Weißbuch über die Technologie zur Verarbeitung von Präzisionsaluminiumlegierungen

Industrieller Hintergrund und handwerklicher Wert

In der High-End-Fertigung sind Leichtbau, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit zu den wichtigsten Entwicklungsrichtungen geworden. Aluminiumlegierung, mit seiner geringen Dichte (ca. 2,7 g/cm³, nur ein Drittel der Dichte von Stahl), seiner hohen spezifischen Festigkeit, seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner ausgezeichneten thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und seiner guten Rezyklierbarkeit hat sich zu einem wichtigen Werkstoff in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, neue Energiefahrzeuge, Elektronik und Präzisionsinstrumente. Da die nachgelagerten Industrien immer höhere Anforderungen an die Maßgenauigkeit (z. B. Toleranzen im Mikrometer- bis Nanometerbereich), die Oberflächenqualität (Rauheit Ra ≤ 0,02 μm) und die Fähigkeit, komplexe Strukturen zu formen, stellen, hat sich die Verarbeitung von Präzisionsaluminiumlegierungen von der traditionellen mechanischen Verarbeitung zu einem “hochpräzisen, intelligenten und umweltfreundlichen” Ansatz entwickelt. Das technologische Niveau bestimmt direkt die Leistung und die Wettbewerbsfähigkeit von High-End-Geräten.

Materialeigenschaften von Präzisionsaluminiumlegierungen und Anpassungsfähigkeit bei der Verarbeitung

Die Präzisionsbearbeitung von Aluminiumlegierungen erfordert zunächst eine Klärung der Auswirkungen der Materialeigenschaften auf den Prozess:

1. Physikalische Eigenschaften: Aluminiumlegierungen haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit (etwa 100-250 W/(m-K)). Während der Bearbeitung wird die Wärme leicht auf das Werkzeug und das Werkstück übertragen, was zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und thermischer Verformung des Werkstücks führen kann. Gleichzeitig führt der niedrige Elastizitätsmodul (ca. 70 GPa) leicht zu einer plastischen Verformung beim Spannen, was optimierte Spannlösungen erfordert.
2. Mechanische Eigenschaften: Verschiedene Serien von Aluminiumlegierungen (z. B. die 6er-Serie (Al-Mg-Si) und 7er-Reihe (Al-Zn-Mg-Cu)) weisen erhebliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften auf. Aluminiumlegierungen der 6er-Reihe bieten eine hervorragende Plastizität und Bearbeitbarkeit, wodurch sie sich für die Bearbeitung komplexer Strukturteile eignen. Aluminiumlegierungen der 7er-Serie weisen eine hohe Festigkeit auf (Zugfestigkeit über 600 MPa), aber auch eine hohe Schnittfestigkeit, die eine gezielte Werkzeugauswahl und Schnittparameter erfordert.
3. Chemische Eigenschaften: Aluminiumlegierungen reagieren leicht mit Sauerstoff und bilden eine Oxidschicht (Al₂O₃), die eine höhere Härte als das Substrat aufweist (HV ca. 1500). Dies kann bei der Bearbeitung leicht zu “Kantenausbrüchen” des Werkzeugs führen. Die Oxidschicht muss in der Vorbehandlungsphase entfernt werden, und es müssen verschleißfeste Werkzeuge ausgewählt werden.

Auf der Grundlage der oben genannten Merkmale, Präzisionsbearbeitung muss die Prozessroute auf die drei Hauptziele “Kontrolle der Verformung, Verbesserung der Präzision und Verringerung der Verluste” ausgerichtet werden.

Präzisionstechnologie für die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen

Vorbehandlungsverfahren

1. Wärmebehandlung: Durch Lösungsbehandlung (Erhitzen der Aluminiumlegierung auf 500-550°C, Halten und schnelles Abkühlen mit Wasser) und Alterungsbehandlung (Halten bei 120-180°C für mehrere Stunden) werden die Härte und Zähigkeit des Materials angepasst. So kann beispielsweise die Aluminiumlegierung 7075 nach einer T6-Behandlung eine Härte von HV150-180 erreichen, die den Bearbeitungsanforderungen entspricht und gleichzeitig die Festigkeit des Endprodukts gewährleistet.
2. Vorbehandlung der Oberfläche: Chemische Reinigung (z.B. Salpetersäure-Flusssäure-Gemisch) zur Entfernung von Oxidschichten und Ölflecken, um zu verhindern, dass Verunreinigungen während der Bearbeitung die Präzision beeinträchtigen; bei komplexen Strukturteilen ist ein Spannungsabbau erforderlich (z.B. Spannungsabbau-Glühen bei niedriger Temperatur, Warmhalten bei 120-150 °C für 2-4 Stunden), um die Verformung nach der Bearbeitung zu verringern.

