Zerspanungswissen

Aluminium fräsen – so gelingt's

8 Erfolgsfaktoren für die Zerspanung von Aluminium

Neben sämtlichen Leichtbaumaterialien, die in den vergangenen Jahren den Markt bereicherten, bleibt eines unter ihnen der beliebte Klassiker: Aluminium. Was den Werkstoff Aluminium so beliebt macht, welche positiven Eigenschaften und welche Fallstricke er in der Zerspanung und speziell beim Fräsen mit sich bringt, zeigen wir in unserer Übersicht. 

Der Werkstoff Aluminium

Aus der industriellen Produktion ist Aluminium nicht mehr wegzudenken. Nicht zuletzt wegen seiner besonderen Eigenschaften:

  • Aluminium ist leicht: speziell in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie hilft der Werkstoff noch immer deutlich dabei, Gewicht und Energieverbrauch zu reduzieren.
  • Aluminium ist stabil: mithilfe von verschiedenen Legierungen erreicht Aluminium Festigkeiten, die denen von Stahl kaum nachstehen.
  • Aluminium ist korrosionsbeständig: schnell bildet sich eine dünne Oxidschicht, die das Metall vor äußeren Einflüssen optimal schützt.
  • Aluminium ist ein guter Leiter: Seine hohe Wärmeleitfähigkeit verbunden mit der hohen spezifischen Wärmekapazität begünstigen die Zerspanbarkeit und ermöglichen hohe Schnittgeschwindigkeiten.
  • Aluminium schont die Ressourcen: Aluminium ist der ideale Werkstoff zum Recyclen.

Aluminium und Aluminiumlegierungen – eine kleine Materialkunde

Aluminium ist ein Nicht-Eisen-Metall und ein chemisches Element mit dem Symbol Al. Als Konstruktionswerkstoff, in der Elektrotechnik, in der Verpackungsindustrie sowie in der Baubranche wird Aluminium eingesetzt. Vor allem das verglichen zu anderen Metallen geringere Gewicht, die hohe elektrische Leitfähigkeit und sein Wärmeverhalten spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Aluminium ist im Vergleich zu anderen Metallen weich, leicht und gleichzeitig zäh. Mit 660,4°C liegt sein Schmelzpunkt deutlich unter dem anderer Metalle und seine Dichte beträgt 2,70 g/cm³ – einem Drittel der Dichte von Stahl. Je nach Reinheit variiert die Zugfestigkeit von Aluminium, von 45 N/mm² bei absolut reinem Aluminium, bis zu 90 N/mm² bei handelsüblich reinem Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 237 W/(m·K). Damit ist sie höher als bei anderen unedlen Metallen und wird lediglich von Silber, Kupfer und Gold überschritten. Durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit ist Aluminium auch in der Elektrotechnik sehr beliebt. Die physikalischen Eigenschaften machen Aluminium zu einem guten elektrischen Leiter, der häufig in der Energietechnik bei großen Leiterquerschnitten als Alternative zu Kupferleitern eingesetzt wird.

An der Luft bildet Aluminium sehr rasch eine Oxidschicht. Dadurch erhält das unbearbeitete Metall eine silbergraue, eher stumpfe Oberfläche. Dank dieser ca. 0,05 µm starken Oxidschicht ist Aluminium sehr korrosionsbeständig und gleichzeitig vor weiterer Oxidation geschützt.

Verwendet wird Aluminium abhängig von der Anwendung entweder in Reinform oder als Legierung. Die Schmelze mit anderen Metallen hebt dabei bestimmte Eigenarten des Leichtmetalls hervor oder unterdrückt sie. Solche Legierungen werden in Form von Aluminiumgusslegierungen oder Aluminiumknetlegierungen produziert. Für diese Aluminiumlegierungen werden meist Metalle wie Mangan, Magnesium, Kupfer, Silicium, Nickel, Zink und Beryllium eingesetzt. In der Regel ist das Basismaterial Al99,5 (EN AW-1050A). 

Werkstofftabelle Aluminium und Aluminiumlegierungen

Unterschieden wird zwischen aushärtbaren und nichtaushärtbaren Legierungen sowie zwischen Knet- oder Gusswerkstoffen. Naturharte Aluminiumlegierungen wie AlMg sowie Rein- und Reinstaluminium gehören zu den Knetwerkstoffen, ebenso wie aushärtbare Aluminiumlegierungen wie AlMgSi, AlCuMg oder AlCuSiMn. Besonders eignen sich diese Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Halbzeugen wie Bändern, Blechen, Drähten oder Rohren.

