Forståelse av materialers maskinbarhet: Vurdering, faktorer og sammenligning

Enten du bearbeider metaller, plast eller andre tekniske materialer, har maskinbarhet en direkte innvirkning på produksjonskostnadene. Et materiale som er vanskelig å bearbeide kan kreve lavere skjærehastigheter, hyppigere verktøyskift, lengre syklustider og ekstra etterbehandling, som alle øker den endelige delkostnaden. Derfor er maskinbarhet viktig når man velger et materiale som gir den beste balansen mellom ytelse og kostnad.

Maskinbarhet kan også indirekte påvirke hvordan en ferdig del yter. Materialer som er vanskelige å maskinbearbeide kan være mer utsatt for dårlig overflatefinish, grader, restspenninger eller maskineringsfeil, noe som kan skape lokale spenningskonsentrasjoner og øke risikoen for sprekkdannelser under bruk.

I denne artikkelen forklarer vi hva maskinbarhet er, hvorfor det er viktig for både CNC-maskineringskostnader og delers ytelse, og hvilke material- og prosessfaktorer som påvirker det. Hvis maskinbarhet gjør det vanskelig å velge mellom materialer, finner du også praktiske råd om materialvalg i denne artikkelen.

Hva betyr maskinbarhet?

Maskinbarhet betyr hvor lett et metall, plast eller annet materiale kan kuttes og formes ved å fjerne materiale med maskineringsverktøy. Det uttrykkes vanligvis som et relativt forhold snarere enn en absolutt verdi. I stedet tildeles et referansemateriale vanligvis en grunnlinjevurdering, og andre materialer sammenlignes med det ved hjelp av en prosentandel. Generelt betyr en høyere maskinbarhetsvurdering at materialet er lettere å maskinere, mens en lavere vurdering indikerer større maskineringsvanskelighetsgrad.

Maskineringsevne vs. maskineringsegenskaper

Forskjellen i maskinbarhet og maskineringsegenskaper er beskrevet i følgende tabell:

Er maskinbarhet viktig?

Ja, materialenes maskinbearbeidbarhet påvirker ikke bare maskineringskostnadene, men påvirker også ledetid, delens ytelse, levetid og produksjonsutbytte. Maskinbearbeidbarhet bør imidlertid bare vurderes etter at delens funksjonelle krav er oppfylt. Viktige ytelseskrav bør ikke ofres bare for å gjøre et materiale enklere å maskinbearbeide.

Hvilke faktorer kan påvirke materialers maskinbarhet?

Maskinbarhet er ikke en fast egenskap. De samme materialene har ulik maskinbarhet under forskjellige forhold. Legeringselementer som tilsettes under materialproduksjon kan endre hvor lett materialet skjærer, og varmebehandling før CNC-maskinering kan også påvirke maskinbarheten betydelig. La oss her utforske hvordan disse faktorene påvirker materialenes maskinbarhet.

Kjemisk oppbygning

Det er den grunnleggende faktoren som påvirker maskinbarheten fordi hvert element i den kjemiske sammensetningen tilfører nye egenskaper. Elementer som Ti, V, Nb og W kan kombineres med karbon for å danne svært harde forbindelser som TiC, VC, NbC og WC. For eksempel kan tilsetning av titan til lavkarbonstål øke hardheten og styrken ved å danne fine TiC- eller Ti(C,N)-utfellinger. Etter hvert som materialet blir hardere, kreves det høyere skjærekrefter og verktøyslitasjen øker vanligvis, noe som reduserer maskinbarheten.

mikro

Mikrostrukturen betyr hvordan kornene er justert. For eksempel, etter bråkjølingsprosessen er kornene ikke ordnet i noen rekkefølge, men hoper seg opp i en martensittisk mikrostruktur, noe som resulterer i dårlig maskinbearbeidbarhet.

Materialtilstand

Varmebehandlingsforhold som normalisering, gløding og anløping kan endre et materiales maskinbearbeidbarhet fordi de endrer dets mikrostruktur og mekaniske egenskaper. I denne sammenhengen refererer materialtilstand til det faktum at den samme legeringen kan maskinbearbeides svært forskjellig avhengig av tilstanden den er i. For eksempel:

Materialenes overflate

Materialenes ru overflate fører til dårlig maskinbearbeidbarhet på grunn av ustabilt verktøyinngrep. Et materiale med herdet overflate viser dårlig maskinbearbeidbarhet fordi det kreves høyere skjærekrefter.

Slik beregner du maskinbarheten til materialer

Faktisk er maskinbarhet ikke en absolutt verdi, men en relativ egenskap. Materialenes maskinbarhet beregnes ved hjelp av følgende metoder:

Velg referansemateriale

Først velges referansematerialet. Det er materialet som har en maskinbarhetsgrad på 100 %. AISI B1112 automatstål brukes ofte som referansemateriale.

