Polyoxymethylen (POM) ist ein technischer Kunststoff mit hervorragender Gesamtleistung und wird aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit, guten Dimensionsstabilität und Ermüdungsbeständigkeit häufig bei der Herstellung von Präzisionsteilen verwendet. Unabhängig davon, ob es sich um POM-Bleche oder POM-Stäbe handelt, stoßen Bediener bei Bearbeitungsvorgängen wie Drehen, Fräsen und Bohren häufig auf ein anspruchsvolles technisches Problem: die Kaltverfestigung. Dieses Phänomen führt nicht nur zu einer ungewöhnlich hohen Härte der bearbeiteten Oberfläche der POM-Platte (Polyoxymethylenplatte) oder des POM-Stabs (Polyetheretherketon-Stab), sondern führt auch zu beschleunigtem Werkzeugverschleiß, Abplatzen des Werkstücks und sogar Maßabweichungen, was die Ausbeute des Endprodukts erheblich beeinträchtigt. Das Verständnis der Ursachen der Kaltverfestigung in Polyacetal-Blechen und Polyacetal-Stäben und die Beherrschung wirksamer Unterdrückungsstrategien sind entscheidende Voraussetzungen für die Gewährleistung einer effizienten und qualitativ hochwertigen Bearbeitung dieses Materials.
POM (Polyoxymethylen) ist ein technischer Kunststoff mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, der jedoch bei der Verarbeitung tatsächlich zur „Kaltverfestigung“ neigt. Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Erläuterung der Ursachen und Lösungen.
Ⅰ . Was ist POM „Work Hardening“?
Bei Bearbeitungsprozessen (wie Drehen, Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden) richten sich die Molekülketten in bestimmten Bereichen des POM-Materials unter der Schnittkraft, der Kompression und der Reibungswärme des Schneidwerkzeugs neu aus und werden dichter gepackt, wobei es sogar zu lokalen Änderungen der Kristallinität kommt. Dies führt in diesen Bereichen zu erhöhter Härte und Sprödigkeit, während gleichzeitig die Zähigkeit abnimmt.
Dieses Phänomen ähnelt der Kaltverfestigung bei Metallen und führt zu Schwierigkeiten bei der anschließenden Bearbeitung, wie zum Beispiel:
Erhöhter Werkzeugverschleiß: Der gehärtete Bereich ist „härter“ und verschleißt die Werkzeugkante.
Verminderte Oberflächenqualität: Bei der Bearbeitung kann es zu Absplitterungen, Mikrorissen oder Oberflächenrauheiten kommen.
Mangelnde Maßhaltigkeit: Ungleichmäßige Spannungsfreisetzung im Material führt zu Verformungen.
Gefahr von Werkzeugbruch: Insbesondere beim Gewindeschneiden oder bei der Tieflochbearbeitung verstärkt eine schlechte Spanabfuhr das Phänomen der Verhärtung.
Ⅱ . Wie kommt es zur Kaltverfestigung?
Der Hauptgrund für die Kaltverfestigung von POM ist der Kopplungseffekt von „Wärme“ und „Kraft“, der sich wie folgt zusammenfassen lässt:
Reibungswärmespeicherung:
POM hat eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Die beim Schneiden entstehende Reibungswärme kann nicht schnell abgeführt werden und staut sich an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Material.
Dieser lokale Temperaturanstieg führt dazu, dass POM weicher wird. Unter dem kontinuierlichen Druck des Werkzeugs und der Kühlung (ob natürliche Kühlung oder Luftkühlung) „härtet“ das erweichte Material jedoch schnell aus, kristallisiert neu und bildet eine härtere, sprödere Mikrostruktur. Dies ist der Hauptgrund.
Werkzeugkomprimierung und -schleifen:
Wenn das Werkzeug nicht scharf genug ist oder die Vorschubgeschwindigkeit zu hoch ist, sind die „Kompressions“- und „Pflügen“-Effekte des Werkzeugs auf das Material größer als die „Schneiden“-Effekte.
Diese starke plastische Verformung zwingt die POM-Molekülketten zu einer starken Ausrichtung in Spannungsrichtung, was zu einer regelmäßigeren Anordnung führt und die Härte und Festigkeit dieses Bereichs deutlich erhöht.
Schlechte Spanabfuhr:
Wenn beim Bohren oder Gewindeschneiden die Späne nicht effektiv entfernt werden können, sammeln sie sich im Loch an, reiben ständig an der Lochwand und dem Schneidwerkzeug, erzeugen große Hitze und reiben kontinuierlich an der bearbeiteten Oberfläche, was zu einer starken Verhärtung der Lochwand führt.