Schneidevorgang

1. Präzisionsdrehen und -fräsen: Verwenden Sie hochpräzise CNC-Werkzeugmaschinen (Positioniergenauigkeit ≤ 0,001 mm) mit Hartmetallwerkzeugen (wie WC-Co-Legierung) oder Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (CBN). Die Schnittparameter müssen dynamisch optimiert werden: Bei Aluminiumlegierungen der 6er-Serie kann die Schnittgeschwindigkeit auf 300-500 m/min, der Vorschub auf 0,1-0,2 mm/r und die Hinterschnitttiefe auf 0,5-1 mm eingestellt werden. Bei hochfesten Aluminiumlegierungen der 7er-Serie sollte die Schnittgeschwindigkeit auf 200-300 m/min reduziert und die Werkzeugkühlung (z. B. Ölnebelschmierung) erhöht werden, um ein Verkleben des Werkzeugs zu verhindern.
2. Ultrapräzisionsschleifen: Für hochpräzise flache oder zylindrische Oberflächen (Toleranz ≤ 0,0005 mm) werden ultraharte Schleifscheiben (z. B. Diamantscheiben) in Kombination mit konstantem Schleifdruck und Online-Erkennungstechnologie verwendet. Zum Beispiel für Lagersitze aus Aluminiumlegierung für die Luft- und Raumfahrt, Die Oberflächenrauhigkeit Ra ≤ 0,01μm wird durch Schleifscheibengeschwindigkeiten von 8.000-12.000 U/min und Mikrovorschub-Schleiftiefen von 5-10μm erreicht, während Geometrie- und Positionsfehler innerhalb von 0,001 mm kontrolliert werden.
3. Fünf-Achsen-Bearbeitung: Für komplexe gekrümmte Teile (wie z. B. Motorgehäuse von Fahrzeugen mit neuer Energietechnik und Schaufeln von Flugzeugtriebwerken) wird ein fünfachsiges CNC-Bearbeitungszentrum wird verwendet, um die Bearbeitung mehrerer Flächen in einer Aufspannung zu erreichen, was die Aufspannfehler reduziert (typischerweise um 30%-50%). Während der Bearbeitung werden die Werkzeugwege mit Hilfe von CAM-Software optimiert, um Werkzeuginterferenzen zu vermeiden. Die adaptive Vorschubsteuerung wird auch verwendet, um die Parameter in Echtzeit auf der Grundlage der Schnittlast anzupassen, um die Bearbeitungsstabilität zu gewährleisten.

Verfahren zum Gießen

1. Präzisionsdruckguss: Geeignet für große, komplexe Strukturteile (z. B. Kühlkörper für 5G-Basisstationen). Es wird die Vakuumdruckgusstechnologie (Vakuumgrad ≤ 50 mbar) verwendet, um die interne Porosität im Gussteil zu reduzieren (Porosität ≤ 1%). Anschließend wird es einer T6-Wärmebehandlung unterzogen und mit einer Maßtoleranz von ±0,05 mm präzisionsgeschnitten und endbearbeitet.
2. Strangpressen: Profile werden extrudiert durch Präzisionswerkzeuge (Toleranz ≤ 0,02 mm) und anschließend durch Ziehen gerichtet (Geradheit ≤ 0,1 mm/m). Diese werden für hochpräzise Führungsschienen oder Rahmenteile verwendet. Beispielsweise können Führungsschienen aus Aluminiumlegierungen für elektronische Geräte nach dem Strangpressen, Ziehen und Fräsen eine Geradheit von 0,05 mm/m erreichen und erfüllen damit die Anforderungen an die Gleitgenauigkeit.
3. 3D-Druck (additive Fertigung): Für Kleinserien von Teilen mit komplexer Topologie (z. B. leichte Halterungen für die Luft- und Raumfahrt), Selektives Laserschmelzen (SLM) verwendet, wobei Aluminiumlegierungspulver (Partikelgröße 15-53μm) als Rohmaterial, eine Laserleistung von 200-400 W, eine Scangeschwindigkeit von 800-1200 mm/s und eine Formgenauigkeit von bis zu ±0,1 mm verwendet werden. Die anschließende Behandlung durch heißisostatisches Pressen (Temperatur 500-550 °C, Druck 100-150 MPa) beseitigt interne Defekte und verbessert die mechanischen Eigenschaften.

