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CNC-Bearbeitung von Aluminium

Shift
Juli 15, 5:25 pm

In diesem Artikel besprechen wir die Bearbeitungsprozesse, Werkzeuge, Parameter und Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium und Aluminiumlegierungen. Außerdem analysieren wir die Eigenschaften von Aluminium und der in der CNC-Bearbeitung am meisten verwendeten Legierungen, sowie ihre Einsatzgebiete in verschiedenen Industriebranchen.


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Aluminium ist heutzutage eines der am häufigsten bearbeiteten Materialien. Tatsächlich wird Aluminium hinsichtlich der Verwendungshäufigkeit in der CNC-Bearbeitung nur von Stahl übertroffen. Dies ist vor allem auf die hervorragende Zerspanbarkeit von Aluminium zurückzuführen.

In seiner reinen Form ist das chemische Element Aluminium weich, formbar, nichtmagnetisch und besitzt ein silbrig-weißes Erscheinungsbild. Allerdings wird das Element Aluminium nicht nur in reiner Form verwendet. Aluminium wir normalerweise in Verbindung mit unterschiedlichen Elementen wie z.B. Mangan, Kupfer und Magnesium verwendet, um Hunderte von Aluminiumlegierungen mit verschiedenen, deutlich verbesserten Eigenschaften zu erhalten. Die häufigsten Aluminiumlegierungen und ihre jeweilige Bezeichnungen in den unterschiedlichen Normen können Sie hier finden.

Pure aluminium

Abbildung 1: Reines Aluminium (Quelle: Wikipedia.com)

Vorteile der Verwendung von Aluminium für CNC-gefertigte Bauteile

Obwohl es eine Vielzahl verschiedener Aluminiumlegierungen mit abweichenden Eigenschaften gibt, weisen alle Aluminiumlegierungen die gleichen wesentlichen Eigenschaften auf.

Zerspanbarkeit

Aluminium kann mit einer Vielzahl verschiedener Verfahren geformt und bearbeitet werden. Es kann mit Hilfe von Bearbeitungsmaschinen schnell und leicht geschnitten werden, da es weich ist und eine hohe Zerspanbarkeit aufweist. Außerdem ist es kostengünstiger als Stahl und benötigt einen geringeren Bearbeitungsaufwand. Diese Eigenschaften sind für den Zerspanungsmechaniker und den Kunden von großem Nutzen. Hinzu kommt, dass Aluminium sich aufgrund seiner hohen Zerspanbarkeit während der Bearbeitung weniger stark verformt. Dies führt zu einer höheren Genauigkeit, da CNC-Maschinen so höhere Toleranzen erreichen können.

Verhältnis von Festigkeit und Gewicht

Die Dichte von Aluminium ist etwa ein Drittel der Stahldichte. Aluminium ist also relativ leicht. Trotz seines geringen Gewichts weist Aluminium eine sehr hohe Festigkeit auf. Diese Kombination aus einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht wird durch das Festigkeits-Gewicht-Verhältnis beschrieben. Sein hohes Festigkeits-Gewicht-Verhältnis macht Aluminium zu einem vorteilhaften Material für Bauteile verschiedener Industriebranchen, wie z.B. der Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Korrosionsbeständigkeit

Aluminium ist kratzfest und korrosionsbeständig unter den typischen marinen und atmosphärischen Bedingungen. Diese Eigenschaften können durch Eloxieren verstärkt werden. Man sollte jedoch beachten, dass die Korrosionsbeständigkeit mit der Aluminiumsorte variiert. Die in der CNC-Bearbeitung am meisten verwendeten Aluminiumsorten weisen jedoch die höchste Beständigkeit auf.

Verhalten bei niedrigen Temperaturen

Die meisten Materialien neigen dazu, ihre vorteilhaften Eigenschaften bei Temperaturen unter dem Nullpunkt teilweise zu verlieren. So werden beispielsweise sowohl Kohlenstoffstahl als auch Gummi bei niedrigen Temperaturen brüchig. Im Gegensatz dazu bleibt Aluminium selbst bei sehr niedrigen Temperaturen weich, formbar und fest.

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit von reinem Aluminium liegt bei Raumtemperatur bei 36,7 Millionen Siemens pro Meter. Obwohl Aluminiumlegierungen niedrigerer Leitfähigkeiten als reines Aluminium aufweisen können, sind sie leitfähig genug, um als elektrische Komponenten verwendet zu werden. Andererseits ist Aluminium ungeeignet, wenn eine hohe elektrische Leitfähigkeit des gefertigten Bauteils unerwünscht ist.

