CNC-Aluminiumbearbeitungsverformung „großer Kampf“ – praktische Fähigkeiten, die Ihnen bei der präzisen Bearbeitung helfen

Bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium stellt die unbeabsichtigte Verformung ein häufiges und schwerwiegendes Problem dar. Diese Verformung beeinträchtigt nicht nur die Maßgenauigkeit und die Oberflächenqualität der Aluminiumprodukte, sondern kann auch dazu führen, dass das Produkt die Konstruktionsvorgaben nicht erfüllt oder sogar Ausschuss ist. Dies verursacht erhebliche wirtschaftliche Verluste für die produzierenden Unternehmen und beeinträchtigt zudem die Produktionseffizienz und die Wettbewerbsfähigkeit der Produkte.

Beispielsweise ist bei der Herstellung bestimmter Präzisionsinstrumente und Elektronikprodukte die Maßgenauigkeit von Aluminiumbauteilen sehr hoch. Tritt während der Verarbeitung eine unerwartete Verformung auf, kann dies dazu führen, dass sich die Teile nicht ordnungsgemäß montieren lassen, was die Leistung und Zuverlässigkeit des gesamten Produkts beeinträchtigt. Darüber hinaus kann eine Verformung auch zu einer unebenen, verzerrten Oberfläche der Aluminiumprodukte führen, wodurch die Produktqualität mindert und die Kaufbereitschaft der Verbraucher beeinträchtigt wird.

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Restspannung

Die Eigenspannungen im Rohling entstehen hauptsächlich durch die Überlagerung von Spannungen, die durch die ungleichmäßige Verformung während des Abschreckprozesses und des Strangpressens verursacht werden. Beim Abschrecken bildet die Aluminiumlegierung hohe thermische und strukturelle Eigenspannungen. Gleichzeitig entstehen beim Strangpressen aufgrund der ungleichmäßigen Beanspruchung der einzelnen Bereiche ebenfalls Spannungen. Diese Spannungen überlagern sich und bilden die Eigenspannungen im Rohling.

Die Eigenspannungen im Rohling haben einen großen Einfluss auf die Bearbeitung. Aufgrund der im Rohling vorhandenen Spannungen werden diese während des Bearbeitungsprozesses beim Materialabtrag durch Schneiden umverteilt, was zu Verformungen des Werkstücks führt. Diese Verformungen können die Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität der Teile beeinträchtigen und sogar dazu führen, dass die Teile die Konstruktionsanforderungen nicht mehr erfüllen.

Verarbeitungsstress

Die Hauptgründe für den Verarbeitungsstress sind folgende:

1. Asymmetrie im Zerspanungsprozess: Eine Asymmetrie im Zerspanungsprozess führt zu ungleichmäßiger Schnittkraft und damit zu Verformungen des Werkstücks. Beispielsweise führt eine große Schnittzugabe zu einer hohen Abtragsrate und damit zu hohen Bearbeitungsspannungen. Ist das Bearbeitungsintervall zudem kurz, können sich die Eigenspannungen nicht abbauen. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht der Eigenspannungen im Gesamtprofil, was wiederum zu Verformungen des Werkstücks führt.
2. Unzureichende Werkstücksteifigkeit führt zu ungleichmäßiger Schnitt- und Spannkraft und damit zu Verformungen. Bei dünnwandigen Bauteilen mit geringer Steifigkeit, wie beispielsweise dünnwandigen Aluminiumgehäusen, ist die Wahrscheinlichkeit von Verformungen während des Schneidprozesses erhöht.
3. Unterschiedliche Bearbeitungsreihenfolge: Unterschiedliche Bearbeitungsreihenfolgen führen zu einer asymmetrischen Freisetzung von Eigenspannungen und damit zu Werkstückverformungen. Beispielsweise kann die Bearbeitung eines Teils vor dem anderen zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung und in der Folge zu Verformungen führen.

