Wytrzymałość materiału, sztywność i twardość w obróbce CNC

Obróbka CNC charakteryzuje się różnorodnością wykorzystywanych w produkcji materiałów. Korzystne jest więc posiadanie podstawowej wiedzy na temat ich właściwości i różnic, aby jak najlepiej dobrać techniki skrawania pod dany projekt i rodzaj materiału. Do głównych cech zalicza się wytrzymałość materiału, sztywność i twardość. Laikowi może się wydawać, że jest to kilka pojęć opisujących to samo, jednak istnieją między nimi różnice.

Spis treści:

1. Dlaczego wytrzymałość materiału, sztywność i twardość są istotnymi pojęciami?
2. Czym jest wytrzymałość materiału?
3. Wytrzymałość materiału i jej rodzaje
4. Co oznacza pojęcie sztywność materiału?
5. Twardość materiału i jej charakterystyka
6. Wytrzymałość materiału, sztywność i twardość i ich relacje
7. Wskazówki projektowe

Dlaczego wytrzymałość materiału, sztywność i twardość są istotnymi pojęciami?

Właściwości materiału, mówiąc ogólnie, to te jego cechy, które określają, w jaki sposób zachowa się on w zetknięciu z siłami zewnętrznymi. Ze względu na swoje właściwości materiały klasyfikowane są więc jako miękkie, twarde, ciągliwe, przewodzące itp. W kontekście obróbki CNC najważniejszymi cechami materiału jest jego wytrzymałość, sztywność oraz twardość. Definiują one sposób, w jaki materiały zachowają się pod wpływem narzędzi skrawających. Na ich podstawie właśnie można sklasyfikować materiał, jako „trudny do cięcia”.

Czym jest wytrzymałość materiału?

Jest to prawdopodobnie najważniejsza właściwość mechaniczna dla zastosowań inżynieryjnych, a dodatkowo pierwsza, która jest sprawdzana przy doborze materiału do projektu. Wytrzymałość materiału określa jak bardzo dany materiał się odkształci, jeśli zostanie poddany działaniu siły zewnętrznej. Im mocniejszy materiał, tym mniej jest podatny na odkształcenia. Pojęciami, które opisują wytrzymałość materiału jest więc naprężenie i odkształcenie. Naprężenie to siła na jednostkę powierzchni i im jest większa, tym większe jest również naprężenie. Z kolei odkształcenie to odchylenie od pierwotnego kształtu materiału na jednostkę długości. Dlatego też jest ono adekwatną miarą odpowiedzi materiału pod naprężeniem i jeśli jedno wzrasta, to wzrasta również drugie. Istnieje wiele rodzajów naprężeń, w zależności od tego, jak siła jest przyłożona do obiektu. W przypadku obróbki skrawaniem warto skupić się na naprężeniu rozciągającym, gdyż występuje ono najczęściej w trakcie prac obróbkowych.

Wytrzymałość materiału i jej rodzaje

Wytrzymałość na rozciąganie  określana jako granica plastyczności (YS), a materiał odkształca się tu elastycznie, czyli odzyskuje swój pierwotny kształt, gdy naprężenie zostanie usunięte. Po przekroczeniu tej granicy materiał ulega trwałemu odkształceniu plastycznemu, które nie znika nawet po usunięciu obciążenia. Granica plastyczności jest więc najważniejszą właściwością dla inżynierów projektantów, gdyż odkształcenia plastyczne są niekorzystne dla większości produktów. 

Maksymalna wytrzymałość na rozciąganie (UTS) definiuje maksymalne naprężenie rozciągające, jakie może osiągnąć materiał. Występuje w strefie odkształcenia plastycznego i stanowi punkt, po którym materiał zaczyna zmierzać w kierunku zniszczenia. Jest to ważny pomiar naprężenia, jeśli oczekuje się, że część odkształci się plastycznie. Naprężenie powinno pozostać znacznie poniżej UTS, aby uniknąć nadmiernych odkształceń i pęknięć.

Wytrzymałość materiału na pękanie to wartość naprężenia, przy której materiał całkowicie pęka i zaczyna się rozpadać. Jest to ekstremalny punkt naprężenia i zdecydowanie należy go unikać w fazie projektowania. W świecie obróbki skrawaniem dobrym przykładem jest pęknięcie narzędzia. Jeśli narzędzie skrawające jest nadmiernie obciążone, jego ostrze tnące odpryskuje, czyniąc je bezużytecznym.

Wytrzymałość na ściskanie to wytrzymałość materiału pod wpływem sił ściskających. Zasada jest taka sama, jak we wcześniejszych rodzajach wytrzymałości. Materiał odkształca się początkowo elastycznie, a następnie plastycznie pod wpływem obciążeń ściskających. Na koniec zaczyna się rozpadać przy określonej wartości naprężenia. Wytrzymałość materiału na ściskanie jest wyższa niż wytrzymałość na rozciąganie, ponieważ ściskanie materiałów jest trudniejsze niż ich wydłużanie. W projektowaniu inżynieryjnym ważną cechą jest to, czy detal podlega siłom ściskającym. Przykładami mogą być prasy hydrauliczne, kolumny i układy zawieszenia samochodowego.

