CNC-Bearbeitung von Aluminium: So vermeiden Sie Verformungen, Grate und Oberflächenfehler, bevor diese Ihre Montagelinie erreichen.

Aluminium ist aus gutem Grund das am häufigsten gewählte Material für kundenspezifische CNC-gefertigte Teile: Es ist leicht, lässt sich schnell bearbeiten und erzielt eine saubere, eloxierte Oberfläche. Diese Eigenschaften verbergen jedoch eine Reihe von Problemen, die erst später bei der Montage oder im Einsatz sichtbar werden: Verzug nach der Bearbeitung, Grate an dünnen Kanten, ausgerissene Gewinde und Oberflächenfehler, die durch die Eloxierung nur noch deutlicher hervortreten. All diese Probleme sind vermeidbar, aber nur, wenn der Prozess auf das Material und nicht nur auf die Zeichnung abgestimmt ist.

Warum Aluminiumteile in nachfolgenden Prozessen versagen

Die meisten Aluminiumteile werden aus stranggepresstem Material oder Walzblech gefertigt, das aus dem Walzwerk Eigenspannungen aufweist. Beim Abtragen von 60 bis 80 Prozent eines Rohlings zur Herstellung eines leichten Strukturbauteils bauen sich diese Spannungen ungleichmäßig ab. Das Teil kann auf der Maschine exakte Maße haben, aber außerhalb der Toleranz liegen, wenn es die Montagelinie erreicht.

Grate sind die zweite häufige Beschwerde. Aluminium ist duktil, daher faltet sich das Material an der Austrittsseite eines Schnitts um, anstatt sauber abzuschneiden. An dünnen Kanten lässt sich der Grat nur schwer entfernen, ohne die Kante selbst zu beschädigen.

Dann gibt es noch das Problem der Aufbauschneidenbildung. Weichere Stähle wie 6061 neigen dazu, bei höheren Schnitttemperaturen an der Schneidkante zu verschweißen. Die Oberflächengüte verschlechtert sich, und das Werkzeug schneidet nicht mehr in seiner vorgesehenen Geometrie, ohne dass es jemand bemerkt – bis die Oberfläche die Folgen offenbart.

Und schließlich das Gewinde. Das Gewindeschneiden in Sacklöchern aus Aluminium mit unzureichender Spanabfuhr führt zu ausgerissenen oder zu kleinen Gewinden, die bei der Montage versagen.

1. Wählen Sie die Legierung und den Härtegrad für den jeweiligen Anwendungsfall.

Jede Aluminiumgüte stellt einen Kompromiss dar, und die Zeichnung gibt die Güteklasse üblicherweise an. Fehlt diese Angabe, sollte die Wahl nach den Anforderungen und nicht aus Gewohnheit getroffen werden.

• 6061-T6: Der Allzweck-Stahl. Gut bearbeitbar, schweißbar, gleichmäßig anodisierbar. Geeignet für Gehäuse, Halterungen und die meisten Strukturbauteile.
• 7075-T651: etwa die doppelte Streckgrenze von 6061. Der Standard für Roboterarme, hochbelastbare Verbindungsglieder und Bauteile für die Luft- und Raumfahrt. Die Bearbeitung ist etwas anspruchsvoller für die Werkzeuge, die Stabilität während und nach der Bearbeitung ist dies jedoch wert.
• 5052: bessere Umformbarkeit, häufig verwendet bei Blechbearbeitungen und Teilen, die Vibrationen ausgesetzt sind.

Ein wichtiger Punkt: Stranggepresster Stab versus spannungsarm geglühtes Blech. Bei Bauteilen mit dünnen Wänden oder großen Flächen reduziert T651- oder spannungsarm geglühtes Material die Verformungen, die nach dem Verlassen der Maschine auftreten, erheblich.