Recyclingfähigkeit

Da die CNC-Bearbeitung ein subtraktives Fertigungsverfahren ist, fallen bei der Bearbeitung viele Späne und somit viel Materialverschnitt an. Aluminium eignet sich gut für Recycling, d.h. es bedarf relativ wenig Energie, Aufwand und Kosten, um Aluminium wiederzuverwerten. Dies macht es auch hinsichtlich der Vermeidung von Materialverschwendung zu einem vorteilhaften Material. Dies macht Aluminium auch zu einem umweltfreundlicheren Material in der CNC-Bearbeitung.

Eloxieren

Das Eloxal-Verfahren ist ein Oberflächenveredlungsverfahren, das die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit eines Materials verbessert. Aluminium eignet sich für das Eloxal-Verfahren. Dieses Verfahren erleichtert auch das Färben der gefertigten Aluminiumbauteile.

Beliebte Aluminiumlegierungen für die CNC-Bearbeitung

Unserer Erfahrung nach werden die folgenden 5 Aluminiumsorten in der CNC-Bearbeitung am häufigsten verwendet.

EN AW 2007

Alternative Bezeichnungen: 3.1645; EN 573-3; AlCu4PbMgMn.

Diese Aluminiumlegierung enthält Kupfer als Hauptlegierungselement (4-5% Kupfer). Es handelt sich um eine Legierung mit kurzen Spänen, die leicht, langlebig und hochfunktional ist und die gleichen mechanischen Eigenschaften wie AW 2030 aufweist. Es eignet sich außerdem zum Gewindeschneiden, zur Hitzebehandlung und zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. All diese Eigenschaften machen EN AW 2007 zu einem weit verbreiteten Material in der Herstellung von Bauteilen, Bolzen, Schrauben, Muttern, Nieten und Gewindestanden. Diese Aluminiumsorte hat jedoch eine geringe Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit; daher empfiehlt sich ein schützendes Eloxieren nach der Bauteilfertigung.

EN AW 5083

Alternative Bezeichnungen: 3.3547; Alloy 5083; EN 573-3; UNS A95083; ASTM B209; AlMg4.5Mn0.7

AW 5083 ist bekannt für seine hervorragende Leistung unter rauen Bedingungen. Es enthält Magnesium und Spuren von Chrom und Mangan. Diese Sorte hat eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit in chemischen und marinen Umgebungen. Von allen nicht wärmebehandelbaren Legierungen weist AW 5080 die höchste Festigkeit auf; eine Eigenschaft, die es selbst nach dem Schweißen erhält. Während diese Legierung nicht für Anwendungen mit Temperaturen über 65°C eingesetzt werden sollte, zeichnet es sich durch hervorragende Leistungen bei Niedrigtemperaturanwendungen aus.

Aufgrund seiner Reihe vorteilhafter Eigenschaften wird AW 5080 für viele verschiedene Anwendungen inklusive Tieftemperaturanlagen, Schiffsanwendungen, Druckanlagen, chemischen Anwendungen, geschweißten Konstruktionen und Fahrzeugkarosserien eingesetzt.

EN AW 5754

Alternative Bezeichnungen: 3.3535; Alloy 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.

Als Aluminium-Magnesium-Knetliegerung mit dem höchsten prozentualen Anteil Aluminium, kann AW 5754 gewalzt, geschmiedet und stranggepresst werden. Es ist nicht wärmebehandelbar und kann kaltbearbeitet werden um die Festigkeit auf Kosten der Formbarkeit zu erhöhen. Außerdem weist diese Legierung eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf und hat eine hohe Festigkeit. Mit diesen Eigenschaften ist es nicht überraschend, dass AW 5754 in der CNC-Bearbeitung eines der am häufigsten verwendeten  Aluminiumsorten ist. Es wird üblicherweise für geschweißte Konstruktionen, Böden, Fischereiausrüstung, Fahrzeugkarosserien, Nieten und in der Lebensmittelverarbeitung verwendet.

EN AW 6060

Alternative Bezeichnungen: 3.3206; ISO 6361; UNS A96060; ASTM B 221; AlMgSi0,5

Hier handelt es sich um eine Magnesium und Silizium enthaltende Knetlegierung. Sie ist wärmebehandelbar und weist eine durchschnittliche Festigkeit, gute Schweißbarkeit und gute Formbarkeit auf. Außerdem besitzt sie eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit; eine Eigenschaft, die durch Eloxierung noch verbessert werden kann. EN AW 6060 wird häufig in Bauwesen, Lebensmittelverarbeitung, Medizintechnik und Automobiltechnik eingesetzt.