Co oznacza pojęcie sztywność materiału?

Sztywność to kolejna właściwość materiału o dużym znaczeniu dla projektowania i produkcji inżynieryjnej. Zasadniczo jest to miara szybkości odkształcania się materiału pod wpływem siły. Dlatego materiał o dużej sztywności odkształca się mniej skutecznie niż materiał o mniejszej sztywności. Zgodnie z prawem Hooke’a sztywność to stosunek siły przyłożonej do sprężyny do jej wydłużenia w odpowiedzi na tę siłę. Im większe rozciągnięcie sprężyny, tym jest ona mniej sztywna. Dobrym przykładem będzie narzędzie skrawające, które przyjmuje siły skrawania generowane przez proces skrawania i musi być wystarczająco sztywne, aby się nie odkształcać. Małe ugięcia są normalne, ale nadmierne odkształcenia mogą obniżyć tolerancję detali, a nawet złamać narzędzie. Dlatego inżynierowie tak przeliczają parametry i dobierają narzędzia do produkcji określonych detali, aby narzędzie odchylało się w dopuszczalnych granicach.

Twardość materiału i jej charakterystyka

Twardość jest kluczową właściwością materiału, którą należy wziąć pod uwagę na etapie projektowania detalu. Można ją inaczej określić, jako odporność materiału na trwałe odkształcenia, takie jak wgniecenia, zarysowania i ścieranie. Im twardszy materiał, tym trudniej go zarysować. Popularny materiał o wysokiej twardości to np. diament, który jest szeroko stosowany jako narzędzie tnące. W obróbce skrawaniem tylko twarde materiały narzędzi skrawających, takie jak węglik spiekany czy PCN, są kompatybilne z trudnymi do obróbki materiałami, takimi jak tytan.

Wytrzymałość materiału, sztywność i twardość i ich relacje

Właściwości materiałów mogą się drastycznie różnić w zależności od ich rodzaju. Każdy z nich ma swoje zastosowania i określone sposoby obróbki, przy których inny nie sprawdzi się tak dobrze. Wytrzymałość materiału, sztywność i twardość są w większości wystarczające do określenia możliwości zastosowania. Te trzy właściwości są również powiązane między sobą. Na przykład wysoka twardość oznacza ogólnie wysoką wytrzymałość. Mocne materiały są przeważnie sztywniejsze. Dlatego wybieramy mocne materiały, gdy chcemy, aby odkształcenia były niskie. Nie jest to oczywiście zasada obowiązująca w każdym materiale, gdyż kruche materiały jak np. szkło są wprawdzie sztywne, ale nie są mocne. Oznacza to, że nie odkształcają się aż tak bardzo pod obciążeniem, ale bardzo szybko wchodzą w strefę odkształcenia plastycznego i pękają. Najlepiej jest oceniać te właściwości materiału oddzielnie.

Wskazówki projektowe

Projektowanie detali oraz odpowiedni dobór materiałów to wymagający etap obróbki skrawaniem. Wymaga umiejętności, doświadczenia i kreatywności. Co jest istotne na tym etapie?

• identyfikacja krytycznych komponentów i cech geometrycznych, bardziej podatnych na awarie niż inne np. główne elementy nośne, ostre narożniki o wysokiej koncentracji naprężeń,
• warto zachować współczynnik bezpieczeństwa, który oznacza, że część jest tak zaprojektowana, aby mogła wytrzymać obciążenia wyższe niż jej nośność znamionowa; środek ostrożności, który ma na celu uwzględnienie nieoczekiwanych warunków przeciążenia,
• unikanie ostrych narożników, które są często punktami koncentracji naprężeń, zaleca się stosowanie zaokrągleń lub fazowań na rogach, znaczenie ma tu również wybór materiału; twarde i mocne materiały mogą przenosić większe naprężenia i mogą nie wymagać dużych zaokrągleń, gdy miękkie materiały będą wymagały odpowiedniego schematu zaokrąglania, aby uniknąć problemów,
• uwzględnienie temperatury, która powoduje zmianę właściwości materiału i uleganie rozszerzalności / kurczeniu termicznemu; tworzywa sztuczne stają się niezwykle miękkie w wysokich temperaturach, dzięki czemu jedynie metale i kompozyty są w stanie je przetrwać, należy pamiętać że właściwości materiału z reguły maleją wraz ze wzrostem temperatury i rosną, gdy temperatura maleje,
• obciążenia dynamiczne, czyli siły, które zmieniają się w czasie i w różny sposób wpływają na różne materiały; niektóre bardzo szybko ulegają zniszczeniu, a inne mogą przetrwać mimo ich dużego wpływu.

Warto więc pamiętać, że w inżynierii obróbki i projektowania podstawowe zasady właściwości materiałów odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu wydajności, niezawodności i bezpieczeństwa różnych produktów i konstrukcji. Wytrzymałość, sztywność i twardość to główne cechy, jakie należy wziąć pod uwagę już na etapie projektowania detali. Żadnej z tych właściwości nie należy pomijać, a o ważności którejś z nich decyduje planowane zastosowanie detalu. Odpowiednie właściwości materiałów można odnaleźć w specyfikacji danej partii materiałów, które są przekazywane przez ich dostawcę.