A könnyen forgácsolható anyagoknak a megmunkálás után sima felületük van, olyan forgácsot termelnek, amely nem akadályozza a gyártási folyamatot, a forgácsolóerők alacsonyak és a szerszámok élettartama hosszú.

 

Az anyagok csoportosítása

 

Acél (ISO-P anyagcsoport)

Ötvözetlen acél (szénacél), gyengén ötvözött és erősen ötvözött acél. ►►

Korrózióálló acél (ISO-M anyagcsoport)

Ferrites, martenzites, ausztenites és ausztenites-ferrites (duplex). ►►

 

Öntöttvas (ISO-K anyagcsoport)

Szürkeöntvény (GG), temperöntvény (GT) és gömbgrafitos öntöttvas (GGG) ►►

Edzett acél (ISO H anyagcsoport)

Ebbe a csoportba tartoznak a 45-65 HRc közötti keménységű acélok és a kb. 400-600 HB keménységű kéregöntvények. ►►

Nem-vas ötvözetek (ISO N anyagcsoport)

Alumínium, réz, sárgaréz stb. ►►

Különleges ötvözetek (ISO S anyagcsoport)

Vas, nikkel, kobalt és titán ötvözetek. ►►

Nem-fém anyagok (O anyagcsoport)

Hőre lágyuló műanyagok, hőre keményedő műanyagok, az üvegszálas erősítésű polimer műanyag, a szénszál erősítésű műanyag, szénszálas kompozitok, aramidszál erősítésű műanyag, keménygumi, grafit, fa, stb. ►►

 

A forgácsolhatóság fogalma

 

Bár általában a forgácsolhatóságról úgy beszélünk, mint az egyes anyagok tulajdonságáról, a forgácsolhatóság valójában egy olyan összetett jellemző, ami nemcsak az anyagtól, hanem a munkafdarab-befogóeszköz-gép-szerszám rendszertől és a megmunkálási paraméterektől is függ.

A könnyen forgácsolható anyagoknak a megmunkálás után sima felületük van, olyan forgácsot termelnek, amely nem akadályozza a gyártási folyamatot, a forgácsolóerők alacsonyak és a szerszámok élettartama hosszú. Gyakran néhány kritérium könnyen teljesíthető, de nem mindegyik. Az, hogy egy anyag jól forgácsolható-e, az elvárásoktól is függ.

Több lehetséges optimalizálási célt lehet meghatározni, ilyen lehet a szerszám éltartama, a munkadarab felülete, a forgácstörés. A relatív forgácsolhatóságot szabványokban is rögzítették (ISO 3865, ISO 8688), de ezek nem adnak kielégítő információt.

A szerszámkopás és az éltartam a forgácsolhatóság legfontosabb mutatója. Egy másik jellemző lehet a forgácsolóerő, ami viszonylag könnyen mérhető a főorsó nyomaték segítségével. Foglalkoznak továbbá a hőmérséklet értékelésével is.

A szakirodalom  anyagcsoportonként vizsgálja a gyakori forgácsformákat, azok okát és a javítási lehetőségeket.

A forgácsolhatóság javítására három területen folynak a kutatások:

• hűtés-kenés közege és módja
• hibrid megmunkálás (lézerrel, ultrahanggal, rezgéssel segített forgácsolás)
• speciális szerszámgeometria

 

A forgácsolhatóságot befolyásoló tényezők:

 

A szilárdság és a szívósság általában fontos tényezők. A nagy szilárdságú anyagok nehezebben megmunkálhatók, mivel a megmunkáláshoz nagyobb forgácsolóerőre és ezáltal nagyobb energiára van szükség.

Az anyag hővezető képessége is fontos. Az alacsony hővezető képességű anyagoknál, mint például a műanyagoknál, az okoz nehézséget, hogy a keletkező súrlódási hő nem vezethető el elég gyorsan.

A forgácsolhatóság mennyiségi értékelése nehéz, mivel nemcsak az anyagtól, hanem a megmunkálási körülményektől is függ. Ezek közé tartozik a forgácsméret, a vágási mélység és szélesség , valamint a forgácsolási sebesség és a szerszámanyag. A hűtő-kenő anyagok használata is befolyásoló tényező. Továbbá a különböző gyártási eljárások is eltérő forgácsolási körülményeket igényelnek.

 

A forgácsolhatóság mutatói:

 

Éltartam

A szerszám éltartama az az idő, amíg egy szerszám adott körülmények között megmunkál egy anyagot, mielőtt elkopik. A szerszám éltartama fontos, mert hatással van a gépek állásidejére és a szerszámfogyásra, ezáltal a megmunkálás költségeire. A szerszám éltartama azonban nem abszolút mértékegysége az anyag forgácsolhatóságának, mivel nemcsak az anyagtól, hanem a forgácsolási körülményektől (pl. forgácsolási sebesség) és a szerszámtól is függ.

