Aluminiumbearbeitung: Werkzeuge, Techniken & Verfahren erklärt

Was ist Aluminiumbearbeitung?

Zerspanung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren: Material wird vom Werkstück abgetragen, um das gewünschte Bauteil zu erzeugen. Es ist hochgradig vielseitig und deckt eine breite Palette metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe ab. Eines der am häufigsten zerspanten Materialien ist Aluminium.

Dank geringem Gewicht, niedriger Härte und hoher Umformbarkeit eignet sich Aluminium ideal für Zerspanung und andere Fertigungsverfahren. Im Folgenden beleuchten wir weitere Vorteile von Aluminium für Zerspanungsanwendungen, den Einsatz in verschiedenen Zerspanungsprozessen und typische Aluminium-Zerspanungsteile.

Überblick über Aluminium-Zerspanungsprozesse

„Zerspanung“ ist ein Oberbegriff für verschiedene subtraktive Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren. Es gibt auch diverse Zerspanungstechnologien und -techniken: CNC-Zerspanung, Schweizer Drehen, Vertikal- und Horizontalfräsen, Funkenerosion (EDM). Nachfolgend wird der Umgang mit Aluminium in jeder Methode skizziert.

• CNC-Zerspanung (Computerized Numerical Control): Der Prozess nutzt Computersoftware und CNC-kompatible Ausrüstung zur Steuerung der Werkzeugbewegung über das Werkstück. Ermöglicht hochpräzise und genaue Aluminium-CNC-Teile.
• Schweizer Drehen: Ideal für kleine, hochpräzise zylindrische Aluminiumkomponenten wie elektronische oder medizinische Bauteile.
• Vertikal-/Horizontalfräsen: Fräsen nutzt rotierende Schneidwerkzeuge zum Materialabtrag. Maschinen können vertikal oder horizontal konfiguriert sein; vertikale Einheiten eignen sich für kleine Losgrößen einfacher Aluminiumteile, horizontale für große Losgrößen komplexer Teile.
• Funkenerosion (EDM): EDM nutzt elektrische Entladungen zwischen zwei Elektroden zum Materialabtrag. Hauptsächlich für harte, schwer zerspanbare Materialien, aber bei jedem elektrisch leitfähigen Material – auch Aluminium – anwendbar.

Warum kann Aluminium herausfordernd sein?

Wenn Sie eine Halterung für „Bauer Joe“ fertigen, spielt effizienter Materialabtrag keine große Rolle. Fertigen Sie jedoch 10.000 Halterungen pro Woche für „Hustler Joe“, müssen Sie es richtig machen.

Die Hauptschwierigkeit beim effektiven Zerspanen von Aluminium besteht darin, maximale Abtastraten zu erreichen, ohne das Werkzeug zu zerstören.

Aluminium kann bei zu viel Hitze schmelzen und am Werkzeug anbacken. Selbst wenn es sich wie Butter schneiden lässt, hält das nicht lange an, wenn Aluminium am Werkzeug klebt und Sie statt Zerspanung Reibschweißen betreiben.

Neben minimaler Reibung kann Rattern (Chatter) zum Problem werden, wenn Sie die Maschine an ihre Grenzen bringen. Besonders beim Fräsen sauberer Taschen kritisch. Genug gejammert – lassen Sie uns in die Praxis einsteigen.

Schneidwerkzeuge für Aluminium

Unter keinen Umständen sollten Sie je ein Universalwerkzeug für Aluminium verwenden. Technisch funktioniert es, aber Aluminium verhält sich völlig anders als Stahl.

Hier sind Aspekte der Werkzeugauswahl, um das Maximum aus Ihrer Maschine herauszuholen.

Schneidwerkzeugmaterial

Hartmetall: Hoffentlich eine Selbstverständlichkeit. Selbst in Nicht-Hochleistungsanwendungen übertrifft Hartmetall HSS sowohl in Werkzeugkosten über die Standzeit als auch in Oberflächengüte.

Dennoch gibt es ein paar wichtige Punkte zu Hartmetall, die helfen, das perfekte Werkzeug zu finden. Aluminium ist weich schneidend – das Werkzeug erfährt keine harten Stoßkräfte.

Kritisch ist das Erhalten einer rasiermesserscharfen Schneide. Deshalb wählen wir Härte über Zähigkeit. Zwei Faktoren beeinflussen diese Eigenschaft: Hartmetallkorngröße und Bindemittelanteil.

