Aluminium - Verarbeitung

Grundlagenwissen Verarbeitung von Aluminium

Aluminium kann grundsätzlich nach allen spanenden Verfahren bearbeitet werden. Das Spanen erfolgt durchweg bei höheren Schnittgeschwindigkeiten und erfordert erheblich geringere Schnittkräfte als das Spanen von Stahl.
Die Werkzeuge müssen dem Verwendungszweck angepasst sein und die Maschinen die zulässigen hohen Schnittgeschwindigkeiten ermöglichen. Die Spanbarkeit von Aluminium ist abhängig vom Reinheitsgrad, den Legierungsbestandteilen und dem Werkstoffzustand. Werkstoffe im kaltverfestigten oder gehärteten Zustand lassen sich besser spanen als solche im weichen Zustand. Reinst- und Reinaluminium und niedriglegierte Knetlegierungen im weichen Zustand neigen zum „Schmieren“.

Kaltverfestigtes und ausgehärtetes Aluminium zeigt ein mit zunehmender Festigkeit günstiger werdendes Spanverhalten. Gusslegierungen lassen sich durchweg besser spanen als Knetlegierungen des gleichen Legierungstyps. Für die Bearbeitung auf Drehautomaten und für Teile mit schwierigen Spanungsproblemen wurden besondere, aushärtbare Legierungen entwickelt. Die Spanbarkeit dieser Automatenlegierungen (Bohr- und Drehqualitäten) ermöglichen störungsfreie Spanabfuhr bei hohen Spanleistungen. Als Schneidwerkzeuge für die Aluminiumbearbeitung werden Schnellarbeitsstähle und Hartmetalle verwendet, für Feinstbearbeitung auch Diamantwerkzeuge.

Die Einhaltung der optimalen Schneidgeometrie ist besonders wichtig bei der Bearbeitung von Reinaluminium und Knetlegierungen im weichen Zustand. Von besonderer Bedeutung ist ausserdem ein grosser Spanwinkel und dass die Span- und Freiflächen eine möglichst geringe Rauheit aufweisen. Die Werkzeugmaschinen und die Spanflächen von Bohrern und Senkern sollten deshalb feinstgeschliffen oder geläppt sein.

Zur Einhaltung der exakten Schneidgeometrie empfiehlt es sich, die Werkzeuge maschinell zu schleifen. Eine gute Schmierung und Kühlung ist zur Vermeidung der Reibung und zur Abfuhr der beim Spanen entstehenden Wärme wichtig. Neben den herkömmlichen Kühlschmiermitteln (Öl- / Wasser-Emulsion, Schneidöl) sind wasserlösliche synthetische Schmiermittel gut geeignet. Diese können feindosiert aufgesprüht werden, so dass eine Reinigung nach der Bearbeitung in vielen Fällen unterbleiben kann. Die verwendeten Maschinen sollen für die zum Bearbeiten von Aluminium empfohlenen hohen Schnittgeschwindigkeiten ausgelegt sein. Für gelegentliches Spanen von Aluminium können vorhandene Maschinen verwendet werden.

Spanen

Grundsätzlich kann Aluminium nach allen spanenden Verfahren bearbeitet werden.

Drehen

Drehmeissel in genormter Ausführung sind grundsätzlich auch für die Aluminiumbearbeitung verwendbar, wenn die erforderlichen Schneidwinkel eingehalten werden. Die Schneidenspitze wird beim Drehen von Aluminium auf Mitte eingestellt.

Fräsen

Fräswerkzeuge für die Aluminiumbearbeitung haben grössere Zahnteilung und Spanräume als solche für die Stahlbearbeitung. Wichtig ist eine gute Ausrundung des Spangrundes. Grundsätzlich sind alle Fräsertypen auch für das Fräsen von Aluminium anwendbar.
Im praktischen Gebrauch sind vorwiegend jedoch Messerköpfe zur Bearbeitung von Planflächen, Finger- und Schaftfräser für das Fräsen von Nuten und Konturen sowie Scheibenfräser für das Fräsen von Nuten und Schlitzen. Üblich ist Gleichlauffräsen. Beim Planfräsen mit Stirnfräser oder Messerkopf ist anzustreben, dass der Durchmesser des Schneidenspitzen-Kreises mindestens ein Fünftel grösser ist, als die grösste Werkstückbreite und die Werkzeugachse so eingestellt wird, dass zwei Drittel der Werkstückbreite gegen und ein Drittel mit der Vorschubrichtung gefräst werden.