 

Szerszámkopás

A forgácsolhatóság másik értékelési kritériuma a szerszámkopás. Ez közvetlenül befolyásolja a szerszám élettartamát, közvetve pedig a forgácsolóerőt, mivel egy kopott, tompa szerszám nagyobb forgácsolóerőt igényel. A szerszámkopás növekedésével az anyag felületminősége is romlik. A szerszámkopás mérésére a kopásnyom szélessége vagy a krátermélység szolgál. A szerszámkopás  értékelését nehezíti, hogy azonos szerszámanyagnál is nagy különbségek adódnak. Például titánt keményfémmel forgácsolva 10-szeres éltartam eltérés adódhat, ami az anyag szerkezete mellett a szerszámél eltérő felületkezelésével és a különböző hűtő-kenő anyagokkal magyarázható.

 

Forgácsolóerő

A forgácsolóerő fontos a folyamat gazdaságossága szempontjából, mivel közvetlenül összefügg az energiafogyasztással. A másik szempont, hogy a géphajtások csak korlátozott teljesítményt tudnak biztosítani, amelyet a forgácsolóerő és a forgácsolási sebesség szorzataként számolunk. Ha maximális teljesítménnyel dolgozunk, akkor az erők növekedésével a sebességet csökkenteni kell, ami hosszabb megmunkálási időt eredményez.

 

Felületminőség

A kész munkadarab fontos minőségi kritériuma a felület minősége. A felületminőség jellemző értékeiként a szokásos érdességi paramétereket használják.

 

Forgácsalak

A forgács alakjáról közvetlenül lehet következtetni a megmunkálási folyamatra, befolyásolja a szerszámkopást és a felületminőséget. Kívánatos egyensúlyt teremteni a rövid, tömör forgácsok között, amelyek könnyen távoznak, és a hosszú, egyenletes forgácsok között, amelyek jobb felületminőséget eredményeznek. Ha a forgácsok túl hosszúak, fennáll a veszélye annak, hogy a forgács például fúrás közben elakad, ami szerszámtöréshez vagy a szerszám fokozott kopásához vezet. A spirálisan feltekeredő forgácsok kedvezőbbek, mint a leporelló alakban összehajló forgácsok, mivel ez utóbbiaknál nagy az elakadás veszélye.

 

A forgácsolási körülmények hatása:

 

Forgácsolási sebesség és előtolás

Elvileg kívánatos a lehető legnagyobb forgácsolási sebességgel és nagy előtolással megmunkálni. Így lehet a ciklusidőt minimalizálni. A rossz forgácsolhatóság azonban néha megköveteli e sebességparaméterek drasztikus csökkentését, ha a túl nagy sebességek elfogadhatatlanul nagy szerszámkopást és ezáltal alacsony szerszám-élettartamot és nem megfelelő felületminőséget eredményeznek.

 

Hűtő kenőanyag

A forgácsolhatóság javítható hűtő-kenő anyag használatával. A hűtés biztosítja, hogy a szerszám és a munkadarab helyileg ne melegedjen fel túlságosan. Ez a csökkentett forgácsolási hőmérséklet kisebb kopást eredményez. A kenés szintén kisebb kopást és alacsonyabb energiafogyasztást eredményez, mivel kisebb forgácsolóerőt tesz lehetővé. A kenés javítja a felületi érdességet is.

 

Anyagcsoportok forgácsolhatósága

 

Acél (ISO-P anyagcsoport)

 

Az acél a leggyakrabban forgácsolt anyag, lehet ötvözetlen, gyengén ötvözött és erősen ötvözött. A  forgácsolhatósága általában jó, de ez nagymértékben függ az anyag keménységétől, széntartalmától és egyéb jellemzőitől.

Az acél fő alkotóeleme a vas, széntartalma 2% alatt van és további ötvözőelemeket, nikkelt, krómot, molibdént, vanádiumot és wolframot tartalmazhat. A gyengén ötvözött acélok kevesebb mint 5% ötvözőelemet tartalmaznak, az erősen ötvözött acélok többet. Egyes elemeket kimondottan a forgácsolhatóság javítása érdekében használnak, másokat a tulajdonságok, például a szilárdság növelése érdekében, elfogadva a forgácsolhatóság romlását. Bizonyos elemek viszont, mint például a foszfor, valójában nem kívánatosak, de javítják a forgácsolhatóságot.  

A forgácsolhatóság elsősorban a szövetszerkezettől függ, amit viszont a gyártási eljárás, a hőkezelési állapot, a pontos szén- és ötvözőelem tartalom határoz meg.

A gyártási eljárás szerint az előgyártmány lehet öntött, hengerelt, vagy kovácsolt. Az öntött acélnak durva felülete van, amely homokot és salakot tartalmazhat, és a vágóél szívósságával szemben magas követelményeket támaszt. A hengerelt acél viszonylag nagy szemcsemérettel rendelkezik, ami egyenetlenné teszi a szerkezetet, és a forgácsolóerő ingadozását okozza. A kovácsolt acélnak kisebb a szemcsemérete és egyenletesebb a szerkezete, ami megkönnyíti a megmunkálást.

