Aluminium ist das am weitesten verbreitete Nichteisenmetall, und sein Anwendungsbereich erweitert sich stetig. Es gibt über 700.000 verschiedene Aluminiumprodukte, die in unterschiedlichsten Branchen wie dem Bauwesen, der Inneneinrichtung, dem Transportwesen und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. In diesem Beitrag werden wir die Verarbeitungstechnologie von Aluminiumprodukten und die Vermeidung von Verformungen während der Verarbeitung untersuchen.
Zu den Vorteilen und Eigenschaften von Aluminium gehören:
- Niedrige DichteAluminium hat eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³, was ungefähr einem Drittel der Dichte von Eisen oder Kupfer entspricht.
- Hohe Plastizität:Aluminium besitzt eine ausgezeichnete Duktilität, wodurch es durch Druckverarbeitungsverfahren wie Extrusion und Streckung zu verschiedenen Produkten geformt werden kann.
- Korrosionsbeständigkeit:Aluminium bildet auf seiner Oberfläche auf natürliche Weise eine schützende Oxidschicht, entweder unter natürlichen Bedingungen oder durch Anodisierung, wodurch es im Vergleich zu Stahl eine überlegene Korrosionsbeständigkeit aufweist.
- Leicht zu verstärken:Reines Aluminium besitzt zwar eine geringe Festigkeit, diese kann jedoch durch Anodisieren deutlich erhöht werden.
- Erleichtert die Oberflächenbehandlung:Oberflächenbehandlungen können die Eigenschaften von Aluminium verbessern oder verändern. Das Anodisierungsverfahren ist etabliert und wird in der Aluminiumverarbeitung häufig eingesetzt.
- Gute Leitfähigkeit und Recyclingfähigkeit:Aluminium ist ein hervorragender elektrischer Leiter und lässt sich leicht recyceln.
Technologie zur Verarbeitung von Aluminiumprodukten
Aluminiumprodukt-Stanzen
1. Kaltprägung
Als Material werden Aluminiumpellets verwendet. Diese Pellets werden in einem einzigen Schritt mithilfe einer Extrusionsanlage und einer Form in Form gebracht. Dieses Verfahren eignet sich ideal zur Herstellung von säulenförmigen Produkten oder Formen, die durch Streckung nur schwer zu realisieren sind, wie beispielsweise elliptische, quadratische und rechteckige Formen. (Siehe Abbildung 1: die Anlage; Abbildung 2: die Aluminiumpellets; Abbildung 3: das Produkt)
Die Presskraft der verwendeten Maschine hängt von der Querschnittsfläche des Produkts ab. Der Spalt zwischen dem oberen Stempel und der unteren Matrize aus Wolframstahl bestimmt die Wandstärke des Produkts. Nach dem Pressvorgang entspricht der vertikale Spalt zwischen oberem Stempel und unterer Matrize der maximalen Wandstärke des Produkts (siehe Abbildung 4).
Vorteile: Kurzer Werkzeugöffnungszyklus, geringere Entwicklungskosten als bei Streckformen. Nachteile: Langer Produktionsprozess, große Schwankungen der Produktgröße während des Prozesses, hohe Arbeitskosten.
2. Dehnen
Verwendetes Material: Aluminiumblech. Mithilfe einer kontinuierlichen Formmaschine und einer Form werden mehrere Umformvorgänge durchgeführt, um die gewünschten Formvorgaben zu erreichen. Geeignet für nicht-säulenförmige Körper (Produkte mit gebogenem Aluminium). (Siehe Abbildung 5: Maschine, Abbildung 6: Form, Abbildung 7: Produkt)
Vorteile:Die Abmessungen komplexer und mehrfach verformter Produkte werden während des Produktionsprozesses stabil kontrolliert, und die Produktoberfläche ist glatter.
Nachteile:Hohe Werkzeugkosten, relativ langer Entwicklungszyklus und hohe Anforderungen an die Maschinenauswahl und Präzision.
Oberflächenbehandlung von Aluminiumprodukten
1. Sandstrahlen (Kugelstrahlen)
Das Verfahren der Reinigung und Aufrauung der Metalloberfläche durch den Aufprall eines Hochgeschwindigkeits-Sandstroms.
