Aluminium prozesssicher zerspanen

Bohren, Reiben, Stechen und Fräsen: Der Werkzeugspezialist Paul Horn aus Tübingen bietet ein breites Portfolio an optimierten Werkzeugen für die wirtschaftliche Zerspanung des Leichtmetalls Aluminium. Nach Stahlwerkstoffen ist Aluminium das meist verwendete Metall. In der zerspanenden Industrie zählen die Al-Legierungen zu den leicht zu bearbeitenden Werkstoffen. Nichtsdestotrotz ist es möglich, dass bei der Bearbeitung des weichen Metalls schnell ein 'harter Brocken' entsteht: Verklebungen, Aufbauschneiden und Spänestau bis zum Werkzeugbruch kommen vor. Mit den richtigen Werkzeugen, Schneidstoffen, Schnittdaten sowie der passenden Menge und Art des Kühlschmierstoffes lassen sich Al-Legierungen prozesssicher zerspanen.
Spiegelglanz auf der gesamten Oberfläche: Horn und DMG Mori zeigen mit einem Formbauteil ihr Knowhow in der Hochglanzbearbeitung von Aluminium
Spiegelglanz auf der gesamten Oberfläche: Horn und DMG Mori zeigen mit einem Formbauteil ihr Knowhow in der Hochglanzbearbeitung von AluminiumBild: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH – Nico Sauermann

Über 60 Millionen Tonnen des Leichtmetalls produzieren die Aluminiumhütten weltweit pro Jahr. Die globale Nachfrage nach diesem Metall ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen – nicht zuletzt aufgrund der dynamischen Entwicklung in Asien. China hat mit über 30 Millionen Tonnen jährlich die größte Produktionsleistung von Aluminium. Nach Sauerstoff und Silicium ist Aluminium mit einem Anteil von 8 Prozent das dritthäufigste Element der Erde. Es kommt jedoch nicht in reiner Form in der Erdkruste vor.

Gewonnen wird das Metall aus Verwitterungsprodukten von Kalk- und Silikatgesteinen – dem Bauxit. Der Rohstoff für die Aluminiumproduktion hat mit über 50 Prozent einen hohen Anteil an Aluminiumoxiden. Mit dem Bayer-Verfahren lässt sich aus dem Bauxit das reine Aluminiumoxid gewinnen. Dieses ist jedoch noch so fein, dass es sich annähernd wie eine Flüssigkeit verhält. Erst in der Schmelze aus dem Oxid und dem Mineral Kryolith zerlegt sich das Gemisch in flüssiges Aluminium und Sauerstoff. Dieses Verfahren nennt sich Schmelzflusselektrolyse.

Schnittparameter und Werkstoff fachgerecht abstimmen

Die Zugfestigkeit, Dehnung, Härte und Festigkeit von Al lässt sich durch Legierungselemente wie Silizium, Magnesium, Kupfer, Zink und Mangan beeinflussen. Der Werkstoff kann beim Zerspanen durch die Wärmeentwicklung weich werden, das Schneidwerkzeug verkleben und durch den gestörten Spänefluss auch zerstört werden. Wichtig ist deshalb die fachgerechte Abstimmung zwischen Werkstoff und Schnittparametern. Sie ist abhängig von der Al-Legierung, dem Schneidwerkzeug, dem Schneidstoff, der Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl sowie der Art und Menge des Kühlschmierstoffes.

