Fräsen von Aluminium (ISO N): Legierungsunterschied, Kontrolle der Aufbauschneide und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

Aluminium gehört in der Klassifikation nach ISO 513 zur Gruppe N (Nichteisenmetalle) und gilt wegen der geringen Schnittkraft häufig als „einfacher“ Werkstoff. In der Praxis sind die Faktoren, die Standzeit und Oberflächengüte bestimmen, jedoch völlig andere: Die Grenze zieht nicht die Schnittkraft, sondern die Aufbauschneidenbildung, das Spanvolumen und die Abrasivität des Siliziums. Dieser Ratgeber behandelt die Legierungsunterschiede beim Aluminiumfräsen, die Wahl von Geometrie und Beschichtung, die Grenzen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sowie Strategien für dünne Wände.

1. Die Stellung von Aluminium in der Gruppe ISO N

ISO 513 teilt die Schneidstoffe und ihre Anwendungsbereiche in sechs Hauptgruppen: P, M, K, N, S und H. Die Gruppe N umfasst die Nichteisenmetalle; Aluminiumlegierungen, Magnesium, Kupfer, Messing und Bronze gehören dazu. Die Einzelheiten der Gruppeneinteilung werden im Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen behandelt.

In der Werkstoffklassifikation von Sandvik Coromant umfasst die Gruppe ISO N typischerweise weiche Metalle unterhalb von 130 HB, und die spezifische Schnittkraft (kc) liegt im Bereich von 350–700 N/mm². Dieser Wert liegt deutlich unter den für Stahl und Edelstahl angegebenen Werten. Damit sind bei Aluminium Leistung und Kraft selten der begrenzende Faktor; die Grenze bestimmen die Fähigkeit des Spans, die Nut zu verlassen und die Vermeidung von Anhaftungen an der Schneidkante.

In der auf ISO 513 aufbauenden Untergliederung wird Aluminium nach der Herstellungsart (Knetlegierung, Guss, Sinter) und nach dem Siliziumgehalt unterteilt. In der Praxis sind genau diese beiden Größen die eigentlichen Variablen, welche die Werkzeugauswahl steuern.

2. Knet- und Gusslegierungen

Bei Knetlegierungen (wrought) ist der Gesamtanteil der Legierungselemente niedrig; Gusslegierungen enthalten dagegen für die Gießbarkeit einen hohen Siliziumanteil. Dieser Unterschied verändert den Verschleißmechanismus unmittelbar: Bei Knetlegierungen ist das vorherrschende Problem die Aufbauschneide, bei Gusslegierungen der Abrasivverschleiß.

In der Zusammenstellung von ASM International zur Aluminiumbearbeitung wird angegeben, dass Legierungen wie 2024-T4 und 7075-T6 kontinuierliche Späne bilden und einen Spanbrecher benötigen, dass die Spankontrolle bei 6061-T6 schwieriger ist und dass weiche Legierungen wie 1100 und 3003 schmierende Späne erzeugen.

Die Schwelle bei 12,6 %: Die eutektische Zusammensetzung des Systems Aluminium–Silizium liegt bei etwa 12,6 % Si. Oberhalb dieses Anteils bilden sich bei der Erstarrung primäre Siliziumkristalle; da diese deutlich härter als die Aluminiummatrix sind, verschleißen sie die Schneidkante unmittelbar.

3. Schneidstoff nach Siliziumgehalt

Der Siliziumgehalt ist für sich genommen der stärkste Indikator für die Schneidstoffentscheidung.

Sandvik Coromant gibt an, dass für Aluminium mit einem Siliziumgehalt unterhalb von etwa 7–8 % feinkörnige unbeschichtete Hartmetallsorten geeignet sind, während Zusammensetzungen über 12 % als sehr abrasiv gelten und ein Wechsel auf PKD erforderlich ist. In veröffentlichten Vergleichen wird berichtet, dass PKD-Werkzeuge in Gusslegierungen mit hohem Siliziumgehalt gegenüber Hartmetall die zehnfache und höhere Standzeit erreichen. Auf der Hartmetallseite ist die Fähigkeit feinkörniger Sorten, eine scharfe Schneidkante zu halten, ausschlaggebend.

4. Aufbauschneide (built-up edge) und ihre Vermeidung

Die Aufbauschneide entsteht, wenn zerspantes Aluminium unter der Wirkung von Druck und Temperatur auf die Spanfläche aufschweißt. Die entstehende Schicht verfälscht die Geometrie der Schneidkante, verschiebt das Maß und reißt beim Abplatzen auch Hartmetallpartikel aus der Schneide heraus, wodurch plötzlicher Verschleiß entsteht. Glänzende Flecken auf der Oberfläche, Maßabweichungen und ein plötzlicher Geräuschwechsel sind typische Anzeichen.

