Aluminium-Bearbeitung: Was nach 18 Jahren funktioniert

Sie haben also mit der Bearbeitung von Aluminium zu tun. Lustige Zeiten, oder? Jeder, der schon einmal Aluminium bearbeitet hat, weiß, dass es immer wieder Überraschungen gibt. In der einen Minute brechen die schönen Späne ab, wie sie sollten, und in der nächsten Minute haben Sie Spaghetti um Ihre Spindel gewickelt und fragen sich, was zum Teufel gerade passiert ist.

Nach Angaben des U.S. Geological Survey macht Aluminium 13% der weltweiten Metallproduktion aus. Das sind viele Geschäfte, die sich mit den gleichen Kopfschmerzen... äh, Möglichkeiten beschäftigen, mit denen wir alle konfrontiert sind.

Aber wenn man das Setup richtig hinbekommt? Wenn alles genau richtig eingestellt ist? Ihre Maschine klingt, als würde sie brummen, und Aluminium schält sich ab wie Bonbonpapier. Das ist es, was wir hier anstreben.

Warum jeder Aluminium will (und warum es uns in den Wahnsinn treibt)

Stahl ist langweilig. Vorhersehbar. Aber Aluminium bearbeiten? Da werden die Dinge interessant.

Hier ist der Grund, warum jeder Aluminiumlegierungen will:

• Gewicht: Bei 2,7 g/cm³ im Vergleich zu 7,8 g/cm³ bei Stahl handelt es sich um echte Gewichtseinsparungen und nicht um Marketing-BS, also um tatsächliche Pfunde, die Sie einsparen können.
• Korrosionsbeständigkeit: Diese Oxidschicht bildet sich auf natürliche Weise. In den meisten Fällen sind keine Beschichtungen erforderlich.
• Wärmeübertragung: 237 W/m-K bedeutet, dass die Wärme dorthin gelangt, wo man sie haben will.

Hier ist der Grund, warum uns die Bearbeitung von Aluminium in den Wahnsinn treibt:

• Es klebt an allem. AN ALLEM. Ihre Werkzeuge, Ihre Einrichtungsgegenstände und wahrscheinlich auch Ihre Kaffeetasse, wenn Sie nicht aufpassen.
• Aufgebaute Kante, die sich schneller bildet, als man "Oberflächenfinish" sagen kann.
• Chips, die anscheinend von jemandem entwickelt wurden, der automatisierte Abläufe hasst.
• Thermische Ausdehnung? 23.1 × 10-⁶/°C. Teile, die bei Maschinentemperaturen perfekt sind, können beim Abkühlen Ausschuss sein.

Das Geheimnis liegt nicht darin, Aluminiumlegierungen zu bekämpfen, sondern zu verstehen, was sie wollen, und ihnen genau das zu geben.

Das Aluminium-Angebot, das wirklich wichtig ist

6061 Ihr Brot und Butter

6061-Aluminiumlegierungen sind wie ein Honda Civic. Nicht sexy, aber er bringt Sie ohne Drama ans Ziel. Es gibt sie seit 1935 und sie bewältigt immer noch 80% der Aufträge, die durch die Tür kommen.

0,8-1,2% Magnesium, 0,4-0,8% Silizium. Einfaches Rezept, zuverlässige Ergebnisse.

Warum 6061 für die meisten Aluminiumbearbeitungen geeignet ist:

• Verdammt verzeihend, wenn du Mist baust
• Maschinen tun immer das Gleiche
• Schweißt großartig, wenn Sie sekundäre Operationen benötigen
• Überall erhältlich (Ihr Lieferant hat es tatsächlich auf Lager)

Kurze Tirade: Ich sehe, wie Käufer versuchen, Geld zu sparen, indem sie "gleichwertige" Aluminiumlegierungen aus dem Ausland verwenden. Dann verbringen sie zwei Wochen damit, sich mit Problemen der Oberflächengüte zu beschäftigen und $200-Schaftfräser zu verwenden. Das ist wie mit dem Pfennig gewaschen, aber mit dem Pfund nicht geizig. Bleiben Sie bei 6061, wenn es Ihren Anforderungen entspricht.

7075 - Die Primadonna

Die Aluminiumlegierung 7075 ist die pflegeintensive Freundin der Aluminiumlegierungen. Schöne Ergebnisse, wenn man sie richtig behandelt, ein absoluter Albtraum, wenn man es nicht tut.

Es enthält 5,6 bis 6,1% Zink zusammen mit Magnesium und Kupfer. Es kann eine Zugfestigkeit von 572 MPa erreichen, was in der Größenordnung von echtem Stahl liegt.