A hőkezelési állapot szerint az acélok lehetnek edzetlenek vagy edzettek és nemesítettek, a szokásos keménységük akár 400 HB is lehet. A 48 HRC-nél nagyobb keménységű acélok az ISO H csoportba tartoznak.

A szén befolyásolja a keménységet, a magasabb széntartalom növeli a koptató kopást. Az alacsony széntartalom 0,2 % alatt növeli a tapadó kopást, ami élrátét képződést  és rossz forgácstörést okoz.

Az ötvözőelemek közül a króm (Cr), a molibdén (Mo), a volfrám (W), a vanádium (V), a titán (Ti), és a nióbium (Nb) karbidot képeznek a szénnel, növelik a koptató kopást.

Az oxigén (O) nagyban befolyásolja a forgácsolhatóságot; nem fémes, oxidikus és koptató zárványokat képez.

Az alumínium (Al), a titán (Ti), a vanádium (V) és a nióbium ( Nb) az acél finomszemcsés megmunkálására szolgál. Ezek keményebbé és nehezebben megmunkálhatóvá teszik az acélt.

A ferritben lévő foszfor (P), szén (C) és nitrogén (N) csökkenti a képlékenységet, ami növeli a tapadó kopást.

Az ólom az automata acélban csökkenti a forgács és a szerszám közötti súrlódást, csökkenti a kopást és javítja a forgács törését.

A kálcium (Ca) és a mangán (Mn) kénnel lágy, kenőanyagként szolgáló szulfidokat képez. A magas kéntartalom javítja a megmunkálhatóságot és a forgácstörést.

A kén (S) kedvezően hat a megmunkálhatóságra. Ezt a hatást az automata acéloknál használják ki, ahol 0,25 %-os kéntartalom a jellemző. A kén lágy mangánszulfid (MnS) zárványokat alkot, amelyek egyrészt javítják a forgácstörést, másrészt  kenőréteget képeznek a forgács és a vágóél között. Az ólomnak (Pb) hasonló hatása van, és gyakran használják kénnel kombinálva az automata acélokban.

A szilícium (Si), az alumínium (Al) és a kálcium (Ca) oxidzárványokat képez, amelyek növelik a kopást. Az acélban lévő zárványok befolyásolják a megmunkálhatóságot, még akkor is, ha a teljes szerkezetnek csak kis részét teszik ki. Ez a hatás lehet negatív és pozitív is.

 

Korrózióálló acél (ISO-M anyagcsoport)

 

A korrózióálló (rozsdamentes) acélok lehetnek ferrites, martenzites, ausztenites és ausztenites-ferrites (duplex) anyagok. Közös jellemzőjük, hogy a vágóélek nagyfokú hőhatásnak, kráteres kopásnak és élrátét képződésnek vannak kitéve.

A korrózióálló acél olyan ötvözet, amelynek fő összetevője vas (Fe) és krómtartalma több mint 12 %. Általában alacsony széntartalmú (C ≤ 0,05 %). A nikkel (Ni), króm (Cr), molibdén (Mo), nióbium (Nb) és titán (Ti) különböző adalékai különböző tulajdonságokat, például korrózióállóságot és szilárdságot biztosítanak magas hőmérsékleten. A króm oxigénnel (O) kombinálva Cr₂O₃ passziváló réteget hoz létre az acél felületén, amely korróziómentes tulajdonságokat biztosít az anyagnak.

A rozsdamentes acélok megmunkálhatósága az ötvözettartalomtól, a hőkezeléstől és a gyártási eljárástól (kovácsolt, öntött stb.) függ. Általában a megmunkálhatóság a magasabb ötvözettartalommal csökken, azonban a rozsdamentes acélok minden csoportjában rendelkezésre állnak szabadon megmunkálható vagy megmunkálhatóságra optimalizált anyagok.

A korrózióálló acélok hosszú forgácsot adnak. A forgács szabályozhatósága átlagos a ferrites/martenzites anyagoknál, és bonyolultabbá válik az ausztenites és duplex típusoknál.

A forgácsoláshoz nagy forgácsolóerő szükséges, élrátét képződésre hajlamos, sok hő keletkezik és felkeményedik a felület. Az ausztenites szerkezet magasabb nitrogéntartalma (N) növeli a szilárdságot és korrózióállóságot biztosít, de csökkenti a forgácsolhatóságot, miközben növeli a felkeményedést.

Kén (S) hozzáadásával javítják a forgácsolhatóságot. A magas C-tartalom (>0,2 %) viszonylag nagy peremkopást biztosít. A molibdén (Mo) és a nitrogén (N) rontja a forgácsolhatóságot. Ugyanakkor növelik a savakkal szembeni ellenállást, és magas hőmérsékleteken a szilárdságot.

