Entwicklung der Bearbeitungs- und Oberflächenbehandlungstechnologie für Aluminiumteile bei Török Gépipari Kft. Das F&E-Projekt wurde im Rahmen der Anwendung GINOP-2.1.2-8-1-4-16-2018-00659 umgesetzt.

1. Entwicklungsziele

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von Technologien, die die Lebensdauer von Aluminium in der Luft- und Raumfahrtindustrie verbessern. Auch andere Bereiche der Automobilindustrie stehen im Fokus der Forschung, da die Nutzung neuester Entwicklungen aus der Luft- und Raumfahrtbranche zunehmend auch in der Automobilindustrie Einzug hält, da Umweltverschmutzung, der Rückgang fossiler Energieträger und wirtschaftlicherer Betriebsbedingungen große Herausforderungen darstellen.

Aufgrund seiner Leichtigkeit im Vergleich zu anderen Metallen eignet sich Aluminium für den Einsatz an vielen Orten. Aluminium ist ein Leichtmetall mit einem spezifischen Gewicht von 2700 kg/m3. Die Weichheit des Metalls Aluminium kann durch die Herstellung von Legierungen verringert werden. Geschmolzenes Aluminium vermischt sich im geschmolzenen Zustand mit anderen Metallen, von denen es sich auch nach dem Abkühlen nicht trennt, und bildet mit ihnen Legierungen. Heute werden mehr als zweihundert Aluminiumlegierungen hergestellt. Darunter gibt es viele, die neben ihrer Leichtigkeit auch in puncto Festigkeit und Härte mit den härtesten Stahlsorten konkurrieren können. Bei der Legierungsherstellung verfolgen wir grundsätzlich zwei Ziele: Einerseits wird versucht, die Härte zu erhöhen, andererseits versucht man, Legierungen herzustellen, deren spezifisches Gewicht noch geringer ist als das von Aluminium. Unter den Legierungen (Duralumin, Silumin, Anticorodal, Fredal, Paraluman, Magnalium, Zimalium, Hydronalium, Alzanfém, Scleron, Aeron, Lautal, Aludur, Montegal, Constructal usw.) gibt es solche, die für fast jeden Zweck geeignet sind. Duraluminium und Siludur beispielsweise zeichnen sich durch ihre Härte aus und es gibt Magnesiumlegierungen, deren spezifisches Gewicht deutlich unter dem von Aluminium liegt. Diese Legierungen werden beim Bau von Flugzeugrahmen und allgemein von Teilen verwendet, die hohen Kräften ausgesetzt sind. Teile, bei denen keine hohe Festigkeit erforderlich ist, werden aus leichten Magnesium-Aluminium-Legierungen hergestellt. Eine solche Legierung wird als „Elektronenmetall“ bezeichnet (90–95 % Magnesium + 2–5 % Zink + 3–5 % Aluminium), deren spezifisches Gewicht viel niedriger ist als das von Aluminium. Daraus werden Propeller, Flügelflächen und Außenverkleidungen gefertigt. Zeppelin-Luftschiffe bestehen aus einer ganz besonderen Legierung, dem ZZ-Metall. Durch ein spezielles Verfahren lässt sich diese Legierung einfärben und zur Herstellung geschmackvoller Ornamente verwenden.

Darüber hinaus werden zahlreiche Arten formbarer Legierungen verwendet. Der Einbauort und der konkrete Einsatzzweck bestimmen die Art. Für ein tragendes Element werden unterschiedliche Legierungen benötigt, für eine Verkleidung, bei der unter anderem die Ästhetik eine wichtige Rolle spielt, unterschiedliche.

Auch die Verarbeitungsmethoden der Legierungen sind äußerst vielfältig, beispielsweise die Blechumformung, die Kalt- und Warmumformung (Pressen, Schmieden, Tiefziehen etc.) sowie die spanende Bearbeitung.

Im Zuge der Entwicklung wird die Bearbeitung dieser legierten Aluminiumsorten verbessert, beispielsweise die Bearbeitung, die Vorbereitung für die Oberflächenbehandlung, die Oberflächenbehandlung und -färbung (Eloxieren) sowie die Nachbehandlung der Aluminiumoxidoberflächen durch Lasermarkierung und -gravur.