Mål skjærehastighet

Deretter beregnes skjærehastigheten ut fra spindelhastigheten og verktøyets diameter. Maksimal skjærehastighet for testmaterialet bestemmes under de samme prosesseringsforholdene som referansematerialet.

Formel for beregning av maskinbarhet

Formel:

Maskineringsbarhetsvurdering % = (skjærehastighet for testmateriale / skjærehastighet for standardmateriale) x 100

Maskinbarhetsvurdering står for hvor lett et materiale kan skjæres, bores eller maskineres under gitte forhold.

Hvilke materialer kan maskinbearbeides?

Materialene varierer fra hverandre basert på kjemisk sammensetning, mikrostruktur og krystallstruktur. Så maskinbearbeidbarheten til forskjellige materialer er forskjellig.

Maskinbarhet av metaller

Stål, aluminium og kobber er vanlige metaller som er mye brukt over hele verden i forskjellige applikasjoner. Men hvert metall har et ulikt nivå av maskinbarhet.

Bearbeidbarhet av stål

Det finnes tusenvis av stålkvaliteter som brukes i verden. Nedenfor finner du maskinbarhetsvurderingen for vanlige stålkvaliteter (referanse: AISI B1112 = 100 %):

Maskinbearbeidbarheten til hver kvalitet er forskjellig på grunn av den forskjellige kjemiske sammensetningen. For eksempel er det i AISI 1018 bare 0.18 % karbon, noe som gjør det til en duktil og svært maskinbearbeidbar kvalitet. Men i AISI 1095 er karboninnholdet veldig høyt, noe som gjør det til et veldig hardt metall å maskinere.

Maskinbarhet av aluminium og legeringer

Rent aluminium er lett å bearbeide fordi det er mykt sammenlignet med aluminiumlegeringer på grunn av den kjemiske sammensetningen. Maskineringsgrad for vanlige aluminiumlegeringer (referanse: AISI B1112 = 100 %):

6061 er den mest brukte Al-legeringen på grunn av sin balanserte styrke og korrosjonsbestandighet. 7075 er en legering av luftfartskvalitet som viser svært høy styrke. Av Al-legeringer er det bare 1100 som viser dårlig maskinbearbeidbarhet på grunn av sin svært myke natur.

Bearbeidbarhet av kobber

Cu brukes innen ulike felt, spesielt innen elektronikk på grunn av sin høyere konduktivitet. Messing C36000 viser utmerket maskinbearbeidbarhet, men bronse C95400 er vanskelig å bearbeide på grunn av sin høye styrke.

Maskinbarhet av plast

Plast er for det meste myk, og derfor vanskelig å bearbeide fordi den ikke tåler maskineringskrefter. Men noe konstruert plast er maskinbearbeidbar.

PEEK-maskinerbarhet

PEEK er en termoplastisk og konstruert polymer. Den gir høy stivhet og dimensjonsstabilitet, noe som gjør den enkel å maskinere fordi skjærekreftene ikke deformerer den strukturelle integriteten.

Nylon maskinbarhet

Polyamid (PA), også kjent som nylon, er en termoplastisk polymer og har gode mekaniske egenskaper. Sammenlignet med PEEK er det vanskelig å maskinere fordi det er vanskelig å opprettholde dimensjonsstabilitet på grunn av dets fuktighetsabsorberende egenskaper. Det er veldig lett å skjære.

PVC-maskinerbarhet

Polyvinylkloridpolymer viser gode egenskaper. Den er svært enkel å maskinere og opprettholder bedre dimensjonsstabilitet enn nylon. Termisk nedbrytning er imidlertid en grense.

Polykarbonat maskinbearbeidbarhet

Det er en varmefølsom og duktil polymer og er enkel å maskinere. Men dens duktile natur fører til problemer med kontroll av flekkdannelse og avskalling.

Polypropylen maskinbearbeidbarhet

Polypropylen er lett å skjære, men maskinbearbeidbarheten er utfordrende på grunn av termisk og mekanisk følsomhet. Denne følsomheten fører til grader og dimensjonsfeil.

Hvilke materialer er ikke maskinbearbeidbare?

Mange materialer har dårlig maskinbarhet. Disse materialene inkluderer sprø keramikk, glass og edelstener. Den sprø naturen til disse materialene er den grunnleggende årsaken til den dårlige maskineringen, fordi de ikke viser plastisk deformasjon, men svikter katastrofalt.

Maskinbarhet og bearbeidbarhet: Hvilke forskjeller er det?

Selv om maskinbarhet og bearbeidbarhet begge faller inn under det bredere begrepet produksjon, er de fundamentalt forskjellige fra hverandre.

