Aluminium ist ein Material, das in der Herstellung mechanischer Komponenten weit verbreitet ist. Seine Leichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit und sein günstiges Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht machen es ideal für präzise technische Anwendungen. Aber was Aluminium zu einem so attraktiven Material macht, erfordert auch eine über das Übliche hinausgehende Bearbeitung.
CNC-Bearbeitung ist heute auch bei der Arbeit mit Aluminium die Grundlage der modernen Fertigung. Die Effizienz des gesamten Prozesses hängt jedoch von vielen Faktoren ab. Von der Auswahl der Werkzeuge und Beschichtungen über die Schnittparameter bis hin zur Art der Kühlung. Genau diese Faktoren entscheiden über die Oberflächenqualität, Wiederholgenauigkeit und Langlebigkeit des fertigen Werkstücks.
Auf der Grundlage unserer langjährigen Erfahrung in der CNC-Metallbearbeitung beschreiben wir in diesem Artikel konkrete Lösungen, die sich in der Produktion bewährt haben und eine stabile Qualität des fertigen Werkstücks gewährleisten.
Aluminium – Materialspezifikation und Probleme bei der CNC-Bearbeitung
Bevor wir uns mit der Zerspanungsstrategie befassen, lohnt es sich, einen Blick auf die Eigenschaften von Aluminium zu werfen, die sich direkt auf die Wahl der Bearbeitungsparameter auswirken. Ihr Verständnis ist entscheidend für die Stabilität und Wiederholbarkeit des gesamten Prozesses.
| Eigenschaften des Materials | Was bedeutet das in der Praxis? |
| Geringe Dichte (2,6–2,8 g/cm³) | Aluminium ist leicht, was höhere Drehzahlen und Vorschübe ermöglicht, ohne dass die Maschine so stark belastet wird wie bei Stahl. |
| Hohe Wärmeleitfähigkeit | Die Wärme wird schnell aus der Zerspanungszone abgeleitet, gelangt jedoch hauptsächlich in das Werkzeug. Ohne eine effiziente Kühlung überhitzen sich die Schneiden und verschleißen schneller. |
| Geringe Härte (HV ≈ 25–120) | Es können scharfe Werkzeuge mit großem Spanwinkel verwendet werden. Die Zerspanung erfolgt flüssig und die Belastung der Werkzeugmaschine bleibt gering. |
| Viskosität und Adhäsion | Aluminium neigt dazu, an der Schneide zu haften. Abhilfe schaffen hier reibungsmindernde Beschichtungen, polierte Spanräume und eine gut abgestimmte Kühlung. |
Obwohl das Drehen und Fräsen von Aluminium auf den ersten Blick „einfach” erscheint, erfordert es in der Praxis viel Aufmerksamkeit und technologische Präzision.
Aluminiumlegierungen und ihre Bearbeitbarkeit mit CNC-Technologie
Nicht jedes Aluminium verhält sich in Kontakt mit dem Werkzeug gleich. Je nach chemischer Zusammensetzung und Härtungsgrad können unterschiedliche Legierungen völlig unterschiedliche Schnittparameter erfordern – von der Geschwindigkeit über die Kraft bis hin zur optimalen Spindeldrehzahl, Steuerung und dem Schneidwerkzeug.
Nachfolgend einige Beispiele für gängige Legierungen in der Herstellung von Aluminiumkomponenten:
- EN AW-1050A (Serie 1xxx) – reines Aluminium, sehr weich, plastisch verformbar, Hauptnachteil ist die geringe Festigkeit der Legierung.
- EN AW-5083 (Serie 5xxx) – enthält Magnesium, korrosionsbeständig, wird in der Schifffahrt verwendet. Erfordert eine höhere Zerspanungskraft.
- EN AW-6082 (Serie 6xxx) – universelle Legierung, reagiert gut auf verschiedene Zerspanungsstrategien, beliebt im Maschinenbau.
- EN AW-7075 (Serie 7xxx) – sehr harte Legierung mit Zink und Magnesium, wird in der Luftfahrt verwendet. Schwieriger zu bearbeiten, erfordert scharfe und sehr langlebige Werkzeuge.
Die Kenntnis der Aluminiumlegierung erleichtert die Bearbeitung des Materials. Ohne diese Kenntnis ist es schwierig, die richtigen Werkzeuge auszuwählen, die Schnittparameter einzustellen und das Verhalten des Werkstücks während der Fertigung vorherzusagen.
Die wichtigsten Verfahren und Arten der CNC-Bearbeitung von Aluminium
Aluminium kann je nach den Anforderungen des jeweiligen Projekts und den erwarteten Ergebnissen auf verschiedene Weise effektiv bearbeitet werden.
CNC-Fräsen
Eignet sich sowohl für Präzisionsteile als auch für große Baublöcke. Das gleichläufige Fräsen sorgt für eine bessere Oberflächenqualität, das gegenläufige Fräsen eignet sich dort, wo Stabilität erforderlich ist.
Bei größeren Materialmengen wird das Vollfräsen eingesetzt. Dünnwandige Teile werden mit minimalem Aufmaß und gut abgestimmter Kühlung bearbeitet.
CNC-Drehen
Wird für achsensymmetrische Teile verwendet: Wellen, Hülsen, Ringe.
Beim Drehen ist es wichtig, einen stabilen Vorschub und einen geeigneten Schneidenradius beizubehalten, insbesondere bei dünnwandigen Teilen.
Bei zu geringen Schnittparametern entstehen Vibrationen und eine unregelmäßige Oberfläche. Bei zu aggressiven Parametern kommt es zu übermäßiger Spanbildung und der Gefahr der Verformung des Werkstücks.