Dieses Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium verbessert die Sauberkeit und Rauheit der Werkstückoberfläche. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche optimiert, was zu einer höheren Dauerfestigkeit führt. Diese Verbesserung erhöht die Haftung zwischen der Oberfläche und aufgebrachten Beschichtungen und verlängert deren Haltbarkeit. Zusätzlich wird ein gleichmäßigeres und ästhetisch ansprechenderes Erscheinungsbild der Beschichtung ermöglicht. Dieses Verfahren findet häufig Anwendung bei verschiedenen Apple-Produkten.
2. Polieren
Das Bearbeitungsverfahren nutzt mechanische, chemische oder elektrochemische Techniken, um die Oberflächenrauheit eines Werkstücks zu reduzieren und so eine glatte und glänzende Oberfläche zu erzielen. Der Polierprozess lässt sich in drei Hauptarten unterteilen: mechanisches, chemisches und elektrolytisches Polieren. Durch die Kombination von mechanischem und elektrolytischem Polieren lässt sich bei Aluminiumteilen eine spiegelglatte Oberfläche erzielen, ähnlich der von Edelstahl. Dieses Verfahren verleiht dem Werkstück eine edle, schlichte Eleganz und einen futuristischen Touch.
3. Drahtzeichnung
Das Drahtziehen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Linien wiederholt mit Schleifpapier aus Aluminiumplatten herausgezogen werden. Man unterscheidet zwischen geradem, zufälligem, spiralförmigem und Fadenziehen. Durch das Drahtziehen werden die feinen Linien deutlich sichtbar, wodurch das matte Metall einen dezenten Glanz erhält und das Produkt sowohl modern als auch technisch ansprechend wirkt.
4. Hochlichtschnitt
Beim Glanzschneiden wird eine Präzisionsgraviermaschine eingesetzt, die ein Diamantmesser auf der schnell rotierenden Spindel (üblicherweise 20.000 U/min) verwendet, um Teile auszuschneiden und lokale Glanzstellen auf der Produktoberfläche zu erzeugen. Die Helligkeit der Glanzstellen hängt von der Drehzahl des Fräsers ab: Je höher die Drehzahl, desto heller die Glanzstellen. Umgekehrt gilt: Je dunkler die Glanzstellen, desto wahrscheinlicher entstehen Schnittspuren. Hochglanzschneiden ist besonders bei Mobiltelefonen wie dem iPhone 5 verbreitet. In den letzten Jahren wurden auch einige hochwertige TV-Gehäuse aus Metall mit Hochglanzfinish versehen.CNC-FräsenDurch die Technologie sowie die Anodisierungs- und Bürstenverfahren wirkt der Fernseher modisch und technologisch hochmodern.
5. Anodisieren
Anodisieren ist ein elektrochemisches Verfahren zur Oxidation von Metallen und Legierungen. Dabei bildet sich auf Aluminium und seinen Legierungen unter bestimmten Bedingungen durch Anlegen eines elektrischen Stroms in einem speziellen Elektrolyten eine Oxidschicht. Anodisieren erhöht die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit von Aluminium, verlängert dessen Lebensdauer und verbessert dessen Aussehen. Dieses Verfahren ist zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Aluminium-Oberflächenbehandlung geworden und zählt heute zu den am weitesten verbreiteten und erfolgreichsten Methoden.
6. Zweifarbige Anode
Zweifarbige Anodisierung bezeichnet das Anodisierungsverfahren, bei dem bestimmte Bereiche eines Produkts unterschiedlich eingefärbt werden. Obwohl diese Technik aufgrund ihrer Komplexität und der hohen Kosten in der Fernsehindustrie selten Anwendung findet, trägt der Kontrast zwischen den beiden Farben wesentlich zum hochwertigen und einzigartigen Erscheinungsbild des Produkts bei.
Mehrere Faktoren tragen zur Verformung von Aluminiumbauteilen bei, darunter Materialeigenschaften, Bauteilform und Fertigungsbedingungen. Zu den Hauptursachen zählen: Eigenspannungen im Rohling, Schnittkräfte und die beim Bearbeiten entstehende Wärme sowie Kräfte beim Spannen. Um diese Verformungen zu minimieren, können spezifische Prozessmaßnahmen und Bedienungsfertigkeiten eingesetzt werden.