Formål

• Å omdanne et råmateriale til det endelige ønskede produktet gjennom maskineringsprosesser kalles maskinbarhet.
• Hvis et råmateriale kun omdannes til sluttproduktet gjennom plastisk deformasjon, kalles det bearbeidbarhet.

prosesser

For maskinering, forskjellige CNC-maskineringsoperasjoner:

• Turning
• Fresing
• Vendt
• Drilling

De brukes til å oppnå høy presisjon i dimensjoner og geometrier. For eksempel brukes CNC-presisjonsdreiing til å maskinere aksler. For å oppnå bearbeidbarhet inkluderer prosessene som brukes for å gjøre råmaterialet til ønsket form:

• Arkforming
• Smiearbeid
• Ekstrudering

Måling

Maskinbarhet måles ved hjelp av:

• Verktøyets levetid
• Overflatebehandling
• Skjærekrefter
• Spondannelse
• Strømforbruk

Bearbeidbarhet kan måles ved hjelp av:

• Strekk test
• Kompresjonstest
• Bøyetest
• Formingsgrensediagram

Materielle faktorer

Ulike materialfaktorer, som mikrostruktur (fine korn gir jevn skjæring), varmeledningsevne som påvirker varmeakkumulering, høy hardhet resulterer i dårlig maskinbarhet, osv. Faktorer som duktilitet, flytegrense, deformasjonsherding, osv., påvirker bearbeidbarheten.

Forskjeller mellom maskinbarhet og formbarhet

Generelt sett er både maskinbarhet og formbarhet egenskaper ved et materiale. Maskinbarhet er imidlertid relatert til materialfjerning, og formbarhet er relatert til materialdeformasjon.

Definisjon: Maskinbarhet vs. formbarhet

Maskinbarhet betyr hvor lett det er å maskinere et råmateriale fra kutting til endelig form. Formbarhet er et materiales evne til å oppnå den endelige formen uten å svikte eller sprekke, kun gjennom plastisk deformasjon.

Primære prosesser

Maskineringsevne defineres gjennom ulike maskineringsprosesser, som inkluderer CNC-dreiing, CNC-fresing, CNC-planing, CNC-boring, osv. Formbarhet defineres av de prosessene der kraft brukes til å deformere materialene til den endelige formen. Disse prosessene er bøying, stempling og dyptrekking.

Nøkkelfaktorer: Maskinbarhet vs. formbarhet

Disse faktorene påvirker maskinbarheten:

• Materialets mikrostruktur: forvrengt kornstruktur => lav maskinbearbeidbarhet
• Kjemisk sammensetning: legeringselementer, en høyere prosentandel av C resulterer i dårlig maskinering
• Overflatetilstand: korrodert overflate krever høyere skjærekrefter
• Hardhet er i omvendt forhold til maskinbarhet

Formbarheten til et materiale påvirkes av:

• Tykkelse: jo høyere tykkelse, desto vanskeligere å deformere
• Deformasjonsherding resulterer i høyere krefter
• Jo høyere flytegrense, desto høyere krefter kreves for å starte plastisk deformasjon

Typiske bruksområder

I applikasjoner, som for eksempel:

• Gjenging og hullfremstilling
• Komponenter i romfart
• Etterbehandling av operasjoner
• Bildeler

For å oppnå høyere presisjon kreves maskinbarhet.

Formbarhet er nødvendig i:

• Smiearbeid
• rullende
• Ekstrudering
• Trådtegning
• Plateforming

CNC-maskinering: God maskinbarhet vs. dårlig maskinbarhet

La oss forstå god og dårlig maskinbarhet med hensyn til CNC-maskinering:

Skjærekraft

For materiale med god maskinbarhet, som Al, brukes lavere skjærekrefter sammenlignet med et materiale med dårlig maskinbarhet, som wolfram.

Verktøyslitasje

Verktøyslitasjen er høy i materialer med dårlig maskinbarhet, som Ni-baserte legeringer, på grunn av hardheten deres.

Chipdannelse

Sponmorfologien er forskjellig for materialer med god og dårlig maskinbarhet. Segmenterte eller utgåtte spon produseres ved høy maskinbarhet, og omvendt.

Overflatebehandling

På grunn av enkel maskinering gir materialer med god maskinbarhet lett en glatt overflatefinish sammenlignet med materialer med lav maskinbarhet.

Skjærehastighet

Materialer med god maskinbearbeidbarhet tillater høyere skjærehastighet, mens materialer som er vanskelige å maskinbearbeide, kun kan tillate lavere skjærehastighet for å opprettholde levetiden til skjæreverktøyene.

Maskineringskrav

Standard CNC-verktøy kan enkelt brukes til materialer med god maskinbarhet, mens materialer med dårlig maskinbarhet krever spesialverktøy for maskinering.

Hvordan forbedre maskinbarheten?

