Hybridwerkzeuge: Aluminiumbauteile wirtschaftlich bearbeiten

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Aluminiumlegierungen erfordern andere Bearbeitungsstrategien in der Zerspanung als bisher verwendeten Materialien. Die Hybridwerkzeuge von Walter reduzieren die Stückkosten und schaffen Prozesssicherheit.

Fahrwerksbauteile aus Aluminium waren vor wenigen Jahren noch dem Premium-Segment im Fahrzeugmarkt vorbehalten. Achsschenkel, Querlenker und Radträger für Mittelklasse- und Kleinwagen wurden überwiegend aus Gusseisen oder geschmiedetem Stahl gefertigt. Das hat sich in den letzten Jahren geändert: Den CO₂-Ausstoß eines Fahrzeuges deutlich zu reduzieren, hat im Fahrzeugbau mittlerweile hohe Priorität. Ein Weg dahin ist die Reduktion des Fahrzeuggewichts: 100 Kilogramm weniger bedeuten 0,3 bis 0,4 Liter weniger Kraftstoffverbrauch. Auch bei Elektromobilität als Alternative zum Verbrennungsmotor ist das Gewicht des Fahrzeugs ein zentraler Faktor: Je leichter das Auto, desto höher die Reichweite der Batterie. Werkstoffe wie geschmiedete Aluminium-Knetlegierungen oder duktile Aluminium-Gusslegierungen mit niedrigem Siliziumgehalt finden sich deswegen zunehmend in allen Fahrzeugklassen.

Aluminiumlegierungen lassen sich mit hohen Geschwindigkeiten zerspanen

Mit der Umstellung auf andere Werkstoffe ändern sich auch die Herausforderungen in der Bearbeitung: Aluminiumlegierungen erfordern andere Bearbeitungsstrategien in der Zerspanung als die bisher verwendeten Materialien, gerade unter den Bedingungen von hohem Kostendruck und hohen Anforderungen an Bearbeitungsqualität und Prozesssicherheit. Die eingesetzten Zerspanungswerkzeuge sind dabei ein wichtiger Faktor. Viele Automobilzulieferer setzen dafür bereits auf den Tübinger Zerspanungsspezialisten Walter. Fabian Hübner, Component & Project Manager Transportation, sagt: „Aluminiumlegierungen sind der optimale Werkstoff für die Automobilindustrie. Die Legierungen sind leicht, bei ausreichend hoher Festigkeit, und lassen sich mit ganz anderen Geschwindigkeiten als die traditionellen Guss- oder Stahlwerkstoffe zerspanen. Das heißt aber nicht, dass sie einfach zu zerspanen sind. Vor allem die langen Späne sind ein Risikofaktor für einen stabilen Prozess. Außerdem können sich an den Schneidkanten der Werkzeuge schnell Aufbauschneiden bilden. Für das Einhalten der vorgegebenen Toleranzen bei den Passmaßen und der Oberflächenqualität wird es dann schnell schwierig. Genau hier kommt es auf die Qualität des Zerspanungswerkzeugs und die richtige Technologie an.“

Komplexe Bohrungen wirtschaftlich darstellen

Vor allem das Einbringen von Vollbohrungen stellt bei der Fertigung von Fahrwerkskomponenten aus Aluminiumlegierungen eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Während bei größeren Bohrungen, wie zum Beispiel der Radnabenbohrung am Radträger, häufig vorgeschmiedete Vertiefungen aufgebohrt werden, werden kleinere Bohrungen wie am Querlenker dagegen ins volle Material eingebracht. Dazu kommen die oft hohe Komplexität der zu bohrenden Konturen sowie die sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Bohrung und an die Oberflächenqualität. Meist dienen die kleineren Bohrungen zur Aufnahme von Gleitlagern und Dämpfern. Das heißt, es ist mehr als das schlichte Setzen einer Bohrung gefragt: Es müssen zum Beispiel auch definierte Planflächen oder Fasen angebracht werden, um im nächsten Produktionsschritt Lagerbuchsen oder Dämpfungselemente überhaupt einbauen zu können. Pro Bohrung fallen so schnell bis zu fünf Bearbeitungsschritte an.