Drei Faktoren begünstigen die Aufbauschneide: eine stumpfe oder raue Spanfläche, eine zu geringe Schnittgeschwindigkeit und im Schnittbereich verbleibende Späne. Werden dagegen die folgenden Maßnahmen gemeinsam umgesetzt, entfällt das Problem weitgehend:

• Polierte Spannut und Spanfläche. Schleifriefen erhöhen die Reibung und die Haftfläche; auf einer polierten Oberfläche gleitet der Span weiter ab.
• Scharfe Schneidkante und großer Spanwinkel. Bei Aluminium wird die Schneidkantenverrundung (Hone) auf ein Minimum begrenzt; eine scharfe Kante senkt Schnittkraft und Verformung.
• Großer Drallwinkel. Er sorgt für einen schnellen Spantransport aus der Nut nach oben.
• Geringe Schneidenzahl und große Spannut. Mit zunehmendem Nutvolumen nimmt die Spanklemmung ab.
• Ausreichend hohe Schnittgeschwindigkeit. Bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten steigt die Neigung zur Aufbauschneidenbildung.
• Abfuhr der Späne. Mit Druckluft, MMS oder reichlich Kühlschmierstoff wird ein erneutes Schneiden verhindert.

5. Werkzeuggeometrie

Die Geometrie von Aluminiumfräsern unterscheidet sich bewusst von der von Stahlfräsern. Die maßgebenden Konstruktionsentscheidungen sind Schneidenzahl, Drallwinkel, Kerndurchmesser und Oberflächengüte der Spannut.

In den Veröffentlichungen von Harvey Performance wird angegeben, dass ein Drall von 35–40° beim Schruppen und Nutfräsen und ein Drall von 45° beim Schlichten und bei der Hochleistungszerspanung bevorzugt wird. Da ein großer Drallwinkel die Axialkraft erhöht, ist bei schwach gespannten dünnen Bauteilen zusätzlich die Neigung des Werkstücks zum Abheben zu bewerten.

6. Wahl der Beschichtung und das TiAlN-Problem

Bei Aluminium folgt die Beschichtungsentscheidung der umgekehrten Logik wie bei Stahl. Bei Stahl wird von der Beschichtung Temperaturbeständigkeit erwartet; bei Aluminium dagegen geringe Reibung und geringe chemische Affinität.

TiAlN- (und AlTiN-)Beschichtungen enthalten in ihrem Aufbau Aluminium. Dass diese Beschichtungen bei hoher Temperatur an der Oberfläche eine schützende Aluminiumoxidschicht bilden, ist bei Stahl und warmfesten Legierungen ein Vorteil; bei der Aluminiumbearbeitung erreichen die Schnitttemperaturen jedoch nicht das Niveau, das diesen Mechanismus auslöst. Es bleibt die chemische Affinität zwischen Beschichtung und Werkstück, und diese Affinität beschleunigt die Anhaftung. Deshalb wird TiAlN bei Aluminium nicht bevorzugt.

Die allgemeinen Unterschiede zwischen den Beschichtungsfamilien werden im Ratgeber zu Beschichtungen ausführlich behandelt.

7. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) und die Grenze der Werkzeugmaschine

Bei Aluminium ist die Schnittgeschwindigkeit weitgehend frei; die Grenze setzt nicht das Werkzeug, sondern die Werkzeugmaschine. Drehzahl und Vorschub werden mit folgenden Beziehungen berechnet:

n = (vc × 1.000) / (π × D) und vf = fz × Z × n

Im Aluminium-Ratgeber von Harvey Performance wird für Knetlegierungen ein Bereich von etwa 245–455 m/min und für Gusslegierungen von etwa 150–305 m/min angegeben. Was diese Geschwindigkeiten bei kleinen Durchmessern bedeuten, zeigt die Rechnung:

• Für D = 10 mm und vc = 400 m/min gilt n = (400 × 1.000) / (3,1416 × 10) ≈ 12.732 min⁻¹
• Werden beim selben Werkzeug Z = 3 und fz = 0,05 mm/Zahn angesetzt, ergibt sich vf = 0,05 × 3 × 12.732 ≈ 1.910 mm/min
• Für D = 6 mm und vc = 400 m/min steigt die erforderliche Drehzahl über 21.000 min⁻¹

Die Arbeitsspindel der meisten Werkstattmaschinen erreicht diese Drehzahl nicht. Ist die Spindel an ihrer Grenze angelangt, sinkt die Schnittgeschwindigkeit zwangsläufig und die von Aluminium erwartete Leistung wird nicht erreicht. Die Lösung besteht in diesem Fall nicht darin, die Schnittgeschwindigkeit zu erzwingen, sondern darin, die radiale Zustellung zu verringern und den Vorschub zu erhöhen; der Ansatz wird im Ratgeber Trochoidales Fräsen und Hochleistungszerspanung erläutert. Da bei geringer radialer Zustellung die Spanungsdicke abnimmt, ist der Vorschub zusätzlich zu korrigieren.