A ferrites és martenzites rozsdamentes acél megmunkálhatósága általában jó, hasonló a gyengén ötvözött acélokéhoz. Ezért megmunkálásukhoz az ISO-P csoportba sorolt acélhoz ajánlott szerszámok alkalmasak. A nagy széntartalom (>0,2%) lehetővé teszi az anyag edzését. A megmunkálás során hát- és kráterkopás alakulhat ki, esetleg élrátéttel. 

Az ausztenites acélok képezik a rozsdamentes acélok fő csoportját; a leggyakoribb összetétel a 18% Cr és 8% Ni. Korróziónak jobban ellenálló acél 2–3% molibdén hozzáadásával hozható létre, melyet gyakran „saválló acélnak” is neveznek. A szuperausztenites rozsdamentes acélok 20% feletti Ni-tartalommal rendelkeznek. 

Az ausztenites acélok forgácsolhatósága rossz. A felkeményedés miatt kemény felületek és forgácsok keletkeznek, amelyek csorbulásos kopáshoz vezetnek. Adhézió is fellép, és élrátét alakul ki. A relatív forgácsolhatóság 60%. A felkeményedés következtében leválhat a bevonat a hordozóanyagtól az élen, így élkitöredezés és rossz felületi minőség alakul ki. Az ausztenit szívós, hosszú, folyamatos forgácsot eredményez, amit nehéz eltörni. Kén hozzáadásával növelhető a megmunkálhatóság, de akkor a korrózióállóság gyengül. A fogásmélységnek a felkeményedett réteg alá kell érnie. Pozitív szerszámgeometria ajánlott.

Duplex rozsdamentes acélról akkor beszélünk, amikor Ni hozzáadásával a ferrites rozsdamentes Cr-alapú acélból vegyes szerkezet alakul ki, mely ferritet és ausztenitet is tartalmaz. A duplex anyagok szakítószilárdsága nagy, és jól ellenállnak a korróziónak is.  Forgácsolhatóságuk általában rossz, 30%, a magas folyáshatár és nagy szakítószilárdság miatt. A magas, 60% feletti ferrittartalom javítja a forgácsolhatóságot. A megmunkálás során erős forgácsok keletkeznek és nagy forgácsolóerők ébrednek. Sok hőt termel forgácsolás során, ami képlékeny alakváltozást és nagymértékű kráteres kopást okoz. Kis belépési szögeket kell előnyben részesíteni a csorbulásos kopás és sorjaképződés elkerülése érdekében. Nagyon fontos a szerszám és munkadarab befogásának stabilitása.

 

Öntöttvas (ISO-K anyagcsoport)

 

Az öntöttvas az acéllal együtt a vasanyagok közé tartozik, és 2 % feletti széntartalom jellemzi. Az öntöttvasat nagyon gyakran használják, és nagyon könnyen önthető, de nem alakítható. A formázás ezért főként öntéssel és az azt követő forgácsolással történik.

Az acéllal ellentétben az öntöttvas rövid forgácsot adó anyag. A szürkeöntvény (GG) és a temperöntvény (GT) viszonylag könnyen megmunkálható, míg a gömbgrafitos öntöttvas (GGG) és egyes speciális öntöttvasak nagyobb igénybevételt jelentenek. Az összes öntöttvas-típus szilíciumkarbidot (SiC) tartalmaz, amely erősen koptató hatással van a szerszám élére.

A forgácsolhatóság nagymértékben függ a mikroszerkezettől és a grafit kiválásától. A sok cementitet tartalmazó öntöttvas fajták nagyon nehezen megmunkálhatók. A ferritet vagy perlitet tartalmazó más fajtákat a beágyazott grafit miatt könnyebben megmunkálhatónak tekintik, mivel az anyagot a grafit megszakítja, és ezért kisebb szilárdságú, ami kisebb forgácsolóerőt és könnyebb forgácsolástörést eredményez. Ezen kívül a grafit kenő hatást fejt ki a forgácsolási felületen és védőréteget képez, ami növeli a szerszám élettartamát.

 

Edzett acél (ISO-H anyagcsoport)

 

Ebbe a csoportba tartoznak a 45-68 HRc közötti keménységű acélok és a kb. 400-600 HB keménységű kéregöntvények. Keménységük miatt nehezen megmunkálhatók. Ezek az anyagok a forgácsolás során hőt termelnek, és nagyon koptatják a forgácsoló éleket.

Ez az anyagcsoport edzett és temperált acélokat foglal magába, melyek keménysége >45–68 HRC. Az általános acélok közé sorolható a cementált acél (~60 HRc), a golyóscsapágy-acél (~60 HRc) és a szerszámacél (~68 HRc). Az öntöttvasak kemény típusai közé tartozik a fehér öntöttvas (~50 HRc) A szerkezeti acél (40–45 HRc), Mn-acél és más kemény bevonatú típusok, pl. a sztellit is ebbe a csoportba tartoznak.

