Verformung bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen: Ursachen und Kontrollmethoden

Warum sich Teile aus Aluminiumlegierung während der Bearbeitung verformen

Aluminiumlegierungen werden häufig für Hardware-, Automobil-, Elektronik- und Industriekomponenten verarbeitet, aber ihre geringe Härte und ihr hoher Wärmeausdehnungskoeffizient machen dünnwandige Teile besonders anfällig für Verformungen. Eine Verformung eines fertigen Teils wird fast nie durch einen einzigen Faktor verursacht; Es ist das kombinierte Ergebnis von Schneidwärme, Eigenspannung im Rohling, Spannkraft und Werkzeugzustand. In diesem Artikel werden die Hauptursachen und die bearbeitungsseitigen Kontrollmaßnahmen erläutert, die CNC-Werkstätten in der Praxis anwenden.

Grundursachen der Bearbeitungsverformung

Schneidhitze: Aluminium leitet Wärme schnell, dehnt sich aber leicht aus; Konzentrierte Hitze auf einer Seite verbiegt das Teil, sobald es ungleichmäßig abkühlt.

Restspannung im Rohling: Gewalztes und extrudiertes Aluminium trägt eine eingeschlossene Spannung, die ungleichmäßig abgebaut wird, wenn Material entfernt wird.

Spannkraft: Dünne Wände verformen sich beim Spannen elastisch und federn nach dem Lösen zurück, sodass im gelösten Zustand eine bearbeitete Form zurückbleibt, die außerhalb der Toleranz liegt.

Werkzeugverschleiß und Aufbauschneide: Ein verschlissener Fräser erhöht die Schnitttemperatur, erhöht die Oberflächenrauheit und fördert die Verformung.

Symmetrische Bearbeitung zum Ausgleich von Hitze und Spannung

Vermeiden Sie bei Teilen mit großen Bearbeitungszugaben die Bearbeitung einer Seite auf die endgültige Größe in einem einzigen Durchgang. Wenn man beispielsweise eine 90 mm dicke Platte auf 60 mm reduziert, indem man eine Seite vollständig fräst und dann die andere umdreht und fräst, erhält man eine Ebenheit von nur etwa 5 mm, da sich Wärme und Spannungsabbau nacheinander auf jede Seite konzentrieren. Die Bearbeitung beider Seiten in wiederholten, abwechselnden Durchgängen bis zum Erreichen der endgültigen Abmessung verbessert die Wärmeableitung und hält die Ebenheit innerhalb von etwa 0,3 mm.

Mehrschichtige Bearbeitung in mehreren-Durchgängen für Teile mit mehreren-Kavitäten

Die Bearbeitung von Hohlräumen nacheinander führt zu einer ungleichmäßigen Belastung der Hohlraumwände und führt zu Verformungen. Bearbeiten Sie stattdessen alle Hohlräume gemeinsam in Schichten: Jede Schicht entfernt Material aus jedem Hohlraum, bevor sie zur nächsten Tiefe übergeht, sodass die Spannungsverteilung gleichmäßig bleibt und das Teil weniger durchbiegt, wenn es sich der endgültigen Größe nähert.

Auswahl der Schnittparameter

Die Schnitttiefe hat den stärksten Einfluss auf die Schnittkraft. Durch die Reduzierung der Schnitttiefe werden Kraft und Wärme verringert, aber auch die Produktivität verringert. Die Standardlösung ist das Hochgeschwindigkeitsfräsen, bei dem eine geringere Schnitttiefe mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit und Spindelgeschwindigkeit kombiniert wird, sodass die Materialabtragsrate beibehalten wird, während die Schnittkraft abnimmt. Vorschub und Geschwindigkeit sollten immer auf den Legierungszustand abgestimmt sein, zum Beispiel 6061-T6 gegenüber 7075-T6, die sich bei gleichen Parametern unterschiedlich verhalten.

Werkzeuggeometrie und Werkzeugstruktur

Geometrie

Spanwinkel: Verwenden Sie den größten Spanwinkel, der die Schneidkantenstärke erhält; Eine schärfere Kante reduziert die Schnittverformung und die Schnitttemperatur. Vermeiden Sie Werkzeuge mit negativem Rake.

Freiwinkel: klein zum Schruppfräsen (schwere Belastung, benötigt Wärmeableitung), größer zum Schlichten, um Flankenreibung und elastische Verformung zu reduzieren.

Spiralwinkel: so groß wie möglich für stabiles Fräsen und geringere Fräskraft.

Steigungswinkel: Ein reduzierter Steigungswinkel verbessert die Wärmeableitung und senkt die Durchschnittstemperatur in der Schneidzone.

Struktur und Kantenzustand

Weniger Zähne und größere Spannuten verwenden; Aluminium erzeugt lange, duktile Späne, die kleine Hohlräume verstopfen. Eine typische Regel sind zwei Zähne für Fräser unter 20 mm Durchmesser und drei Zähne für 30–60 mm Durchmesser.

Halten Sie die Schnittkantenrauheit unter Ra 0,4 um; Steinen Sie einen neuen Fräser vor dem Gebrauch leicht ab, um Schleifgrate zu entfernen.