Bei der Korngröße: größere Körner erzeugen härteres Material, kleinere Körner zäheres, schlagfesteres Material. Für Aluminium wollen wir Schneidkantenschärfe erhalten – also kleine Korngröße für maximale Kantenschärfe.

Der andere Faktor ist der Bindemittelanteil. Bei Hartmetall ist das Bindemittel Cobalt. Gehalt: 2–20 % Cobalt. Da Cobalt weicher ist als Hartmetallkörner: mehr Cobalt = zäheres Werkzeug, weniger Cobalt = härteres Werkzeug. Wir suchen also einen Hartmetallfräser mit großer Korngröße und geringem Cobaltgehalt.

Vorschub und Drehzahl

Viele setzen einfach 1000 SFM (ft/min) für die Drehzahlberechnung an. Damit sind Sie nicht schneller als alle anderen.

Ehrlich gesagt: 1000–1500 SFM ist für die meisten Fräser völlig normal. Mit Schwingungsanalyse (harmonic testing) lassen sich aber das 3-fache erreichen. Mehr dazu später.

Beim Vorschub scheuen viele zurück. Ein 1/2″-Schaftfräser mit nur 0,003″ pro Zahn verschwendet Zeit. Für die Serie wollen Sie mindestens 1 % des Fräserdurchmessers pro Zahn. Der 1/2″-Fräser braucht also mindestens 0,005″ pro Zahn. Mit stabilem Setup und kurzem Werkzeug lässt sich das oft verdoppeln.

Ausnahme: kleine Werkzeuge (1/8″ oder kleiner). Spanabfuhr wird zum Problem – dünnere Späne erfordern langsameren Vorschub.

Gängige Operationen beim Aluminiumzerspanen

Hier die häufigsten Aufgaben mit Aluminium und Tipps dafür.

1. Planfräsen (Facing)

Bei Einsatz eines Aufsteckfräsers: definitiv aggressiver Spanwinkel und polierte Wendeschneidplatten. Die Oberfläche wird hervorragend, und Sie können die Drehzahl stark erhöhen.

2. Taschenfräsen (Pocketing)

Hier machen viele Fehler. Bei 50 % radialem und 50 % axialem Einschneiden begehen Sie zwei Fehler:

Der Fräser verträgt mehr. Gehen Sie fast volle Breite. Mein Standard: 95 % der Fräserbreite. Grund: In den Ecken ist der Fräser ohnehin voll eingebettet. Sie müssen den Vorschub drosseln, damit das Werkzeug in den Ecken nicht explodiert. Bei 100 % entstehen durch Werkzeug- und Materialbiegung papierdünne Stege zwischen den Bahnen.

50 % Außeneinschnitt sind bei respektablen Rauhforschungen schrecklich für Schwingungen. Der Werkzeugeintritt erfolgt am ungünstigsten Punkt – jeder Zahn schlägt ein. Schon 65 % Außeneinschnitt reduzieren Rattern spürbar.

Ein weiterer Tipp: Fräsert durchmesser leicht kleiner als der innere Taschenradius wählen. Schneiden Sie 1/4″-Radien mit 1/2″-Fräser, neigen Sie zum Ausreißen der Ecken durch Rattern beim Richtungswechsel. Bei hohen Geschwindigkeiten ändern Werkzeuge die Richtung nicht瞬间 – Schneiddruck entlastet. Das verursacht das „Zwitschern“.

Ich bitte meist um Anpassung der Radien auf 0,265″ für saubere Ecken. Das reduziert den Werkzeug-Werkstück-Kontakt. Die Maschine fährt den größeren Radius bei höherer Geschwindigkeit. Denken Sie an ein Auto auf der Rennstrecke: scharfe Kurve = bremsen, großer Radius = durchziehen.

Das eliminiert das Eckenrattern, das Ihre Teile unansehnlich macht.

3. Nutenfräsen (Slotting)

Für extrem tiefe Nuten zwei bewährte Optionen: Trochoidales Fräsen zur Reduzierung von Durchbiegung und Rattern, oder Kurzschneidenfräser (Stub Flute).

Persönlich bevorzuge ich Kurzschneidenfräser – das Werkzeug ist signifikant stabiler, und es gibt keine Leerwege beim Hin- und Herfahren. Tiefes Nutenfräsen ist eine Anwendung, wo sich ein Spezialwerkzeug oft lohnt.

