Zerspanungstechnik So geht man die Alu- und Kupferzerspanung an

Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Peter Königsreuther

Aluminium avanciert zu einer leichten Alternative zu Stahl, die die E-Mobilität voranbringt und Treibstoff spart. In Zeiten des Mobilisierungsumbruchs sind aber auch Metalle wie Kupfer für den Zerspaner interessant.

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Nichteisenmetalle wie Kupfer und Aluminium rücken in den Fokus der Industrie. Der Leichtbau und die E-Mobilität stecken dahinter. Hier gibt es einige Tipps, wie man die Zerspanung dieser Trendmetalle angehen kann.
Nichteisenmetalle wie Kupfer und Aluminium rücken in den Fokus der Industrie. Der Leichtbau und die E-Mobilität stecken dahinter. Hier gibt es einige Tipps, wie man die Zerspanung dieser Trendmetalle angehen kann.
(Bild: Kadmy - stock.dadobe.com)

Aluminium ist der nach Stahl nicht nur im Automobil- sowie im Maschinen- und Anlagenbau am meisten genutzte metallische Werkstoff, der im Vergleich zur eisenhaltigen Konkurrenz zwar nur rund ein Drittel wiegt, es aber in Sachen mechanische Eigenschaften gut mit dem Klassiker aufnehmen kann, wenn man etwa seine Wärmebehandlung im Griff hat. Im Automobilbau steht die spanende Bearbeitung von Getriebegehäusen oder Motorblöcken aus Aluminium zum Beispiel mit ganz oben auf der Aufgabenliste. Auch im Flugzeugbau wird das Leichtmetall ver- und bearbeitet.

Leichtmetall hilft mit eigenem Kühleffekt

Ein Aspekt zum erfolgreichen spanenden Umgang mit Aluminiumwerkstoffen ist die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung inklusive der richtigen Kühlschmiermittel-Strategie in Kombination mit den passenden Werkzeuge dazu. Die Schnittkräfte beispielsweise beziffern die Praktiker über den Daumen gepeilt mit rund einem Drittel des Wertes bei Stahl. Aluminium gilt gemeinhin als leicht zu zerspanen, doch hat auch dieses Metall seine Charakteristika.

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Aus Schnellarbeitsstahl (HSS), Hartmetall oder Werkzeugstahl sollten die Werkzeuge für Aluminiumtypen mit wenig Verschleißverhalten (thermisch und mechanisch) beispielsweise sein. Diamantbestückte Werkzeuge (PKD) punkten bei der Zerspanung von zum Verschleißen neigenden Aluminiumsorten. Wobei mit Hartmetall und Diamant die erlaubte spezifische Zerspanungsleistung bei mittlerer Schnittgeschwindigkeit etwa den doppelten Wert von Werkzeugstahl annehmen darf.

Zu Schneidkeramik oder Titancarbid raten die Experten nicht, denn die Siliziumanteile in diesen Schneidstoffen sind in Aluminium löslich und können chemische Reaktionen und damit zu einem recht schnellen Ende eines Werkzeuglebens führen. Fräser für Aluminium, die von allen namhaften Werkzeugherstellern angeboten werden, sind im Vergleich zu Fräsern für Stahl durch ihre relativ geringe Zähnezahl gekennzeichnet, wodurch sich der Spänetransport erleichtert. Denn aufgrund der höheren Schnittwerte bilden sich logischerweise auch mehr Späne pro Minute als bei der Stahlbearbeitung.

Ethanol als Alu-KSS

Was den Einsatz von Kühlschmiermitteln (KSS) angeht, so übernehmen diese auch bei der Aluminiumzerspanung zum einen das Schmieren zur Verschleiß- und zur Reibungswärmeminimierung und zum anderen das reine Kühlen. Letzteres ist besonders wichtig, denn der Werkstoff dehnt sich thermisch stärker aus als Stahl. Bei guter Wärmeabfuhr bleibt das Werkstück also maßhaltiger.

Die beste klassische Kühl-Schmier-Wirkung erreicht man mit einer emulsiven Minimalmengenschmierung (MMS) aus Wasser und Schneidölen, sagt das „Schulwissen“. Auch die Trockenbearbeitung ist in manchem Falle machbar, weil Aluminium die Prozesswärme leichter ableitet als Stahl. Beim Bohren oder Gewindeschneiden setzen manche aber auch Ethanol ein.

Regelrechte Aluminium-Versteher finden sich im Maschinenbauunternehmen Datron. Den Einsatz von Ethanol zur Kühlung haben diese Experten aus der Nähe von Darmstadt dabei perfektioniert, und bestücken ihre speziell für die Aluminiumbearbeitung ausgerichteten Maschinen mit einem Kühlsystem, das von vorneherein Ethanol versprüht. Das hat den Vorteil, dass die Aluminiumspäne sehr effektiv gekühlt werden und nicht durch ölige KSS-Bestandteile verklumpen können. So lassen sie sich auch einfach ausblasen und ohne Weiteres sammeln sowie als sauberer Wertstoff wieder in den Materialkreislauf schleusen.

Synchrone Hochfrequenzbearbeitung

Trotz des zur Kühlung verwendeten entzündlichen Alkohols brauche man aber keine Explosions- oder Brandgefahr zu fürchten. Nicht zuletzt ist Alkohol ein nachhaltiger Rohstoff, den man aus nachwachsenden Ressourcen gewinnen kann. Datron hat in diesem Jahr mit der Mxcube übrigens seine größte Portalfräsmaschine für die Aluminiumzerspanung gelauncht. Mit ihr, heißt es, gelingt die vektorgesteuerte, synchrone Hochfrequenzbearbeitung mit einer maximalen Drehzahl von 34.000 min-1.

