Bearbejdelighed – System til at finde materialers bearbejdeligehed og finjustere data

Tværtimod, så ved producenterne udmærket godt, at der ikke
findes et universelt værktøj til maskinbearbejdede produkter.
Forskellige produktanvendelser kræver materialer med vidt
forskellige egenskaber. Bilaksler har for eksempel brug for
sejheden ved lavtlegeret stål. Turbinemotorkomponenter kræver
varmebestandige nikkelbaserede legeringer.

Alle materialer har forskellige niveauer af fem grundlæggende
fysiske egenskaber, som afspejles i deres specifikke
ydeevnekapaciteter. Disse egenskaber er slidegenskaber, hårdhed og
termisk ledeevne, tendens til at klæbe/deformere samt
deformationshærdning. Forholdet mellem de individuelle egenskaber i
det enkelte materiale afgør i høj grad dets bearbejdningsgrad.
Relativt blødt lavlegeret stål vil udvise kraftige tendenser til at
klæbe, og det kan føre til løsæg på et værktøj og
diffusionsslitage, mens dårlig termisk ledeevne for en hård
nikkelbaseret legering kan resultere i ekstreme skæretemperaturer,
der får værktøjet til at deformere og bryde sammen.

Viden om materialeegenskaber er vigtig for resultatet af
maskinbearbejdning
I teorien kan viden om et materiales særlige blanding af
legeringslementer bruges til at afgøre valget af skæreværktøjer og
de skæreforhold, der vil give forudsigelige slitagemønstre og god
produktivitet. Men virkeligheden ser ofte anderledes ud. Ikke så
sjældent leverer det skærende værktøj og de bearbejdningsparametre,
der er angivet for et bestemt materiale, ikke helt
tilfredsstillende resultater.

Årsagen ligger i foranderligheden i materialets
sammensætning. Som for ethvert andet fremstillet produkt er der et
toleranceinterval for de elementer, et materiale betår af.

Seco har for at bekræfte dette fænomen undersøgt en serie
af ubearbejdede dele, som alle af navn var det samme materiale. De
fem egenskaber blev målt før bearbejdning. Nogle af egenskaberne
var de samme fra del til del, men andre udviste store
forskelle.

Når de grundlæggende egenskaber varierer fra
materialestykke til materialestykke, vil værktøjet opføre sig
forskelligt, og produktiviteten kan risikere at gå ned. Seco
sluttede sig i starten af det nye årtusind til et projekt med
stålleverandører og andre metalbearbejdsningsvirksomheder.
Hensigten var at udvikle en metode, der tager højde for disse
variationer, og at kunne vejlede om metoder til forbedring af
værktøjets ydeevne samt at skabe et system, der kan måle
materialestykkers egenskaber og bruge disse data til at forudsige
deres bearbejdelighed, uafhængigt af anvendelser som drejning,
fræsning og boring.

Et system til analyse af bearbejdelighed
Det system til analyse af bearbejdningsgrad, der kom ud af det, er
baseret på kvantitative målinger af de fem materialeegenskaber, der
blev angivet tidligere. Hårdhed og termisk ledeevne måles med
standardmetoder. Kulstofindholdet eller analysen af
hårdhedsfordelingen leverer data om slidegenskaber. Ved måling af
spånlængden ved spånernes brudsted er det muligt at foretage en
kvantitativ måling af tendenser til at klæbe. Desuden giver en
formel, der sætter materialets træk- og deformationsstyrke i
forhold til deformationsstyrken for et referencemateriale, et mål
for deformationshærdningen.

Datapunkterne for egenskaber plottes ind i et fempunkts
koordinatsystem eller et pentagram. De lave værdier vises nær
centrum af pentagrammet, og de høje værdier ligger ved grænserne af
det. Det areal, der ligger inden for datapunkterne, giver et
grafisk billede af summen af materialets tendenser. Når de fem
datapunkter for hver enkelt egenskab forbindes, bliver det til den
femsidet polygon inden for grænserne af pentagrammets
koordinatsystem.

Ud over en grafisk afbildning af et bestemt materiales
blanding af egenskaber, anviser systemet også retningslinjer for
hver af de fem egenskaber enkeltvis, hvad angår foreslået
skæremateriale, geometri og skæreforhold. Systemet beskriver også
typiske mønstre for værktøjsslitage.

Materialets tendens til at klæbe skaber f.eks. et behov
for værktøjer med seje belægninger, skærægradier og store
skærevinkler samt skæreforhold med fokus på temperaturstyring
(normalt hastigheder, der er høje nok til at lede varme væk i seje
spåner). Mønstrene for værktøjsslitage omfatter mikrospåntagning,
løsæg, afskalning og stråleslitage.