Bohren, Senken, Reiben

Spiralbohrer für das Bohren von Aluminium haben grössere Drallwinkel (ca. 40° statt 28° - ergibt grösseren Spanwinkel) und grösseren Spitzenwinkel (140° statt 116°) als Bohrer für die Stahlbearbeitung. Gut geeignet sind Bohrer mit veränderlichem Drall (Automaten-Spiralbohrer) und Spezialbohrer ohne veränderlichem Drall, aber mit grossem Spanraum und schmalen Schneidphasen.
Tieflochbohrer, Feinbohrköpfe, Bohrstangen und Kreisschneider können für die Aluminiumverarbeitung verwendet werden. Die Schneidwinkel und Schnittbedingungen sind den Angaben für das Drehen anzupassen. Beim Tieflochbohren ist sicherzustellen, dass die Späne zerkleinert werden, damit sie durch die Kühlflüssigkeit abgeführt werden können. Spiralbohrer, Spitzsenker, Kopf- und Halssenker werden für den gleichen Zweck wie bei Stahl auch in der Aluminiumbearbeitung verwendet. Auf Drehautomaten und Revolver-Drehmaschinen haben sich Stufen- und Spiralsenker mit versetzten Schneiden bewährt. Messerstangen müssen ausreichend starr sein, damit Rattermarken vermieden werden.
Die Schneidewinkel der Werkzeugeinsätze sind den für das Drehen empfohlenen anzupassen.
Reibahlen für die Aluminiumbearbeitung sollen einen positiven Spanwinkel von etwa 8° und gut ausgerundete Spannuten haben. Der Kegelwinkel des Anschnitt-Teils beträgt bei Handreibahlen 3-4° mit 45° Anfasung. Maschinenreibahlen erhalten eine Anschnittfase von 30°.

Sägen

Aluminium wird üblicherweise mit Kreis- oder Bandsägen getrennt. Bügelsägen finden nur für gelegentliches Trennen Anwendung. Handsägen für glatten Schnitt müssen gut ausgerundete Spannuten und Zähne mit grossen Spanwinkeln haben. Für das Heraustrennen von Durchbrüchen können Stichsägen gut verwendet werden.
Kreissägen werden überwiegend verwendet zum Trennen von Barren, Stangen, Profilen und Rohren. Die Zahnteilung ist abhängig vom zu sägenden Querschnitt, bzw. bei Hohlprofilen und Rohren von der kleinsten Wanddicke. Wegen der Schnittgeschwindigkeit ist es erforderlich, auch bei extrem dünnwandigen Profilen und Rohren das Hauptaugenmerk auf grosse, gut ausgerundete Spanräume zu legen.

Wie für das Sägen von Stahl können auch Kreissägeblätter für die Aluminiumbearbeitung massiv aus dem Schneidenwerkstoff hergestellt sein oder aus Stahlblechscheiben mit aufgenieteten Segmenten oder angelöteten bzw. geklemmten Schneidplatten aus Schnellarbeitsstahl oder Hartmetall kombiniert sein.

Bestückte Kreissägeblätter haben grössere Schnittbreiten als solche, die ganz aus Schnellarbeitsstahl bestehen. Aus diesem Grund werden feingezahnte Sägen bis etwa 250 mm Durchmesser zum Trennen dünnwandiger Profile und Rohre meist ganz aus Schnellarbeitsstahl hergestellt. Diese Sägeblätter sind zur Verringerung des seitlichen Klemmens im Schnitt beidseitig nach der Mitte hin durch Schleifen verjüngt. Bei Sägeblättern mit grösseren Durchmessern -auch bestückten -wird ein Freischneiden durch Staffelung der Werkstoffabnahme, oder durch wechselseitiges Anschrägen der Zähne erreicht.