Bei hoher Drehzahl: Wuchtzustand und Rundlauffehler der Werkzeugaufnahme werden maßgebend. Das Auswuchten rotierender Werkzeuge und Werkzeugsysteme ist in der Norm ISO 16084 festgelegt. Mit zunehmendem Rundlauffehler verteilt sich die Last ungleichmäßig auf die Schneiden; eine Schneide nimmt einen dickeren Span als vorgesehen ab und die Standzeit sinkt.

8. Bearbeitung dünner Wände und Spannen

Mit abnehmender Wandstärke verlagert sich das Problem bei Aluminiumteilen vom Werkzeug auf das Werkstück. Die Wand federt unter der Schnittkraft aus, das Werkzeug nimmt einen ungleichmäßigen Span ab, das entstehende Rattern vergrößert die Auslenkung und der Prozess gerät in einen sich selbst verstärkenden Kreislauf. In der Praxis werden folgende Ansätze gemeinsam eingesetzt:

• Die radiale Zustellung wird gering gehalten, die Anzahl der Schnitte erhöht.
• Die Wand wird von oben nach unten stufenweise dünner gearbeitet; auf jeder Ebene wirkt das darunter verbleibende Material als Abstützung.
• Der letzte Schnitt wird symmetrisch ausgeführt; ein gleichmäßiger Materialabtrag von beiden Wandseiten verringert den Verzug.
• Das Werkzeug wird in der Spannzange mit der kürzestmöglichen Länge gespannt; die Auslenkung wächst mit der dritten Potenz der freien Länge.
• Die von einem großen Drallwinkel erzeugte Axialkraft wird berücksichtigt; neigt das Werkstück zum Abheben, wird ein kleinerer Drallwinkel gewählt.

Beim Spannen reicht eine mechanische Klemmung häufig nicht aus: Die zum Halten des Werkstücks erforderliche Kraft verformt die dünne Wand. Deshalb wird bei flachen, großflächigen Teilen ein Vakuumtisch und bei prismatischen Teilen symmetrisches Spannen an den dicken Bereichen zusammen mit Stützblöcken bevorzugt. Die Spannstellen sind nicht an den dünnen Wänden, sondern an dicken Querschnitten, Rippen oder Opferbereichen anzuordnen.

9. Spanabfuhr, Druckluft und MMS

Der überwiegende Teil der Werkzeugbrüche bei Aluminium geht nicht auf Verschleiß, sondern auf das erneute Schneiden von Spänen zurück. Ein in der Nut eingeklemmter Span erwärmt sich, verschweißt mit der Schneidkante und bricht das Werkzeug in der nächsten Umdrehung. Beim Nutfräsen, beim Taschenfräsen und beim Eintauchen ist das Risiko am größten; bei diesen Operationen sind eine geringe Schneidenzahl und eine gesicherte Spanabfuhr zwingend.

Bei Trocken- und MMS-Bearbeitung hängt die Spansauberkeit vollständig vom Luftstrahl ab; der Strahl ist durchgehend auf den Nutaustritt zu richten. Umfang und Grenzen der MMS-Anwendung werden im Ratgeber zu MMS und Trockenbearbeitung ausführlich dargestellt. In Betrieben, die mit Emulsion arbeiten, ist eine regelmäßige Messung der Konzentration wichtig, um Flecken und Oberflächenschäden am Aluminium zu vermeiden.

10. Ausgangsparameter

Die folgende Tabelle ist ein Ausgangsrahmen und ersetzt keine Herstellerdaten. Die Bereiche der Schnittgeschwindigkeit beruhen auf den Werten im Aluminium-Ratgeber von Harvey Performance; die Zustellverhältnisse sind in der Praxis verbreitete Strategiebereiche. Für genaue Werte können das Datenblatt des Werkzeugherstellers und der Schnittparameter-Rechner herangezogen werden.

Die produktseitige Entsprechung zur Werkzeugauswahl in der Aluminiumbearbeitung findet sich in der Kategorie der flachen Schaftfräser.

Quellen

• ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application (iso.org)
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• ISO 16084:2017 — Balancing of rotating tools and tool systems (iso.org)
• ASM International — Machining of Aluminum and Aluminum Alloys, ASM Handbook, Band 16: Machining
• Sandvik Coromant — Workpiece materials: ISO N — Non-ferrous metals (sandvik.coromant.com)
• Sandvik Coromant — Tool balancing and RPM (sandvik.coromant.com)
• Harvey Performance Company — Attacking Aluminum: A Machining Guide (harveyperformance.com)
• ISCAR — Machining Aluminum: Is It Really That Easy? (iscar.com)