Turkish Machinery Ltd. verfügt über einen modernen Maschinenpark, das Werk umfasst unter anderem die gängigsten Geräte für Einzel- und Kleinserienfertigungsanlagen, wie CNC-Drehmaschinen, 3-4-5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren, CNC-Drahterodiermaschinen, CNC-Flächen- und Planschleifmaschinen. Die physische Umsetzung des Projekts und die Produktionstests wurden mit unternehmenseigenen Geräten unter Einbeziehung hochqualifizierter Spezialisten für Bearbeitung und Oberflächenbehandlung durchgeführt.

Die Kunden des Unternehmens kommen aus vielen verschiedenen Branchen, wie etwa der Luft- und Raumfahrt, dem Militär, der Automobilindustrie, der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie, der Industrieautomation, dem Spezialmaschinenbau usw., und jede dieser Branchen stellt unterschiedliche Herausforderungen dar, aber auch ernsthafte Herausforderungen im Hinblick auf die bestmögliche Qualität, Termintreue und wettbewerbsfähige Preise. Das Unternehmen verfolgt einen engagierten qualitätsorientierten Ansatz und hat daher im Jahr 2006 als ersten Schritt ein Qualitätsmanagementsystem eingeführt, das den Anforderungen der Norm MSZ EN ISO 9001 entspricht. In der Folge wurde ein integriertes Qualitätsmanagement- und Umweltmanagementsystem eingeführt und angewendet, welches den Anforderungen der Normen MSZ EN ISO 9001:2015 und MSZ EN ISO 14001:2015 entspricht. Darüber hinaus führt das Unternehmen regelmäßig externe Kundenaudits durch, die häufig nach den noch strengeren VDA-Standards der Automobilindustrie durchgeführt werden.

Zur Unterstützung der Produktion wurde ein moderner Messraum eingerichtet, in dem auch die gesamte Palette der im Werk hergestellten Komponenten geprüft werden kann. Hier steht auch die industrielle Hochleistungs-Lasergravurmaschine, die heute ein unverzichtbares Werkzeug ist, um gefertigte Produkte zu beschriften und mit einem Firmenlogo zur späteren Identifizierung zu versehen.

2. Aufgaben im Zusammenhang mit Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, Übersicht

Die Entwicklung von Bearbeitungsprozessen ist ein integraler Bestandteil des Forschungsprojekts.

Die Entwicklung innovativer Dienstleistungen im Bereich Oberflächenbehandlung und -bearbeitung wurde durch die folgenden F&E-Projektaktivitäten umgesetzt:

• Entwicklung von Schneidtechnologien für typische Automobilbauteilematerialien und Bauteilgruppen. Ermittlung optimaler Schnittparameter, Entwicklung von Typentechnologien für typische Bauteilgruppen.
• Untersuchung von Technologien zur Oberflächenbehandlung von Aluminium durch Analyse der Porositätshomogenität und der Verschleißfestigkeitswerte.
• Entwicklung der Oberflächenvorbereitungs- und Eloxierungstechnologie, Bestimmung des technologischen Fensters.
• Nachbehandlung von Aluminiumoxidoberflächen durch Lasermarkierung und -gravur.

Die im Werk gefertigten und in das Fahrzeug integrierten Bearbeitungsteile

3. Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten, Zusammenfassung

3.1. Entwicklung von Schneidtechnologien für typische Automobilbauteilematerialien und Bauteilgruppen. Ermittlung optimaler Schnittparameter, Entwicklung von Typentechnologien für typische Werkstoff- und Bauteilgruppen.

