Aluminium Fräsen leicht gemacht

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Fräsen eines Aluminiumrads

Aluminumrad fräsen [KraznyOktyabr / Foter / CC BY]

Letztes Wochenende war ich in der Werkstatt und habe mich gefragt, was beim Fräsen von Aluminium wichtig ist, um perfekte Teile zu bekommen.

Also habe ich angefangen zu recherchieren, Bücher gewälzt und das halbe Internet durchsucht. Alles was ich zum Thema Aluminium Fräsen finden konnte, habe ich dann in diesem Artikel zusammengefasst.

Worauf beim Aluminium Fräsen achten?

Aus technischer Sicht können Bauteile aus Aluminium  mit polierten Oberflächen und einer Maßgenauigkeit von 1/100 mm und weniger hergestellt werden.

Um jedoch sehr hohe Oberflächengüten und eine gute Maßhaltigkeit zu erreichen, müssen beim Fräsen von Aluminium die Randbedingungen passen.

stirnfraeser

Stirnfräser

Im Unterschied zur Bearbeitung von Holz und Stahl kann Aluminium aufgrund der Wärmeentwicklung beim Fräsen weich werden. Geschmolzenes Aluminium kann dann die Schneiden des Fräswerkzeugs verkleben.

Dadurch können die Späne nicht mehr abgeführt werden, der Spanraum verstopft und neue Späne werden nicht mehr geschnitten. Die unweigerliche Folge ist eine unbrauchbare Oberfläche und der Bruch des Fräswerkzeugs.

Aluminium Fräsen – 6 wichtige Kenngrößen

Damit du Aluminium ideal fräsen kannst, solltest du die wichtigsten Kenngrößen und Eigenschaften des Zerspanvorgangs kennen.

Für ein Top-Fräsergebnis ist das richtige Zusammenspiel zwischen den physikalischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung, dem Fräswerkzeug und den Maschinenparametern erforderlich. Ein richtig eingestellter Fräsprozess gibt den Ausschlag darüber, ob der Bearbeitungsprozess erfolgreich abläuft oder nicht.

Die 6 wichtigsten Kenngrößen für das Fräsen von Aluminium sind:

  • Art der Aluminiumlegierung
  • Art des Fräsers (Material und Anzahl der Schneiden)
  • Höhe der Vorschubgeschwindigkeit
  • Höhe der Fräserdrehzahl
  • Art des Kühlschmiermittels (KSS)
  • Fräsmethodik

Diese 5 Kenngrößen werden im Folgenden detaillierter erklärt:

Welche Aluminiumlegierungen zum Fräsen verwenden?

Die Auswahl eines geeigneten Aluminiumwerkstoffes ist bereits die halbe Miete. Weiche Aluminiumbleche aus dem Baumarkt sind vergleichsweise schwierig für die spanende Bearbeitung.

Aluminium mit definierten Legierungszusätzen kann um ein Vielfaches fester sein als reines Aluminium. Tendentiell kann man außerdem sagen, dass spröde Legierungen mit höherer Zugfestigkeit besser zerspanbar sind.

„Spröde Legierungen mit höherer Festigkeit sind besser zerspanbar.“

Falls Ihr keine DIN Bezeichnung bei eurere Materialbestellung angeben könnt, so achtet bitte darauf zumindest Aluminium in Dreh-/Fräsqualität anzufordern.

Bekannterweise zählen z.B. die Legierungen EN AW-2007 und EN AW-6012 zu den typischen Automatenlegierungen. Auch das hochfeste „Flugzeugaluminium“ EN AW-7075 ist in der Regel sehr gut zerspanbar.

Eine mögliche Bezugsquelle für Rohmaterial ist www.metallstore.de (Keine eigene Erfahrung) oder der Metallhändler eurer Wahl.