Selv om maskinbarhet er en relativ egenskap ved materialer, kan den fortsatt forbedres fra et maskineringsperspektiv ved å bruke følgende tips:

Velg materialer med god maskinbarhet

Materialer velges hovedsakelig basert på bruksområdene. For noen bruksområder kan to forskjellige materialer brukes. I slike tilfeller bør materialer med god maskinbarhet velges. For eksempel, for masseproduksjon av festemidler, kan automatstål brukes i stedet for lavkarbonstål.

Juster skjæreparametrene riktig

Skjæreparametrene endres med hensyn til materialenes maskinbearbeidbarhet. For eksempel er høyere skjærehastighet, lavere matehastighet osv. foretrukket for materialer som er vanskelige å maskinbearbeide på grunn av noen spesifikke krav.

Velg passende skjæreverktøy

Passende verktøy bør brukes basert på materialenes maskinbearbeidbarhet. For eksempel, for harde eller lavmaskinbare materialer, brukes spesialverktøy, som diamantbelagte verktøy.

Forbedre sponkontrollen

Maskinbarheten kan forbedres ved å forbedre sponkontrollen, for eksempel ved å tvinge sponen til å sprekke eller krølle seg tett i stedet for å flyte plastisk.

Endre materialsammensetningen

Maskineringsevnen kan også forbedres ved legering. For eksempel tilsettes svovel i stål for å forbedre maskineringsevnen. S reagerer med Mn og danner MnS-utfellinger, som bryter ned sponene effektivt og forbedrer maskineringsevnen.

Påfør varmebehandling før maskinering

Materialets mikrostruktur endres med varmebehandling. Et klassisk eksempel på dette scenariet er dannelsen av martensitt når stål bråkjøles i vann fra austenittisk tilstand. Deretter, for å gjøre det maskinbearbeidbart, utføres anløpsvarmebehandling.

Kan deldesign påvirke materialets maskinbarhet?

Utformingen av en del har stor innflytelse på dens maskinbarhet. Enkelt sagt, med vanskelige design kreves det en større mengde maskinering.

Innflytelse av deldesign på materialets maskinbarhet

Utformingen av en del påvirker dens maskinbarhet gjennom disse tingene:

Geometrier av deler

Geometri styrer maskinbarheten til en del gjennom tykkelse, funksjonstilgjengelighet, overflatekontinuitet, hjørner og innvendige radier, osv. Det vanlige eksemplet er jevn tykkelse, noe som resulterer i stabil skjæring, og dermed bedre maskinbarhet.

Toleransekrav

Strammere toleranser i utformingen av en del krever høyere maskinering, slik at maskinbearbeidbarheten til den delen reduseres.

Krav til overflatekvalitet

Ved høyere overflatefinish kreves det høyere maskinering.

Hvordan forbedre maskinbarheten ved å optimalisere delens design

Ved å optimalisere designet kan delens maskinbearbeidbarhet forbedres:

Bruk passende veggtykkelse

Ikke legg til unødvendige, veldig tynne vegger i konstruksjonen, da de resulterer i økt maskinering og redusert dimensjonsnøyaktighet.

Øk hjørneradier

Skarpe hjørner i designene er spenningskonsentratorer, så de bør unngås. Minimal verktøyslitasje kan oppnås ved å redusere de skarpe hjørneradiusene.

Reduser dype lommer og hulrom

Dype lommer og hulrom lages noen ganger i delene for å redusere vekten. Men unødvendige lommer og hulrom gjør maskinering av den delen vanskelig.

Konklusjon

Materialenes maskinbearbeidbarhet er en relativ egenskap som varierer fra materiale til materiale. Noen viktige faktorer som påvirker den inkluderer kjemisk sammensetning, mikrostruktur, overflatefinish, varmebehandling og delens design. For å måle maskinbearbeidbarhet sammenlignes skjærehastigheten til det subjektive materialet med et referansemateriale. Bearbeidbarhet, formbarhet og maskinbearbeidbarhet er relevante begreper i produksjon, men prosessen for å omdanne råmaterialet til sluttproduktet er forskjellig. Gjennom optimalisering av varmebehandling og design kan maskinbearbeidbarheten forbedres.

FAQ

Er produksjon og maskinering det samme?

Produksjon er et bredere begrep som omfatter enhver prosess som omdanner råmateriale til sin endelige form. Maskinering omdanner råmaterialet til ønsket form gjennom spesifikke skjæreprosesser.

Hvilke materialer er gode for maskinbearbeiding?

Disse materialene inkluderer Al, Cu, lavkarbonstål, rustfritt stål, osv., fordi de tilbyr passende styrke og seighet, og viser god maskinbarhet.

Hva er det vanskeligste materialet å maskinere?

Keramikk, som alumina, er de vanskeligste materialene å bearbeide fordi de er harde og sprø.