Bearbeitbarkeit von Werkstoffen verstehen: Bewertung, Faktoren und Vergleich

Ob Sie Metalle, Kunststoffe oder andere technische Werkstoffe bearbeiten – die Bearbeitbarkeit hat direkten Einfluss auf die Fertigungskosten. Schwer zerspanbare Werkstoffe erfordern unter Umständen geringere Schnittgeschwindigkeiten, häufigere Werkzeugwechsel, längere Zykluszeiten und zusätzliche Nachbearbeitung, was die Kosten des Endprodukts erhöht. Daher ist die Bearbeitbarkeit ein entscheidender Faktor bei der Wahl eines Werkstoffs, der das beste Verhältnis zwischen Leistung und Kosten bietet.

Die Bearbeitbarkeit kann sich auch indirekt auf die Leistung eines fertigen Bauteils auswirken. Schwer zerspanbare Werkstoffe neigen eher zu mangelhafter Oberflächengüte, Graten, Eigenspannungen oder Bearbeitungsfehlern, was lokale Spannungskonzentrationen verursachen und das Risiko von Rissen im Betrieb erhöhen kann.

In diesem Artikel erklären wir, was Bearbeitbarkeit ist, warum sie sowohl für die Kosten der CNC-Bearbeitung als auch für die Bauteilleistung wichtig ist und welche Material- und Prozessfaktoren sie beeinflussen. Falls die Bearbeitbarkeit die Materialwahl erschwert, finden Sie in diesem Artikel auch praktische Tipps zur Materialauswahl.

Was bedeutet Bearbeitbarkeit?

Die Bearbeitbarkeit beschreibt, wie leicht sich ein Metall, Kunststoff oder ein anderes Material mit Werkzeugen zerkleinern und formen lässt. Sie wird üblicherweise als relatives Verhältnis und nicht als absoluter Wert angegeben. Einem Referenzmaterial wird in der Regel ein Basiswert zugewiesen, mit dem andere Materialien prozentual verglichen werden. Im Allgemeinen bedeutet eine höhere Bearbeitbarkeit, dass sich das Material leichter bearbeiten lässt, während eine niedrigere Bearbeitbarkeit auf größere Schwierigkeiten hinweist.

Bearbeitbarkeit vs. Bearbeitungseigenschaften

Die Unterschiede in der Bearbeitbarkeit und den Bearbeitungseigenschaften werden in der folgenden Tabelle beschrieben:

Ist die Bearbeitbarkeit wichtig?

Ja, die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen beeinflusst nicht nur die Bearbeitungskosten, sondern auch Lieferzeiten, Bauteilleistung, Lebensdauer und Produktionsausbeute. Die Bearbeitbarkeit sollte jedoch erst dann berücksichtigt werden, wenn die funktionalen Anforderungen des Bauteils erfüllt sind. Wichtige Leistungsanforderungen dürfen nicht vernachlässigt werden, nur um einen Werkstoff leichter bearbeitbar zu machen.

Welche Faktoren können die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen beeinflussen?

Die Bearbeitbarkeit ist keine feste Eigenschaft. Derselbe Werkstoff weist unter verschiedenen Bedingungen eine unterschiedliche Bearbeitbarkeit auf. Legierungselemente, die während der Werkstoffherstellung hinzugefügt werden, können die Zerspanbarkeit beeinflussen, und auch eine Wärmebehandlung vor der CNC-Bearbeitung kann die Bearbeitbarkeit erheblich verändern. Im Folgenden untersuchen wir, wie diese Faktoren die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen beeinflussen.

Chemische Zusammensetzung

Die Härte ist der entscheidende Faktor für die Bearbeitbarkeit, da jedes Element in der chemischen Zusammensetzung neue Eigenschaften hinzufügt. Elemente wie Ti, V, Nb und W können sich mit Kohlenstoff zu sehr harten Verbindungen wie TiC, VC, NbC und WC verbinden. Beispielsweise kann die Zugabe von Titan zu kohlenstoffarmem Stahl dessen Härte und Festigkeit durch die Bildung feiner TiC- oder Ti(C,N)-Ausscheidungen erhöhen. Mit zunehmender Härte des Materials steigen die erforderlichen Schnittkräfte und der Werkzeugverschleiß, was die Bearbeitbarkeit verringert.