• Die Standzeit von 50% sinkt leicht im Vergleich zu 6061. Vielleicht mehr, wenn Sie nicht vorsichtig sind.
• Man kann sich nicht einfach durchpusten lassen. Work hardening wird dich beißen.
• Die Schnitttechniken müssen genau stimmen.
• Die Materialkosten lassen Sie erschaudern, wenn Sie ein Teil verschrotten.

ASM International hat alle technischen Daten, aber hier ist der wahre Grund: Verwenden Sie nur 7075, wenn Sie diese Stärke benötigen. Zu viele Ingenieure sehen "stärker" und denken "besser", ohne zu bedenken, was das für die Bearbeitung von Aluminium bedeutet.

2024 - Luft- und Raumfahrt Spezial

Wenn die FAA 2024-T3 für Flugzeugstrukturen vorschlägt, sollten Sie zuhören. Bei diesem kupferhaltigen Material geht es um Ermüdungsfestigkeit, nicht um Endfestigkeit.

Mit dem Jahr 2024 zu arbeiten bedeutet, 30 Jahre vorauszudenken. Diese winzigen Werkzeugspuren? Sie könnten in Jahrzehnten noch Risse verursachen. Oberflächenintegrität ist nicht nur kosmetisch; es geht darum, Flugzeuge in der Luft zu halten.

Funktionierende Schneidetechniken

Geschwindigkeit und Vorschub Realitätsprüfung

MEP veröffentlicht ordentliche Basiszahlen, aber hier ist, was sie bedeuten, wenn Sie an der Maschine stehen.

Beginnen Sie hier:

• Oberflächengeschwindigkeit: 1.200-2.500 SFM (ja, so schnell für Aluminiumlegierungen)
• Vorschub: 0,006-0,012 IPT Schruppen
• DOC: Was immer Ihre Maschine bewältigen kann

Das Wichtigste ist, dass man Jahre braucht, um es zu lernen: Konservative Vorschübe, die bei Stahl funktionieren, werden Ihnen bei der Bearbeitung von Aluminium den Tag verderben. Leichte Vorschübe = Reibung. Reiben = Hitze. Hitze = Aufbauschneiden. Aufgebaute Kante = Ausschuss und stumpfe Werkzeuge.

Shop-Geschichte: Ich hatte mal einen Job, 500 Klammern für ein Rüstungsunternehmen. Begann konservativ wie immer. Die Oberflächengüte ging nach Teil #10 zum Teufel. Ich kämpfte 4 Stunden lang gegen die Spanbildung an und verdoppelte schließlich die Vorschubgeschwindigkeit. Plötzlich funktionierte alles perfekt. Manchmal ist ein aggressiverer Ansatz die richtige Wahl, wenn es um Zerspanungstechniken geht.

Werkzeugauswahl, die funktioniert

Hartmetall-Schaftfräser, 40-45°-Spirale für Aluminiumlegierungen. Zeitraum.

Vergessen Sie beschichtete Werkzeuge für die meisten Arbeiten. Beschichtungen klingen schick, aber sie verschlimmern oft die Probleme mit dem Festkleben.

Das NIST Materialien Data Repository bestätigt dies, aber Sie können es selbst sehen. Scharfes unbeschichtetes Hartmetall schneidet sauber durch Aluminiumlegierungen. Beschichtete oder abgenutzte Werkzeuge? Aufgebaute Kante Stadt.

Werkzeuggeometrie, die zählt:

• Scharfe Kanten (kein Radius, keine Fase)
• Positiver Schwader (lassen Sie ihn gleiten)
• Guter Abtransport der Späne

Hocheffizientes Fräsen hat alles verändert

HEM revolutionierte die Aluminiumbearbeitung. Leichter radialer Eingriff (5-15% des Durchmessers) mit tiefen axialen Schnitten veränderte das Spiel komplett.

Die Society of Manufacturing Engineers dokumentierte die 40-70%-Zykluszeitverkürzung, aber der eigentliche Gewinn ist die Lebensdauer der Werkzeuge. Wenn Sie nicht ständig an die Grenzen Ihrer modernen Werkzeuge gehen, halten diese ewig.

HEM-Parameter:

• Radial: 10% des Durchmessers
• Axial: 3-5x Durchmesser, wenn Ihre Maschine das aushalten kann
• Hält die Werkzeugbelastung konstant

Wenn etwas schief geht

Aufgebaute Kante Hölle

Jeder Zerspaner kennt das Geräusch, wenn aus einem glatten Schnitt ein Schleifen wird. Das ist Aluminium, das an Ihr Werkzeug geschweißt wird.

Was funktioniert:

• Beschleunigen, nicht verlangsamen (20-30% Erhöhung behebt das Problem oft)
• Aggressiver füttern
• Werkzeuge scharf halten
• Kühlmittel direkt zum Schneiden

Es ist zwar kontraintuitiv, aber wahr: Wenn man konservativer vorgeht, wird die Aufbauschneide bei Aluminiumlegierungen meist schlechter.