Prozessmaßnahmen zur Reduzierung von Verarbeitungsverformungen
1. Die inneren Spannungen des Rohlings reduzieren.
Natürliche oder künstliche Alterung, zusammen mit Vibrationsbehandlung, kann die inneren Spannungen eines Rohlings reduzieren. Auch die Vorbearbeitung ist hierfür eine wirksame Methode. Bei einem Rohling mit einem breiten Kopf und großen Ohren kann es aufgrund des großen Randes während der Bearbeitung zu erheblichen Verformungen kommen. Durch die Vorbearbeitung der überschüssigen Teile des Rohlings und die Reduzierung des Randes in jedem Bereich können wir nicht nur die Verformungen minimieren, die bei der nachfolgenden Bearbeitung auftreten, sondern auch einen Teil der nach der Vorbearbeitung vorhandenen inneren Spannungen abbauen.
2. Die Schneidleistung des Werkzeugs verbessern.
Die Material- und Geometrieparameter des Werkzeugs beeinflussen Schnittkraft und Wärmeentwicklung maßgeblich. Die richtige Werkzeugauswahl ist daher unerlässlich, um die Verformung der Werkstücke bei der Bearbeitung zu minimieren.
1) Angemessene Auswahl der geometrischen Parameter des Werkzeugs.
① Neigungswinkel:Bei gleichbleibender Sägeblattfestigkeit ist ein größerer Spanwinkel sinnvoll. Dadurch wird einerseits eine scharfe Schneide erzeugt, andererseits die Verformung beim Schneiden reduziert, der Spanabtransport erleichtert und somit Schnittkraft und Schnitttemperatur gesenkt. Werkzeuge mit negativem Spanwinkel sollten vermieden werden.
② Rückansicht:Die Größe des Hinterschnittwinkels hat direkten Einfluss auf den Verschleiß der Werkzeugrückseite und die Qualität der bearbeiteten Oberfläche. Die Schnitttiefe ist ein wichtiger Faktor bei der Wahl des Hinterschnittwinkels. Beim Schruppen sind aufgrund des hohen Vorschubs, der hohen Schnittkraft und der starken Wärmeentwicklung gute Wärmeabfuhrbedingungen am Werkzeug erforderlich. Daher sollte der Hinterschnittwinkel kleiner gewählt werden. Beim Feinfräsen hingegen muss die Schneide scharf sein, die Reibung zwischen Werkzeugrückseite und Oberfläche reduziert und die elastische Verformung minimiert werden. Daher sollte der Hinterschnittwinkel größer gewählt werden.
③ Helixwinkel:Um ein reibungsloses Fräsen zu gewährleisten und die Fräskraft zu reduzieren, sollte der Spiralwinkel so groß wie möglich gewählt werden.
④ Hauptablenkwinkel:Durch eine angemessene Reduzierung des Hauptablenkwinkels können die Wärmeableitungsbedingungen verbessert und die durchschnittliche Temperatur des Bearbeitungsbereichs gesenkt werden.
2) Werkzeugstruktur verbessern.
Verringern Sie die Anzahl der Fräserzähne und vergrößern Sie den Spanraum:
Da Aluminiumwerkstoffe eine hohe Plastizität und erhebliche Verformungen beim Zerspanen aufweisen, ist es unerlässlich, einen größeren Spanraum zu schaffen. Dies bedeutet, dass der Radius des Spanraumgrundes größer und die Zähnezahl des Fräsers reduziert werden sollte.
Feinschleifen der Schneidezähne:
Die Rauheit der Schneidkanten der Fräserzähne sollte unter Ra = 0,4 µm liegen. Vor dem Einsatz eines neuen Fräsers empfiehlt es sich, die Vorder- und Rückseite der Fräserzähne mehrmals vorsichtig mit einem feinen Ölstein anzuschleifen, um eventuelle Grate oder leichte Sägezahnspuren vom Schärfprozess zu entfernen. Dies trägt nicht nur zur Reduzierung der Schnittwärme bei, sondern minimiert auch die Verformung des Werkstücks.
Strenge Kontrolle der Werkzeugverschleißnormen:
Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß steigt die Oberflächenrauheit des Werkstücks, die Schnitttemperatur erhöht sich und das Werkstück kann sich stärker verformen. Daher ist es entscheidend, Werkzeugmaterialien mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit zu wählen und sicherzustellen, dass der Werkzeugverschleiß 0,2 mm nicht überschreitet. Wird dieser Grenzwert überschritten, kann es zur Spanbildung kommen. Während des Zerspanens sollte die Werkstücktemperatur generell unter 100 °C gehalten werden, um Verformungen zu vermeiden.