Az edzett acéloknál általában jó a forgácstörés. A forgácsolási erők és az igényelt teljesítmény viszonylag magas. A forgácsolószerszám anyagának jó ellenálló képességgel, magas hőmérsékleten is kémiai stabilitással, mechanikai szilárdsággal és abrazív kopással szembeni ellenálló képességgel kell rendelkeznie. A porkohászati keményfém dominál a marási és fúrási alkalmazásokban, amely kb. 60 HRc-ig használatos.

 

Nem-vas ötvözetek (ISO N anyagcsoport)

 

A nem-vas ötvözetek, vagy színesfémek puhább anyagok, ilyenek például az alumínium, réz, sárgaréz stb. Éles szerszámokkal általában nagy sebességgel forgácsolhatók.  A 13 %-nál nagyobb szilíciumtartalmú alumínium viszont nagyon koptató hatású.

 

Alumínium és alumínium-ötvözetek

Az alumínium és az alumínium-ötvözetek könnyen megmunkálhatónak számítanak. Az alacsony szilárdságú fajták azonban hosszú forgácsokat képezhetnek, és hajlamosak a vágóélhez tapadni. A forgácsolási erők általában alacsonyak, és a kopás a mikroszerkezettől függ. Az alumínium és ötvözetei alkalmasak nagy sebességű megmunkálásra. A fellépő hőmérséklet csak 300 °C körül van, ami nagyon alacsony az acélnál fellépő hőmérséklethez képest, de viszonylag magas az alumínium-ötvözetek olvadáspontjához képest (580 °C és 660 °C között).

A forgácsolási sebesség tág határok között változhat; alul az élrátét képződés, felül pedig az olvadási hőmérséklet korlátozza. A gyorsacélokat szerszámanyagként egyszerű megmunkálási műveletekhez, például fúráshoz használják. Gyakran használnak volfrámkarbid alapú keményfémfajtákat. A titán- vagy tantáltartalmú fajták azonban nem alkalmasak, mivel ezek az elemek kémiai reakcióba lépnek az alumíniummal. A gyémánt viszont jól alkalmazható az alumínium megmunkálására, és nagyon hosszú élettartama és magas felületminősége miatt használják.

A szerszámkopás általában alacsony, de egyes ötvözetek kemény, koptató hatású adalékanyagokat tartalmaznak, amelyek növelik a kopást, de javítják a forgácstörést. A kopás szinte mindig a peremfelületen jelentkezik; kráterkopás csak erősen koptató szerkezeti elemeknél fordul elő nagy forgácsolási sebességnél.

A lágy anyagok, mint például a nem edzhető kovácsolt ötvözetek és a lágy állapotban lévő edzhető ötvözetek hajlamosak hosszú forgácsokat és élrátétet képezni. A felületminőség általában rossz, de nagy forgácsolási sebességgel javítható. Ha lehetséges, az ilyen anyagokat hidegalakítás után kell megmunkálni, mivel így kedvezőbb forgácsformákat és felületeket eredményez.

A keményebb anyagok, például az edzett kovácsolt ötvözetek általában könnyebben megmunkálhatók.

Az öntött ötvözetek gyakran tartalmaznak szilíciumot, amely koptató hatású. Minél magasabb a szilíciumtartalom, annál nagyobb a szerszámkopás. A forgácsformák jók.

Mivel az alumínium hajlamos a tapadásra, gyakran nagy forgácsolási szögű szerszámokat használnak.

 

Réz és rézötvözetek

A rezet és a rézötvözeteket a légkondicionáló technológiában, az épületgépészeti berendezésekben, az élelmiszer-technológiában, a vegyi üzemekben és készülékekben, valamint a szerelvényekben használják. A rézötvözetek legalább 50 % rézből állnak, és általában könnyen megmunkálhatónak tekinthetők. A legfontosabb ötvözőelemek az ón (bronz), a cink (sárgaréz), az alumínium (alumíniumbronz), a nikkel és a szilícium. Az automata acélhoz hasonlóan a speciális réz-ötvözetek is tartalmaznak kis mennyiségű ólmot, ként, szelént és tellúrt, amelyek elsősorban a forgácstörést segítik elő.

A rézötvözeteket általában alakítható kovácsolt ötvözetekre és nem alakítható öntvényekre osztják. Az ötvözőelemek alapján a következő három csoportot különböztetik meg:

Tiszta réz és a cinkkel, ónnal, nikkellel és alumíniummal ötvözött ötvözetek, feltéve, hogy ezek csak homogén szilárd oldatot alkotnak. Ide tartozik különösen a sárgaréz. Ezeket az ötvözeteket nagyfokú alakíthatóság jellemzi, és hidegen alakíthatók. A forgácsolhatóság meglehetősen rossznak tekinthető. A tiszta réz általában hosszú forgácsokat eredményez.

