Zerspanung von Aluminium für leichtere Bauteile und eine abfallfreie Zukunft

Hersteller aus der Automobil- und Luftfahrtindustrie stehen vor einem großen Umbruch. Neue Umweltvorschriften und die Erwartungen immer umweltbewussterer Verbraucher drängen die Hersteller, neue emissionsarme und emissionsfreie Fahrzeuge zu entwickeln.
Aluminium ist eine Antwort auf die Bauteilherausforderungen, denen sich die Fertigungsindustrie stellen muss. Aluminium ist eines der leichtesten Metalle der Welt, fast dreimal leichter als Eisen, aber sehr stabil und korrosionsbeständig. Außerdem lässt sich Aluminium immer wieder verwenden. Das Material kann aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ohne jegliche Beeinträchtigung geschmolzen und wiederverwertet werden. Dank effektivem Recycling wird ca. 75% vom Aluminium, das jemals produziert wurde, noch heute verwendet und das trägt zu einer nachhaltigeren Zukunft bei.

Zerspanung von Aluminiumlegierungen in der Automobilindustrie

Video: Fräswerkzeuge für die Bearbeitung von Automobilkomponenten aus Aluminium
Obwohl Elektrofahrzeuge sich auf Wachstumskurs befinden, wird es noch einige Zeit dauern, bis der Verbrennungsmotor ausgedient hat. Bei den gegenwärtigen Anstrengungen, saubere Energien zu nutzen, wird der Einsatz von Leichtbaustoffen in Verbrennungsmotoren aufgrund der daraus resultierenden höheren Kraftstoffeffizienz und verringerten Umweltbelastung eine unverzichtbare Notwendigkeit. Den Antriebsstrang eines europäischen PKWs enthält in der Regel circa 80 Kilogramm Aluminium, was bedeutet, dass diese Teile - Motor, Getriebe, Aufhängungsteile, Gehäuse - ein offensichtliches Interessengebiet für Leichtbaumaßnahmen sind. Durch den Austausch des konventionellen Gusseisens durch Aluminiumlegierungen kann das Gewicht des Motorblocks um bis zu 40 bis 55 Prozent verringert werden, während die Sicherheit und Aspekte der Kosteneffizienz beibehalten werden. Verschiedene Getriebekomponenten, insbesondere Getriebegehäuse, Geräte/Bauteile für die Elektrifizierung, Querlenker und Hinterachse sind Paradebeispiele für Antriebswellenanwendungen, in denen Aluminium der bevorzugte Werkstoff ist.
Einsatzoptimierte Werkzeuglösungen für die Automobilfertigung und Maschinenhersteller (MTMs) gewährleisten einen produktiveren Maschinenbetrieb. Die komplette M5-Fräserreihe lässt sich für sämtliche Anwendungen - von der Erstbearbeitung bis zum Feinstschlichten - für optimale Qualität und niedrige Kosten pro Bauteil einsetzen.
M5-Fräskonzepte für ISO N-Werkstoffe

• Der M5Q90 Fräser ist zur Vorbearbeitung von gegossenen Zylinderköpfen und Motorblöcken aus Aluminium in einer Aufspannung ohne Gratbildung ausgelegt. Der Fräser bietet eine konstante Performance und lange Standzeiten.
• Der M5R90 ist die erste Wahl zum Schruppen bis Vorschlichten bei der Eckfräsbearbeitung von Automobilbauteilen aus Aluminium wie Zylinderblöcke, Zylinderköpfe oder Getriebegehäuse.
• Das Planfräskonzept M5B90 umfasst hoch effektive Werkzeuge zur Fertigbearbeitung von Zylinderköpfen, Zylinderblöcken, Getriebegehäusen und anderen Komponenten mit großen Materialeingriffen. Der M5B90 verhindert ungleichmäßigen Werkzeugverschleiß und sorgt für wesentlich verlängerte Standzeiten, selbst bei hohen Vorschüben.
• Das M5C90-Konzept basiert auf dem M5B90 und bietet ebenfalls eine grat-und kratzerfreie Oberfläche mit Wendeschneidplatten in abgestufter Konfiguration. Das Besondere an den Planfräsern M5C90 ist die zusätzliche Reihe von Schruppplatten, die tangential am Außendurchmesser positioniert sind.
• Beim M5F90 handelt es sich um einen speziellen Planfräser für die Bearbeitung dünnwandiger Aluminiumbauteile in einem Arbeitsgang. Er kann aber auch für das Planfräsen und für Bearbeitungen mit breiten Materialeingriffen eingesetzt werden.