Die folgende Tabelle zeigt die Fräseignung von häufig eingesetzten Aluminiumlegierungen:

EN Bezeichnung Nr. alte Norm Zerspanen Schweißen Eloxieren Streckgrenze min. [N/mm²]
EN AW-1050A3.0255Al99,5 (Reinalu)schlechtmittelgut20
EN AW-20073.1645AlCuMgPbsehr gutschlechtschlecht210
EN AW-20113.1655AlCuBiPbsehr gutschlechtschlecht195
EN AW-20173.1325AlCuMg1sehr gutschlechtschlecht220
EN AW-20243.1355AlCuMg2gutschlechtschlecht270
EN AW-50833.3547AlMg4,5Mngutsehr gutgut110
EN AW-57543.3535AlMg3mittelgutgut70
EN AW-60123.0615AlMgSiPbsehr gutschlechtschlecht200
EN AW-6026-AlMgSiBigutgutgut240
EN AW-60603.3206AlMgSi0,5mittelgutgut160
EN AW-60613.3211Mg1SiCumittelsehr gutschlecht230
EN AW-6063-AlMg0,7Simittelmittelgut110
EN AW-60823.2315AlMgSi1gutgutmittel200
EN AW-70203.4365AlZn4,5Mg1gutmittelmittel270
EN AW-70753.4365AlZnMgCu1,5sehr gutschlechtmittel400

Unter folgendem Link findest du auch eine ausführliche Tabelle mit Angaben zur Zerspanbarkeit und Werkstoffzuständen von Aluminiumlegierungen.

Fräserauswahl für die Zerspanung von Alu

Schaftfraeser

Quelle: Blickpixel / Pixabay https://pixabay.com/photo-444484/

Je kürzer und dicker der Fräser ist, desto höher ist seine Stabilität und Festigkeit. Ein stabiler Fräser beugt dem Schwingen und dem Brechen des Fräsers vor. Analog zum Fräsen aller anderen Materialien gilt gerade auch bei Aluminium die Faustregel:

„Der Fräser muss so dick wie möglich und so kurz wie möglich sein.“

Außerdem muss für ein gutes Fräsergebnis der freie Abtransport der Späne durch den Fräser gewährleistet sein. Den besten Spanabtransport hat der Einschneidenfräser, da hier der Spanraum am größten ist. Je geringer die Anzahl der Schneiden ist, desto höher ist in der Regel jedoch die Belastung auf die einzelne Schneide.

Aus diesem Grund muss für das Fräsen von Aluminium ein Kompromiss zwischen Schneidenbelastung und guter Spanabfuhr gemacht werden.

Billige Fräser sind nicht zu empfehlen, da hier die Schneiden schnell stumpf werden und die Standzeit des Fräsers wesentlich geringer ist als bei hochwertigen Fräsern.

Nachtrag (29.11.2015): Ursprünglich stand hier die Aussage, dass ein Einschneidenfräser für die Aluminiumzerspanung nicht geeignet ist. Ein äußerst fachkundiger Leser (Marc) hat meine Fehleinschätzung zum Glück korrigiert und weist z.B. auf den so genannten „Einzahnfräser mit Habichtschnabel“ von VHF hin, welcher tatsächlich besonders gut für eine Aluminiumzerspanung geeignet ist!

Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit (Kombination aus Drehzahl und Vorschub) hat ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis beim Aluminium Fräsen.

Faustwerte:
Schnittgeschwindigkeit bei Aluminium: vc ~ 100 m/min bei hochwertigen HSS Fräsern.
Vorschub bei Aluminium: fc ~ 0,1 mm pro Schneide. Bei einem Dreischneider sind das somit 0,3 mm Vorschub pro Fräserumdrehung.

In technischen Tabellen (z.B. Tabellenbuch Metall) kannst Du die die Richtwerte für Drehzahl, Größe und Vorschub der unterschiedlichen Werkzeuge und Legierungen finden bzw. berechnen.