EN AW 7075

Alternative Bezeichnungen: 3.4365; UNS A96082; H30; Al-Zn6MgCu.

Das Hauptlegierungselement dieser Aluminiumsorte ist Zink. Obwohl EN AW 7075 nur durchschnittliche Zerspanbarkeit und schlechte Kaltformungseigenschaften aufweist und sich nicht zum Schweißen oder Löten eignet, besitzt es ein hohen Festigkeits-Gewicht-Verhältnis, eine hervorragende Widerstandsfähigkeit in atmosphärischen und marinen Umgebungen und eine Festigkeit, die mit einigen Stahllegierungen vergleichbar ist. Diese Legierung wird in einem sehr breiten Anwendungsspektrum eingesetzt – von Hängegleitern, Fahrradrahmen, Kletterausrüstung und Waffen bis hin zum Bau von Fertigungswerkzeug.

CNC machined parts from aluminium

Abbildung 2: Aluminiumbauteile von Shift, gefertigt mit CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitungsverfahren für Aluminium

Aluminium lässt sich mit vielen der heute zur Verfügung stehenden CNC-Verfahren bearbeiten. Einige dieser Verfahren haben wir aufgelistet:

Drehen

Bei CNC-Bearbeitungsverfahren dreht sich das Werkstück, während das Einpunkt-Schneidewerkzeug entlang seiner Achse stationär bleibt. Abhängig von der eingesetzten Maschine führt entweder das Werkstück oder das Schneidewerkzeug eine Vorschubbewegung aus, um den Materialabtrag zu erreichen.

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Fräsen

Fräsverfahren sind bei der Bearbeitung von Aluminiumbauteilen die am häufigsten verwendeten Methoden. Diese Verfahren bestehen aus der Rotation eines Mehrpunkt-Schneide-Werkzeugs entlang seiner Achse, während das Werkstück entlang seiner eigenen Achse stationär bleibt. Schneidwirkung und anschließender Materialabtrag wird durch eine Vorschubbewegung des Werkstücks oder des Schneidewerkzeugs, oder einer Kombination aus beidem erreicht. Diese Bewegung kann entlang mehrerer Achsen erfolgen.

Erfahren Sie mehr über unsere CNC-Fräsedienstleistungen.

Abbildung 3a: CNC-Fräsen

Abbildung 3b: CNC-Drehen

Taschenfräsen

Taschenfräsen, auch bekannt als Pocketing, ist eine CNC-Fräsmethode, bei der eine hohle Tasche in ein Bauteil gefräst wird.

Abbildung 4: Taschenfräsen (mechaterrain.com)

Plandrehen und Planfräsen

In der Maschinenbearbeitung versteht man unter Plandrehen/fräsen das Erzeugen einer ebenen Querschnittsfläche auf der Oberfläche eines Werkstücks durch Drehen/Fräsen.

Abbildung 5: Plandrehen

Bohren

Bohren ist der Prozess der Erzeugung eines Lochs in einem Werkstück. In diesem Verfahren bewegt sich ein mehrpunktrotierendes Schneidwerkzeug einer bestimmten Größe auf einer geraden Linie, senkrecht zur zu bearbeitenden Oberfläche und erzeugt so effektiv ein Loch.

Werkzeuge für die Aluminiumbearbeitung

Bei der Werkzeugauswahl für die CNC-Bearbeitung spielen viele verschiedenen Faktoren eine Rolle.

Werkzeugdesign

Unterschiedliche Geometrieaspekte eines Werkzeugs tragen zur Effektivität hinsichtlich der Aluminium-Bearbeitung bei. Eine davon ist die Anzahl der Schneiden. Um Schwierigkeiten bei der Spanabfuhr bei hohen Geschwindigkeiten zu vermeiden, sollten die Schneidwerkzeuge für die Aluminium-CNC-Bearbeitung 2-3 Schneiden aufweisen. Eine höhere Anzahl von Schneiden führt zu kleineren Späne-Buchten. Dadurch bleiben die großen Späne der Aluminiumlegierungen hängen. Wenn die Schnittkräfte gering sind und die Spanabfuhr für das Verfahren von großer Bedeutung ist, sollten zwei Schneidkanten verwendet werden. Für das perfekte Gleichgewicht zwischen Spanabfuhr und Werkzeugfestigkeit können drei Schneiden  verwendet werden.

