Spanende Fertigung Gleichberechtigter Faktor

Bei der spanenden Bearbeitung von Aluminium ist auf genau abgestimmte Kühlschmierstoffe zu achten. Von den 15 bekannten Leichtmetallen konnten bisher nur Aluminium, Magnesium und Titan technische...

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Von den 15 bekannten Leichtmetallen konnten bisher nur Aluminium, Magnesium und Titan technische Bedeutung erlangen. Sie haben gegenüber Stahl ein deutlich geringeres Gewicht bei fast gleicher spezifischer Festigkeit, bei der spanenden Bearbeitung stellen Leichtmetalle an die verwendeten Kühlschmierstoffe allerdings sehr unterschiedliche Anforderungen. Am weitesten verbreitet istAluminium. Es hat sich wegen seiner guten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften, die durch Legierungszusätze gezielt variiert werden können, zum zweitwichtigsten Gebrauchsmetall nach Stahl und Stahllegierungen entwickelt. Aluminium-Werkstoffe werden nach Knet- und Gusslegierungen unterschieden. Bei den Knetlegierungen steht die plastische Verformbarkeit im Vordergrund. Bei den Gusslegierungen ist das Formfüllvermögen und die Gießbarkeit am wichtigsten. Weiter unterteilt werden die Legierungen in aushärtbare und nicht aushärtbare, je nachdem, ob eine Verfestigung durch die Wirkung von Legierungselementen erreicht werden kann.Da Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von Zusammensetzung und Werkstoffzustand sehr stark variieren, hilft die Einteilung in drei Hauptgruppen mit annähernd gleicher Zerspanbarkeit:- Die erste Gruppe bilden Reinaluminium und niedrig legierte Knetwerkstoffe, die in weichem Zustand zum Schmieren und zur Bildung von Aufbauschneiden neigen. Deshalb sind beim Bearbeiten scharfe Werkzeuge, hohe Schnittgeschwindigkeiten und intensive Schmierung erforderlich. Die meisten Probleme bereiten die Oberflächengüte und die Spanform.- Zur zweiten Gruppe gehören kaltverfestigte oder ausgehärtete Knetwerkstoffe, die wegen zunehmender Festigkeit besser spanbar sind. Eine Sonderstellung nehmen Automatenlegierungen ein; sie sind infolge von spanbrechenden Zusätzen wie Blei oder Wismut besonders gut zerspanbar. Ebenfalls der zweiten Gruppe können die Gusslegierungen mit Siliziumanteilen unter 12% zugeordnet werden; sie sind bei gleichen Legierungsbestandteilen und Werkstoffzuständen besser spanbar als entsprechende Knetlegierungen, da das Gussgefüge den Spanbruch begünstigt.- In der dritten Gruppe befinden sich Gusslegierungen mit einem Siliziumanteil über 12%. Sie bewirken durch primär ausgeschiedenes Silizium, das für die höhere Festigkeit verantwortlich ist, ein schnelleres Abstumpfen der Werkzeuge. Aus diesem Grund werden diese Legierungen überwiegend mit Hartmetallen bearbeitet.Schwefeladditive erhöhen die ZerspanleistungFür das Zerspanen von Reinaluminium und weichen Knetlegierungen werden je nach Verfahren wassermischbare oder nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe verwendet; bei den nicht wassermischbaren kommen meist Fettstoffe, aber auch Schwefeladditive hinzu, um die Zerspanleistung zu erhöhen.Bei Untersuchungen zeigen wassermischbare Kühlschmierstoffe, die anstelle von Mineralöl Esteröle als emulgierte Phase enthalten, ein sehr gutes Zerspanergebnis wie etwa Rhenus Polinor FEK. In der Praxis werden je nach Anforderung aber auch mineralölhaltige wassermischbare Kühlschmierstoffe verwendet, die als Schmierungskomponente spezielle Fettstoffe enthalten.Bei einem Anwendungsfall wurde eine Alu-Legierung (AlMgSi1) mit Rhenus R-Cool-S zerspant. Die Werkzeuge beim Fräsen, Bohren, Tiefbohren und Gewindeformen waren hauptsächlich hartmetallbeschichtet, es kamen aber auch HSS-Werkzeuge, Vollhartmetallwerkzeuge und Diamantwerkzeuge zum Einsatz. Wo nötig, wurde mit Innenkühlung gearbeitet, wobei der Emulsionsdruck 90 bar erreichen konnte.Die Einzelmaschinen waren an eine Zentralanlage mit Druckbandfilter angeschlossen. Es konnten Spindeldrehzahlen bis 25 000 min–1 realisiert werden. Das Wasser war sehr weich und damit schaumträchtig. Daraus ergab sich als Hauptanforderungen eine stabile Emulsion mit guter Schmierwirkung und geringer Schaumneigung. Um das zu erreichen, entwickelte Rhenus Lub einen wassermischbaren, aminfreien Kühlschmierstoff auf Mineralölbasis mit Fettstoffadditiven und speziellen Härtestabilisatoren. Der Fettstoffanteil in der Emulsion ist für die Bauteilqualität und die Werkzeugstandzeit sehr wichtig. Deshalb wird in einem analytischen Verfahren der Fettstoffanteil in der Emulsion bestimmt und bei Unterschreiten des festgelegten Grenzwertes durch Nachadditivierung ergänzt. Ein besonderes Problem