Mikrostruktur

Die Mikrostruktur beschreibt die Ausrichtung der Körner. Nach dem Abschreckprozess beispielsweise sind die Körner nicht geordnet, sondern lagern sich in einer martensitischen Mikrostruktur aneinander, was zu einer schlechten Bearbeitbarkeit führt.

Materieller Zustand

Wärmebehandlungsverfahren wie Normalisieren, Glühen und Anlassen können die Bearbeitbarkeit eines Werkstoffs verändern, da sie dessen Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften beeinflussen. In diesem Zusammenhang bedeutet Werkstoffzustand, dass sich dieselbe Legierung je nach ihrem Zustand sehr unterschiedlich bearbeiten lässt. Zum Beispiel:

Materialoberfläche

Die raue Oberfläche der Werkstoffe führt aufgrund instabilen Werkzeugeingriffs zu schlechter Zerspanbarkeit. Ein Werkstoff mit gehärteter Oberfläche weist ebenfalls schlechte Zerspanbarkeit auf, da höhere Schnittkräfte erforderlich sind.

Wie berechnet man die Zerspanbarkeit von Werkstoffen?

Tatsächlich ist die Bearbeitbarkeit keine absolute, sondern eine relative Eigenschaft. Die Bearbeitbarkeit von Werkstoffen wird mit folgenden Methoden berechnet:

Referenzmaterial auswählen

Zunächst wird das Referenzmaterial ausgewählt. Dabei handelt es sich um ein Material, dem eine Zerspanbarkeitsrate von 100 % zugewiesen wird. Häufig wird Automatenstahl nach AISI B1112 als Referenzmaterial verwendet.

Schnittgeschwindigkeit messen

Anschließend wird die Schnittgeschwindigkeit aus der Spindeldrehzahl und dem Werkzeugdurchmesser berechnet. Die maximale Schnittgeschwindigkeit des Prüfmaterials wird unter den gleichen Bearbeitungsbedingungen wie beim Referenzmaterial ermittelt.

Formel zur Berechnung der Bearbeitbarkeit

Formel:

Bearbeitbarkeitsgrad in % = (Schnittgeschwindigkeit des Testmaterials / Schnittgeschwindigkeit des Standardmaterials) x 100

Die Zerspanbarkeitsklasse gibt an, wie leicht ein Material unter gegebenen Bedingungen geschnitten, gebohrt oder bearbeitet werden kann.

Welche Werkstoffe sind bearbeitbar?

Die Werkstoffe unterscheiden sich hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung, Mikrostruktur und Kristallstruktur. Daher ist auch ihre Bearbeitbarkeit unterschiedlich.

Bearbeitbarkeit von Metallen

Stahl, Aluminium und Kupfer sind gängige Metalle, die weltweit in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Jedes dieser Metalle weist jedoch unterschiedliche Bearbeitungseigenschaften auf.

Bearbeitbarkeit von Stahl

Weltweit werden Tausende von Stahlsorten verwendet. Nachfolgend die Bearbeitbarkeitsbewertung gängiger Stahlsorten (Referenz: AISI B1112 = 100 %):

Die Bearbeitbarkeit der einzelnen Stahlsorten ist aufgrund ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung verschieden. Beispielsweise enthält AISI 1018 nur 0.18 % Kohlenstoff und ist daher duktil und gut bearbeitbar. AISI 1095 hingegen weist einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt auf, was ihn zu einem sehr schwer zu bearbeitenden Metall macht.