Abbildung 6: Werkzeugschneiden (harveyperformance.com)

Schrägungswinkel

Der Schrägungswinkel ist der Winkel zwischen der Mittellinie eines Werkzeugs und einer geraden Tangente entlang der Schnittkante. Während ein hoher Schrägungswinkel Späne schnell abführt, erhöht dies gleichzeitig die Reibung und Hitzeentwicklung während der Bearbeitung. Dies kann dazu führen, dass Späne während CNC-Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Aluminium mit der Werkzeugoberfläche verschweißen. Ein kleinerer Schrägungswinkel führt zwar zu weniger Hitzeentwicklung, kann aber möglicherweise die Späne nicht effektiv abführen. In der Aluminiumbearbeitung eignet sich ein Schrägungswinkel von 35° oder 40° für grobe Anwendungen während ein Winkel von 45° für Abschlussarbeiten geeignet ist.

Abbildung 7: Schrägungswinkel (Wikipedia.com)

Freiwinkel

Der Freiwinkel ist ein weiterer wichtiger Faktor für die einwandfreie Funktion eines Werkzeugs. Ein übermäßig großer Winkel würde dazu führen, dass sich das Werkzeug in das Bauteil eingräbt und hin- und her rattert. Andererseits können zu kleine Winkel zu großer Reibung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück führen. Für die CNC-Bearbeitung von Aluminium eignen sich vor allem Freiwinkel zwischen 6° und 10°.

Werkzeugmaterial

Hartmetall ist das bevorzugte Material für Schneidwerkzeuge, die in der CNC-Aluminiumbearbeitung eingesetzt werden. Da Aluminium sehr weich ist und sich gut schneiden lässt, ist bei einem Schneidwerkzeug für Aluminium nicht die Härte entscheidend, sondern die Fähigkeit, eine rasiermesserscharfe Kante zu erhalten. Diese Fähigkeit ist in Hartmetallwerkzeugen vorhanden und hängt von zwei Faktoren ab, der Hartmetallkorngröße und dem Bindemittelanteil. Während eine größere Korngröße zu härterem Material führt, garantiert eine kleinere Korngröße ein zäheres, schlagfesteres Material, das genau die Eigenschaft ist, die wir benötigen. Kleinere Körner benötigen Kobalt, um die Feinkornstruktur und die Festigkeit des Materials zu erreichen.

Kobalt reagiert jedoch bei hohen Temperaturen mit Aluminium und bildet auf der Werkzeugoberfläche eine Aufbauschneide aus Aluminium. Der Schlüssel liegt darin, ein Hartmetallwerkzeug mit der richtigen Menge Kobalt (2-20%) zu verwenden, um diese Reaktion zu minimieren und gleichzeitig die erforderliche Festigkeit zu erhalten. Hartmetallwerkzeuge sind in der Regel besser dazu geeignet, den hohen Geschwindigkeiten der CNC-Aluminiumbearbeitung standhalten als Stahlwerkzeuge.Neben dem Werkzeugmaterial ist die Beschichtung des Werkzeugs ein wichtiger Faktor für die Schnitteffizient des Werkzeugs.

ZrN (Zirconiumnitrid), TiB2 (Titanborid) und diamantähnliche Beschichtungen sind einige der geeigneten Werkzeugbeschichtungen für die CNC-Bearbeitung von Aluminium.

Vorschübe und Geschwindigkeiten

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Schneidwerkzeug dreht. Da Aluminium sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten standhalten kann, ist die Schnittgeschwindigkeit bei Aluminiumlegierungen von den Anwendungsgrenzen der eingesetzten Maschine abhängig. Die Geschwindigkeit sollte wie bei der CNC-Aluminiumbearbeitung so hoch wie möglich sein, da dies das Risiko der Bildung von Aufbauschneiden reduziert, Zeit spart, den Temperaturanstieg im Bauteil minimiert, den Spanbruch verbessert und die Oberflächenbeschaffenheit verbessert. Die genaue Arbeitsgeschwindigkeit hängt von der Aluminiumlegierung und dem Werkzeugdurchmesser ab.

Der Vorschub ist der Abstand, den das Werkstück oder Werkzeug pro Umdrehung des Werkzeugs bewegt wird. Der verwendete Vorschub hängt von der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit, der Festigkeit und der Steifigkeit des Werkstücks ab. Grobe Schnitte erfordern einen Vorschub von 0,15 bis 2,03 mm/U, während Endbearbeitungen einen Vorschub von 0,05 bis 0,15 mm/U erfordern.