stellt die Anreicherung von Magnesiumionen aus der Legierung in der Emulsion dar. Auch dafür wurde eine spezielle, für Kühlschmierstoffemulsionen anwendbare Analytik entwickelt, sodass bei Überschreitung des Grenzwertes Steuerungsmaßnahmen durchgeführt werden können. Aminfreier Kühlschmierstoff auf MineralölbasisKaltverfestigte Knetlegierungen sind deutlich besser zerspanbar als weiche Legierungen, weil durch die Zugabe von Legierungselementen eine Verringerung der Aufbauschneidenbildung erreicht wird. Deshalb sind sowohl nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe (Schneidöle) als auch wassermischbare Produkte geeignet.In einem weiteren Fall aus der Praxis wurde eine Aluminium-Gusslegierung (GD-AlSi8Cu3) durch Bohren, Fräsen, Reiben und Gewindeformen bearbeitet, fast ausschließlich mit Hartmetallwerkzeugen. Die Teile - meist Gehäuse - wurden auf einer Transferstraße mit etwa 40 m3 Emulsion zerspant. Dabei kam Rhenus R-Cool-S als wassermischbarer aminfreier Kühlschmierstoff auf Mineralölbasis mit einer Fettstoffadditivierung bei einer Anwendungskonzentration von 8 bis 10% zum Einsatz.Problematisch bei dieser Transferstraße war der Eintrag von Fremdöl, der ab einer Konzentration von etwa 3% ] bedingt durch die zunehmende Inhomogenität der Emulsion ] zu Bearbeitungsproblemen führt, wobei die Werkzeuge der Gewindeformoperation bei zu geringer Schmierung verschweißen und brechen. Das kommt häufig vor, weil bei einer Gewindeformoperation die Werkzeuge bei zu geringer Schmierung schnell brechen. Deshalb wurde die Fremdölkonzentration über zwei Verfahren bestimmt und das Fremdöl vor Überschreiten des Grenzwertes mittels Zentrifuge entfernt. Ein weiterer Vorteil bei diesem Fall war, dass auch die höher siliziumhaltige Legierung (AlSi12Cu) mit dem verwendeten Kühlschmierstoff zerspant werden konnte, wobei die Konzentration etwas höher war.Bei einem laufenden Projekt in der Automobilzulieferindustrie wird Aluminiumguss (GD AlSi9Cu3), eine der wichtigsten Alu-Legierungen im Fahrzeugbau, per Drehen, Fräsen, Bohren und Reiben (Zylinderkopffertigung) bearbeitet. Im Gebrauch ist ein wassermischbarer, aminfreier Kühlschmierstoff mit Fettstoffadditiv, der wegen des weichen Wassers eine spezielle Entschäumung beinhaltet.Die Anforderungen an die Zerspanung sind weniger hoch als bei kaltverfestigten Aluminiumlegierungen, so dass eine niedrigere Konzentration von rund 6% möglich ist. Die Zentralanlage für die Transferstraßen hat ein Füllvolumen von 200 m3. Die Anforderungen aus der Zerspanung konnten über eine lange Standzeit mit geringen Nachfüllkonzentrationen erfüllt werden.Kühlschmierstoff für Al reduziert WerkzeugverschleißBei den Aluminiumwerkstoffen der dritten Gruppe sind ebenfalls Kühlschmierstoffe notwendig, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren. Verwendet werden nicht wassermischbare, aber auch wassermischbare. Bei speziellen Kolbenlegierungen betragen die Siliziumanteile in der Legierung bis 25%. Für diese Werkstoffe sind die Schmier- und die Spüleigenschaften des Kühlschmierstoffs von großer Bedeutung, weil sich bei der Zerspanung sehr viel Silizium-Feinstabrieb bildet, der zu Verschmutzung und Werkzeugverschleiß führt. Bei nicht wassermischbaren Kühlschmierstoffen stehen deshalb gute Filtrierung und möglichst geringe Viskosität im Vordergrund.In einem weiteren Anwendungsfall wird der wassermischbare aminfreie Kühlschmierstoff Rhenus Polinor FEK verwendet. Die Siliziumanteile des Werkstoffes liegen deutlich über 12%. Die Zerspanung erfolgt mit einem wassermischbaren Kühlschmierstoff auf Einzelmaschinen, die teilweise an einer zentrale Reinigungsanlage angeschlossen sind. Zusätzlich zu den Anforderungen an die Zerspanbarkeit der Legierung galt es, die Anreicherung von Zink- und Kupferionen in der Emulsion zu reduzieren. Der amin- und borsäurefreie wassermischbare Kühlschmierstoff zeigt im Vergleich mit aminhaltigen Kühlschmierstoffen generell eine deutlich geringere Neigung, Kupfer auszulösen. Anmischwasserqualität, Fremdöleintrag, Kühlschmierstoff-Temperaturen, Filtereinrichtung und Umpumpzahl sind weitere Faktoren, die sich signifikant auf den Zerspanprozess und auf die Prozesskosten auswirken. Eine gezielte Überwachung und Pflege der Kühlschmierstoffe (Bild 3) macht es möglich, die Prozesssicherheit über einen langen Zeitraum zu gewährleisten, bei hoher Wirtschaftlichkeit und gutem Arbeitsschutz. Insgesamt gesehen ist es geboten, den Kühlschmierstoff als gleichberechtigten Produktionsfaktor (Bild 4) zu betrachten; nur dann kann er seine Funktion als Teil eines hoch entwickelten Fertigungsprozesses erfüllen.