Verschleiß kontrollieren: Werkzeuge ersetzen oder indexieren, sobald der Flankenverschleiß 0,2 mm erreicht; Darüber hinaus kommt es zur Bildung von Aufbaukanten und einem Anstieg der Werkstücktemperatur. Halten Sie die Werkstücktemperatur während des Schneidens unter etwa 100 °C, um thermische Verformungen zu begrenzen.

Werkzeugwegstrategie: Gleichlauf zum Schruppen, konventionell zum Schlichten

Das Schruppen sollte die Materialentfernungsrate maximieren, daher wird das Gleichlauffräsen bevorzugt. Die Endbearbeitung erfordert Genauigkeit und Oberflächenqualität. Das konventionelle Fräsen, bei dem die Spandicke am Austritt auf Null abnimmt, verringert die Kaltverfestigung und hilft, Verformungen beim letzten Durchgang zu unterdrücken.

Sekundärspannung für dünnwandige-Teile

Wenn die Klemmkraft die Hauptursache für Verformungen ist, lösen Sie die Klemme vor dem letzten Endbearbeitungsvorgang, damit das Teil wieder in seine natürliche Form zurückkehren kann, und spannen Sie es dann wieder leicht mit der auf die Stützfläche ausgeübten Kraft in Richtung der höchsten Steifigkeit. Die Klemme sollte das Teil halten, ohne es zu stark einzuschränken. Hierbei handelt es sich um eine Fähigkeit, die Bediener mit der Übung entwickeln, die jedoch durch Klemmen hervorgerufene Verformungen zuverlässig reduziert.

Bohren Sie vor dem Fräsen von Hohlräumen

Das direkte Eintauchen eines Fräsers in festes Material in einer Kavität verdrängt die Späne auf engstem Raum, fängt die Schnittwärme ein und kann zu Wärmeausdehnung, Werkzeugabsplitterungen oder sogar Bruch führen. Zuerst ein Pilotloch bohren, das nicht kleiner als der Fräserdurchmesser ist, dann mit dem Fräser in das Loch eindringen und nach außen fräsen. Dieser einfache Schritt verbessert die Spanabfuhr und schützt dünne Wände.

FAQ

Warum verformen sich dünnwandige Aluminiumteile stärker als Stahlteile?

Aluminium hat etwa die dreifache Wärmeausdehnung von Stahl und etwa ein {0}Drittel der Steifigkeit, sodass die gleiche Schnittwärme und Klemmkraft in dünnen Abschnitten größere elastische und thermische Verformungen hervorruft.

Beseitigt eine Wärmebehandlung vor der Bearbeitung Verformungen?

Eine Alterungs- oder Spannungsentlastungsbehandlung reduziert die festsitzende-Spannung im Rohling, wodurch eine Ursache für Verformungen beseitigt wird, Schnittwärme, Spannkraft oder abgenutzte Werkzeuge jedoch nicht kompensiert werden können. Es sollte mit den oben genannten Bearbeitungsmaßnahmen kombiniert werden.

Welche Spindeldrehzahl und welcher Vorschub sind typisch für das Hochgeschwindigkeitsfräsen von Aluminium?

Es gibt keine einheitliche Antwort, da diese von der Legierung, dem Fräserdurchmesser und der Maschinensteifigkeit abhängt. Das praktische Prinzip besteht darin, die Schnitttiefe zu verringern, den Vorschub pro Zahn zu erhöhen und die Spindelgeschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Spanfarbe und die Werkstücktemperatur zu überwachen. Die Schnittparameter müssen am tatsächlichen Teil validiert werden.

Ist Gleichlauffräsen oder konventionelles Fräsen besser für die Endbearbeitung von Aluminium?

Bei Schlichtdurchgängen, die eine hohe Oberflächenqualität erfordern, reduziert das konventionelle Fräsen die Kaltverfestigung und den Kantenausbruch bei dünnen Abschnitten. Aufgrund der höheren Materialabtragsraten bleibt das Gleichlauffräsen die erste Wahl für die Schruppbearbeitung.

Wie erkenne ich, ob Werkzeugverschleiß zu Verformungen führt?

Achten Sie auf steigende Schnitttemperaturen, rauere Oberflächenbeschaffenheit, Quietschen oder Rattern sowie auf Teile, deren Maße von den programmierten Maßen abweichen. Ein Freiflächenverschleiß von mehr als etwa 0,2 mm bei Aluminiumfräsern ist ein zuverlässiger Auslöser für die Indexierung des Werkzeugs.

Kann die Verformung vor der Bearbeitung vorhergesagt werden?

Ja, in einem sinnvollen Maße. Eine Finite-Elemente-Simulation der Schnittkraft und Klemmung oder ein einfacher Versuch an einem repräsentativen Rohling identifiziert den vorherrschenden Verzerrungsmodus frühzeitig. Bearbeiten Sie bei dünnwandigen Teilen immer ein Muster und messen Sie es nach dem Lösen, bevor Sie mit der Serienproduktion beginnen.