Zu den Gusswerkstoffen zählen Aluminiumlegierungen wie AlMgSi, AlSiCu AlCuTiMg oder AlCuTi. 

Sobald nur geringe Mengen der Elemente Kupfer, Nickel, Zink, Silicium, Mangan und Magnesium zugesetzt werden, entstehen Knetlegierungen. Durch sie steigen Härte und Festigkeit des Aluminiums. Im Gegenzug wird die elektrische Leitfähigkeit gesenkt. Dennoch lässt sich das Material weiterhin umformen, wodurch es sich ideal als Teil von Schiffen, Flugzeugen oder Transportbehälter eignet.

Die wichtigste Aluminium-Gusslegierung ist die sogenannte eutekische Legierung von Aluminium und Silicium, die etwa 12 Prozent Silicium-Anteil enthält. Sie ist sehr dünnflüssig, wodurch sie ausgezeichnete Gießeigenschaften bei weiterhin hoher Festigkeit beibehält. Bewährt sind sie daher seit langer Zeit als Werkstoffe für Getriebe- und Motorengehäuse im Fahrzeug- und Flugzeugbau.

Aluminium Knetwerkstoff-Klassen: Schlüssel zum Zerspan-Erfolg

Leider lassen sich nicht alle Legierungsgruppen von Aluminium und die damit verbundenen Werkstoffe gleich gut zerspanen: Reinaluminium-Werkstoffe sind beispielsweise sehr weich und aufgrund der geringen Festigkeit eher schlecht zerspanbar. Der Werkstoff hat großen Einfluss auf Spanform, Verschleiß, Oberfläche und Schnittkraft. Daher hat es sich bewährt, Aluminium-Knetlegierungen in drei Klassen einzuteilen.

Aluminium Knetwerkstoff-Klasse 1

Aluminium-Werkstoffe mit geringer Festigkeit gehören zur Klasse 1. Dazu zählen nichtaushärtbare Legierungen im unverfestigten oder teilverfestigten Zustand, also beispielsweise die 1000er Gruppe, 5005A sowie 5454. In diese Klasse fallen auch aushärtbare Legierungen im nichtausgehärteten Zustand wie EN AW-6063, 6060 und 6082. Bedingt durch die geringe Festigkeit kommt es beim Zerspanen oftmals zum Verkleben und zu Schmiereffekten der Späne. Resultat: eine stärkere Aufbauschneidenbildung. Zur Minimierung empfehlen sich geeignete Kühlschmierstoffe.

Aluminium Knetwerkstoff-Klasse 2

Klasse 2 sind Aluminium-Werkstoffe mit gesteigerter Festigkeit. Zu dieser Klasse zählen nichtaushärtbare Werkstoffe im kaltverfestigten Zustand wie beispielsweise Legierungen der 5000er Gruppe. Aushärtbare Werkstoffe im ausgehärteten Zustand, z.B. Legierungen der Gruppe 6000 und 7000, gehören ebenfalls in diese Klasse. Deren Festigkeit liegt zwischen 300 und 600 N/mm2 und hat keine harten Gefügebestandteile, wodurch sie eine geringe Verschleißwirkung haben. Dank der höheren Festigkeit bilden sich auch weniger Aufbauschneiden.

Aluminium Knetwerkstoff-Klasse 3

In Klasse 3 gehören sogenannte Automatenwerkstoffe, wie aushärtbare Knetwerkstoffe mit spanbrechenden Zusätzen, beispielsweise Blei oder Bismut. Werkstoffe wie EN AW-2011, 2007 oder 6012 fallen darunter. Aufgrund der spanbrechenden Zusätze bilden die Werkstoffe dieser Klasse kurz brechende Späne und weisen nur eine geringe Neigung zur Aufbauschneidenbildung auf.

Herausforderungen beim Zerspanen von Aluminium

Zwar gilt Aluminium gemeinhin als leicht zerspanbar, und doch hat auch dieses Metall seine Tücken: Verkleben der Späne und Aufbauschneiden sind der Schrecken beim Aluminium-Fräsen. Ein Weg zum Erfolg führt dabei über die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung inklusive der richtigen Kühlschmiermittel-Strategie – die passenden Werkzeuge vorausgesetzt. Die Schnittkräfte beispielsweise entsprechen rund einem Drittel des Wertes bei Stahl.