Cinket, ónt, nikkelt, alumíniumot és szilíciumot tartalmazó ötvözetek, amelyek egy második szilárd oldatot képeznek, de forgácstörő adalékanyagok nélkül. Ezek az ötvözetek keményebbek és szilárdabbak, kevésbé alakíthatók és könnyebben forgácsolhatók. Ebbe a csoportba tartozik különösen a nikkelezüst, amely réz-ón-cink vagy réz-nikkel-cink ötvözetből áll. A nikkelezüst forgácsformája az ötvözőelemektől és azok tartalmától függően nagymértékben változik, de általában elfogadható.

Automata ötvözetek, amelyek ólom, kén, szelén és tellúr adalékanyagokat tartalmaznak a forgácstörés javítása érdekében. Ezek nagyon könnyen forgácsolhatók, rövid forgácsot képeznek.

Az öntött munkadarabok öntött héjjal rendelkeznek, amelyet nagyon nehéz forgácsolni. A maganyag viszont általában nagyon könnyen megmunkálható. A hidegen alakított kovácsolt ötvözetek szilárdsága megnövekedett, ami pozitív hatással van a forgácstörésre. Az edzhető ötvözeteket általában lágy állapotban forgácsolják, edzett állapotban csak finom megmunkálást végeznek csiszolással vagy polírozással.

Alacsony hőmérsékleten és folyó forgácsképződés esetén a szerszámon élrátét keletkezhet, amely fokozott kopáshoz vezet. A nikkelezüst nagy keménysége és nagy alakíthatósága miatt a szerszám élettartama rövidebb, mint a sárgarézé, amely szintén hajlamos a tapadásra és élrátét kialakulására. A K10/20 csoportba tartozó keményfémeket nagysebességű maráshoz szerszámanyagként használják. A tapadásra hajlamos fajták, mint például a tiszta réz, kedvezően megmunkálhatók gyémánttal, mivel így jó felületminőség is elérhető.

A forgácsolóerő lényegesen kisebb, mint az acélnál, és a forgácsolási sebesség növekedésével csökken

A peremkopás és az élrátét képződés rossz felületeket eredményez. Mivel a réz anyagoknak csak alacsony a rugalmassági modulusa, a vékony falú munkadarabok megvetemedhetnek, ami szintén mérethibákhoz és maradó feszültségekhez vezethet. Az alacsony forgácsolóerő itt javulást eredményezhet, akárcsak a hűtő kenőanyagok használata.

 

Különleges ötvözetek (ISO S anyagcsoport)

 

A hőálló szuperötvözetek csoportjába vas, nikkel, kobalt és titán ötvözetek tartalmaznak. Ezek könnyen tapadnak, élrátétet képeznek, megmunkálás közben megkeményednek és hőt termelnek. Hasonlóak az ISO M-csoportba tartozókhoz, de nehezebben megmunkálhatók és csökkentik a szerszámok élettartamát.

 

Titán és titánötvözetek

A titán és a titánötvözetek nehezen megmunkálható anyagok. Szilárdságuk viszonylag nagy, a tömeghez viszonyított szilárdságuk még az acél vagy az alumínium szilárdságánál is nagyobb, ezért jól alkalmazhatók könnyűszerkezetes építéshez, a repülőgépiparban és a sportban. A titán biokompatibilis, ezért implantátumokhoz is alkalmas.

A titán hővezető képessége nagyon alacsony, ami azt jelenti, hogy a hő akár 80%-át is el kell vezetni a szerszámon keresztül. Az acél esetében ez az arány csak kb. 20 %. A száraz megmunkálás során titánpor keletkezhet. Mivel ez nagyon gyúlékony (gyulladási hőmérséklete 33 °C), a titánpor robbanásveszélyes. A gépeket ezért széndioxidos oltórendszerrel szerelik fel. Alacsony forgácsolási sebességű nedves forgácsolásnál olaj alapú hűtő kenőanyagokat használnak. Foszfor- és klórtartalmú kenőanyagokat is használnak, de a klór koncentrációja csak 0,01 % lehet, mert különben a felületminőség túl rossz lesz. Nagyobb forgácsolási sebességeknél vízalapú hűtő kenőanyagokat használnak, amelyek jobban elvezetik a hőt. A titánnak speciális forgácsképződése van, fűrészfogas forgácsokkal, ami hasonló a nagysebességű forgácsolásnál kialakuló forgácsképződéshez. Szerszámanyagként általában keményfémet használnak. A kerámia kémiai reakcióba lép a titánnal, ezért nagyon gyorsan kopik.