Bearbeitbarkeit von Aluminium und Legierungen

Reines Aluminium ist aufgrund seiner im Vergleich zu Aluminiumlegierungen weichen Beschaffenheit, bedingt durch deren chemische Zusammensetzung, leicht zu bearbeiten. Bearbeitbarkeitsgrad gängiger Aluminiumlegierungen (Referenz: AISI B1112 = 100 %):

Die Aluminiumlegierung 6061 ist aufgrund ihrer ausgewogenen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit die am weitesten verbreitete Legierung. 7075 ist eine Legierung in Luft- und Raumfahrtqualität mit sehr hoher Festigkeit. Von allen Aluminiumlegierungen weist lediglich die Legierung 1100 aufgrund ihrer sehr weichen Beschaffenheit eine schlechte Bearbeitbarkeit auf.

Bearbeitbarkeit von Kupfer

Kupfer findet aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in verschiedenen Bereichen Anwendung, insbesondere in der Elektronik. Messing C36000 zeichnet sich durch hervorragende Bearbeitbarkeit aus, während Bronze C95400 aufgrund ihrer hohen Festigkeit schwer zu bearbeiten ist.

Bearbeitbarkeit von Kunststoffen

Kunststoffe sind meist weich und daher schwer zu bearbeiten, da sie den Bearbeitungskräften nicht standhalten. Einige technische Kunststoffe sind jedoch bearbeitbar.

PEEK-Bearbeitbarkeit

PEEK ist ein thermoplastischer und technischer Kunststoff. Er bietet eine hohe Steifigkeit und Dimensionsstabilität und lässt sich daher leicht bearbeiten, da die Schnittkräfte die strukturelle Integrität nicht beeinträchtigen.

Bearbeitbarkeit von Nylon

Polyamid (PA), auch bekannt als Nylon, ist ein thermoplastisches Polymer mit guten mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zu PEEK ist es aufgrund seiner feuchtigkeitsabsorbierenden Eigenschaften schwieriger zu bearbeiten, da die Dimensionsstabilität beeinträchtigt wird. Es lässt sich jedoch sehr gut schneiden.

PVC-Bearbeitbarkeit

Polyvinylchlorid weist gute Eigenschaften auf. Es lässt sich sehr gut bearbeiten und ist formstabiler als Nylon. Allerdings stellt die thermische Zersetzung eine Einschränkung dar.

Bearbeitbarkeit von Polycarbonat

Es handelt sich um ein wärmeempfindliches und duktiles Polymer, das sich gut bearbeiten lässt. Aufgrund seiner Duktilität kommt es jedoch zu Schmierungs- und Spanbildungsproblemen.

Bearbeitbarkeit von Polypropylen

Polypropylen lässt sich zwar leicht schneiden, seine Bearbeitung ist jedoch aufgrund seiner thermischen und mechanischen Empfindlichkeit schwierig. Diese Empfindlichkeit führt zu Graten und Maßabweichungen.

Welche Werkstoffe sind nicht bearbeitbar?

Viele Werkstoffe lassen sich schlecht bearbeiten. Dazu gehören spröde Keramiken, Glas und Edelsteine. Die Sprödigkeit dieser Werkstoffe ist der Hauptgrund für ihre schlechte Bearbeitbarkeit, da sie keine plastische Verformung zeigen, sondern katastrophal versagen.

Bearbeitbarkeit und Verarbeitbarkeit: Worin bestehen die Unterschiede?

Obwohl Bearbeitbarkeit und Verarbeitbarkeit beide unter den Oberbegriff der Fertigung fallen, unterscheiden sie sich grundsätzlich voneinander.

Zweck

• Die Umwandlung eines Rohmaterials in das gewünschte Endprodukt durch Bearbeitungsprozesse wird als Bearbeitbarkeit bezeichnet.
• Wenn ein Rohmaterial ausschließlich durch plastische Verformung in das Endprodukt umgewandelt wird, spricht man von Verarbeitbarkeit.