2. Steuerung der Bearbeitungsreihenfolge

Bei Aluminium ist die Bearbeitungsreihenfolge ebenso wichtig wie der Werkzeugweg. Eine bewährte Reihenfolge ist: Schruppen, Vorschlichten, Schlichten, wobei beim Schruppen an dünnen Stellen bewusst Material belassen wird, um die Steifigkeit der Struktur zu gewährleisten.

Bei symmetrischen Teilen sollten beide Seiten abwechselnd bearbeitet werden, um Spannungen gleichmäßig abzubauen und einseitige Verformungen zu vermeiden. Bei großen Platten sollte das Werkstück bis zum Ausfräsen der kritischen Konturen mit Laschen oder Stegen am Rohling befestigt bleiben; ein frühzeitiges Heraustrennen der Kontur ist eine zuverlässige Methode, um aus einer flachen Platte einen Propeller zu formen.

3. Die richtigen Werkzeuge und Werkzeugwege verwenden

Die Werkzeuggeometrie bestimmt einen großen Teil der Aluminiumqualität.

• Hochspiralige Schaftfräser transportieren die Späne schneller ab und arbeiten mit geringeren Kräften; sie sind die Standardwahl für Aluminium.
• Polierte Nuten reduzieren die Aufbauschneidenbildung bei weichen Legierungen.
• Gleichlauffräsen (auch Gleichlauffräsen genannt) übt weniger Druck auf dünne Wände aus und führt zu einer besseren Oberflächengüte als herkömmliches Fräsen.

Achten Sie auf den radialen Eingriff. Eine durchgehende Nut in Aluminium erzeugt viel Wärme und kann bei dünnen Wänden zu Rattern führen. Trochoidales oder Schälfräsen hält die Belastung stabil und das Werkzeug kühl und ist in der Regel auch schneller.

4. Konstruktion für das Entgraten

Die kostengünstigste Gratkontrolle erfolgt bereits in der CAD-Software, bevor der erste Span geschnitten wird. Kantenbrüche an bearbeiteten Kanten sollten definiert, Eckradien hinzugefügt werden, um scharfe Innenkanten zu vermeiden, und Gewindeformen gewählt werden, die ein sauberes Gewindeschneiden ermöglichen.

Wo eine dünne Wandstärke unvermeidbar ist, ermöglicht eine kleine Konstruktionsänderung, wie beispielsweise eine Entlastung oder ein anderer Anstellwinkel, dass das Werkzeug die Kante sauber abschneidet, anstatt Material umzuschieben. Jeder vermiedene Grat ist ein Nachbearbeitungsschritt, der nicht nötig wird.

5. Kühlmittel- und Chipkontrolle

Aluminiumspäne sind klebrig und verschweißen beim erneuten Schneiden leicht. Tiefe Taschen und Sacklöcher sollten mit Werkzeugdurchkühlung oder gezielter Kühlmittelzufuhr geschnitten werden, damit die Späne aus der Schnittzone abtransportiert werden. Für die Schlichtbearbeitung genügt oft saubere Luft oder ein feiner Sprühnebel, um Kratzer durch lose Späne zu vermeiden.

6. Die Anodisierung als Teil des Dimensionsbudgets behandeln.

Anodisieren ist keine Lackschicht; es dringt in die Oberfläche ein. Bei der Typ-II-Anodisierung entsteht eine Schicht von etwa 5 bis 25 Mikrometern Dicke, und die Maßänderung pro Oberfläche ist in derselben Größenordnung. Löcher verkleinern sich, Oberflächenstrukturen vergrößern sich. Wird ein Bauteil auf Endmaß bearbeitet und anschließend anodisiert, verändern sich die Passungen.

Die Oberflächenbeschaffenheit vor dem Anodisieren ist ebenso wichtig. Eine bearbeitete Oberfläche mit einer Rauheit von 0,8 Ra erhält nach dem Anodisieren ein gleichmäßiges, seidenmattes Aussehen; auf einer Oberfläche mit 3,2 Ra sind alle Werkzeugspuren sichtbar, und Kratzer erscheinen als dunkle Linien. Wenn eine Anodisierung gewünscht wird, müssen Bearbeitungsprozess und Oberflächenspezifikation gemeinsam abgestimmt werden.