Bei flachen Nuten (4×D und darunter): keine besonderen Überlegungen. Einfach durchziehen.

4. Bohren (Drilling)

Scharfe Bohrer verwenden. Hartmetallbohrer sind nicht immer die Antwort – ein teurer Hartmetallbohrer lohnt nicht ohne passende Spindeldrehzahl oder Serienvolumen.

Generell: 135°-Spitzwinkel mit Queranschliff, und Sie sind gut bedient. Wenn der Bohrer einen Steg an der Spitze hat, bringen Sie unnötig viel Hitze in den Schnitt.

5. Gewindeschneiden (Tapping)

Universalgewindebohrer funktionieren technisch, aber aluminiumspezifische Gewindebohrer sind deutlich zuverlässiger. Sie haben aggressivere Spanwinkel – sauberere Schnitte, weniger Hitze.

Auch bei der Drehzahl nicht zimperlich sein. Wenn Sie nie über 200 U/min gehen, verschwenden Sie Zeit. Klar, manche Maschinen sind alt und haben zu viel Spiel für höhere Geschwindigkeiten. Aber auf solchen Maschinen sind Sie ohnehin nicht wettbewerbsfähig. Punkt ist: Aluminiumgewindeschneiden ist einfach – verschwenden Sie keine Zeit damit.

Hervorragende Oberflächen an Aluminium erzielen

Hohe Drehzahl. Kein Geheimnis. Drehen Sie auf.

Ein scharfes Fertigwerkzeug mit hohem Drallwinkel und aggressiven Spanwinkeln hilft ebenfalls für spiegelnde Oberflächen.

Eins aber: Verschwenden Sie keine Zeit, das Teil schöner zu machen als nötig. Manchmal will man den Kunden beeindrucken, aber glänzend ≠ niedriger Ra-Wert.

Es lohnt sich, Oberflächenberechnungen durchzuführen, um den max. Vorschub für Fertigschnitte zu bestimmen. Ich rechne und gehe dann ~10 % runter für Sicherheit. Wer am Limit fährt, liegt halb der Zeit falsch.

Vorteile von Aluminium in Zerspanungsoperationen

Neben exzellenter Zerspanbarkeit zeigt Aluminium viele Eigenschaften, die es für Zerspanung prädestinieren:

• Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis: Aluminium ist stark und leicht – kritisch für Hochleistungsbauteile in Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie.
• Korrosionsbeständigkeit: Aluminium in verschiedenen Legierungen mit unterschiedlicher Korrosionsbeständigkeit. In der Zerspanung ist 6061 am häufigsten – bietet exzellenten Korrosionsschutz.
• Elektrische Leitfähigkeit: Aluminium leitet besser (ca. 37,7 Mio. S/m bei Raumtemperatur) als Kohlenstoffstahl (7 Mio. S/m) oder Edelstahl (1,5 Mio. S/m). Prädestiniert für elektrische/elektronische Komponenten.
• Oberflächenveredelung & Eloxalpotenzial: Aluminium nimmt diverse Oberflächenbehandlungen an: Lackieren, Färben, Eloxieren. Verbessert funktionale und ästhetische Eigenschaften.
• Recyclingfähigkeit: Hochgradig recycelbar – Späne aus der Zerspanung und Bauteile am Lebensende wiederverwendbar.
• Kosteneffizienz: Günstiger als Messing, Titan, PEEK ohne nennenswerte Performanceeinbußen. Gute Zerspanbarkeit senkt Fertigungskosten, geringes Gewicht senkt Transportkosten.

Wie gezeigt, verarbeitet Zerspanung diverse Materialien: Metalle, Kunststoffe, Papier, Holz. Neben Aluminium regelmäßig: andere Metalle (Stahl, Edelstahl) und Thermoplaste. Im Vergleich bietet Aluminium Vorteile:

Gegenüber Stahl und Edelstahl: deutlich geringeres Gewicht und bessere Zerspanbarkeit.

Typische zerspante Aluminiumteile

Industrie nutzt Aluminium in Zerspanung für diverse Bauteile in Branchen wie:

• Automobil
• Luft- und Raumfahrt
• Kommunikationstechnik
• Elektro- und Elektronikprodukte
• Beleuchtung
• Medizintechnik

Typische Beispiele: Passstifte, EMI-Gehäuse, Frontplatten, Leuchten, Medizinprodukte, Keilwellen.