Prozesse

Für die maschinelle Bearbeitung gibt es verschiedene CNC-Bearbeitungsvorgänge:

• Drehung
• Fräsen
• Zugewandt
• Bohren

Sie dienen der Erzielung hoher Präzision bei Abmessungen und Geometrien. Beispielsweise wird CNC-Präzisionsdrehen zur Bearbeitung von Wellen eingesetzt. Zu den Verfahren, die zur Formgebung des Rohmaterials in die gewünschte Form verwendet werden, gehören:

• Blechumformung
• Schmieden
• Extrusion

Messung

Die Bearbeitbarkeit wird gemessen mit:

• Standzeit
• Oberflächengüte
• Schnittkräfte
• Spanbildung
• Leistungsaufnahme

Die Verarbeitbarkeit kann gemessen werden anhand folgender Kriterien:

• Zugversuch
• Kompressionstest
• Biegetest
• Grenzformdiagramm

Materielle Faktoren

Verschiedene Materialeigenschaften, wie z. B. die Mikrostruktur (feine Körner führen zu gleichmäßigem Schnitt), die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst die Wärmespeicherung, eine hohe Härte führt zu schlechter Bearbeitbarkeit usw. Faktoren wie Duktilität, Streckgrenze, Kaltverfestigung usw. beeinflussen die Verarbeitbarkeit.

Unterschiede zwischen Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit

Im Allgemeinen sind sowohl Bearbeitbarkeit als auch Umformbarkeit Eigenschaften eines Werkstoffs. Die Bearbeitbarkeit bezieht sich jedoch auf den Materialabtrag, die Umformbarkeit hingegen auf die Materialverformung.

Definition: Bearbeitbarkeit vs. Umformbarkeit

Zerspanbarkeit bezeichnet den Grad der Leichtigkeit, mit der ein Rohmaterial vom Zuschnitt bis zur endgültigen Form bearbeitet werden kann. Umformbarkeit ist die Fähigkeit eines Materials, die endgültige Form ohne Bruch oder Rissbildung allein durch plastische Verformung zu erreichen.

Primärprozesse

Die Bearbeitbarkeit wird durch verschiedene Bearbeitungsverfahren definiert, darunter CNC-Drehen, CNC-Fräsen, CNC-Plandrehen, CNC-Bohren usw. Die Umformbarkeit wird durch Verfahren definiert, bei denen Kräfte eingesetzt werden, um die Werkstoffe in die endgültige Form zu bringen. Zu diesen Verfahren gehören Biegen, Stanzen und Tiefziehen.

Schlüsselfaktoren: Bearbeitbarkeit vs. Umformbarkeit

Folgende Faktoren beeinflussen die Bearbeitbarkeit:

• Mikrostruktur des Materials: verzerrte Kornstruktur => geringe Bearbeitbarkeit
• Chemische Zusammensetzung: Legierungselemente, ein höherer Kohlenstoffanteil führt zu schlechteren Bearbeitungseigenschaften.
• Oberflächenbeschaffenheit: Korrodierte Oberflächen erfordern höhere Schnittkräfte
• Die Härte verhält sich umgekehrt proportional zur Bearbeitbarkeit.

Die Formbarkeit eines Materials wird beeinflusst durch:

• Dicke: Je größer die Dicke, desto schwieriger die Verformung.
• Die Kaltverfestigung führt zu höheren Kräften
• Je höher die Streckgrenze, desto höher sind die Kräfte, die erforderlich sind, um die plastische Verformung einzuleiten.

Typische Anwendungen

In Anwendungen wie beispielsweise:

• Gewindeschneiden und Lochen
• Luft- und Raumfahrtkomponenten
• Abschlussarbeiten
• Autoteile

Um eine höhere Präzision zu erreichen, ist Bearbeitbarkeit erforderlich.

Formbarkeit ist erforderlich in:

• Schmieden
• Wenden
• Extrusion
• Drahtziehen
• Blechumformung

CNC-Bearbeitung: Gute Bearbeitbarkeit vs. schlechte Bearbeitbarkeit

Lassen Sie uns die gute und schlechte Bearbeitbarkeit im Hinblick auf die CNC-Bearbeitung verstehen:

Schnittkraft

Bei gut bearbeitbaren Werkstoffen wie Aluminium werden im Vergleich zu schlecht bearbeitbaren Werkstoffen wie Wolfram geringere Schnittkräfte eingesetzt.