Bohren und Gewindeschneiden
Das häufigste Problem sind Grate und Verformungen der Bohrungen. Es werden Bohrer mit einem größeren Spitzenwinkel und guter Spanabfuhr verwendet. Beim Gewindeschneiden haben sich Formgewindebohrer bewährt – sie schneiden nicht, sondern formen das Gewinde.
Dadurch werden Späne vermieden und die Verbindung wird verstärkt, insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen.
Schleifen und Oberflächenvorbereitung
Bei der Eloxierung ist die Oberflächenqualität von entscheidender Bedeutung. Jeder Kratzer ist nach der Oxidation sichtbar.
Daher werden die Teile häufig einer zusätzlichen Endbearbeitung unterzogen – Fertigfräsen oder Schleifen mit Emulsionen und feinkörnigen Schleifmitteln.
CNC-Werkzeuge für die Zerspanung von Aluminium
Bei Aluminium ist es entscheidend, Werkzeuge zu verwenden, die eine effektive Spanabfuhr ermöglichen und das Risiko von Materialablagerungen an der Schneidkante verringern.
Die am häufigsten verwendeten Werkzeugtypen sind:
- Ein- und zweischneidige Schaftfräser – ihre großen Spanräume und der positive Spanwinkel begünstigen einen reibungslosen Schnitt und eine effektive Spanabfuhr. Sie eignen sich besonders gut zum Fräsen von Taschen und Konturen.
- Spiralbohrer – mit scharfer Geometrie und aggressivem Spanwinkel. Sie ermöglichen schnelles Bohren ohne Verstopfung der Bohrlöcher – auch bei größeren Tiefen.
- Drehmeißel mit positiver Schneidengeometrie – werden zum Drehen von Aluminiumteilen verwendet. Diese Geometrie reduziert die Schnittkraft und die Gefahr von Aufbauschneiden.
- Fräser und Bohrer mit PCD-Schneiden – für die Serienfertigung. Dank der auf den Hartmetallkörper gelöteten Diamantspitzen gewährleisten sie höchste Oberflächenqualität, insbesondere bei dünnwandigen Werkstücken.
Die Auswahl des Werkzeugs hängt vom technologischen Arbeitsgang, der Werkstückgeometrie und den Qualitätsanforderungen ab. Jedes Werkzeug hat seine Besonderheiten und eignet sich am besten für bestimmte Anwendungen.
Kühlung und Schmierung von Aluminium während des Bearbeitungsprozesses
Die CNC-Bearbeitung von Aluminium erfordert besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich der Kühlung, da Aluminium die Wärme schnell an die Werkzeuge weiterleitet. Eine unzureichende Kühlung führt schnell zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität der Teile, beschleunigt den Werkzeugverschleiß und kann zu thermischen Verformungen des Werkstücks führen.
Die am häufigsten verwendeten Kühl- und Schmiermethoden sind:
- Flood (Flutkühlung) – besteht in der intensiven Kühlung des Bearbeitungsbereichs mit einer großen Menge Kühlmittel. Diese Methode ist bei der Bearbeitung größerer Aluminiumteile wirksam.
- MQL (Minimum Quantity Lubrication) – d. h. Kühlung mit einer minimalen Menge an Schmiermittel, das in Form eines Ölnebels aufgebracht wird. Diese Lösung eignet sich besonders für die Vorbereitung von Aluminiumteilen für den Aluminium-Eloxierungsprozess, bei dem die Sauberkeit der Werkstückoberfläche von Bedeutung ist.
- Luftkühlung mit Wachszusatz – wird hauptsächlich beim Prototyping und bei weniger intensiver Bearbeitung eingesetzt. Diese Methode reduziert den Verbrauch von Kühlflüssigkeiten und ist wirtschaftlich, eignet sich jedoch nicht für anspruchsvolle Produktionsprozesse.
Moderne Strategien für die Zerspanung von Aluminium
Einer der beliebtesten Ansätze ist HPC (High Performance Cutting) – eine Technik zum Tiefschneiden mit geringer Schneidenbreite. Sie ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, ohne dass die Gefahr einer Überlastung des Werkzeugs oder einer Verschlechterung der Werkstückparameter besteht.
Für dünnwandige Aluminiumkomponenten eignet sich HSC (High Speed Cutting) hervorragend. Dank sehr hoher Drehzahlen und geringer Schnittkräfte gewährleistet dieses Verfahren präzises Fräsen ohne Verformung selbst empfindlicher Strukturen.
Immer häufiger kommt auch das Trochoidfräsen zum Einsatz – eine Strategie, bei der das Werkzeug auf einer gekrümmten, dynamischen Bahn geführt wird. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Verschleiß der Schneiden, eine bessere Kühlung und minimiert mechanische und thermische Belastungen.
Fazit – Aluminium zahlt sich durch Präzision aus
Aluminium ist ein Werkstoff mit großem Potenzial, aber auch komplexen technologischen Eigenschaften. Um eine wiederholbare Qualität und hohe Effizienz in der CNC-Bearbeitung zu erreichen, reicht eine gute Maschine nicht aus. Es sind gut ausgewählte Werkzeuge, durchdachte Zerspanungsstrategien, eine effektive Kühlung und die Kenntnis der Eigenschaften der jeweiligen Legierung erforderlich.
Genau dieser Ansatz – basierend auf Praxis und Erfahrung – ermöglicht es, das Potenzial von Aluminium voll auszuschöpfen und typische Produktionsprobleme zu vermeiden.