Hohe Oberflächengüte trotz langer Auskragung beim Bohren von Aluminiumfelgen
Hohe Oberflächengüte trotz langer Auskragung beim Bohren von Aluminiumfelgen – Bild: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH – Nico Sauermann

Die wichtigsten Merkmale des Horn-Werkzeugprogramms an Standard- und Sonderwerkzeugen sind wegen der starken Adhäsionsneigung von Al spezielle Spanformgeometrien mit scharfen Schneiden, polierten Spanflächen sowie Beschichtungen mit ausgezeichneten Gleiteigenschaften. Hartmetall-Schneidplatten zum Stechen erhalten zudem einen Umfangsschliff, um eine extrem scharfe Schneide zu gewährleisten. Für Al-Legierungen mit hohem Siliziumanteil sind die Schneidplatten PVD-beschichtet. Zum Fräsen sind beschichtete und unbeschichtete Zirkularwerkzeuge und Vollhartmetall (VHM)-Fräser im Portfolio. Aufgrund des auf hohen Schnittdaten basierenden großen Spanvolumens kommen auch einschneidige Fräser mit großem Spanraum zum Einsatz. Für eine lange Einsatzdauer oder komplexere Arbeiten stehen hochharte Schneidstoffe wie PKD und CVD-D mit gelaserten Schneidkanten und Spanformgeometrien zur Verfügung. MKD-bestückte Werkzeuge kommen beispielsweise für die Hochglanzbearbeitung von Spiegeln oder Al-Blasformen zum Einsatz.

Für eine Pumpe in einem Medizingerät sollten Kühlrippen aus Aluminium gestochen werden - eine Herausforderung, die mit geeignetem Werkzeug und Knowhow prozesssicher zu bewältigen war.
Für eine Pumpe in einem Medizingerät sollten Kühlrippen aus Aluminium gestochen werden – eine Herausforderung, die mit geeignetem Werkzeug und Knowhow prozesssicher zu bewältigen war. – Bild: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH – Nico Sauermann

Bearbeitungsbeispiele

Ein Bearbeitungsbeispiel ist das Stechen von Kühlrippen eines Pumpengehäuses aus der Medizintechnik. Der eingesetzte Werkstoff war eine Aluminiumlegierung mit einem geringen Siliziumanteil. Er ist aufgrund der langen Späne und der sich bildenden Aufbauschneiden nur schwer zu bearbeiten. Die Horn-Techniker setzten bei der Lösung der Aufgabe auf das Stechsystem S224 mit den Spanformgeometrien FY und WA. Zur Aufnahme der Schneidplatten kommen Grundhalter mit einer Spannkassette und innerer Kühlmittelversorgung zur Anwendung.

Mit der FY-Geometrie werden die Kühlrippen und ein breiter Einstich geschruppt. Die Form der Geometrie bewirkt einen kontrollierten Bruch der Späne; der Kühlmitteldruck verhindert das Aufschmelzen der Späne auf der Spanfläche. Die spezielle Aluminium-Stechgeometrie WA sorgt beim Schlichten der Einstiche für die hohe Oberflächengüte des Bauteils. Die polierte Spanformgeometrie wirkt gegen Aufbauschneidenbildung, erzeugt kleine Spiralspäne und sorgt dadurch für eine gute Spankontrolle und hohe Prozesssicherheit.

Zur Fertigung von höchsten Oberflächengüten an Werkstücken aus Aluminium- oder anderen Nichteisenlegierungen kommen mit monokristallinen Diamanten bestückte Werkzeuge zum Einsatz. Das Anwendungsspektrum der Hochglanzbearbeitung ist groß. Besonders im Werkzeug- und Formenbau spart das Verfahren Polierarbeiten ein und erhöht gleichzeitig die Qualität in Ebenheit und Oberflächengüte. So kommt das Verfahren dort zur Anwendung, wo sich die Oberfläche der Form in den zu fertigenden Teilen widerspiegelt.

Zur Bearbeitung eines Wandauslauf-Prototyps bekam ein Anwender den Auftrag, sich mit der Hochglanzzerspanung auseinanderzusetzen. Der Auftrag kam von einem Hersteller von Premiumarmaturen. Die klaren Geometrien und die planen Flächen des Prototypendesigns erfordern die Zerspanung mit MKD. Abweichungen in den Oberflächen und der Geometrie wären durch das spätere Verchromen sichtbar.

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

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