Werkzeugverschleiß

Bei schlecht zerspanbaren Werkstoffen, wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, ist der Werkzeugverschleiß aufgrund ihrer Härte hoch.

Spanbildung

Die Spanmorphologie unterscheidet sich bei Werkstoffen mit guter und schlechter Bearbeitbarkeit. Bei guter Bearbeitbarkeit entstehen segmentierte oder unterbrochene Späne, bei schlechter Bearbeitbarkeit hingegen nicht.

Oberflächenfinish

Aufgrund der besseren Bearbeitbarkeit lässt sich bei gut bearbeitbaren Werkstoffen im Vergleich zu schlecht bearbeitbaren Werkstoffen leichter eine glatte Oberflächenbeschaffenheit erzielen.

Schneidgeschwindigkeit

Bei gut bearbeitbaren Werkstoffen sind höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich, während bei schwer bearbeitbaren Werkstoffen nur niedrigere Schnittgeschwindigkeiten erlaubt sind, um die Standzeit der Schneidwerkzeuge zu erhalten.

Bearbeitungsanforderungen

Für gut bearbeitbare Werkstoffe können Standard-CNC-Werkzeuge verwendet werden, während für schlecht bearbeitbare Werkstoffe Spezialwerkzeuge benötigt werden.

Wie kann die Bearbeitbarkeit verbessert werden?

Obwohl die Bearbeitbarkeit eine relative Materialeigenschaft ist, kann sie aus Sicht der maschinellen Bearbeitung durch Anwendung der folgenden Tipps dennoch verbessert werden:

Wählen Sie Werkstoffe mit guter Bearbeitbarkeit.

Die Werkstoffauswahl richtet sich hauptsächlich nach den Anwendungsbereichen. Für manche Anwendungen können zwei verschiedene Werkstoffe verwendet werden. In solchen Fällen sollten gut zerspanbare Werkstoffe gewählt werden. Beispielsweise kann für die Massenproduktion von Verbindungselementen Automatenstahl anstelle von kohlenstoffarmem Stahl eingesetzt werden.

Schneidparameter richtig einstellen

Die Schnittparameter hängen von der Zerspanbarkeit des Materials ab. Beispielsweise sind bei schwer zerspanbaren Werkstoffen aufgrund spezifischer Anforderungen höhere Schnittgeschwindigkeiten, geringere Vorschübe usw. vorteilhaft.

Wählen Sie geeignete Schneidwerkzeuge aus

Die Auswahl der geeigneten Werkzeuge richtet sich nach der Bearbeitbarkeit der Werkstoffe. Beispielsweise werden für harte oder schwer bearbeitbare Werkstoffe Spezialwerkzeuge, wie etwa diamantbeschichtete Werkzeuge, verwendet.

Verbesserte Chipsteuerung

Die Bearbeitbarkeit kann durch eine verbesserte Spankontrolle verbessert werden, beispielsweise indem der Span zum Brechen oder festen Einrollen gezwungen wird, anstatt plastisch zu fließen.

Materialzusammensetzung modifizieren

Die Bearbeitbarkeit lässt sich auch durch Legieren verbessern. Beispielsweise wird Stahl Schwefel zugesetzt, um seine Bearbeitbarkeit zu erhöhen. Schwefel reagiert mit Mangan und bildet Mangansulfid-Ausscheidungen, die die Späne effizient brechen und so die Bearbeitbarkeit verbessern.

Vor der Bearbeitung eine Wärmebehandlung durchführen

Die Mikrostruktur des Werkstoffs verändert sich durch die Wärmebehandlung. Ein klassisches Beispiel hierfür ist die Martensitbildung beim Abschrecken von Stahl aus dem austenitischen Zustand in Wasser. Um den Stahl anschließend bearbeitbar zu machen, wird er angelassen.