Oberste Priorität beim Fräsen von Alu hat demnach, die Späne schnell aus der Eingriffszone abzutransportieren. Extrem glatte und sehr gleitfähige Oberflächen der eingesetzten Fräser helfen dabei, die klebrigen Aluspäne sehr gut abzuleiten. Fräser für Aluminium kennzeichnen sich im Vergleich zu Fräsern für Stahl durch ihre relativ geringe Zähnezahl, was den Spänetransport zusätzlich verbessert. Mit entsprechend angepassten Beschichtungslösungen wird der Span noch besser abgeführt.

Brauche ich Kühlschmiermittel beim Fräsen von Aluminium?

Auch beim Aluminiumfräsen übernehmen Kühlschmierstoffe (KSS) das Schmieren zur Verschleiß- und zur Reibungswärmeminimierung sowie das reine Kühlen. Bei der Alubearbeitung ist das Kühlen ganz besonders wichtig, da sich der Werkstoff thermisch stärker ausdehnt als beispielsweise Stahl. Wird die Wärme gut abgeführt, bleibt das Werkstück gleichzeitig maßhaltiger. Besonders hat sich die Kühl-Schmierung mit einer emulsiven Minimalmengenschmierung (MMS) aus Wasser und Schneidölen bewährt.

Ebenfalls empfehlenswert ist Ethanol zur Kühlung im Alufräsprozess: Es kühlt die Aluminiumspäne sehr effektiv und verhindert dank der ölfreien KSS-Bestandteile ein Verklumpen. Damit lassen sich die Späne auch einfacher ausblasen, sammeln und als sauberer Wertstoff wieder in den Materialkreislauf zurückführen.

Wenn Kühlschmiermittel nicht gewünscht oder sogar tabu sind, gibt es mit einer DLC-(Diamond-like-Carbon)-Beschichtung eine hervorragende Alternative: Diese leistungsfähige Beschichtung lässt sogar die Trockenbearbeitung zu, damit es auch dort wie geschmiert läuft. Unterstützt wird das durch die Eigenschaften von Aluminium, da es die Prozesswärme leichter ableitet als beispielsweise Stahl.

AluLine Fräser mit DLC-Beschichtung

Vorschub und Schnittgeschwindigkeit beim Aluminium-Fräsen

Als einfache Formel für erfolgreiches Aluminiumfräsen gilt: je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto glatter wird die Oberfläche des Aluminiums. Gleichzeitig steigt allerdings auch der Verschleiß am Fräser. Dank spezieller HSC-Fräser, die beim High Speed Cutting (HSC) eingesetzt werden, sind jedoch wesentlich höhere Drehzahlen im Vergleich zu konventionellen Fräsern möglich.

Am besten fräsen lassen sich harte Aluminiumlegierungen. Die Schnittgeschwindigkeiten liegen indes bei 100 bis 500 m/min – abhängig vom Schneidendurchmesser und dem daraus resultierenden Vorschub. Wird beispielsweise ein Schneidendurchmesser von 2-4 mm genutzt, sollte ein Vorschub von 0,02 – 0,03 gefahren werden. Liegt der Schneidendurchmesser bei 5 bis 8 mm, so erhöht sich der Vorschub auf 0,05, während er bei Schneidendurchmessern von 9-12 mm auf 0,10 steigt. Hartes Aluminium wird mit Schnittgeschwindigkeiten von 100 bis 200 m/min und gleichem Vorschub wie bei weichem Aluminium bearbeitet.

Wichtige Parameter beim Aluminium-Fräsen im Schnell-Check:

  • bei weichem Aluminium: Schnittgeschwindigkeiten von 100 bis 500 m/min
  • bei harten Aluminiumlegierungen: Schnittgeschwindigkeiten von 100 bis 200 m/min
  • Vorschub von 0,02 bis 0,03 bei Schneidendurchmesser 2 bis 4 mm
  • Vorschub von 0,05 bei Schneidendurchmesser 5 bis 8 mm
  • Vorschub von 0,10 bei Schneidendurchmesser 9 bis 12 mm

Harte Typen: Unsere Aluminium-Fräser

Bei der breiten Anwendungspalette bei NE-Metallen im Allgemeinen und Aluminium und Aluminiumlegierungen im Speziellen, haben wir unser Fräser-Programm auf rund 2.500 Artikel exklusiv für solche Applikationen erweitert. Basis dafür sind spezielle Substrate, kombiniert mit angepassten Geometrien sowie standhaften Beschichtungen.

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Sollten Sie Fragen bezüglich des Einsatzes des richtigen Werkzeuges mit den passenden Schnittdaten haben, so beraten wir Sie gerne!