3. Die Spannmethode des Werkstücks verbessern. Bei dünnwandigen Aluminiumwerkstücken mit geringer Steifigkeit können folgende Spannmethoden zur Reduzierung von Verformungen eingesetzt werden:
① Bei dünnwandigen Buchsenteilen kann die Verwendung eines Dreibacken-Zentrierfutters oder einer Spannzange zur radialen Spannung nach der Bearbeitung zu Verformungen des Werkstücks führen. Um dies zu vermeiden, empfiehlt sich eine axiale Stirnflächenspannung, die eine höhere Steifigkeit bietet. Positionieren Sie die Innenbohrung des Teils, fertigen Sie einen Gewindedorn an und setzen Sie diesen in die Innenbohrung ein. Spannen Sie anschließend die Stirnfläche mit einer Abdeckplatte und sichern Sie diese mit einer Mutter. Dieses Verfahren verhindert Verformungen durch die Spannung bei der Bearbeitung des Außenkreises und gewährleistet eine zufriedenstellende Bearbeitungsgenauigkeit.
② Bei der Bearbeitung dünnwandiger Blechwerkstücke empfiehlt sich der Einsatz eines Vakuumsaugers, um eine gleichmäßige Spannkraft zu erzielen. Zudem kann eine geringere Abtragsmenge die Verformung des Werkstücks verhindern.
Eine weitere effektive Methode besteht darin, das Innere des Werkstücks mit einem Medium zu füllen, um dessen Bearbeitungsstabilität zu erhöhen. Beispielsweise kann eine Harnstoffschmelze mit 3 bis 6 % Kaliumnitrat in das Werkstück gegossen werden. Nach der Bearbeitung kann das Werkstück in Wasser oder Alkohol getaucht werden, um das Füllmaterial aufzulösen, und anschließend ausgegossen werden.
4. Angemessene Anordnung der Prozesse
Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen entstehen aufgrund großer Aufmaße und intermittierender Schnitte häufig Vibrationen. Diese Vibrationen können die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenrauheit negativ beeinflussen.CNC-Hochgeschwindigkeits-SchneidprozessDer Bearbeitungsprozess gliedert sich typischerweise in mehrere Schritte: Schruppen, Vorschlichten, Winkelreinigung und Fertigbearbeitung. Bei Teilen, die eine hohe Präzision erfordern, kann vor der Fertigbearbeitung ein zweites Vorschlichten notwendig sein.
Nach dem Schruppen empfiehlt es sich, die Teile natürlich abkühlen zu lassen. Dies trägt zum Abbau der beim Schruppen entstandenen inneren Spannungen bei und reduziert Verformungen. Das nach dem Schruppen verbleibende Aufmaß sollte größer als die zu erwartende Verformung sein, üblicherweise zwischen 1 und 2 mm. Beim Schlichten ist es wichtig, ein gleichmäßiges Aufmaß auf der fertigen Oberfläche beizubehalten, typischerweise zwischen 0,2 und 0,5 mm. Diese Gleichmäßigkeit gewährleistet, dass das Schneidwerkzeug während der Bearbeitung stabil bleibt, was die Schnittverformung deutlich reduziert, die Oberflächenqualität verbessert und die Produktgenauigkeit sicherstellt.
Operative Fähigkeiten zur Reduzierung von Verarbeitungsverformungen
Aluminiumteile verformen sich während der Bearbeitung. Neben den oben genannten Gründen spielt auch die Bearbeitungsmethode im praktischen Einsatz eine sehr wichtige Rolle.
1. Bei Teilen mit großen Bearbeitungstoleranzen empfiehlt sich die symmetrische Bearbeitung, um die Wärmeableitung während der Zerspanung zu verbessern und Wärmestau zu vermeiden. Wird beispielsweise ein 90 mm dickes Blech auf 60 mm reduziert und eine Seite unmittelbar nach der anderen gefräst, kann die Ebenheitstoleranz 5 mm betragen. Durch ein symmetrisches Bearbeitungsverfahren mit wiederholtem Vorschub, bei dem jede Seite zweimal auf das Endmaß bearbeitet wird, lässt sich die Ebenheitstoleranz auf 0,3 mm verbessern.