På den anden side bør værktøjer, der er beregnet til håndtering
af hårde materialer, have hårde eller seje substrater (afhængigt af
de anvendte tilspændinger), skærægge med små skærvinkler, og de bør
anvendes ved lave tilspændingshastigheder og spåndybder. Typisk
værktøjsslitage omfatter plastisk deformation, udflisning og
brud.

Bearbejdningsmaterialer, der har en tendens til
deformationshærdning, kræver seje værktøjer med en lille næseradius
og tilpassede skærægsgeometrier, der anvendes ved lave
skærehastigheder og høje tilspændingshastigheder og spåndybder. De
mest fremtrædende fejltilstande inkluderer plastisk deformation,
udflisning og stråleslitage.

Superlegeringer, der udviser lav termisk ledeevne, kræver brug
af værktøjer med høj trykstyrke, store skærevinkler og stærke
skæreægge. Lave skærehastigheder og tilspændinger er typiske, og
værktøjer kan komme til kort via plastdeformation eller ganske
enkelt pga. en høj grad af slitage.

Endelig bør værktøjer, der er beregnet til håndtering af
slidende emnematerialer, overraskende nok udvikles med slidstærke
belægninger og stærke skæreægge. Lave tilspændinger og
skærehastigheder, men store spåndybder er passende. Slitage
omfatter flangeslitage og grubeslid samt stråleslitage.

Når systemet anvendes på et bestemt materialemne, præsenterer
det en blanding af materialets egenskaber, der fremhæver deres
gensidige påvirkninger.

Procesjusteringer
Når de første resultater af bearbejdning ikke er som forventet, er
denne integrerede tilgang nyttig, da den gør det muligt at justere
værktøjer og skæreparametre, så resultaterne kan ændres. Hvis et
materiale f.eks. forventes at vise høj tendens til at klæbe,
forventes det, at spånerne bliver lange. Hvis spånerne så er
længere eller kortere end forventet, er det et tegn på, at
tendensen til at klæbe enten er større eller mindre end først
antaget. Maskinarbejderen kan bruge pentagrammet eller bare kende
indikatorerne til at se, hvordan ydeevnen påvirker andre
egenskaber, så værktøjets funktioner og skæreparametrene kan
justeres i forhold til materialets faktiske egenskaber. Det er lidt
det samme som at justere ingredienserne i en bageopskrift, når det
første resultat ikke er som forventet.

Materialeklassifikationer, der er baseret på
materialesammensætning og struktur som udarbejdet af ANSI i USA og
ISO i Europa, er nyttige. De er dog kun et udgangspunkt for
udviklingen af maskinbearbejdningsprocesser, da egenskaber kan
variere inden for den samme klassifikation og ligeledes inden for
de enkelte emner i en lagerbeholdning. Rustfrit stål defineres
f.eks. som en stållegering med mindst 12 % krom. Der findes dog
rustfrit stål med højere procentdele krom, og variationer i
fremstillingen kan ændre blandingen yderligere. Selv om det hele
kaldes rustfrit stål, kan bearbejdeligheden for de forskellige
sammensætninger adskille sig fra hinanden under bearbejdning, netop
fordi sammensætningerne og strukturerne ikke er de samme.

Da pentagramsystemet ikke kun klassificerer materialet helt
overordnet, er det en god kilde til praktiske tip eller
retningslinjer, der gør det muligt for maskinarbejderen at forstå,
hvad der sker mht. forventet og faktisk ydeevne for værktøjet.
Systemet beskriver ikke materialet som godt eller dårligt, men
illustrerer, hvordan forskellige kombinationer af egenskaber kan
ændre interaktionen mellem materialet og skæreæggen. Nøglen til det
hele er at finde den kombinationen af værktøjsegenskaber, der bedst
passer til materialets egenskaber.

Konklusion
Målet med bearbejdning er at fremstille dele og tjene penge. Det
enkelte emnes materialeegenskaber er afgørende for resultatet af
bearbejdningsprocessen. Derfor påvirkes de endelige omkostninger
direkte eller indirekte af materialet. En bedre forståelse af
materialets egenskaber medfører færre problemer og større
produktivitet i bearbejdninsprocessen og dermed
omkostningseffektive og rentable fremstillingsresultater.

Af:
Patrick de Vos, Corporate Technical Education Manager,
Seco Tools