Kann die Bauteilkonstruktion die Bearbeitbarkeit des Materials beeinflussen?

Die Konstruktion eines Bauteils hat einen großen Einfluss auf seine Bearbeitbarkeit. Vereinfacht gesagt: Je komplexer die Konstruktion, desto aufwändiger ist die Nachbearbeitung.

Einfluss der Bauteilkonstruktion auf die Bearbeitbarkeit des Materials

Die Konstruktion eines Bauteils beeinflusst dessen Bearbeitbarkeit durch folgende Faktoren:

Geometrien der Teile

Die Geometrie beeinflusst die Bearbeitbarkeit eines Bauteils durch Dicke, Zugänglichkeit der Merkmale, Oberflächenkontinuität, Ecken und Innenradien usw. Ein gängiges Beispiel ist eine gleichmäßige Dicke, die zu einem stabilen Schnitt und damit zu einer besseren Bearbeitbarkeit führt.

Toleranzanforderung

Engere Toleranzen bei der Konstruktion eines Bauteils erfordern eine aufwändigere Bearbeitung, wodurch die Bearbeitbarkeit dieses Bauteils reduziert wird.

Anforderungen an die Oberflächenqualität

Bei höherer Oberflächengüte ist eine intensivere Bearbeitung erforderlich.

Wie man die Bearbeitbarkeit durch Optimierung des Bauteildesigns verbessert

Durch Optimierung der Konstruktion kann die Bearbeitbarkeit des Bauteils verbessert werden:

Verwenden Sie eine geeignete Wandstärke

Verzichten Sie auf unnötige, sehr dünne Wände in der Konstruktion, da diese einen erhöhten Bearbeitungsaufwand und eine geringere Maßgenauigkeit zur Folge haben.

Vergrößern Sie die Eckradien

Scharfe Ecken in den Konstruktionen konzentrieren Spannungen und sollten daher vermieden werden. Durch die Reduzierung der Eckenradien lässt sich der Werkzeugverschleiß minimieren.

Tiefe Taschen und Karies reduzieren

Um das Gewicht von Bauteilen zu reduzieren, werden mitunter tiefe Taschen und Aussparungen eingebracht. Unnötige Taschen und Aussparungen erschweren jedoch die Bearbeitung des jeweiligen Bauteils.

Fazit

Die Zerspanbarkeit von Werkstoffen ist eine relative Eigenschaft, die von Material zu Material variiert. Wichtige Einflussfaktoren sind die chemische Zusammensetzung, das Mikrogefüge, die Oberflächenbeschaffenheit, die Wärmebehandlung und die Bauteilkonstruktion. Zur Messung der Zerspanbarkeit wird die Schnittgeschwindigkeit des zu untersuchenden Materials mit der eines Referenzmaterials verglichen. Umformbarkeit, Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit sind relevante Begriffe in der Fertigung, wobei die Prozesse zur Umwandlung des Rohmaterials in das Endprodukt unterschiedlich sind. Durch Optimierung der Wärmebehandlung und der Konstruktion lässt sich die Zerspanbarkeit verbessern.

FAQ

Sind Fertigung und Bearbeitung dasselbe?

Die Fertigung ist ein Oberbegriff, der alle Prozesse umfasst, die Rohmaterial in seine endgültige Form bringen. Die maschinelle Bearbeitung wandelt das Rohmaterial durch gezielte Schneidprozesse in die gewünschte Form um.

Welche Werkstoffe eignen sich gut für die Bearbeitung?

Zu diesen Werkstoffen gehören unter anderem Aluminium, Kupfer, kohlenstoffarmer Stahl und Edelstahl, da sie eine angemessene Festigkeit und Zähigkeit aufweisen und gut bearbeitbar sind.

Welches Material ist am schwierigsten zu bearbeiten?

Keramiken wie Aluminiumoxid sind aufgrund ihrer Härte und Sprödigkeit die am schwierigsten zu bearbeitenden Werkstoffe.