2. Bei Blechteilen mit mehreren Kavitäten ist die sequentielle Bearbeitung jeder Kavität einzeln nicht empfehlenswert. Dies kann zu ungleichmäßigen Kräften und damit zu Verformungen führen. Verwenden Sie stattdessen ein schichtweises Bearbeitungsverfahren, bei dem alle Kavitäten einer Schicht gleichzeitig bearbeitet werden, bevor die nächste Schicht bearbeitet wird. Dadurch wird eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf die Teile gewährleistet und das Verformungsrisiko minimiert.
3. Um Schnittkraft und Wärmeentwicklung zu reduzieren, ist die Anpassung der Schnittmenge entscheidend. Von den drei Komponenten der Schnittmenge hat die Rückschnittmenge den größten Einfluss auf die Schnittkraft. Ist die Bearbeitungszugabe zu groß und die Schnittkraft in einem Durchgang zu hoch, kann dies zu Verformungen der Werkstücke führen, die Steifigkeit der Werkzeugmaschinenspindel beeinträchtigen und die Werkzeugstandzeit verringern.
Eine Verringerung des Rückschnitts kann zwar die Werkzeugstandzeit verlängern, aber gleichzeitig die Produktionseffizienz verringern. Hochgeschwindigkeitsfräsen in der CNC-Bearbeitung kann dieses Problem jedoch effektiv lösen. Durch die Reduzierung des Rückschnitts und die entsprechende Erhöhung des Vorschubs und der Maschinendrehzahl lässt sich die Schnittkraft senken, ohne die Bearbeitungseffizienz zu beeinträchtigen.
4. Die Reihenfolge der Bearbeitungsvorgänge ist wichtig. Die Schruppbearbeitung zielt darauf ab, die Bearbeitungseffizienz zu maximieren und die Abtragsrate pro Zeiteinheit zu erhöhen. Typischerweise wird hierfür das Rückwärtsfräsen eingesetzt. Beim Rückwärtsfräsen wird überschüssiges Material von der Oberfläche des Werkstücks mit höchstmöglicher Geschwindigkeit und in kürzester Zeit abgetragen, wodurch effektiv ein geometrisches Grundprofil für den Schlichtprozess erzeugt wird.
Die Endbearbeitung hingegen legt Wert auf höchste Präzision und Qualität, weshalb das Gleichlauffräsen die bevorzugte Technik ist. Beim Gleichlauffräsen verringert sich die Schnitttiefe schrittweise vom Maximalwert auf null. Dieses Verfahren reduziert die Kaltverfestigung deutlich und minimiert die Verformung der bearbeiteten Teile.
5. Dünnwandige Werkstücke verformen sich beim Bearbeiten häufig durch das Einspannen. Diese Herausforderung besteht auch beim Feinschliff fort. Um diese Verformung zu minimieren, empfiehlt es sich, die Spannvorrichtung vor Erreichen der Endgröße beim Feinschliff zu lockern. Dadurch kann das Werkstück seine ursprüngliche Form wiedererlangen und anschließend – je nach Gefühl des Bedieners – nur noch leicht eingespannt werden, um es zu fixieren. Diese Methode trägt zu optimalen Bearbeitungsergebnissen bei.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Spannkraft möglichst nah an der Auflagefläche und entlang der stärksten starren Achse des Werkstücks ansetzen sollte. Obwohl es entscheidend ist, ein Lösen des Werkstücks zu verhindern, sollte die Spannkraft für optimale Ergebnisse so gering wie möglich gehalten werden.
6. Bei der Bearbeitung von Teilen mit Hohlräumen ist zu vermeiden, dass der Fräser wie ein Bohrer direkt in das Material eindringt. Dies kann zu unzureichendem Spanraum führen und Probleme wie ungleichmäßige Spanabfuhr, Überhitzung, Ausdehnung und im schlimmsten Fall Spanbruch oder Bauteilbruch verursachen.
Verwenden Sie stattdessen zunächst einen Bohrer, der mindestens so groß wie der Fräser ist, um das Vorbohrloch zu erstellen. Anschließend wird der Fräser für die Fräsbearbeitung eingesetzt. Alternativ können Sie mithilfe einer CAM-Software ein Spiralfräsprogramm für die Aufgabe generieren.
Wenn Sie mehr erfahren möchten oder Fragen haben, kontaktieren Sie uns bitte.info@anebon.com
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Veröffentlichungsdatum: 27. November 2024