Werkzeugoptimierung

Bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium lässt sich die Verformung der Bauteile durch die Wahl der richtigen Werkzeugparameter und die Kontrolle des Werkzeugverschleißes wirksam reduzieren. Konkret kann die Bearbeitung unter folgenden Aspekten optimiert werden:

1. Spiralwinkel: Der Spiralwinkel sollte möglichst groß sein, um die Frässtabilität zu verbessern und die Fräskräfte zu reduzieren. Beispielsweise kann ein größerer Spiralwinkel in der Praxis den Schneidprozess stabilisieren und die durch übermäßige Schnittkräfte verursachte Verformung der Werkstücke verringern.
2. Frontwinkel: Durch die optimale Einstellung des Frontwinkels wird die Stabilität des Sägeblatts erhalten, der Verschleiß der Schneide reduziert und ein gleichmäßiger Spanabtransport gewährleistet, wodurch die Schnittkraft verringert wird. Die Verwendung eines Werkzeugs mit negativem Frontwinkel wird generell nicht empfohlen, da dieser die Schnittkraft erhöht und das Risiko von Werkstückverformungen steigert.
3. Hinterschnittwinkel: Die Größe des Hinterschnittwinkels hat einen wesentlichen Einfluss auf die Bearbeitungsqualität und den Verschleiß der Werkzeugrückseite. Beim Schruppfräsen sollte der Hinterschnittwinkel kleiner gewählt werden, da die Schnittgeschwindigkeit hoch, die Schnittkraft hoch und eine gute Wärmeabfuhr des Werkzeugs erforderlich ist. Beim Feinfräsen hingegen sollte der Hinterschnittwinkel größer gewählt werden, um eine scharfe Schneide zu erzielen, die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu verringern und elastische Verformungen zu minimieren.
4. Ablenkwinkel: Durch Verringerung des Ablenkwinkels kann die Wärmeableitung verbessert und die durchschnittliche Verarbeitungstemperatur gesenkt werden. Ein geeigneter Ablenkwinkel optimiert die Wärmeverteilung während der Bearbeitung und reduziert die durch Wärmestau verursachte Verformung der Bauteile.
5. Werkzeugverschleißkontrolle: Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß steigt die Oberflächenrauheit des Werkstücks, was zu einem Temperaturanstieg und in der Folge zu Verformungen führt. Daher sollten verschleißfeste Werkzeuge verwendet werden. Der Werkzeugverschleiß sollte 0,2 mm nicht überschreiten, um die Bildung von Knötchen zu vermeiden. Vor dem Einsatz eines neuen Werkzeugs können die Schneidkanten und die Verzahnung mit einem feinen Schleifstein leicht nachgeschärft werden, sodass die Rauheit der Schneide Ra = 0,4 μm erreicht und die Gefahr von Verformungen beim Schneiden minimiert wird.

Geeignete Verarbeitungsmethoden

Um das Risiko einer Bauteilverformung zu verringern, können folgende Verarbeitungstechniken angewendet werden:

1. Symmetrische Bearbeitung: Durch symmetrische Bearbeitung lässt sich die Wärme bei der CNC-Bearbeitung von Aluminiumlegierungen effektiv ableiten. Dies verhindert übermäßige Wärmeansammlungen an den Werkstücken und reduziert somit das Risiko thermischer Verformung. Bei Werkstücken mit großem Bearbeitungszugabe verbessert die symmetrische Bearbeitung die Wärmeableitung und vermeidet Wärmekonzentrationen. Beispiel: Eine 90 mm dicke Platte soll auf 60 mm abgedreht werden. Durch die Anwendung der symmetrischen Bearbeitung mit wiederholter Zuführung – also zweimaliges Bearbeiten jeder Seite bis zum Endmaß – wird eine höhere Ebenheitsgenauigkeit erreicht. Im Vergleich zur einmaligen Bearbeitung bis zum Endmaß wird die Verformung dadurch deutlich reduziert.
2. Schichttechnologie-Bearbeitung: Bei Bauteilen mit mehreren Kavitäten, die aufgrund der ungleichmäßigen Krafteinwirkung auf das Blech leicht verformt werden können, eignet sich die Schichttechnologie. Die Bauteile werden zunächst in mehrere Schichten unterteilt und anschließend Schicht für Schicht bis zur gewünschten Größe bearbeitet. Dadurch wird die Krafteinwirkung beim CNC-Bearbeitungsprozess der Aluminiumlegierung gleichmäßiger verteilt, und das Verformungsrisiko ist geringer als bei der direkten Bearbeitung des Bauteils.
3. Vorbohren und Fräsen: Bei Werkstücken mit Aussparungen können beim Fräsen Probleme auftreten, wie z. B. ungleichmäßige Späneabfuhr, Wärmeentwicklung mit daraus resultierender Verformung oder Werkzeugbruch. Diese Probleme lassen sich durch Vorbohren und anschließendes Fräsen vermeiden. Bohren Sie die Löcher mit einem Werkzeug, das etwas größer als der Fräser ist, um Platz für das Schneidmaterial zu schaffen. So werden die Späne gleichmäßig vom Aluminiumrohling abgetragen. Anschließend erfolgt das Fräsen.
4. Für die CNC-Bearbeitung von Aluminiumlegierungen werden unterschiedliche Fräsverfahren eingesetzt . Dabei kommen Schrupp- und Schlichtbearbeitung zum Einsatz. Beim Schruppen werden die Werkstücke mit der höchsten Schnittgeschwindigkeit in kürzester Zeit bearbeitet, wobei der Fokus auf Abtragsrate und Bearbeitungseffizienz liegt. Die Schlichtbearbeitung erfordert präzisere Bearbeitung und Oberflächenqualität und legt den Schwerpunkt auf die Fräsqualität. Durch den gezielten Einsatz dieser beiden Verfahren lässt sich die Verformungsrate der Bauteile deutlich beeinflussen.

Angemessene Schnittparameter

Durch die Wahl der richtigen Schnittparameter lassen sich Schnittkraft und Schnittwärme reduzieren und Verformungen der Werkstücke aufgrund zu hoher Schnittkräfte und übermäßiger Hitze vermeiden. Von den drei Schnittparametern hat die Rückschnittmenge des Werkzeugs den größten Einfluss auf die Schnittkraft. Ist die Aufmaßmenge zu groß, ist die Schnittkraft des Werkzeugs zu hoch, was nicht nur zu Verformungen der Werkstücke führt, sondern auch die Steifigkeit der Werkzeugspindel beeinträchtigt und die Werkzeugstandzeit verkürzt. Daher kann das Hochgeschwindigkeitsfräsen eingesetzt werden, um die Rückschnittmenge zu reduzieren und gleichzeitig Vorschub und Maschinengeschwindigkeit zu erhöhen. Dadurch werden die Schnittkraft verringert und die Bearbeitungseffizienz sichergestellt. Beispielsweise kann die Schnittgeschwindigkeit auf 250–300 m/min, der Vorschub auf 300–400 mm/min, die Rückschnittmenge beim Schruppfräsen auf ap = 0,5 mm und beim Feinfräsen auf ap = 0,1–0,2 mm eingestellt werden.