Die Drehzahl des Fräsers wird über folgenden Zusammenhang berechnet:
n = vc / d x pi
n = Drehzahl des Fräsers in U/min
vc = Schnittgeschwindigkeit in mm/min
d = Fräserdurchmesser in mm
pi = Kreiszahl (3,14)

Die Vorschubgeschwindigkeit des Fräsers wird über folgende Formel berechnet:
vf = n * z * fz

vf = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min
n = Fräserdrehzahl in U/min
z = Anzahl der Schneiden am Fräser
fz = Zahnvorschub in mm/Zahn

Beispielrechnung:
3 Schneider mit 6 mm Fräserdurchmesser.
Schnittgeschwindigkeit vc = 100 m/min = 100*1000 mm/min
Fräserdurchmesser d = 6 mm
Fräserdrehzahl n = 5300 U/min
Vorschub fz = 0,1 mm/U
–> Vorschubgeschwindigkeit vf = 1600 mm/min

Für alle faulen CNCer gibt es hier auch ein Rechentool zum Ermitteln der Schnittdaten.

Außerdem gibt es noch einen seperaten Blogbeitrag mit meinem eigenen Rechentool für die Berechnung der Schnittgeschwindigkeit.

Auswahl des Kühlschmiermittels beim Fräsen von Aluminium

Zuletzt solltest du dir Gedanken über die richtige Kühlung machen.

Generell ist die Frage, ob mit oder ohne Kühlschmiermittel gearbeitet wird.

Nachteile des Naßfräsens sind hohe Temperaturschwankungen in der Schneide, die zu einer geringeren Standzeit des Werkzeugs führen. Beim Trockenfräsen fallen die Schwankungen geringer aus. Beim Schruppen sollte wenn möglich Trocken gearbeitet werden. [Quelle: Sandvik Coromant]

Manche Hobbyisten verwenden auch Petroleum/Spiritus aus der Spritzflasche für die Kühlung. Dies empfehle ich jedoch explizit nicht, da Petroleum/Spiritus leicht entflammbar und somit gefährlich ist. Falls du mit Minimalmengenschmierung arbeitest, beachte einen geeigenten Kühlschmierstoff für Aluminium zu verwenden.

Hinweis: Bei Einsatz von Kühlschmiermittel auf Wasserbasis bitte die Maschine nach dem Einsatz des KSS vollständig reinigen.

Bei längerem Stillstand trennt sich nämlich das Wasser aus der Emulsion und führt dazu, dass Deine Fräsmaschine zu rosten beginnt.

Weiterhin kann stehendes Kühlschmiermittel leicht Pilze und Bakterien ansetzen, deshalb sind häufig spezielle Fungizide als Additiv im Kühlschmiermittel notwendig.

Fräsmethodik

Auch die Wahl der Fräsmethodik wie z.B. Gegenlauffräsen, Gleichlauffräsen, Zirkularfräsen, Helixfräsen oder Trochoidalfräsen (Wirbelfräsen) hat einen direkten Einfluß auf das Fräsergebnis. Durch das Trochoidalfräsen erhöht sich die Werkzeugstandzeit enorm.

Folgendes Video zeigt, was genau Trochoidalfräsen ist.

Ein häufiger Tipp ist weiterhin auf ausreichende Zustellung zu achten. Zustellungen von 0,3 mm oder weniger belasten sehr stark die Schneidenspitzen und führen zu schnellerem Werkzeugverschleiß. Einfach mal mutig sein und mit etwas höheren Zustellungen experimentieren.

Anwendungsbeispiele

Tagtäglich werden Unmengen an Teilen aus Aluminium gefräst.

Typische Anwendungsbeispiele reichen vom Maschinen -und Fahrzeugbau, über Gravuren von Schildern bis hin zu Leichtbauteilen im Flugzeugbau.

Das Planfräsen von Dichtflächen bei Motor- oder Getriebegehäusen gehört ebenso zu den alltäglichen Aluminium-Fräsaufgaben, wie die Herstellung von anmutendem Modeschmuck aus Aluminium.

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