Hybridwerkzeug bedeutet: Ein Werkzeugkorpus ermöglicht unterschiedliche Zerspanungsschritte

Mehrere Bearbeitungsschritte an einer Bohrung erfordern ein besonderes Zerspanungskonzept, denn Werkzeugwechsel kosten nicht nur Zeit. Sie erhöhen auch das Risiko, die Vorgaben bei Passgenauigkeit und Oberflächenqualität zu verfehlen. Mit dem Konzept des Hybridwerkzeugs bieten Zerspanungsspezialisten wie Walter ihren Kunden eine auf die konkrete Aufgabe optimierte Lösung, die sich durch höchste Prozesssicherheit und Ergebnisqualität auszeichnet – und sich so auszahlt. Hybrid heißt, dass ein Werkzeugkorpus unterschiedliche Zerspanungsschritte ermöglicht, also eigentlich verschiedene Werkzeuge in einem ist. Dabei werden jedoch nicht einfach nur Wendeschneidplatten unterschiedlicher Form eingesetzt: Hybridwerkzeuge verbinden einen Bereich mit austauschbaren Wendeschneidplatten und fest eingelötete PKD-Schneiden – und damit zwei unterschiedliche Werkzeugtypen. Der Bereich für schnell verschleißende Anwendungen wie das Schruppen arbeitet dabei mit Wendeschneidplatten, die leicht vom Kunden selbst gewechselt werden können, ohne dass das gesamte Werkzeug zum Reconditioning eingeschickt werden muss. Das Schlichten gemäß exakter Passungsmaße mit kleinsten Winkeltoleranzen und hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität wird dagegen mit fest eingelöteten PKD-Schneiden durchgeführt. PKD-Schneidstoffe zeichnen sich durch ihre hohe Verschleißfestigkeit und die so erreichbaren Standzeiten aus. Eingesetzt werden Hybridwerkzeuge vor allem beim „Voll“-Bohren sowie bei Kegelsitz- und Kugelsitzbohrungen.

Hohe Kompetenz bei Schneidgeometrie und Beschichtung

Die vor allem im Fahrwerksbereich häufig eingesetzten schmied- und warmaushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen mit Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselemente stellen durch ihr Zerspanungsverhalten hohe Anforderungen an die Schneide selbst: Bei der Bearbeitung bilden sich Aufbauschneiden, die zu einem schnelleren Verschleiß der Schneidkante führen. Durch die Veränderung der Schneidkantengeometrie wirken höhere Prozesskräfte auf das Bauteil ein, sodass die gewünschten Maße und Winkel oder die Oberflächenqualität nicht mehr eingehalten werden. Aluminium-Knetlegierungen bilden zudem lange Späne oder sogar Fließspäne, die einen reibungslosen Zerspanungsprozess erheblich gefährden können. Werden diese Risiken für die Prozesssicherheit nicht beherrscht, sinken auch die Effizienzgewinne deutlich, die sich durch ein Hybridwerkzeug erreichen lassen.

Die von Walter für die Aluminiumbearbeitung entwickelten Wendeschneidplatten (P2840 und P4840 sowie P6004 für Vollbohroperationen sowie P4460 zum Aufbohren) verfügen deswegen über eine besondere Geometrie und Beschichtung: Eine spezifische Oberflächengeometrie gewährleistet eine optimale Spankontrolle. Die von anderen Walter Schneidstoffen bekannte Hipims-Beschichtung (High Power Impuls Magnetron Sputtering) bietet eine extrem glatte und Droplet-freie Oberfläche und verhindert die Aufbauschneidenbildung effektiv, auch bei der Zerspanung mit Minimalmengenschmierung. Die bei der Bearbeitung entstehenden Späne brechen so kurz, dass sich Fließspäne oder Spanknäuel nicht bilden können. Bei fest eingelöteten PKD-Schneiden wird, sofern nötig, durch gelaserte Spanformer- oder Spanbrechergeometrien für die entsprechend gute Spankontrolle gesorgt.

Bei Wendeschneidplatten reduzieren scharf präparierte Schneidkanten die Prozesskräfte, sowie hochpolierte Spanflächen und eine spezielle Beschichtung außerdem die Bildung von Aufbauschneiden: Die so erzeugten sehr glatten Oberflächen an der Wendeschneidplatte bieten dem Werkstoff wenig Angriffsfläche. Die Wendeschneidplatten verfügen so über deutlich höhere Standzeiten als nicht-optimierte Typen.

Hohe Schnittdaten und hohe Prozesssicherheit

Bei Walter werden Hybridwerkzeuge für den Einsatz im konkreten Prozess konzipiert und gefertigt. Der Werkzeugkorpus ist deswegen im Prinzip eine Sonderanfertigung. Durch die hohe Produktivität, die sie im Fertigungsprozess bringen, rechnen sich die Werkzeuge schnell. Ein namhafter Kunde von Walter konnte beim Einbringen von Bohrungen in einen Querlenker mit einem Walter Hybridwerkzeug beispielsweise in der Bohrstufe mit einem Durchmesser von 50 Millimetern Schnittgeschwindigkeiten (vf) von über 1.300 Metern pro Minute bei einem Umdrehungsvorschub (fu) von 0,11 Millimetern erreichen, beim nachfolgenden Auf- bzw. Feinbohren vf 850 Metern pro Minute bei einem Zahnvorschub (fz) von 0,12 Millimetern.

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