Bandsägen sind vorzugsweise gebräuchlich für das Sägen kleinerer Querschnitte, das Aussägen von Durchbrüchen und Aussenkonturen an Blechen. Sägeautomaten neuerer Bauart ermöglichen das kontinuierliche Sägen von Stangen, Profilen und Rohren bis hin zu grössten Abmessungen.
Die Zahnteilung ist Üblicherweise 4 bis 12 mm, es sollen dabei immer mindestens zwei Zähne gleichzeitig im Schnitt stehen. Die Sägebänder bestehen aus gehärtetem Federbandstahl, die Zähne sind wechselseitig geschränkt.

Feilen

Für die Bearbeitung von Aluminium werden gefräste Feilen verwendet, die einen gut ausgerundeten Zahnraum haben. Gut geeignet sind auch Hobelfeilen mit auswechselbaren, durchbrochenen Feilblättern. Für das Feilen von Planflächen an kleinen Werkstücken haben sich gefräste Feilscheiben bewährt.
Zum Entgraten und Bearbeiten unregelmässiger Formen sind schleifstiftähnliche rotierende Feilen gut geeignet. Die empfohlene Schnittgeschwindigkeit beträgt etwa 150 bis 200 m/min.

Gewindeherstellung

Gewinde lassen sich nach allen spanenden Gewindeherstellungsverfahren auf Aluminiumteile schneiden. Aussengewinde können spanend mit Schneideisen und Schneidköpfen oder durch Kurzgewindefräsen, durch Schneiden mit dem Gewindedrehmeissel auf Drehmaschinen oder mit Gewindesträhler und Leitpatronen auf Revolverdrehmaschinen, Drehautomaten und Spezialmaschinen hergestellt werden.
Schneideisen und Schneidköpfe erzeugen bei ausgehärteten Legierungen einwandfrei geschnittene Gewinde. Innengewinde in Aluminiumteilen können ebenfalls nach allen spanenden Arbeitsverfahren hergestellt werden. Gewindebohrer für das Schneiden von Muttergewinden werden, wie auch solche für Stahl, als Satz oder einteilig hergestellt.

Scherschneiden

Scherschneidwerkzeuge (Scherenschnitt- und Stanzwerkzeuge) sollen scharf sein und keine Schneidspalten aufweisen. Zur Vermeidung von Aluminiumabrieb an den Mantelflächen von Schnittstempeln, die bei weichen Werkstoffen ein Verschweissen mit der Trennfläche und zu unsauberen Schnittflächen -bei dünnen Stempeln sogar zum Stempelabriss -führen können, ist ein Polieren und Schmieren dieser Flächen empfohlen.

Plasmaschneiden

Anstelle des bei Stahl üblichen Brennschneidens, ist bei Aluminium Schmelzschneiden mit dem Plasmastrahl möglich (Plasma ist ein durch den Lichtbogen ionisiertes und dadurch elektrisch leitendes Gas). Als Plasmagas wird ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff verwendet.

Schweißen

Beim Schweissen von Aluminium und seinen Legierungen sind folgende Werkstoffbesonderheiten gegenüber dem Schweissen von Stahl und Edelstahl zu beachten:

  • Hohe Wärmeleitfahigkeit, die eine starke Wärmeableitung von der Schweissstelle bedingt.
  • Breite Wärmeeinflusszone bedingt einen Festigkeitsabfall bei kalt verfestigten und ausgehärteten Aluminiumlegierungen.
  • Hohe lineare Wärmeausdehnung und grosses Schwindmass, verursachen starke Formänderungen (Verwerfungen/Verzug), Schweisseigenspannungen, Neigung zu Schweissrissen.
  • Aluminiumoxid, d. h. die geschlossene Oxidhaut ist schwer schmelzbar (Schmelzpunkt 2060 °C), spezifisch schwerer als Aluminium und verhindert in Folge ihrer schlechten Viskosität das Zusammenfliessen der Schweissschmelze. Diese fördert die Neigung zu Einschlüssen und Bindefehlern.
  • Während des Schmelzschweissvorgangs tritt praktisch keine teigige Phase auf, d. h. für den Schweisser ist ein Formen der Schweissnaht nur schwer möglich.
  • Porenneigung. Dringt Feuchtigkeit in die natürliche Oxidhaut (Al2O3) des Aluminiums ein, nimmt das Schmelzbad Wasserstoff auf, der sich im flüssigen Aluminium sehr leicht löst und Mikroporosität verursacht.

