużych prędkościach skrawania. Jeśli to możliwe, takie materiały są obrabiane po formowaniu na zimno, ponieważ umocnienie przez zgniot prowadzi do korzystniejszych kształtów wiórów i powierzchni.
• Trwalsze materiały, takie jak utwardzane stopy do obróbki plastycznej, są zwykle łatwiejsze w obróbce
• Stopy odlewnicze często zawierają krzem, który ma działanie ścierne. Im wyższa zawartość krzemu, tym większe zużycie narzędzia. Kształty wiórów są dobre.

Ponieważ aluminium ma tendencję do przyklejania się, często jest obrabiane pod dużym kątem natarcia.

Tytan i stopy tytanu

Tytan i stopy tytanu są uważane za materiały trudne do obróbki. Jego wytrzymałość jest stosunkowo duża, wytrzymałość związana z masą jest nawet wyższa niż stali czy aluminium, dlatego dobrze nadaje się do lekkich konstrukcji . Zastosowania w lotnictwie i sporcie. Jest biologicznie kompatybilny i dlatego nadaje się również do implantów.

Przewodność cieplna tytanu jest bardzo niska, co oznacza, że ​​narzędzie musi odprowadzać do 80% ciepła. W przypadku stali to tylko około 20%. Pył tytanowy może być wytwarzany podczas obróbki na sucho. Ponieważ jest to wysoce łatwopalny (temperatura zapłonu 33 ° C), pył tytanowy może eksplodować. Maszyny są zatem wyposażone w systemy gaszenia dwutlenkiem węgla. Do cięcia na mokro stosowany jest środek chłodząco-smarujący na bazie oleju przy niskich prędkościach skrawania. Stosowane są smary zawierające fosfor i chlor, ale stężenie chloru powinno wynosić tylko 0,01% podczas obróbki wysoko obciążonych wirników silnika, w przeciwnym razie powierzchnia jest zbyt słaba. Przy wyższych prędkościach skrawania stosuje się smary chłodzące na bazie wody, które mogą lepiej rozpraszać ciepło. Tytan ma specjalne formowanie wiórów, z wiórami piłokształtnymi, które jest podobne do formowania wiórów przy obróbce wysokoobrotowej . Jako materiał tnący stosuje się zwykle węglik wolframu. Ceramika reaguje chemicznie z tytanem i dlatego bardzo szybko się zużywa.

Stopy magnezu i magnezu

Magnez i stopy magnezu są często używane do lekkiej konstrukcji ze względu na ich małą gęstość. Są one w większości przetwarzane przez odlewanie ciśnieniowe ; Odlewanie piaskowe lub stopy do obróbki plastycznej mają zatem drugorzędne znaczenie. Magnez występuje w heksagonalnej strukturze sieci poniżej 225°C, która ma tylko dwie płaszczyzny poślizgu i dlatego jest krucha. Powyżej tej temperatury powstaje sześcienna struktura sieciowa i materiał staje się plastyczny.

Magnez ma tendencję do tworzenia wiórów płytkowych . Odległość między lamelami zależy od częstotliwości zmiany siły cięcia. Może mieć na nią wpływ para materiału do cięcia materiału oraz trybologia interfejsu, na którą ma wpływ prędkość posuwu i prędkość skrawania. Dynamiczne obciążenie narzędzia można zatem dostosować do jego nośności poprzez odpowiedni dobór wartości skrawania. Na spodniej stronie chipa temperatura zostaje podniesiona, dzięki czemu lamele chipa są tam połączone przez uplastycznienie. Powoduje to łatwe łamanie wiórów i krótkie wióry.

Geometrii krawędzi tnącej jest podobna do tej stosowanej do obróbki aluminium. Podczas obróbki precyzyjnej sztywność przedmiotu obrabianego może ograniczać wartości skrawania.

