Präzises Hochgeschwindigkeitsfräsen von Aluminiumteilen

Aluminium ist eine der am weitesten verbreiteten Legierungen in der modernen Produktion – scheinbar das ideale Material. Leicht, fest, langlebig, korrosionsbeständig. Daher rasante Entwicklung neuer Aluminium-Frässtrategien.

Eine moderne erfolgreiche CNC-Aluminiumfräsmethode: Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC/HSM). Hauptunterschied zum konventionellen Fräsen: deutlich höhere Drehzahlen, Zerspaner kann Schnittvorschub erhöhen. HSM unterscheidet sich fundamental von konventionellem Fräsen – produktiver, innovativer Weg für Kleinserien und Prototypen. Sich wandelnde Metallindustrie verlangt schnelle Teilefertigung. Monatlich steigen Anforderungen an kundenspezifische Teile/Rapid Prototypes. Kunden wollen Aufträge schneller, mit höherer Präzision als je zuvor.

Was ist Hochgeschwindigkeitszerspanung (High Speed Machining)?

Ursprünglich 1920er von dt. Erfinder Dr. Carl Salmon: HSM geboren, als er erkannte – für spezifisches Werkstückmetall peak die an der Werkzeug-Werkstück-Schnittstelle erzeugte Wärme bei kritischer Spindeldrehzahl.

Konventionelles Fräsen: niedriger Vorschub, große Schnittparameter. HSM: hoher Vorschub, kleine Schnittparameter. Gegenüber konventionellem Fräsen kennzeichnend:

(1) Hohe Effizienz

HSM-Spindeldrehzahl: 15.000–40.000 min⁻¹, bis 100.000 min⁻¹. Stahlschneiden: Schnittgeschwindigkeit ~400 m/min – 5–10x höher als traditionelles Fräsen. Formenbaukavitäten: vs. traditionelle Methoden (konventionelles Fräsen, EDM) Effizienz 4–5x höher.

(2) Hohe Präzision

HSM-Bearbeitungsgenauigkeit: allgemein 10 µm, teils höher.

(3) Hohe Oberflächenqualität

Werkzeugtemperaturanstieg bei HSM gering (~3 °C) → keine Umwandlungsschicht, keine Mikrorisse, geringe thermische Verformung. Beste Rauheit Ra < 1 µm → nachfolgendes Schleifen/Polieren stark reduziert.

(4) Hartmaterialbearbeitung möglich

Fräst 50–54 HRC Stahl, max. Frashärte 60 HRC.

Vorteile von HSM für Aluminiumfräsen

Durch HSM-Eigenschaften ist HSM-Aluminiumfräsen in vielen Aspekten vorteilhaft. HSM-Strategie statt konventionellem Fräsen bringt:

Effizienzsteigerung

HSM-Schnittgeschwindigkeit: 3x traditionelles Fräsen. Bei weicheren Alulegierungen sogar verdoppelbar.

Bearbeitungsvorschub = Produktivitätsparameter des Fräsprozesses. → HSM-Effizienz weit höher als konventionelles Fräsen. Alu-Zerspanbarkeit erlaubt Spindeldrehzahlen ≥18.000 min⁻¹.

Hohe Abtragsrate macht Aluminium-HSM-Strategie für Auto- und Luftfahrtindustrie sehr attraktiv. Auto-Prototypen: viel Materialabtrag, möglichst wenige Fräsaufspannungen. Luftfahrt: viele lange, große Teile mit tiefen Taschen (leicht → Rippenstruktur), Dünnwände. Zudem: Alulegierungen = 80 % Flugzeug/Rakete.

Kerbtemperatur (Notch Temperature)

Studien: Schnitttemperatur ändert sich mit steigender Geschwindigkeit. Anfangs: Temperatur steigt mit Geschwindigkeit. Weiter: Temperatur fällt drastisch. Punkt erreicht, wo Erhöhung kaum noch senkt. Ideal für HSM.

Beispiel: Alu-Fräsen bei 300–500 m/min → 600–800 °C. Geschwindigkeit auf 1200 m/min → <200 °C. Bei 1800 m/min: nur 150 °C. Ab da: schneller schneiden sinnlos.

Perspektive: nur 150–200 °C. Lokale Wärmebehandlung ändert Materialeigenschaften nicht. Metallgefüge wächst nicht, Kühlbedarf viel geringer. Offensichtlicher Vorteil.

Werkzeugstandzeitverlängerung

Scheint paradox bei hoher Geschwindigkeit – Annahme: höherer Verschleiß. Aber: Vergleich Materialabtrag konventionell vs. HSM → klarer Sieger: HSM-Aluminium.

Was verlängert Standzeit? Erstens: deutlich reduzierte Schnitttemperatur → höhere Werkzeugwerkstofffestigkeit. Zweitens: kleine Spanbreite bei HSM – trotz höherem Vorschub rotiert Werkzeug schneller, schneidet dünnere Späne.

Drittens: Hauptproblem bei Alu-Zerspanung – Alu zu weich, klebt an Schneide. Verringert Schärfe, erhöht Schnittkraft → verkürzt Standzeit.

Präzision beim HSM-Aluminiumfräsen

Glaube: höherer Vorschub verschlechtert Alu-Oberfläche – Schneide geht weiter, Werkzeug dreht/schneidet. Normal: breitere Späne, höhere Schnittkraft, schlechtere Oberfläche. Aber HSM: trotz hohem Vorschub höhere Werkzeugdrehzahl → Späne tatsächlich dünner als konventionell. Plus: geringe Schnittkraft → geringe Vibration. Alles verbessert Genauigkeit.

Geringer Kühlschmierstoffeinsatz

Manche HSM-Alu-Strategien: ganz ohne Kühlschmierstoff. 200 °C bearbeiten → Material/Werkzeug kaum Kühlung nötig. Manche Präzisionsoperationen nutzen Kühlschmierstoff für Teilequalität, aber Menge weit unter konventioneller Bearbeitung. Minimalmengenschmierung (MMS): nur Filmbildung → Reibung reduzieren, etwas kühlen → minimaler Bedarf.

Konstanter Werkzeugeingriffswinkel (Constant Tool Engagement Angle)

Hauptproblem bei Kavitätenfräsen mit Schaftfräser: Kavitätsecke. Fräser muss 90° drehen → schneidet doppeltes Material (beide Kanten-Seiten). Lokaler Schnittkraftanstieg → schadet Standzeit und Teilegenauigkeit. HSM-Alu: vorgegebene Werkzeugbahnstrategien inkl. konstantem Eingriffswinkel. Werkzeug nähert sich auf Kreisbogen allmählich dem Winkel. Schnittkraft konstant, Genauigkeit konstant. Standzeitverlängerung inklusive.

SANS Machining fokussiert CNC-Fertigung, Prototypenbearbeitung, Kleinserien, Metallbau, Oberflächenveredelung – beste Unterstützung und Service.

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