 

Magnézium és magnéziumötvözetek

A magnéziumot és a magnézium-ötvözeteket alacsony sűrűségük miatt gyakran használják könnyűszerkezetes szerkezetekben. Megmunkálásuk általában nyomásos öntéssel történik. 225 °C alatt a magnézium hatszögletes rácsszerkezetű, ezért rideg. E hőmérséklet felett már köbös rácsszerkezete lesz és az anyag képlékennyé válik.

A magnézium hajlamos lamellás forgácsokat képezni. A lamellák távolsága a forgácsolóerő változásának gyakoriságával függ össze. Befolyásolhatja a szerszámanyag és a kenés, valamint az előtolás és a forgácsolási sebesség. A szerszám dinamikus terhelése ezért a megfelelő forgácsolási értékek megválasztásával a szerszám terhelhetőségéhez igazítható. A forgács alján a hőmérséklet magasabb, így a forgácslamellák ott kötődnek össze. Ez könnyű forgácstörést és rövid forgácsot eredményez.

A magnézium-ötvözetek csak kevés koptató hatású anyagot tartalmaznak, így a szerszám élettartama hosszú. A tapadási hajlama alacsony, ezért ritkán fordul elő élrátét. Mivel az olvadási hőmérséklet 420 °C és 435 °C körül van, a szerszám hőterhelése alacsony.

Szerszámanyagként gyorsacélokat, keményfémet és gyémántot, vagy gyémánt bevonatú keményfémet használnak. Ezek a szerszámanyagok nagy forgácsolási sebességet és előtolást tesznek lehetővé és nagyon kopásállóak is, ami nagyfokú folyamatbiztonságot eredményez.

A forgácsolóél geometriája hasonló az alumínium megmunkálásánál alkalmazotthoz. Finommegmunkálásnál a munkadarab merevsége korlátozhatja a forgácsolási értékeket.

 

Nem-fém anyagok (O anyagcsoport)

 

Ide tartoznak a hőre lágyuló műanyagok, hőre keményedő műanyagok, az üvegszálas erősítésű polimer műanyag, a szénszál erősítésű műanyag, szénszálas kompozitok, aramidszál erősítésű műanyag, keménygumi, grafit, fa, stb.

 

Műanyagok

Bár vannak analógiák a fémek és a műanyagok megmunkálása között, figyelembe kell venni a műanyagok viselkedését a megmunkálás során, azaz ezen anyagok termikus tulajdonságait (fajhő, hővezető képesség és hőmérsékletérzékenység), valamint a mechanikai-technológiai tulajdonságok erőteljes függését a hőmérséklettől és az igénybevétel mértékétől.

A fémmegmunkáláshoz képest különös figyelmet kell fordítani a következőkre:

A műanyagok általában rossz hővezetők. Hővezető képességük a réz hővezető képességének csak kb. 1/1000-ét, vagy az acél hővezető képességének kb. 1/125-ét éri el. A hővezető képesség meghatározó a megmunkálás során a hőmérséklet és a hőeloszlás szempontjából, különösen az anyag és a szerszámanyag közötti súrlódási területéről történő hőelvezetés szempontjából. A műanyagok rossz hővezető képessége intenzív hőfelhalmozódáshoz vezet az anyagban. A hőleadás ezért szinte kizárólag a szerszámon keresztül történik, ami azt jelenti, hogy bizonyos szerszámanyagoknál túlzott hőterhelés léphet fel, így például egy szerszámacélból készült, állandóan a fogásban lévő szerszám nagy forgácsolási sebességnél a vágóélnél kiéghet.

A műanyagok hőállósága alacsonyabb, mint a fémeké. A hőre keményedő műanyagok esetében a gyanták 180-200 °C feletti hőhatás esetén bomlanak és elszenesednek. Az amorf hőre lágyuló műanyagok a fagyási hőmérséklet túllépésekor (egyes anyagok esetében már 50-60 °C-on) megpuhulnak, a félkristályos anyagok pedig a kristályolvadási tartomány elérésekor megolvadnak. A munkadarabok elérhető pontossága és felületminősége érezhetően csökken, ha elérik ezeket a hőmérsékleteket.

A műanyagok általában különbséget mutatnak az alacsonyabb szakítószilárdság és a magasabb nyomószilárdság között normál vizsgálati körülmények között, azaz a megmunkálás során az anyagot szakító terhelést okozó szerszámformák csökkentik a forgácsolóerőket és megkönnyítik a forgácsolási folyamatot. Másrészt a műanyagok a mechanikai-technológiai tulajdonságok egyértelmű függését mutatják a hőmérséklettől és a terhelési sebességtől.

A hőmérséklet növekedésével az anyagok szilárdsága csökken, míg a nyúlás nő. Másrészt a terhelési sebesség növekedésével a szilárdság nő, a nyúlás pedig csökken. A fémek viselkedésével ellentétben a rugalmassági modulus az alakváltozási sebesség növekedésével nő. A hőmérséklet és az alakváltozási sebesség tehát meghatározó a deformációs viselkedés és így a forgácsolási folyamat típusa, a forgácsképződés és a forgács alakja szempontjából.