Stopy magnezu zawierają tylko kilka składników ściernych, dzięki czemu żywotność jest długa. Dotyczy to również stref brzegowych detali, ponieważ zostały one w większości wykonane metodą odlewania ciśnieniowego. Przyczepność, czyli skłonność materiału do przyklejania się do krawędzi skrawającej, jest niska. W związku z tym rzadko występują narosty na krawędziach. Ponieważ temperatura topnienia wynosi około 420°C do 435°C, temperatura na narzędziu jest tylko niska.

Jako materiały tnące stosuje się stale szybkotnące, twarde metale i diament. Często stosuje się bardzo drobnoziarniste węgliki z grupy N10/20 lub węgliki z nasypem diamentowym. Umożliwia to wysokie prędkości skrawania i posuwy. Ponadto te materiały skrawające są bardzo odporne na zużycie, co zapewnia wysoki poziom niezawodności procesu. Stopy magnezu mają tendencję do tworzenia pseudoodprysków . Siła cięcia jest niewielka i mniej więcej taka sama jak w przypadku podeutektycznych stopów aluminium.

Miedź i stopy miedzi

Miedź i stopy miedzi znajdują zastosowanie w klimatyzacji, technicznym sprzęcie budowlanym, technologii spożywczej, instalacjach i aparaturze chemicznej oraz armaturze . Stopy miedzi składają się w co najmniej 50% z miedzi i są zwykle uważane za łatwe w obróbce. Najważniejszymi pierwiastkami stopowymi są cyna ( brąz ), cynk ( mosiądz ), aluminium ( brąz aluminiowy ), nikiel i krzem. Szczególne tnie stopy, jak z wolnej cięcia stali zawierać niewielkie ilości ołowiu, siarki, selenu i telluru, które przede wszystkim wspierać łamanie wióra.

Stopy miedzi dzieli się zwykle na stopy do obróbki plastycznej (do formowania ) oraz stopy odlewnicze do odlewania. W obrębie tych dwóch grup zwykle dokonuje się podziału według pierwiastków stopowych. Ponieważ jednak grupy o tym samym składzie mogą się znacznie różnić pod względem ich obrabialności, schemat ten nie jest odpowiedni. Zamiast tego rozróżnia się następujące trzy grupy:

1. Czysta miedź i stopy z cynkiem, cyną, niklem i aluminium, o ile tworzą tylko jednorodny mieszany kryształ. Dotyczy to przede wszystkim mosiądzu. Stopy te charakteryzują się wysoką formowalnością i mogą być formowane na zimno. Uważa się, że skrawalność jest raczej słaba.
2. Stopy z cynkiem, cyną, niklem, aluminium i krzemem, które tworzą drugi mieszany kryształ, ale bez dodatków łamiących wióry. Stopy te są twardsze i mocniejsze, mają mniejszą podatność na formowanie i są łatwiejsze w obróbce. Do tej grupy należy w szczególności srebro niemieckie , które składa się z miedzi-cyny-cynku lub miedzi-niklu-cynku.
3. Stopy automatowe zawierające dodatki ołowiu, siarki, selenu i telluru poprawiające łamanie wiórów. Są bardzo łatwe w obróbce.

Odlewane elementy mają bardzo trudną do obróbki warstwę odlewaną. Z drugiej strony materiał rdzenia może być zwykle bardzo dobrze obrabiany. Stopy formowane na zimno do obróbki plastycznej charakteryzują się zwiększoną wytrzymałością, co ma pozytywny wpływ na łamanie wiórów. Stopy utwardzalne wydzieleniowo obrabiane są przeważnie w stanie miękkim. Tylko obróbka dokładna poprzez szlifowanie lub polerowanie odbywa się w stanie utwardzonym.

W niskich temperaturach i przy ciągłym tworzeniu się wiórów mogą powstawać narosty na krawędziach, które prowadzą do zwiększonego zużycia. Ze względu na dużą twardość i wysoką plastyczność niklu, żywotność jest krótsza niż w przypadku mosiądzu, który również ma tendencję do adhezji i tworzenia narostów. Węgliki z grupy K10/20 stosowane są jako materiały skrawające do frezowania HSC. Typy, które mają tendencję do przywierania, takie jak czysta miedź, można niedrogo obrabiać diamentem jako materiałem tnącym, ponieważ umożliwia to również uzyskanie wysokiej jakości powierzchni. Z drugiej strony cięcie ceramiki jest nieodpowiednie, ponieważ mają tendencję do sklejania się.

