Prozessmaßnahmen und Betriebstechniken zur Reduzierung der Verformung von Aluminiumteilen!

Es gibt viele Gründe für die Verformung von Aluminiumteilen während der Bearbeitung, die alle mit dem Material, der Teileform und den Produktionsbedingungen zusammenhängen. Zu diesen Faktoren zählen vor allem Verformungen durch innere Spannungen im Rohling, Verformungen durch Schnittkräfte und Wärme sowie Verformungen durch Spannkräfte.

A. Prozessmaßnahmen zur Reduzierung von Bearbeitungsverformungen

1. Reduzierung der inneren Spannungen im Blank

Natürliche oder künstliche Alterung sowie Vibrationsbehandlung können innere Spannungen im Rohling teilweise abbauen. Auch die Vorbearbeitung ist ein wirksames Verfahren. Bei dicken, überdimensionierten Rohlingen führt ein hoher Materialabtrag zu erheblichen Verformungen nach der Bearbeitung. Durch die Vorbearbeitung des Rohlings, um überschüssiges Material zu entfernen und den Materialabtrag zu reduzieren, werden nicht nur die Verformungen in den nachfolgenden Bearbeitungsschritten verringert, sondern auch innere Spannungen abgebaut, indem der Rohling nach der Vorbearbeitung eine Zeit lang ruhen kann.

2. Verbesserung der Werkzeugschneidleistung

Das Werkzeugmaterial und die Geometrie beeinflussen die Schnittkräfte und die Wärmeentwicklung maßgeblich. Die richtige Werkzeugauswahl ist daher entscheidend, um die Werkstückverformung während der Bearbeitung zu minimieren.

1) Angemessene Auswahl der Werkzeuggeometrie

① Spanwinkel: Ein größerer Spanwinkel erhält die Schneidkantenfestigkeit, erzeugt eine scharfe Schneide und reduziert die Schnittverformung. Dies erleichtert den Spanabtransport und senkt somit Schnittkräfte und Temperaturen. Vermeiden Sie Werkzeuge mit negativen Spanwinkeln.

② Freiwinkel: Der Freiwinkel hat direkten Einfluss auf den Freiflächenverschleiß und die Oberflächenqualität. Die Schnitttiefe ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Freiwinkels. Beim Schruppen erfordern hohe Vorschubgeschwindigkeiten, hohe Schnittkräfte und eine starke Wärmeentwicklung eine gute Wärmeableitung vom Werkzeug, weshalb ein kleiner Freiwinkel gewählt werden sollte. Beim Feinfräsen hingegen ist eine scharfe Schneidkante erforderlich, um die Reibung zwischen Freifläche und Werkstückoberfläche zu reduzieren und die elastische Verformung zu minimieren. Daher sollte hier ein größerer Freiwinkel verwendet werden.

③ Helixwinkel: Um ein reibungsloses Fräsen zu gewährleisten und die Fräskräfte zu reduzieren, sollte der Helixwinkel so groß wie möglich sein.

④ Anstellwinkel: Durch eine geeignete Verringerung des Anstellwinkels kann die Wärmeableitung verbessert und die durchschnittliche Temperatur des Bearbeitungsbereichs gesenkt werden.

2) Werkzeugstruktur verbessern.

① Die Anzahl der Schneidzähne sollte reduziert werden, um den Spanabfuhrraum zu vergrößern. Da Aluminium ein hochplastisches Material ist, kommt es beim Bearbeiten zu erheblichen Verformungen, die einen größeren Spanabfuhrraum erfordern. Daher werden ein größerer Spanraumgrundradius und weniger Zähne empfohlen.

② Feinschliff der Zähne. Die Rauheit der Schneide sollte unter Ra = 0,4 μm liegen. Vor dem Einsatz eines neuen Fräsers die Vorder- und Rückseite der Zähne leicht mit einem feinen Ölstein anschleifen, um Grate und leichte Verzahnungen vom Schärfen zu entfernen. Dies reduziert nicht nur die Schnittwärme, sondern minimiert auch die Verformung.

③ Werkzeugverschleiß streng kontrollieren. Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß steigt die Oberflächenrauheit des Werkstücks, die Schnitttemperaturen steigen und die Werkstückverformung nimmt zu. Daher sollte neben der Auswahl verschleißfester Werkzeugmaterialien der Werkzeugverschleiß 0,2 mm nicht überschreiten, da sonst die Gefahr von Aufbauschneiden besteht. Die Werkstücktemperatur sollte während des Zerspanens generell 100 °C nicht überschreiten, um Verformungen zu vermeiden.

3. Verbesserung der Werkstückspannmethoden

Zur Reduzierung von Verformungen bei dünnwandigen Aluminiumwerkstücken können folgende Spannmethoden eingesetzt werden:

① Bei dünnwandigen Buchsen führt die Verwendung eines Dreibacken-Zentrierfutters oder einer Spannzange zur radialen Spannung nach der Bearbeitung unweigerlich zu Verformungen des Werkstücks. In diesem Fall ist eine steifere axiale Stirnflächenspannung erforderlich. Positionieren Sie das Werkstück mithilfe der Innenbohrung, fertigen Sie eine Gewindespindel an, führen Sie diese in die Innenbohrung ein und pressen Sie die Stirnfläche mit einer Abdeckplatte zusammen. Anschließend fixieren Sie die Spindel mit einer Mutter. Dadurch lassen sich Verformungen beim Bearbeiten von Außendurchmessern vermeiden und eine zufriedenstellende Bearbeitungsgenauigkeit erzielen.

② Bei der Bearbeitung dünnwandiger Blechwerkstücke empfiehlt sich der Einsatz eines Vakuumsaugers, um eine gleichmäßige Spannkraft zu erzielen. Dies minimiert den Schnittaufwand und verhindert effektiv Verformungen des Werkstücks.

Eine weitere Alternative ist das Verdichten. Um die Prozesssteifigkeit dünnwandiger Werkstücke zu erhöhen, kann ein Medium in das Werkstück eingefüllt werden, um Verformungen beim Spannen und Schneiden zu reduzieren. Beispielsweise kann eine geschmolzene Harnstofflösung mit 3 bis 6 % Kaliumnitrat in ein Werkstück gegossen werden. Nach der Bearbeitung lässt sich das Füllmittel durch Eintauchen des Werkstücks in Wasser oder Alkohol auflösen und entfernen.

4. Ordnungsgemäße Prozessorganisation

Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen verursachen große Aufmaße und unterbrochene Schnitte häufig Vibrationen, die die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte beeinträchtigen. Daher lässt sich der CNC-Hochgeschwindigkeitsfräsprozess in der Regel in folgende Schritte unterteilen: Schruppen, Vorschlichten, Eckenreinigen und Schlichten. Bei hochpräzisen Teilen ist mitunter ein zweiter Vorschlichtschritt vor dem Schlichten erforderlich. Nach dem Schruppen kühlt das Werkstück natürlich ab, um die durch das Schruppen entstandenen inneren Spannungen abzubauen und Verformungen zu minimieren. Das verbleibende Aufmaß nach dem Schruppen sollte größer als die Verformung sein, üblicherweise 1 bis 2 mm. Beim Schlichten sollte ein gleichmäßiges Aufmaß auf der fertigen Oberfläche des Werkstücks eingehalten werden, üblicherweise 0,2 bis 0,5 mm. Dies gewährleistet die Stabilität des Werkzeugs während der Bearbeitung, reduziert die Schnittverformung deutlich, erzielt eine gute Oberflächenqualität und sichert die Produktgenauigkeit.

B. Verfahren zur Reduzierung von Bearbeitungsverformungen

Neben den bereits genannten Gründen können sich Aluminiumteile während der Bearbeitung verformen. In der Praxis ist daher auch die Wahl des richtigen Bearbeitungsverfahrens entscheidend.

1. Bei Teilen mit großen Bearbeitungszugaben empfiehlt sich die symmetrische Bearbeitung, um eine optimale Wärmeableitung während der Bearbeitung zu gewährleisten und Wärmekonzentrationen zu vermeiden. Beispiel: Soll ein 90 mm dickes Blech auf 60 mm abgedreht werden, führt das Fräsen einer Seite unmittelbar vor dem Fräsen der anderen Seite, sodass das Endmaß in einem Arbeitsgang erreicht wird, zu einer Ebenheit von 5 mm. Durch symmetrische Bearbeitung mit wiederholten Vorschüben, bei der jede Seite zweimal bis zum Endmaß bearbeitet wird, lässt sich eine Ebenheit von 0,3 mm gewährleisten.

2. Bei Blechteilen mit mehreren Kavitäten ist die sequentielle Bearbeitung, Kavität für Kavität, nicht empfehlenswert. Dies kann leicht zu ungleichmäßiger Spannung und Verformung führen. Verwenden Sie stattdessen schichtweise Mehrschichtbearbeitungsverfahren und bearbeiten Sie alle Kavitäten gleichzeitig in jeder Schicht, bevor Sie zur nächsten Schicht übergehen. Dadurch wird eine gleichmäßige Spannungsverteilung gewährleistet und die Verformung minimiert.

3. Reduzierung von Schnittkräften und Wärmeentwicklung durch Anpassung der Schnittparameter. Von den drei Schlüsselelementen der Schnittparameter hat das Rückwärtsschneiden einen signifikanten Einfluss auf die Schnittkraft. Zu hohes Aufmaß und zu hohe Schnittkräfte in einem Arbeitsgang können nicht nur zu Werkstückverformungen führen, sondern auch die Steifigkeit der Werkzeugmaschinenspindel beeinträchtigen und die Werkzeugstandzeit verringern. Eine Reduzierung des Rückwärtsschneidens führt zu einer deutlichen Verringerung der Produktionseffizienz. Hochgeschwindigkeitsfräsen, das in der CNC-Bearbeitung häufig eingesetzt wird, kann diese Herausforderung jedoch bewältigen. Durch Reduzierung des Rückwärtsschneidens und entsprechende Erhöhung des Vorschubs und der Maschinengeschwindigkeit lassen sich die Schnittkräfte reduzieren, während die Bearbeitungseffizienz erhalten bleibt.

4. Die Reihenfolge der Schnitte muss ebenfalls berücksichtigt werden. Beim Schruppen liegt der Fokus auf der Steigerung der Bearbeitungseffizienz und der Erzielung einer maximalen Abtragsrate pro Zeiteinheit. Daher wird in der Regel das Gleichlauffräsen eingesetzt. Dabei wird überschüssiges Material von der Werkstückoberfläche mit höchster Geschwindigkeit und in kürzester Zeit abgetragen, wodurch das für die Schlichtbearbeitung erforderliche geometrische Profil entsteht. Beim Schlichten hingegen stehen hohe Präzision und Qualität im Vordergrund, weshalb hier das Gleichlauffräsen bevorzugt wird. Gleichlauffräsen reduziert die Schnitttiefe der Fräserzähne während des gesamten Bearbeitungsprozesses von maximal auf null, wodurch Kaltverfestigung und Werkstückverformung deutlich verringert werden.

5. Dünnwandige Werkstücke können sich während der Bearbeitung durch die Einspannung verformen, was selbst bei Feinbearbeitungen unvermeidbar ist. Um die Werkstückverformung zu minimieren, lockern Sie die Einspannung kurz vor Erreichen des Endmaßes, damit das Werkstück in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann. Ziehen Sie die Einspannung anschließend leicht an, sodass das Werkstück gerade noch sicher gehalten wird (ausschließlich nach Gefühl). Dadurch erzielen Sie optimale Bearbeitungsergebnisse. Kurz gesagt: Die Spannkraft sollte idealerweise auf die Auflagefläche und in Richtung maximaler Werkstücksteifigkeit wirken. Solange sich das Werkstück nicht lockert, gilt: Je geringer die Spannkraft, desto besser.

6. Vermeiden Sie bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Aussparungen, den Fräser wie einen Bohrer direkt in das Werkstück einzuführen. Dies führt zu unzureichender Spanabfuhr, gestörtem Spantransport und kann Überhitzung, Ausdehnung, Ausbrüche und Brüche zur Folge haben. Bohren Sie vor dem Fräsen die Fräserbohrung mit einem Bohrer, der mindestens den gleichen Durchmesser wie der Fräser hat. Alternativ können Sie mit einer CAM-Software ein Spiralfräserprogramm erstellen.