Von den Schmelzschweissverfahren (Metall Lichtbogen Schweissen, Gasschweissen, WIG-Schweissen, MIG-Schweissen), haben sich das WIG- und das MIG - Schutzgasschweissen praktisch durchgesetzt, da sie für alle Werkstoffe bzw. Legierungstypen anwendbar sind.

MIG-Schweissen

Bei diesem Verfahren wird der Zusatzdraht durch einen flexiblen Kunststoffschlauch einer Kontaktspitze aus Kupfer in der wassergekühlten Schweisspistole automatisch zugeführt.
Das Schutzgas, Argon oder Argon/Helium –Gemisch, umspült den austretenden Schweissdraht und deckt das Schmelzbad schützend ab.
Die Drahtelektrode liegt am Pluspol des Gleichstromkreises, so dass eine Reinigungswirkung auf die Oxidhaut ausgeübt wird. Durch die Elektronenemission aus dem Schweissbad zur Drahtelektrode wird die Oxidhaut aufgerissen.
Die automatische Steuerung erlaubt die Anwendung einer hohen Stromdichte und eines dünnen Zusatzdrahtes, wodurch hohe Schweissgeschwindigkeiten mit relativ grosser Einbrandtiefe ermöglicht werden. Dies ist mit geringerem Schutzgasverbrauch verbunden und erlaubt die Automatisierung des Schweissvorgangs.
Die Mindestdicke des zu verschweissenden Werkstückes beträgt etwa 2 mm. Bei Wanddicken grösser 8 mm, oder wenn Schweissverbindungen von höchsten Güten verlangt werden, ist ein Vorwärmen zu empfehlen. Bei Reinaluminium liegt diese Temperatur bei 350 °C, bei seinen Legierungen niedriger.

Man unterscheidet 3 Lichtbogenarten beim MIG-Schweissen:

  • Kurzlichtbogen
  • Sprühlichtbogen
  • Impulslichtbogen

Der Kurzlichtbogen wird nur in seltenen Fällen für das Schweissen in Zwangslagen oder für das Fügen dünner Querschnitte angewendet.

Den Sprühlichtbogen kennzeichnet eine hohe Abschmelzleistung, ein tiefer Einbrand sowie eine grosse Wärmeeinbringung.

Das Impulslichtbogenschweissen wird vorteilhaft für das Fügen dünnerer Querschnitte und für Zwangspositionen eingesetzt. Es bietet folgende Vorteile:

  • Die Wärmeeinbringung lässt sich gering halten = wirtschaftlicheres Schweissen in Zwangslagen
  • Mit dickeren Drahtelektroden (1,2 mm; 1,6 mm) lassen sich auch dünne Bleche schweissen
  • Das Fördern dicker Drahtelektroden ist weniger störanfällig.

WIG -Verfahren

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Lichtbogen zwischen einer sich nicht verzehrenden Wolfram -Elektrode und dem Werkstück bildet. Das Schweissen erfolgt von Hand oder maschinell und liefert höhere Arbeitsgeschwindigkeiten als Autogenschweissen.
Die Schweissverbindungen sehen besser aus, haben eine grössere Sauberkeit und Dichtheit und geringeren Verzug.

Aluminium und seine Legierungen werden mit Wechselstrom geschweisst. Die beste Wirtschaftlichkeit liegt beim Schweissen von Blechen mit 2 -5 mm Dicke. Sollten grössere Querschnitte verarbeitet werden, empfiehlt sich ein Vorwärmen auf etwa 150°C.

Geschweisst wird stets nach links. Der Schweissbrenner wird wie ein Federhalter gehalten. Die Elektrode soll zum Werkstück steil stehen ( 60 bis 90 Grad ) um das Schutzgas möglichst gut auszunutzen.

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Das Farbaluminium-Blech

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