Chip-Albträume

Diese ziemlich langen Chips in Videos? Ein Albtraum für die Produktion. Sie wickeln sich um alles und verwandeln Ihre automatisierte Zelle in einen manuellen Vorgang.

Chipkontrolle, die funktioniert:

• Aggressive Vorschübe fördern das Brechen aluminiumspezifischer Spanbrecher
• Kühlmittel unter hohem Druck
• Immer auf die Mühle steigen

Probleme mit der Oberflächenbeschaffenheit

Aluminiumlegierungen können zu Hochglanzoberflächen führen oder dazu, dass Ihre Teile abgelehnt werden. Normalerweise kommt es auf Kleinigkeiten an.

Für gute Abschlüsse:

• Leichte Schlichtdurchgänge (max. 0,005″)
• Hohe Geschwindigkeiten mit scharfen Werkzeugen
• Beseitigung von Vibrationen
• Neue Werkzeuge für kritische Oberflächen

Qualitätskontrolle Realität

Die Temperatur spielt bei der Wärmeausdehnung von Aluminium eine Rolle. Teile, die bei der Maschinentemperatur perfekt sind, können bei der Inspektion außerhalb der Spezifikationen liegen.

Was funktioniert:

• 30-60 min Stabilisierung mindestens
• Programm CMM für Aluminiumeigenschaften
• Überprüfung der Oberflächengüte (Ra unter 0,8 μm erreichbar)

Das NIST verfügt über Daten zur Wärmeausdehnung, aber die Erfahrung lehrt, dass man dies im Voraus einplanen sollte.

Damit Geld verdienen

Verwaltung der Werkzeugstandzeiten

Verfolgen Sie die Werkzeuge systematisch. Im Gegensatz zu Stahl, bei dem sich die Werkzeuge allmählich abnutzen, können Aluminiumlegierungen zu plötzlichen Ausfällen führen, wenn die aufgebaute Kante abbricht.

Kostenkontrolle:

• Vor dem Ausfall austauschen
• Parameterbibliotheken für jeden Aluminiumlegierungstyp
• Leistungsverfolgung

Materialverwendung

Gute Verschachtelung und Bestandsoptimierung = 85-90% Auslastung. Bei den heutigen Aluminiumpreisen kommt es auf jeden Prozentpunkt an.

Wo das Zeug hingeht

Luft- und Raumfahrtarbeit

Oberflächengüten unter 1,6 μm Ra für ermüdungskritische Teile. Jede Werkzeugmarke kann über Jahrzehnte hinweg von Bedeutung sein.

Automobilanwendungen

Das Energieministerium sagt, dass eine Gewichtsreduzierung von 10% eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um 6-8% bedeutet. Das treibt die Einführung von Aluminiumlegierungen schneller voran, als die Schneidetechniken mithalten können.

Elektronische Anwendungen

Thermische Anwendungen benötigen die Leitfähigkeit von Aluminium von 237 W/m-K mit einer intakten Oberfläche für die Wärmeübertragung.

Unterm Strich

Ich bearbeite jetzt seit fast zwei Jahrzehnten Aluminium. Auf dem Weg dorthin habe ich viele teure Fehler gemacht. Hier ist, worauf es ankommt:

Aluminiumlegierungen erfordern einen schnellen Schnitt, aggressive Vorschübe und eine gute Kühlung. Wenn Sie dagegen ankämpfen, werden Sie sich ewig mit Problemen herumschlagen müssen. Arbeiten Sie damit und Sie werden sich wundern, warum sich die Leute so sehr über die Bearbeitung von Aluminium beschweren.

Eine gute Materialauswahl, korrekte Schneidetechniken und realistische Erwartungen tragen alle zu einer rentablen Arbeit bei. Ganz gleich, ob Sie Prototypen oder Produktionsserien herstellen, die richtige Umsetzung dieser Grundlagen macht den Unterschied.

Referenzen

U.S. Geologische Untersuchung. "Aluminium-Statistiken und Informationen". https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/aluminum-statistics-and-information

Nationales Institut für Normen und Technologie. "NIST Alloy Data". https://www.nist.gov/mml/acmd/trc/nist-alloy-data

"6061 Aluminiumlegierung". Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/6061_aluminium_alloy

"7075 Aluminiumlegierung". Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/7075_aluminium_alloy

Niu, Z., Cheng, K. "Review of improvement of machinability and surface integrity in machining aluminum alloys." International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Bd. 127, S. 1485-1511, 2023.

Nationales Institut für Normen und Technologie. "Manufacturing Extension Partnership". https://www.nist.gov/mep

Federal Aviation Administration. "Aircraft Certification". https://www.faa.gov/aircraft/air_cert/

Ministerium für Energie. "Leichtbauwerkstoffe für Fahrzeuge". https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials