Sieben Methoden zur Vermeidung von Verformungen bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind ein wichtiger Industriewerkstoff. Aufgrund ihrer relativ geringen Härte und ihres hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten neigen sie bei der Bearbeitung dünnwandiger oder dünnblechiger Teile zu Verformungen. Neben der Verbesserung der Werkzeugleistung und der Vorbehandlung zur Reduzierung von Eigenspannungen im Material können auch prozesstechnische Maßnahmen ergriffen werden, um Verformungen so weit wie möglich zu minimieren.

Bei Aluminiumlegierungsteilen mit großen Bearbeitungszugaben muss Wärmekonzentration möglichst vermieden werden, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten und thermische Verformungen zu reduzieren. Eine geeignete Methode ist die symmetrische Bearbeitung. Beispiel: Eine 90 mm dicke Aluminiumlegierungsplatte soll auf 60 mm gefräst werden. Würde man eine Seite fräsen und sie anschließend sofort wenden, um die andere Seite zu fräsen, würde in einem Arbeitsgang von beiden Seiten kontinuierlich viel Material abgetragen. Dies führt zu Wärmekonzentration und einer Ebenheit von nur 5 mm. Durch die symmetrische Bearbeitung – also das mehrmalige Fräsen beider Seiten bis zum Erreichen des Endmaßes – wird die Wärmeableitung verbessert und die Ebenheit auf unter 0,3 mm genau kontrolliert.

▌ Schichtweises Mehrfachbearbeitungsverfahren

Bei Bauteilen aus Aluminiumlegierung mit mehreren Aussparungen führt die Bearbeitung einer Aussparung nach der anderen leicht zu Verformungen aufgrund ungleichmäßiger Kräfte an den Aussparungswänden. Die beste Lösung ist die schichtweise Bearbeitung. Dabei werden alle Aussparungen zwar gleichzeitig bearbeitet, jedoch nicht in einem einzigen Arbeitsgang. Stattdessen wird die Bearbeitung in mehrere Schichten unterteilt und schrittweise bis zu den gewünschten Abmessungen durchgeführt. Dadurch werden die Kräfte auf das Bauteil gleichmäßiger verteilt und die Wahrscheinlichkeit von Verformungen verringert.

▌ Richtige Auswahl der Schnittparameter

Die Wahl geeigneter Schnittparameter kann die Schnittkraft und die Wärmeentwicklung beim Zerspanen effektiv reduzieren. Ist der Zerspanungsaufwand zu hoch, ist die Schnittkraft pro Durchgang übermäßig, was leicht zu Werkstückverformungen führen und die Steifigkeit der Maschinenspindel sowie die Werkzeugstandzeit beeinträchtigen kann. Von allen Schnittparametern hat die Schnitttiefe den größten Einfluss auf die Schnittkraft. Eine geringere Schnitttiefe beugt Verformungen vor, verringert aber gleichzeitig die Bearbeitungseffizienz. Hochgeschwindigkeitsfräsen in der CNC-Bearbeitung löst dieses Problem. Durch die Reduzierung der Schnitttiefe bei gleichzeitiger Erhöhung des Vorschubs und der Spindeldrehzahl lässt sich die Schnittkraft reduzieren, ohne die Bearbeitungseffizienz zu beeinträchtigen.

▌ Verbesserung der Werkzeugschneidleistung

Das Werkzeugmaterial und die geometrischen Parameter haben einen signifikanten Einfluss auf Schnittkraft und Wärmeentwicklung. Die richtige Werkzeugauswahl ist entscheidend für die Reduzierung von Werkstückverformungen.

① Sinnvolle Wahl der Werkzeuggeometrie:

Neigungswinkel:
Bei gleichbleibender Schneidkantenfestigkeit sollte ein größerer Spanwinkel gewählt werden. Dies ermöglicht eine schärfere Schneide, reduziert die Verformung beim Schneiden, erleichtert den Spanabtransport und senkt Schnittkraft und Schnitttemperatur. Werkzeuge mit negativem Spanwinkel sind zu vermeiden.

Entlastungswinkel:
Der Freiwinkel beeinflusst direkt den Flankenverschleiß und die Oberflächenqualität. Die Schnittdicke ist ein wichtiger Faktor für die Wahl des Freiwinkels. Beim Schruppen ist aufgrund des hohen Vorschubs und der starken Schnittbelastung, die zu erheblicher Wärmeentwicklung führen, ein kleinerer Freiwinkel für eine bessere Wärmeableitung erforderlich. Beim Schlichten hingegen ist ein größerer Freiwinkel notwendig, um schärfere Schneidkanten, geringere Reibung an der bearbeiteten Oberfläche und eine reduzierte elastische Verformung zu erzielen.

Helixwinkel:
Um den Fräsvorgang zu stabilisieren und die Fräskraft zu reduzieren, sollte der Spiralwinkel so groß wie möglich sein.

Vorhaltewinkel:
Durch eine geeignete Reduzierung des Anstellwinkels wird die Wärmeableitung verbessert und die durchschnittliche Temperatur in der Schnittzone gesenkt.

② Verbesserung der Werkzeugstruktur:

Die Anzahl der Schneidzähne sollte reduziert und der Spanraum vergrößert werden. Aluminiumlegierungen weisen eine hohe Plastizität und starke Verformungen beim Schneiden auf, was größere Spankammern erfordert. Daher sollte der Radius am Schneidengrund größer und die Anzahl der Zähne reduziert werden. Beispielsweise sollten Fräser mit einem Durchmesser unter 20 mm zwei Schneiden und solche mit einem Durchmesser von 30–60 mm drei Schneiden aufweisen, um ein Verstopfen der Schneide und damit eine Verformung dünnwandiger Aluminiumteile zu vermeiden.

Feinschleifen der Schneidezähne:
Die Oberflächenrauheit an der Schneide muss unter Ra 0,4 μm liegen. Vor dem Einsatz eines neuen Werkzeugs sollten die Schneidkanten mit einem feinen Ölstein leicht abgezogen werden, um Grate und leichte Sägezahnspuren vom Schärfen zu entfernen. Dies reduziert die Schnittwärme und die Verformung.

Strenge Kontrolle der Werkzeugverschleißgrenzen:
Nach dem Auftreten von Werkzeugverschleiß erhöht sich die Oberflächenrauheit, die Schnitttemperatur steigt und die Werkstückverformung nimmt zu. Daher sollte neben der Auswahl verschleißfester Werkzeugmaterialien der Werkzeugverschleiß 0,2 mm nicht überschreiten; andernfalls besteht die Gefahr von Aufbauschneiden. Während des Schneidprozesses sollte die Werkstücktemperatur 100 °C nicht überschreiten, um Verformungen zu vermeiden.

▌ Richtige Anordnung des Schnittpfads

Für die Schruppbearbeitung und die Feinbearbeitung sollten unterschiedliche Schnittwege verwendet werden.
Die Schruppbearbeitung konzentriert sich darauf, überschüssiges Material mit maximaler Schnittgeschwindigkeit und in kürzester Zeit von der Werkstückoberfläche abzutragen, um die für die Schlichtbearbeitung erforderliche Geometrie zu erzeugen. Daher steht die Bearbeitungseffizienz im Vordergrund, und Gleichlauffräsen sollte vermieden werden. Stattdessen ist Gegenlauffräsen anzuwenden.

Bei der Feinbearbeitung kommt es auf Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität an, daher sollte Gleichlauffräsen angewendet werden. Beim Gleichlauffräsen verringert sich die Schnitttiefe schrittweise von maximal auf null, wodurch die Kaltverfestigung deutlich reduziert und Verformungen minimiert werden.

▌ Sekundäre Klemmung für dünnwandige Teile

Bei dünnwandigen Aluminiumlegierungsteilen ist die Spannkraft eine wichtige Ursache für Verformungen, die sich nicht allein durch eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit vermeiden lassen. Um spannbedingte Verformungen zu reduzieren, sollte das Teil vor der Endbearbeitung gelockert werden, damit die Spannkraft nachlässt und das Teil in seine natürliche Form zurückkehren kann. Anschließend wird es leicht wieder eingespannt. Der zweite Spannpunkt sollte auf einer Auflagefläche liegen, und die Spannkraft sollte in Richtung der größten Steifigkeit des Teils wirken. Die Spannkraft muss gerade so bemessen sein, dass keine Bewegung stattfindet. Dies erfordert viel Erfahrung und Fingerspitzengefühl des Bedieners. Teile, die auf diese Weise bearbeitet werden, weisen deutlich weniger Verformungen durch das Spannen auf.

▌ Bohren vor dem Fräsen

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Aussparungen führt das direkte Eintauchen mit einem Schaftfräser zu unzureichendem Spanraum und damit zu mangelhafter Spanabfuhr. Dies verursacht eine starke Wärmeentwicklung im Werkstück, die zu thermischer Ausdehnung und Verformung führt und sogar Werkzeugbruch oder -ausbrüche zur Folge haben kann. Die beste Lösung ist das Vorbohren: Verwenden Sie einen Bohrer mit einem Durchmesser, der mindestens dem des Schaftfräsers entspricht, um zunächst ein Führungsloch zu bohren. Anschließend wird der Schaftfräser zum Fräsen in das vorgebohrte Loch eingesetzt. Dadurch wird das oben genannte Problem effektiv gelöst.