ISO N-Werkstoffe

NE-Werkstoffe umfassen nicht nur Aluminium, sondern auch Magnesium-, Kupfer- und Zinkbasislegierungen. Die Zerspanbarkeit hängt primär vom Si-Gehalt ab. Hypoeutektische Legierungen mit einem Si-Gehalt unter 13% sind am häufigsten vertreten.

Über viele Jahre wurde der Motorblock aufgrund seiner hohen Belastbarkeit, niedrigen Kosten und hohen Verschleißfestigkeit aus Gusslegierungen gefertigt. Da mit der Zeit Motoren viel komplexer geworden sind, wurden neue Werkstoffe eingesetzt, um das Gewicht zu reduzieren sowie die Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Heute werden aufgrund des reduzierten Gewichts und der exzellenten Gießeigenschaften für Pkw-Motoren überwiegend Aluminiumlegierungen verwendet.

Werkzeuge zum Aufbohren von Zylindern ausgelegt in Grauguss undin Aluminium mit integrierten Grauguss-Laufbuchsen

• B685 für stabile und produktive Zylinderaufbohrbearbeitung, vom Schruppen bis Vorschlichten
• B687 für stabile und produktive Zylinderaufbohrbearbeitung, Schlichten
• B681 für stabile und produktive Zylinderaufbohrbearbeitung, Schruppen
• B683 für stabile und produktive Zylinderaufbohrbearbeitung, Vorschlichten

Kfz-Teile werden normalerweise in Massenproduktion mit sehr vielen komplexen Bohrungsgeometrien hergestellt – eine Anwendung, die oftmals den Einsatz von optimierten Bohrwerkzeugen für maximale Produktivität und lange Standzeit rechtfertigt.
Bohrwerkzeuge / Vollhartmetallwerkzeuge für die Bearbeitung von Aluminium:

• CoroDrill® 400 ist ein gerade genuteter Bohrer, ausgelegt für komplexe Anwendungen mit mehreren Stufen-, Fasen- und Radiusformen sowie große Stufenverhältnisse über Durchmesserbereiche zwischen 3 und 25 mm (0.118-0.984 Zoll). Diese Bohrer überzeugen durch einfache Spanabfuhr, Bohrungsgeradheit und Oberflächengüte.
  
• CoroDrill® 430 ist ein spiral genuteter Vollhartmetallbohrer mit 3 Schneiden für das Kernlochbohren, d. h. das Erweitern bestehender Bohrungen. Diese Fräser bieten exzellente Kontrolle über die Bohrungstoleranz und -geradheit bei schwierigen Bedingungen.
  
• Das Gewindeformen ist die bevorzugte Gewindelösung für Motorenkomponenten aus Aluminium und dasCoroTap® 400 Portfolio mit spanlosen Gewindebohrern ist für diese Anwendung die erste Wahl.
  

Tipps zum Bohren in Aluminium

1. Gratbildung und Spanabfuhr können ein Problem darstellen. Materialadhäsion kann außerdem zu verkürzten Standzeiten führen. Empfehlungen: Für optimale Spanbildung sollten niedriger Vorschub und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt werden.
2. Zur Vermeidung von verminderter Standzeit kann es notwendig sein, unterschiedliche Beschichtungen auszuprobieren, die Adhäsion minimieren. Diese Beschichtungen können PKD oder je nach Substrat andere Schneidstoffe sein, oder es wird überhaupt keine Beschichtung verwendet.
3. Sonstiges:Emulsion oder Sprühnebelkühlung mittels Hochdruck verwenden.