Die am häufigsten verwendeten Werkstoffe sind EN AW 2017 aus der Serie 2 sowie EN AW 5083 und 5754 aus der Serie 5. Auch EN AW 6061 und 6082 aus der Serie 6 sind häufig verwendete Werkstoffe in der Automobilindustrie, und auch die Serie 7 (EN AW 7021, 7022, 7075), die als eine der besten gilt, spielt eine relativ wichtige Rolle, vor allem aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften.
Die Bearbeitung von Aluminiumlegierungen unterscheidet sich erheblich von der Bearbeitung von Stählen und je nach Werkzeugdurchmesser können extrem hohe Geschwindigkeiten erforderlich sein. Im Allgemeinen wird für die Bearbeitung von Aluminiumlegierungen gemäß der meisten Literatur eine Schnittgeschwindigkeit im Bereich von 150–500 m/min und ein Vorschub von 0,05–0,2 mm pro Zahn empfohlen.
Für den Materialabtrag sind scharfe Werkzeuge erforderlich. Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeit ist auch die Menge der abgetragenen Späne erheblich, sodass bei der Werkzeugauswahl auch deren effizienter Abtransport berücksichtigt werden muss.
In der Literatur sind die Intervalle für die einzelnen Schnittparameter recht breit gefächert, genauere Werte können daher nur experimentell ermittelt werden.
In diesem Projekt wurde die Bearbeitung der in der Automobilindustrie am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen untersucht. Ihre Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Eigenschaften der untersuchten Aluminiumlegierungen

Für das Experiment wurde ein dreischneidiger ATORN 11263317 Hartmetallfräser mit 16 mm Durchmesser verwendet, der speziell für die Aluminiumbearbeitung entwickelt wurde.

Das im Experiment verwendete Fräswerkzeug

Es wurden Schneidversuche an verschiedenen Aluminiumlegierungen unter Verwendung der empfohlenen Schneidparameter durchgeführt. Die Parameter wurden zwischen einem Schnittgeschwindigkeitsbereich von 150–500 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1200–4500 mm/min geändert.

Der Test wurde an rechteckigen Körpern gleicher Größe durchgeführt, wobei die Schnittgeschwindigkeit pro Seite erhöht (150, 267, 384 und 500 m/min) und 4 verschiedene Vorschubgeschwindigkeiten (1200, 2300, 3400, 4500 mm/min) angewendet wurden, was insgesamt 16 Proben für jede Aluminiumlegierung ergab.

Die Qualität der Oberfläche der verschiedenen Bänder, die auf den bearbeiteten Teilen gebildet wurden, wurde mit einem Oberflächenrauheitsmessgerät Mitutoyo SJ-301 untersucht. Um genaue Werte sicherzustellen, wurden an jedem Band 3 Messungen durchgeführt.

Das für den Test verwendete Oberflächenrauheitsmessgerät Mitutoyo SJ-301

Die durchschnittlichen Oberflächenrauheitswerte für verschiedene Schnittparameter wurden in einem Diagramm dargestellt und anschließend wurde die an die Punkte angepasste Trendlinie verwendet, um die erwarteten Rauheitswerte bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit anzunähern.

Für die Legierung EN AW 2017 über den gesamten Testbereich:

• Bei einem Vorschub von 1200 mm/min wurden über den gesamten geprüften Schnittgeschwindigkeitsbereich mittlere Oberflächenrauheitswerte unter 1,5 µm gemessen.
• Mit einem Prüfwert von 2300 mm/min konnte oberhalb einer Schnittgeschwindigkeit von 300 m/min eine nahezu konstante Oberflächenqualität beobachtet werden.
• Bei Vorschüben von 3400 und 4500 mm/min ist grob gesagt ein linearer Abfall mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit zu beobachten.

Entwicklung der Oberflächenrauheit der EN AW 2017-Legierung mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit

Als nächstes wurden die Werkstoffe EN AW 5083 und 5754 der Serie 5 im Vergleich zueinander geprüft.

• Die beste erreichte durchschnittliche Oberflächenrauheit liegt bei etwa 1 µm. Basierend auf Testdaten ist hierfür eine Schnittgeschwindigkeit von mindestens 370 m/min bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 1200 mm/min erforderlich, oberhalb derer sich die Oberflächenqualität nicht wesentlich ändert.
• Eine ähnliche Qualität kann auch bei nahezu verdoppeltem Vorschub (2300 mm/min) erreicht werden, wenn die Schnittgeschwindigkeit auf 410-420 m/min erhöht wird.
• Bei einem Vorschub von 3400 mm/min verbessert sich die Oberflächenqualität ab 280 m/min stetig mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit.