Die Klemmmethode ist geeignet

Bei der Bearbeitung dünnwandiger Aluminiumteile kann eine unsachgemäße Spannmethode leicht zu Wandverformungen führen. Um dieses Risiko zu minimieren, kann das gepresste Teil vor Fertigstellung der endgültigen Formgebung gelöst werden. Dadurch wird der Druck reduziert, das Teil kann in seine ursprüngliche Form zurückkehren, und anschließend wird der Druck erneut aufgebracht. Der zweite Druck sollte auf die Auflagefläche wirken, in Richtung der größten Steifigkeit, und die Kraft muss ausreichen, um die Stabilität des Werkstücks während der Bearbeitung zu gewährleisten. Bei dünnwandigen Wellenhülsen kann die radiale Innenbohrungs-Spannmethode verwendet werden, um das Innengewinde des Teils zu positionieren, einen Gewindezapfen herzustellen, das Innengewinde des Teils einzusetzen, die Innenbohrung mit der Abdeckplatte zu verpressen und diese anschließend mit der Mutter festzuziehen. Dadurch werden Verformungen durch die Spannmethode während der Bearbeitung des Außenumfangs vermieden. Bei dünnwandigen Blechwerkstücken kann ein Vakuumsauger verwendet werden, um eine gleichmäßige Anpresskraft zu erzielen und mit geringer Schnittmenge zu arbeiten. Alternativ kann das Füllverfahren angewendet werden, bei dem eine Harnstoffschmelze mit 3 % bis 6 % Kaliumnitrat in das Werkstück eingespritzt wird, um dessen Steifigkeit zu verbessern. Nach der Bearbeitung wird das Werkstück in Wasser oder Alkohol getaucht, um den Füllstoff aufzulösen.

Bei der CNC-Bearbeitung von Aluminium stellt die unbeabsichtigte Verformung ein Problem dar, das große Aufmerksamkeit erfordert. Durch die Analyse der Verformungsursachen und das Ergreifen entsprechender Präventivmaßnahmen lässt sich die unbeabsichtigte Verformung bei der Aluminiumverarbeitung wirksam vermeiden.

Zunächst einmal sind die Eigenspannungen im Rohling und die Bearbeitungsspannungen die Hauptursachen für Verformungen bei der Aluminiumverarbeitung. Die Eigenspannungen im Rohling entstehen hauptsächlich durch die Überlagerung von Spannungen, die durch die ungleichmäßige Verformung beim Abschrecken und Strangpressen verursacht werden. Bearbeitungsspannungen können durch Faktoren wie asymmetrisches Schneiden, geringe Werkstücksteifigkeit und unterschiedliche Bearbeitungsreihenfolgen entstehen. Das Verständnis dieser Ursachen ermöglicht es uns, gezielte Präventivmaßnahmen zu ergreifen.

Zweitens lässt sich das Risiko von Aluminiumverformungen durch Werkzeugoptimierung, geeignete Bearbeitungsverfahren, angemessene Schnittparameter und geeignete Spannmethoden wirksam reduzieren. Bei der Werkzeugoptimierung können die Wahl des richtigen Spiralwinkels, Vorschubwinkels, Rückschubwinkels und Ablenkwinkels sowie die Kontrolle des Werkzeugverschleißes Schnittkräfte und -wärme reduzieren und somit die Bauteilverformung minimieren. Hinsichtlich der Bearbeitungsverfahren tragen symmetrische Bearbeitung, Schichtbearbeitung, Vorbohren und -fräsen sowie der Einsatz verschiedener Fräsverfahren und anderer Fertigkeiten zu einer stabileren Bearbeitung und geringeren Verformungswahrscheinlichkeit bei. Durch die sinnvolle Wahl der Schnittparameter lassen sich Schnittkräfte und -wärme reduzieren und Bauteilverformungen aufgrund übermäßiger Schnittkräfte und Wärmeeinwirkung vermeiden. Bei dünnwandigen Aluminiumbauteilen kann das Risiko von Wandverformungen durch die Anwendung geeigneter Spannmethoden verringert werden.

Kurz gesagt, die Vermeidung unbeabsichtigter Verformungen bei der CNC-Aluminiumbearbeitung ist von großer praktischer Bedeutung für die Verbesserung der Produktqualität, die Senkung der Produktionskosten und die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. In der realen Produktion sollten wir diese Methoden je nach Situation umfassend anwenden und kontinuierlich weiterentwickeln, um die Stabilität und Zuverlässigkeit der Aluminiumbearbeitung zu gewährleisten.