Bearbeitung von Aluminiumlegierungen in der Luft-und Raumfahrt

Abbildung: RAL90 Fräskonzept für Tragflächenrippen aus Aluminium

Bei der Zerspanung von Aluminium in der Luftfahrt stellt die Kombination aus stabilem und zuverlässigem Zerspanungsprozess mit hoher Schnittgeschwindigkeit und hohen Zerspanungsraten ein Schlüsselfaktor dar. Eine wichtige Voraussetzung für gute Zerspanbarkeit sind niedrige Schnittkräfte. Sie sorgen für einen niedrigen Energieverbrauch, eine geringere Vibrationsneigung und eine hohe Oberflächengüte.
Ein Flugzeug besteht aus unterschiedlichen Aluminiumbauteilen wie Holme, Außenhäute und Rippen. Anhand der Tragflächenrippen lassen sich beispielhaft einige der Herausforderungen aufzeigen, die sich bei der Bearbeitung von dünnen Wänden, einem dünnen Formengrund oder 2D-Taschen ergeben. Außerdem wird die Bedeutung gewuchteter Werkzeuge deutlich.Sandvik Coromant bietet eine breite Palette an einsatzbezogenen Werkzeugen für die effiziente und hochqualitative Bearbeitung von Tragflächenrippen.
Bearbeitung dünner Wände
Die Bearbeitungsstrategien für dünnwandige Bauteilbereiche variieren, je nach Höhe und Stärke der Wand. Die Anzahl der Durchgänge wird von den Wandmaßen und der axialen Schnitttiefe bestimmt.
Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit geringer Schnitttiefe, ap/ae, und hoher Schnittgeschwindigkeit, vc, vereinfacht die Fräsbearbeitung dünner Wände, da bei dieser Methode die Eingriffzeit und dadurch auch die Stoßkraft und Ablenkung reduziert werden. Die Step-Support-Methode mit überlappenden Durchgängen abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten der Wand, empfiehlt sich bei Wänden, bei denen das Stärke/Höhe-Verhältnis zwischen 15:1 und 30:1 beträgt.
Auskammern mit dem Hochgeschwindigkeitsfräser RAL 90
Der RAL90 Aluminiumfräser wurde für extrem hohe Zerspanungsraten konzipiert. Der extra robuste Fräskörper mit optimierten Plattensitzen setzt einen neuen Standard für Prozesssicherheit beim Hochgeschwindigkeitsfräsen - eine ideale Lösung für schwere Schruppen bis Vorschlichten bei der Taschenbearbeitung von Luftfahrt-Strukturbauteilen aus Aluminium.
Bei Anwendungen, die noch höhere Drehzahlen und Abtragsraten erfordern, lassen sie sich mit den neuen RAL 90 Super MRR extra hohe Spindeldrehzahlen erzielen, z. B. bis zu 33000 U/min. bei DC 50 mm im Vergleich zu 23500 U/min. beim RAL 90. Das bedeutet eine Steigerung der Produktivität von 40%.
Fräsen von Aluminium mit Vollhartmetallwerkzeugen
Wenn kleinere Durchmesser erforderlich sind, bieten sich Vollhartmetallwerkzeuge an. Mit einer optimierten Geometrie und Sorte für das Fräsen von Aluminium, bieten der CoroMill® Plura Schaftfräser und CoroMill® 316 Schaftfräser mit austauschbarem Schneidkopf lange Standzeiten bei hohen Zerspanungsraten.
Die Spankanäle bieten reichlich Platz für eine gute Spanabfuhr. Darüber hinaus reduziert die spezielle Rundschlifffase Werkzeugvibrationen und minimiert Spanprobleme. Das Ergebnis ist eine exzellente Oberflächengüte.

Zerspanbarkeit von Aluminium

• Polymerer, langspanender Werkstoff
• Relativ einfache Spankontrolle in legiertem Zustand
• Reines Al ist adhäsiv und erfordert scharfe Schneidkanten und hohe Schnittgeschwindigkeit
• Spezifische Schnittkraft: 350–700 N/mm
• Schnittkräfte und die zur Bearbeitung notwendige Energie sind niedrig
• Der Werkstoff kann mit feinkörnigen, unbeschichteten Hartmetallsorten bearbeitet werden, wenn der Si-Gehalt unter 7-8 % liegt, und bei Aluminium mit höherem Si-Gehalt wird mit PKD-bestückten Sorten zerspant
• Übereutektisches Aluminium mit einem höheren Si-Gehalt als 12 % ist sehr abrasiv