Entwicklung der Oberflächenrauheit von EN AW 5xxx-Legierungen mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit

Materialien der Serie 6

In diesen Fällen wurde bei der niedrigsten getesteten Vorschubgeschwindigkeit oberhalb einer Schnittgeschwindigkeit von 350 m/min nahezu die gleiche mittlere Oberflächenrauheit gemessen.

Bei einem Vorschub von 2300 mm/min zeigten sich günstigere Messwerte für den Werkstoff EN AW 6082, während beim Werkstoff EN AW 6061 mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit ab 400 m/min die mittlere Rautiefe ungewöhnlich abnahm.
Die beste Oberfläche wurde bei einem Vorschub von 2300 mm/min erreicht, die Messergebnisse lagen zwischen 360-390 m/min.

Bei Vorschubgeschwindigkeiten von 3400 und 4500 mm/min ergaben sich nahezu parallel zueinander verlaufende Kurven, mit dem einzigen Unterschied, dass bei 4500 mm/min ab einer Schnittgeschwindigkeit von 400 m/min nahezu identische Oberflächenrauigkeiten (~2 µm) zu beobachten sind.

Entwicklung der Oberflächenrauheit von EN AW 6xxx-Legierungen mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit

Legierungen der Serie 7

Bei den Werkstoffen EN AW7021, 7022, 7075 beträgt die mittlere Oberflächenrauheit ca. 1 µm bei einer Schnittgeschwindigkeit von 350 m/min und einem Vorschub von 1200 mm/min.

Durch Erhöhung des Vorschubs auf 2300 mm/min sinkt der mittlere Rauheitswert nahezu linear mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit bis 400–420 m/min, danach stabilisieren sich die Werte ebenfalls zwischen 1–1,5 µm.

Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 3400 mm/min entwickelten sich die Oberflächenqualitäten der Legierungen EN AW 7021 und 7022 ähnlich, der beste Wert wird zwischen 280-300 m/min erwartet, und über 400 m/min kann die mittlere Oberflächenrauheit als konstant angesehen werden.

Beim Werkstoff EN AW 7075 verbesserte sich die Oberflächenqualität nahezu linear mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit. Bei der höchsten getesteten Vorschubgeschwindigkeit von 4500 mm/min ist der bereits erwähnte lineare Abfall ebenfalls bei allen drei Legierungen zu beobachten.

Entwicklung der Oberflächenrauheit von EN AW 7xxx-Legierungen mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit

Zusammenfassung

Fasst man die in den obigen Absätzen untersuchten Werte zusammen, ergeben sich folgende Schnittparameter.

Zusammenfassend kann für alle Legierungen festgestellt werden, dass die beste Oberflächenqualität (~1 µm) im Bereich von 340-500 m/min und bei Parametern von 1200 mm/min erreicht wurde.

Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 420–500 m/min und einem Wert von 2300 mm/min wurden Oberflächenrauheiten zwischen ~1–1,5 µm gemessen.

Bei Vorschubgeschwindigkeiten von 3400 und 4500 mm/min lässt sich feststellen, dass bei fast allen Legierungen eine nahezu lineare Abnahme der mittleren Oberflächenrauheit mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit zu beobachten ist. Eine Ausnahme bilden hier die Werkstoffe EN AW 6061 und 6082, da hier bei einem Vorschub von 4500 mm/min ab 400 m/min eine nahezu konstante mittlere Rautiefe von ca. ~2 µm erzeugt wurde.

Die anhand des Experiments ermittelten und als optimal erachteten Werte sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst. (Die im Experiment verwendete Vorschubgeschwindigkeit wurde in Vorschub pro Zahn umgerechnet.)

Durch die Recherche kann ermittelt werden, welche Schnittparameter für welche Materialien geeignet sind und die Daten werden öffentlich zugänglich gemacht.

Messdaten