Kühlschmiermittel

Trotz seiner guten Zerspanbarkeit sollte Aluminium niemals trocken geschnitten werden, da dies die Bildung von Aufbauschneiden fördert. Geeignete Kühlschmiermittel für die Aluminium-CNC-Bearbeitung sind lösliche Ölemulsionen und Mineralöle. Vermeiden Sie Kühlschmiermittel, die Chlor oder aktiven Schwefel enthalten, da diese Elemente Aluminium beizen. Mehr über Kühlschmiermittel erfahren Sie hier.

Nachbearbeitungsprozesse

Nach der Bearbeitung eines Aluminiumteils gibt es bestimmte Verfahren, die man durchführen kann, um die physikalischen, mechanischen und ästhetischen Eigenschaften des Bauteils zu verbessern. Die am weitesten verbreiteten Verfahren sind unten aufgelistet.

Perlstrahlen – Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel

Perlstrahlen ist ein Veredelungsverfahren für ästhetische Zwecke. Bei diesem Verfahren wird das gefertigte Bauteil mit einem starken Luftstrahl aus Druckluft und winzigen Glasperlen gestrahlt, wodurch das Material effektiv entfernt wird und eine glatte Oberfläche gewährleistet ist. Es verleiht Aluminium eine seidenglänzende oder matte Oberfläche. Die wichtigsten Verfahrensparameter für das Perlstrahlen sind die Größe der Glasperlen und die Stärke des verwendeten Luftdrucks. Verwenden Sie dieses Verfahren nur, wenn die Maßtoleranzen des Bauteils nicht entscheidend sind.

Weitere Veredelungsverfahren sind Polieren und Lackieren.

Beschichtung

In diesem Verfahren wird das Aluminium-Werkstück mit einem anderen Material, beispielsweise Zink, Nickel oder Chrom, beschichtet. Dies wird zur Verbesserung der Funktionalität des Bauteils durchgeführt und kann durch elektrochemische Prozesse erreicht werden.

Eloxieren

Das Eloxal-Verfahren ist ein elektrochemisches Verfahren, bei dem das Aluminium-Werkstück in eine Lösung aus Schwefelsäure gegeben wird. Anschließend wird zwischen der Anode und Katode eine elektrische Spannung angelegt. Dieses Verfahren wandelt die ausgesetzten Oberflächen des Werkstücks in eine elektrisch nicht reaktive Aluminiumoxidbeschichtung um. Die Dichte und Dicke der Beschichtung hängt von der Zusammensetzung der Lösung, der Dauer des Eloxal-Verfahrens und dem angelegten elektrischen Strom ab. Eloxieren kann auch zur Färbung des Bauteils durchgeführt werden.

Pulverbeschichtung

Beim Pulverbeschichtungsprozess wird das Bauteil mit Hilfe einer elektrostatischen Sprühpistole mit einem farbigen Polymerpulver beschichtet. Das Teil wird dann bei einer Temperatur von 200°C ausgehärtet. Die Pulverbeschichtung verbessert die Festigkeit und Verschleiß-, Korrosions- und Schlagfestigkeit.

Hitzebehandlung

Bauteile aus wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungen können zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Anwendungen von CNC-gefertigten Aluminiumbauteilen in der Industrie

Wie oben erwähnt, weisen Aluminiumlegierungen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf. Daher sind CNC-gefertigte Aluminiumbauteile in vielen Industriebranchen unverzichtbar, unter anderem in:

  • Luft- und Raumfahrt: Aufgrund des hohen Festigkeit-Gewicht-Verhältnisses werden viele Flugzeugbeschläge aus Aluminium gefertigt.
  • Automobilindustrie: ähnlich wie in der Luft-und Raumfahrtindustrie werden viele Bauteile wie Achsen und andere Komponenten aus Aluminium hergestellt.
  • Elektronik: Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit werden CNC-gefertigte Aluminiumbauteile häufig als elektrische Komponenten in Elektrogeräten eingesetzt.
  • Lebensmittel- und Pharmaindustrie: Da Aluminium mit den meisten organischen Substanzen nicht reagiert, spielen Aluminiumbauteile eine wichtige Rolle in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.
  • Sport: Aluminium wird häufig dafür eingesetzt Sportausrüstung, wie Baseballschläger oder Pfeifen, herzustellen.
  • Tieftemperaturtechnik: Aufgrund der Fähigkeit des Aluminiums, selbst bei Temperaturen unter dem Nullpunkt seine mechanischen Eigenschaften zu erhalten, werden Aluminiumbauteile häufig in Tieftemperatur-Anwendungen einsetzt.

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