Például azonos hőmérsékletet feltételezve egy anyag a forgácsolási sebesség növekedésével egyre ridegebbé válik, és a kritikus feletti forgácsolási sebességnél a munkadarab felületén kitöredezések jelentkezhetnek. Mivel a műanyagok megmunkálásakor egyébként is csak viszonylag kis forgácsolóerők lépnek fel, ezeket a megmunkálási határokat figyelembe kell venni a szerszámforma kiválasztásakor.

A műanyagokat gyakran keverik adalék- és segédanyagokkal, amelyek színezőanyagként, hőstabilizátorként, kenőanyagként, fény- és öregedésvédő szerként stb. szolgálnak, és bizonyos mértékben befolyásolják a megmunkálási tulajdonságokat. Ezek közül a legfontosabbak a fémoxidok, amelyek gyakran kopó hatással vannak a szerszámokra. A legtöbb hőre keményedő anyaghoz töltőanyagokat vagy hordozóanyagokat adnak, amelyek szintén szerszámkopást okoznak; a töltött hőre lágyuló műanyagok ugyanúgy viselkednek a megmunkálás során, mint a töltött hőre keményedő műanyagok.

 

Szálerősítésű műanyagok, kompozitok

A szálerősítésű műanyagok gyakran jobbak, mint a fémes anyagok, mivel kifejezetten erősebbek és merevebbek, mint a fémek.

A szálerősítésű műanyagok esetében a forgácsolással a végleges alakot megközelítő előgyártmány készre munkálását végezzük ; a hornyokat nagyon gyakran marással, a lyukakat vagy kontúrokat pedig körkörös marással hozzák létre. Az esztergálási eljárásokat a rúd alakú kerek profilok esetében alkalmazzák.

Míg a nem erősített hőre lágyuló műanyagok viszonylag jól megmunkálhatók gyorsacél szerszámokkal, a szálerősítésű anyagokhoz keményfém szerszámok, kopásálló bevonatú szerszámok vagy PCD-szerszámok szükségesek. A polimer kompozitok forgácsolhatóságát nagymértékben meghatározza a felhasznált szálak típusa: A nagyon rideg üveg- és szénszálak a szálrészecskék erősen koptató hatása miatt kopásálló szerszámokat igényelnek, míg a nagyon szívós aramidszálak speciális forgácsolóél-geometriát igényelnek, különben a szálak jelentősen kirojtosodnak.

A szálerősítésű polimerek megmunkálásakor a mátrixanyagok alacsony hővezető képessége és alacsony olvadási hőmérséklete miatt ügyelni kell arra, hogy a lehető legkevesebb hő keletkezzen, ugyanakkor a keletkező hő jól elvezethető legyen. Ezért megmunkálásukhoz alacsony forgácsolási erőkre kell törekedni, mivel ellenkező esetben a szál és a mátrix szétválna, delamináció lépne fel.

Az anyagválasztástól és a folyamatparaméterektől függően a furatok károsodhatnak. A nagy előtolási sebességgel történő megmunkálás a mátrix anyagának kitöredezését és a szálanyag foszlását eredményezi a furat szélén, míg az alacsonyabb előtolási sebességek az anyag tapadását eredményezik a vágófelületen és a fúró hornyán. Ezek az anyagtapadások eltömítik a hornyot, és jelentősen ronthatják a megmunkálás minőségét és a folyamat megbízhatóságát, szélsőséges esetben pedig a szerszám meghibásodásához vezethetnek.

A hőelvezetés elengedhetetlen a keményfém vágóélek esetében; a sűrített levegős hűtés a legmegfelelőbb módszer. A vízzel és emulzióval történő hűtés csak akkor lehetséges, ha a műanyagok nem duzzadnak meg túlságosan. Ha azonban a műanyagok túlságosan megduzzadnak, a megmunkált felület érdes és repedezett lesz, mivel a megnövekedett hőmérséklet miatt sok vizet vesznek fel a vágási ponton. A rövid forgács és a sok por tompítja a szerszámokat, és a gépek szennyeződése miatt fennáll a robbanásveszély. A vízzel történő hűtés az akrilüveg és a magas minőségű műgyanta esetében gyakori, a celluloid esetében azonban a tűzveszély miatt elengedhetetlen.

 

Faanyagok

A legtöbb fafajta könnyen forgácsolható. Ez különösen akkor igaz, ha a szálirányban vágjuk. Ha a szálra merőlegesen kell megmunkálni őket, ami a homlokfelületeknél szükséges, akkor kitöredezés léphet fel.

 

 

Forrás:
Review of current best-practices in machinability evaluation and understanding for improving machining performance - ScienceDirect
Zerspanbarkeit – Wikipedia
Zerspanbarkeit von Kunststoff – Wikipedia
Werkstoffe (coromant.com)