Obrabialność

Obrabialność to mówiąc najprościej łatwość, z jaką materiał można ciąć w celu uzyskania pożądanego kształtu, spełniającego wymagane wskaźniki jakości. Zalicza się tu dokładność wymiarową, tolerancje czy wykończenie powierzchni. Materiały o wysokiej obrabialności wymagają mniej czasu i mocy do obróbki, powodują mniejsze zużycie narzędzi i mają lepszą jakość powierzchni. Niestety mimo, że z poziomu produkcji mogą być one preferowane, to z poziomu wymagań projektowych mogą nie spełniać wymaganych parametrów, takich jak wysoka wytrzymałość, wydajność czy stabilność termiczna. Każdy projekt wymaga więc znalezienia kompromisu, który w danej sytuacji będzie najkorzystniejszy pod kątem opłacalności i oczekiwań projektowych.

Wpływ właściwości materiału na obrabialność

To, co należy wziąć pod uwagę przy analizie obrabialności, to podstawowe właściwości materiału, obróbkę poprodukcyjną oraz warunki cięcia.

Każdy materiał ma swój unikalny zestaw właściwości, a do najbardziej kluczowych zalicza się twardość, wytrzymałość czy przewodność cieplną:

• twardość definiuje, jak trudno „ciąć” powierzchnię; im twardszy materiał, tym wymaga większej mocy do cięcia, gdyż narzędzie musi wywierać większą siłę i szybciej się zużywa, twardszy materiał oznacza więc niską obrabialność,
• materiały o wysokiej wytrzymałości dobrze znoszą siły skrawania i są odporne na odkształcenia, wymagając większych sił skrawania i trwalszych narzędzi, tworzą też długie nitkowate wióry ze względu na ich wysoką ciągliwość, które mogą zaplątać się w narzędzie i znacznie opóźnić proces obróbki, jak i przyśpieszyć zużycie narzędzi lub spowodować awarię maszyny CNC,
• obróbka generuje ciepło w trakcie ścinania materiału i dlatego zarządzanie temperaturami na styku cięcia jest bardzo ważne dla efektywności procesu, przenoszenie ciepła zależy właśnie od przewodności cieplnej materiału, materiały trudne do cięcia mają zwykle niską przewodność, co powoduje, że nie można zastosować zbyt dużych prędkości skrawania i posuwów, gdyż ciepło nie jest skutecznie odprowadzane.

Obrabialność a warunki cięcia

Podstawowe parametry skrawania to prędkość, posuw i głębokość skrawania. Ich optymalizacja wpływa na efektywność produkcji, gdyż skutkuje szybszym usuwaniem materiału z obrabianego detalu. Nie zawsze jest to jednak możliwe. Wyższe prędkości skrawania powodują, że materiały mają niższą obrabialność ze względu na nadmierne wytwarzanie ciepła i tarcie, które powoduje również zużycie narzędzia. W większości przypadków ma to jednak pozytywny wpływ na wykończenie powierzchni. Zwiększenie posuwu skrawania może również spowodować większe obciążenia wiórów i siły skrawania, co może doprowadzić do nadmiernych wibracji i uszkodzenia narzędzia. Z kolei większa głębokość cięcia wpływa również negatywnie na integralność powierzchni, tworząc naprężenia mechaniczne i termiczne. Wpływa na stabilność dynamiczną procesów skrawania, a jej zwiększenie poza pewien limit może spowodować drgania szkodliwe dla narzędzia i maszyny.

Jak stan narzędzi i maszyn wpływa na obrabialność?

Frezy mają skomplikowane cechy geometryczne, które znacząco wpływają na obrabialność np. kąt krawędzi skrawającej. Ujemny zmniejsza obciążenia skrawania i poprawia formowanie wiórów, co jest oznaką wysokiej obrabialności, ale może również osłabić narzędzie. Operatorzy maszyn często stosują chłodziwa i smary na styku narzędzia z przedmiotem obrabianym, aby zwiększyć obrabialność materiałów. Poprawiają one również odprowadzanie ciepła i właściwości cierne materiału, co prowadzi do płynniejszego cięcia, lepszego wykończenia powierzchni i dłuższej żywotności narzędzia. Na obrabialność wpływa również stan maszyny CNC. Starsze i bardziej wyeksploatowane mają zwykle luzy w napędach osi i bardziej wibrują pod wpływem dynamicznych obciążeń skrawających. Utrudnia to obróbkę szczególnie materiałów trudno obrabialnych.

Jak poprawić obrabialność materiałów?

Obróbka cieplna jest skuteczną metodą zwiększenia obrabialności materiałów. Popularne metale, jak stal i aluminium, są często wyżarzane w celu zmniejszenia ich twardości, udoskonalenia struktury czy złagodzenia naprężeń wewnętrznych. Inną metodą, aby poprawić obrabialność, może być zastosowanie dodatków materiałowych, które zmienią strukturę materiału bazowego i wpłyną na jego właściwości mechaniczne. Przykładem może być dodanie cynku do stopów miedzi, takich jak mosiądz, co istotnie zwiększy obrabialność czystej miedzi. To pozwoli na zmniejszenie sił, tarcia i lepsze formowanie wiórów. Kolejną metodą jest optymalizacja warunków cięcia, dzięki np. stosowaniu chłodziw czy smarów. Zmniejszają one tarcie i generowanie ciepła, zmniejszając tym samym zużycie narzędzi oraz naprężenia powstałe w wyniku ciepła. Zapobiega to również niedokładnościom wymiarowym i pęknięciom narzędzi. Również świadomy wybór parametrów skrawania może również pozytywnie wpłynąć na obrabialność materiałów. Wyższe prędkości, posuwy i głębokości skrawania zmniejszają obrabialność i odwrotnie.  

Jak zmierzyć obrabialność?

Nie ma jednego standardowego sposobu, żeby wyliczyć obrabialność materiału, ale istnieje kilka powszechnie akceptowanych metod. Opierają się one na zestawie kryteriów do oszacowania obrabialności materiałów i materiale odniesienia do klasyfikowania innych materiałów dla wygody w porównaniu. Do najpopularniejszych miar obrabialności zalicza się:

• żywotność narzędzia skrawającego ma bezpośredni wpływ na wydajność, jakość obróbki i finanse, ocenia się więc żywotność narzędzia w obróbce danego materiału zanim będzie wymagało wymiany lub ponownego ostrzenia; materiały, które mają wysoką obrabialność nie powodują dużego zużycia narzędzi,
• wykończenie powierzchni jest łatwym do zaobserwowania parametrem, gdyż każda zmiana obrabialności jest z reguły bezpośrednio odzwierciedlona w zmianie jakości powierzchni; materiały twarde mają niską obrabialność i chropowatą powierzchnię z powodu odpryskiwania i tarcia,
• pobór mocy, gdyż obróbka trudnych do cięcia materiałów zużywa więcej energii z powodu sił skrawania.

Obrabialność popularnych materiałów

Do materiałów o najwyższej obrabialności 90-100% zalicza się mosiądz, aluminium, polietylen, poliwęglan oraz drewno. Średnią obrabialnością charakteryzuje się polichlorek winylu, polimery, stal nierdzewna austenityczna, ceramika. Najmniej obrabialny jest tytan oraz cyrkonia.