Materialeigenschaften:
POM ist ein hochkristalliner Kunststoff mit inhärent hoher Härte und einer gewissen Zähigkeit. Aufgrund seiner molekularen Struktur neigt es unter Scher- und Zugbeanspruchung zur Orientierungsverfestigung.
Ⅲ. Wie lässt sich das Problem der Kaltverfestigung von POM lösen?
Die Hauptlösungen drehen sich um „Reduzierung der Wärmeentwicklung“, „rechtzeitige Wärmeableitung“, „Erhaltung der Werkzeugschärfe“ und „Optimierung der Bearbeitungsparameter“.
1. Werkzeugauswahl und -wartung (am kritischsten)
Schärfe: Es müssen neue, extrem scharfe Werkzeuge verwendet werden. POM reagiert sehr empfindlich auf Werkzeugverschleiß; Selbst eine leichte Abstumpfung des Werkzeugs führt sofort zu einer Kaltverfestigung durch Extrusion.
Material: Hartmetall (Wolframkarbid) Werkzeuge werden empfohlen. Es können auch Werkzeuge aus Schnellarbeitsstahl (HSS) verwendet werden, ihre Schärfe ist jedoch von kurzer Dauer.
Geometrische Winkel: Wählen Sie Werkzeuge mit großem Spanwinkel und fein geschliffenen Schneidkanten, um einen reibungslosen Schnitt zu gewährleisten und Extrusion zu reduzieren.
Beschichtungen: Bestimmte Beschichtungen (z. B. Diamantbeschichtungen) können den Reibungskoeffizienten deutlich reduzieren und die Wärmeentwicklung verringern.
2. Optimierung der Bearbeitungsparameter
Hohe Drehzahl, kleine Werkzeuggröße, schneller Vorschub:
Hohe Schleudergeschwindigkeit: Durch die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit wird mehr Schneidwärme von den Spänen abgeführt, anstatt auf das Werkstück übertragen zu werden.
Geringe Schnitttiefe: Reduziert den Schnittwiderstand und minimiert plastische Verformung.
Schnellvorschub: Verhindert, dass das Werkzeug zu lange an der gleichen Stelle reibt. Allerdings sollte der Vorschub nicht zu langsam erfolgen, sonst wird statt „schneiden“ „gemahlen“ und es entsteht Hitze.
Pausen vermeiden: Während der Bearbeitung, insbesondere beim Bohren und Fräsen, sollte das Werkzeug idealerweise nicht im Material stehen bleiben, da es sonst zu einem schnellen Hitzestau kommt, der zu einer Verhärtung an dieser Stelle führt.
3. Kühlung und Spanentfernung
Luftkühlung (empfohlen): Verwenden Sie zur Kühlung Druckluft. Dadurch wird Wärme abgeführt und Späne werden besser abtransportiert, wodurch Sekundärreibung verhindert wird. Verwenden Sie niemals Schneidflüssigkeiten auf Ölbasis, da die meisten POMs gegenüber Mineralölen nicht beständig sind und zu Materialquellungen oder Leistungseinbußen führen können. Wenn Flüssigkeiten verwendet werden müssen, können Wasser oder Alkohol verwendet werden. Achten Sie jedoch auf eine gründliche Trocknung nach der Bearbeitung.
Erzwungene Spanentfernung: Entwerfen Sie bei der Tieflochbearbeitung und beim Gewindeschneiden Bearbeitungspfade, die es dem Werkzeug ermöglichen, sich regelmäßig zurückzuziehen, um Späne zu entfernen (sogenanntes „Picken“ oder „Spanbrechen“).
4. Andere Techniken
Schritt-für-Schritt-Bearbeitung: Bei Teilen, die eine hohe Präzision erfordern, kann zunächst eine Grobbearbeitung (Aufmaß lassen) durchgeführt werden, um Spannungen im Material abzubauen, gefolgt von einer Endbearbeitung nach dem Abkühlen.
Materialauswahl: Einige modifizierte POMs (z. B. ölhaltige POMs oder intern geschmierte POMs) weisen möglicherweise leichte Verbesserungen in der Bearbeitbarkeit auf, das Grundprinzip bleibt jedoch dasselbe.
Das Wesen der Kaltverfestigung von POM besteht in der „thermischen Rekristallisation“ und der „Spannungsorientierung“. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt in:
Schärfe des Schneidwerkzeugs: Voraussetzung ist ein extrem scharfes Hartmetall-Schneidwerkzeug.
Betriebsgeschwindigkeit: Setzen Sie eine Strategie mit hoher Geschwindigkeit und hohem Vorschub ein, um die Kontaktzeit zu verkürzen.
Häufige Luftkühlung: Eine gute Luftkühlung und Spanabfuhr sind unerlässlich, um einen Hitzestau zu verhindern.
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