Siła skrawania jest znacznie niższa niż w przypadku stali i zmniejsza się wraz ze wzrostem prędkości skrawania. Przy wzroście z 5 m/min do 160 m/min spada do około 33%. Dalszy wzrost prowadzi tylko do nieznacznego zmniejszenia siły skrawania, która asymptotycznie zbliża się do wartości granicznej. Ponieważ w praktyce prędkości skrawania przekraczają 160 m/min, wpływ prędkości skrawania jest znikomy.

Zużycie powierzchni bocznych oraz powstawanie narostu prowadzi do słabych powierzchni. Ponieważ materiały miedziane mają tylko niski moduł sprężystości , cienkościenne przedmioty obrabiane mogą się wypaczać, co może również prowadzić do błędów wymiarowych i naprężeń wewnętrznych. Niska siła skrawania może w tym przypadku prowadzić do poprawy, podobnie jak stosowanie środków chłodząco-smarujących.

Te kształty chipowe niklu srebra różnią się znacznie w zależności od elementów stopowych i ich treści, ale są one głównie do użytku. Czysta miedź ma tendencję do wytwarzania długich wiórów wstęgowych. Z drugiej strony stopy automatowe tworzą krótkie wióry łamliwe.

drewno

Większość drewna można dobrze obrabiać. Jest to szczególnie ważne, jeśli są rozdzielone w kierunku słojów. Jeżeli są one obrabiane prostopadle do tego, co jest konieczne dla tzw. drewna czosnkowego, mogą wystąpić wypryski.

Plastikowy

literatura

• Eberhard Paucksch, Sven Holsten, Marco Linß, Franz Tikal: Technologia obróbki. Wydanie XII. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0279-8 .
• Fritz Klocke, Winfried König: Proces produkcyjny I. Wydanie ósme. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg/Nowy Jork 2008, ISBN 978-3-540-23458-6 .

Indywidualne dowody

1. ↑ DIN 6583 , 1981, s. 1.
2. ↑ Klocke, König: Proces produkcyjny 1 - toczenie, frezowanie, wiercenie , Springer, wydanie 8, 2008, s. 260.
3. ↑ Herbert Schönherr: Produkcja obróbkowa. Oldenbourg, 2002, s. 60.
4. ^ Fritz Klocke, Wilfried König: Proces produkcyjny. Tom 1: toczenie, frezowanie, wiercenie. Wydanie ósme. Springer, 2008, s. 307.
5. ^ Aluminiowa siedziba w Düsseldorfie (red.): Aluminiowa oprawa miękka. Tom 3: Dalsza obróbka i zastosowanie. 16. edycja. Aluminium-Verlag, 2003, s. 13-27.
6. ^ JR Davis: Aluminium i stopy aluminium. Wydanie IV. ASM International, 1998, s. 328-332.
7. ^ Friedrich Ostermann: Technologia aplikacji aluminium. 3. Wydanie. Springer, rok ?, s. 567-581.
8. ↑ Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. Wydanie II. Hanser, Monachium 2014, s. 1274–1276.
9. ^ Edward M. Trent, Paul K. Wright: Cięcie metalu. Wydanie IV. Butterworth-Heinemann, 2000, s. 303-306.
10. ^ Fritz Klocke, Wilfried König: Proces produkcyjny. Tom 1: toczenie, frezowanie, wiercenie. Wydanie ósme. Springer, 2008, s. 321-325.
11. ^ Fritz Klocke, Wilfried König: Proces produkcyjny. Tom 1: toczenie, frezowanie, wiercenie. Wydanie ósme. Springer, 2008, s. 341-345.
12. ↑ Bernd Wittchen, Elmar Josten, Thomas Reiche: Holzfachkunde. Wydanie IV. Teubner, 2006, ISBN 3-519-35911-1 , s. 141.