Wie KGL an die CNC-Bearbeitung von Aluminiumteilen herangeht

Aluminium ist das Material, das wir am häufigsten bearbeiten, für Kunden aus den Bereichen Automatisierung, Robotik, Luft- und Raumfahrt, Halbleiter und Industrie: 6061, 7075, 5052 und andere, auf 3-, 4- und 5-Achs-Maschinen, wobei eine Toleranz von ±0,005 bis 0,01 mm eingehalten wird, wo die Zeichnung dies erfordert.

Der Wert wird vor Beginn der Bearbeitung ermittelt. Unsere technische Prüfung untersucht das Werkstück im Rohzustand auf Restspannungen, Wandstärken, Anodisierungswachstum und Gewindeprobleme. Werkstücke, die anodisiert werden müssen, werden mit dem erforderlichen Beschichtungszuschlag bearbeitet und nach der Endbearbeitung erneut geprüft.

Jeder Aluminiumauftrag durchläuft denselben Prozess: Erstmusterprüfung, Zwischenprüfung, Endkontrolle mit CMM-Verifizierung kritischer Merkmale. Einzelstückmuster und Serienfertigung erfolgen im selben geschlossenen Prozess.

Abschluss

Aluminium lässt sich zwar leicht bearbeiten, doch die Qualitätsprobleme zeigen sich erst in den Folgeprozessen, wo sie die höchsten Kosten verursachen. Die Lösung liegt vor allem in der Planung: die richtige Legierung, die richtige Bearbeitungsreihenfolge, das richtige Werkzeug, die Kantenbearbeitung und ein Oberflächenverfahren, das die Anodisierung als Teil des Maßbudgets berücksichtigt.

Ein Fertigungspartner, der diese Punkte vor der Angebotserstellung prüft, spart Ihnen mehr als jeder Unterschied im Stundensatz. Wenn Sie CNC-gefertigte Aluminiumteile beziehen, senden Sie das 3D-Modell und die 2D-Zeichnung frühzeitig; hier werden die Probleme erkannt.

FAQ

Q: Soll ich für mein bearbeitetes Teil 6061 oder 7075 angeben?

A: Es kommt auf die Belastung an. 7075-T651 ist die richtige Wahl, wenn Festigkeit und Stabilität wichtig sind, beispielsweise bei Roboterarmen und hochbelasteten Verbindungsgliedern. 6061-T6 ist kostengünstiger, lässt sich leichter bearbeiten und eignet sich für die meisten Gehäuse und Halterungen. Bei dünnwandigen Bauteilen ist die Stabilität des Materials nach der Bearbeitung oft ausschlaggebend.

Q: Warum verziehen sich meine Aluminiumteile nach der Bearbeitung, obwohl sie in der Werkstatt einwandfrei vermessen wurden?

A: Fast immer sind Eigenspannungen und die Einspannung die Ursache. Das Werkstück lag innerhalb der Toleranz, solange es in der Vorrichtung eingespannt war; nach dem Entspannen führten die noch vorhandenen Eigenspannungen zu einer Verformung. Spannungsarm geglühtes Material, eine kontrollierte Bearbeitungsreihenfolge und eine stabile Werkstückspannung verhindern dies.

Q: Wie viel größer sollten die Löcher für die Anodisierung sein?

A: Das hängt von der Art und Dicke der Anodisierung ab. Bei der Typ-II-Anodisierung verändern sich die Abmessungen typischerweise um etwa 10 bis 20 Mikrometer pro Oberfläche, daher sollte der Bohrungsdurchmesser entsprechend größer bearbeitet werden. Ihr Maschinenbediener sollte die Beschichtungsspezifikation mit dem Anodisierer abklären und das Bearbeitungszugabemaß anpassen.