Hinzu kommt ein neuartiger Wechselschnittfräser, der besonders kleine Späne erzeugt und Spannester zu vermeiden hilft. Im Vergleich zu Standardwerkzeugen verfünffache sich das Zeitspanvolumen sowohl beim Voll- und Teilschnittfräsen als auch bei der Trochiodalbearbeitung.

Das rosa Gold gut in Form bringen

Auch das Buntmetall Kupfer, mit seinen Legierungen in über 30 Typen erhältlich, zählt unter Experten zu den leicht bearbeitbaren Metallen. Das Verbot respektive die Mahnung, auf den Zusatz Blei zu verzichten, hat zu neuartigen Legierungen geführt, deren Zerspanbarkeit erst vor einigen Jahren untersucht und kategorisiert wurde. Das Deutsche Kupferinstitut merkt dazu an, dass in puncto Kupferzerspanung, man kann sagen von Werkstatt zu Werkstatt, unterschiedliche Parameterphilosophien vorliegen und das Wissen um die „richtige“ Kupferzerspanung deshalb relativ inhomogen ist.

Reines Kupfer hat jedoch den Nachteil, dass es zwar gut zu bearbeiten, aber duktil ist, was zu langen Wirrspänen führt, die die Zerspanung beeinträchtigen. Neue Legierungen, denen man die Elemente Tellur und Schwefel zugesetzt hat (CuTeP und CuSP), erleichtern mit gezielterem Spanbruch die Bearbeitung. Das macht diese Kupfersorten für die Bearbeitung mit automatisierten Werkzeugmaschinen brauchbar, ohne die wesentlichen Materialeigenschaften zu beeinträchtigen, was letztlich natürlich die Stückpreise reduziert.

Was das Fräsen von Kupfersorten, zu denen die Zerspanungsexperten auch Messingwerkstoffe zählen, anbelangt, so kann man etwa auf Hartmetallwerkzeuge der Anwendungsgruppen N10 bis N20 sowie der Schnellarbeitsstähle HS6-5-2, HS6-525, HS2-918 und HS12-145 zurückgreifen. Nicht nur durch die E-Moblität und die Elektrifizierung des Automobils wird Kupfer immer wichtiger, denn im Schlüsselsektor Werkzeug- und Formenbau dient es zur Herstellung präziser Erodierelektroden.

Das sind die gängigen Werkzeuge und Prozesse

Im Hinblick auf die Frässtrategie kann man das werkzeugschonende Stirnfräsen anwenden, wenn es weitgehend möglich ist. Geht es um komplexere Strukturen, ist Umfangsfräsen angesagt. Soweit keine störende „Haut“, etwa durch eine Sandgussform, das Kupfer überzieht, sollte man das Umfangsfräsen im etwas schonenderen Gleichlauf durchführen. Ist eine „Haut“ vorhanden, sollte die Schnittgeschwindigkeit bei HM-Werkzeugen um 15 % und bei HSS-Werkzeugen um 20 % verringert werden. Experten empfehlen bei der Kupferzerspanung aber meist generell den Griff zum Hartmetallwerkzeug.

Wer Gewinde in Kupfer ausführen muss, kann, statt diese zu bohren, auch das Gewindefräsen anwenden. Beschichtete Hartmetall-Gewindefräser erlauben dabei Schnittgeschwindigkeiten zwischen 200 und 400 m/min. Der Zahnvorschub wird in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,15 mm pro Zahn empfohlen. Steigt der Gewindefräser-Durchmesser kann sowohl der Zahnvorschub pro Zahn als auch die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden.

Man kann auch unbeschichtete Werkzeuge nehmen, sollte die Schnittgeschwindigkeit dann aber um gute 30 % reduzieren. Zerspant man unlegiertes Kupfer, kann der Wert um 25 % erhöht werden, wie Spezialisten herausgefunden haben. Der Werkzeughersteller Ceratizit bietet unter anderem diverse beschichtete und unbeschichtete Hartmetallsorten an, die mit einer sehr guten Standzeit punkten und auch für die produktive Aluminiumzerspanung eingesetzt werden können. Und Hufschmied Zerspanungssysteme bietet mit seiner Kupfer-Linie das Richtige, um das rosa Gold auf präzise Endmaße zu bringen, weil bei diesen der Spanraum und der erste Freiwinkel poliergeschliffen sind.

Auch PKD- und monokristalline Diamantwerkzeuge eignen sich für die Kupferbearbeitung. Letztere haben sich als ideal für die Feinbearbeitung erwiesen. Die Fein- und die Schruppbearbeitung sind in diesem Zusammenhang die Domäne der PKD-Werkzeuge, was es unter günstigen Umständen zulässt, dass die Vor- und die Endbearbeitung in einem Arbeitsschritt gelingen können.

Das ist bei Kupfer und KSS-Einsatz zu beachten

Kupferwerkstoffe können sowohl trocken als auch mithilfe von KSS zerspant werden. Letzteres trifft vor allem auf Werkzeugmaschinen zu, bei denen das KSS auch gleichzeitig gewisse bewegliche Maschinenkomponenten schmieren muss und deshalb eine Trockenbearbeitung nicht infrage kommt. Kommt es bei der Kupferzerspanung vor allem auf den Kühleffekt an, sollte Emulsion genommen werden. Schneidöl ist dann besser, wenn intensiv geschmiert werden muss.

Wichtig ist der Rat, dass man schwefelhaltige KSS vermeiden sollte oder das Werkstück nach der Bearbeitung spült, um Reaktionen des Schwefels mit dem Kupfer zu umgehen. Auch zur Sprühkühlung und zur MMS kann gegriffen werden. MM

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