Verfahren zur Oberflächenbehandlung

1. Eloxieren: In einem schwefelsauren Elektrolyten (Konzentration 15%-20%), mit einer Aluminiumlegierung als Anode, die Elektrolyse durchgeführt wird bei einer Gleichspannung von 10-20 V, um eine 5-20 μm dicke Oxidschicht (Al₂O₃) mit einer Härte von HV300-500 zu bilden, die die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessert und sich für Gehäuse für elektronische Geräte und Präzisionsinstrumententafeln.
2. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD): Mit Hilfe der Magnetron-Sputter-Technologie werden harte Beschichtungen wie TiN und CrN auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung abgeschieden (Dicke 2-5μm). Die Oberflächenhärte kann HV1500-2000 erreichen, und der Reibungskoeffizient ist auf unter 0,2 reduziert. Es eignet sich für hochbelastete Präzisionsteile (z. B. Lager und Zahnräder).
3. Chemische Umwandlungsbeschichtung: Durch die Behandlung mit Chromat oder chromfreier Konversionslösung (z. B. Zirkonat) wird ein 1-3μm dicker Konversionsfilm gebildet, der die Haftung nachfolgender Beschichtungen verbessert. Sie wird häufig für den Bodenschutz von Teilen der Luft- und Raumfahrt verwendet.

Wichtige technische Herausforderungen und Lösungen

Kontrolle der Verformung

Herausforderungen: Die Aluminiumlegierung hat einen niedrigen Elastizitätsmodul, und die Schnitt- und Spannkräfte können leicht eine Verformung des Werkstücks verursachen. Die Wärmeleitung ist schnell, und die Verarbeitungswärme kann leicht zu einer thermischen Verformung führen (zum Beispiel übersteigt der Ebenheitsfehler von dünnwandigen Teilen nach der Bearbeitung 0,02 mm).

Lösungen: 1. Verwenden Sie flexible Spannvorrichtungen (z. B. Vakuumsauger und elastische Spannvorrichtungen), um die Spannkraft zu reduzieren; 2. optimieren Sie die Schnittparameter und verwenden Sie Hochgeschwindigkeits- und Leichtschnittverfahren (geringe Rückschnitttiefe und hoher Vorschub), um die Schnittwärme zu reduzieren; 3. führen Sie eine Verarbeitungsumgebung mit konstanter Temperatur ein (Temperaturschwankungen ≤±0,5 °C) und kombinieren Sie sie mit einer Online-Temperaturüberwachung, um thermische Verformungen in Echtzeit zu kompensieren; 4. verwenden Sie bei komplexen dünnwandigen Teilen ein “schrittweises Verarbeitungs- und Spannungsabbauverfahren”, bei dem alle 1-2 Verarbeitungsschritte eine Niedertemperatur-Spannungsabbaubehandlung durchgeführt wird.

Gewährleistung von Genauigkeit und Stabilität

Herausforderungen: Werkzeugverschleiß (z.B. bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen der 7er-Reihe mit Hartmetallwerkzeugen ist die Verschleißrate 2-3 mal höher als bei der Bearbeitung von Stahl) und thermische Drift der Werkzeugmaschine (die Positioniergenauigkeit sinkt nach Langzeitbearbeitung um 0,002-0,003 mm) können leicht zu Genauigkeitsschwankungen führen.

Lösung: 1. Wählen Sie Spezialwerkzeuge (z. B. ultrafeinkörnige Hartmetallwerkzeuge und diamantbeschichtete Werkzeuge), um die Lebensdauer der Werkzeuge zu verlängern. 2. Online-Überwachung des Werkzeugverschleißes (z. B. durch Schallemissionssensoren und Kraftsensoren), um die Werkzeuge automatisch zu wechseln, wenn die Verschleißgrenze erreicht ist. 3. Durchführung einer thermischen Fehlerkompensation an Werkzeugmaschinen. Einsatz von Temperatursensoren zur Erfassung der Temperaturen von Schlüsselkomponenten (Spindeln und Führungen), Erstellung eines thermischen Fehlermodells und Korrektur der Koordinaten in Echtzeit. 4. Einführung eines Bearbeitungssystems mit geschlossenem Regelkreis, das mit einem Laserinterferometer und einer dreidimensionalen Koordinatenmessmaschine für die Online-Kontrolle ausgestattet ist, und automatische Anpassung Bearbeitungsparameter wenn die Genauigkeit die Toleranzen überschreitet.

Grüne Transformation der Verarbeitung

Herausforderungen: Herkömmliche Schneidflüssigkeiten (z. B. Emulsionen) werden in einer Menge von 10-20 l/h verwendet, was leicht zu Umweltverschmutzung führen kann. Die Recyclingrate von Verarbeitungsabfällen ist gering (ca. 70%), was zu einer erheblichen Verschwendung von Ressourcen führt.

Lösungen: 1. Förderung des Trockenschneidens und der Minimalmengenschmierung (MMS), wobei nur 0,05-0,5 l/h MMS verwendet werden, um die Verschmutzung der Schneidflüssigkeit zu reduzieren. 2. Verwenden Sie umweltfreundliche Kühlschmierstoffe (z. B. Kühlschmierstoffe auf Pflanzenbasis) mit einer biologischen Abbaubarkeit von ≥90%. 3. Einrichtung eines Abfallrecyclingsystems. Verarbeitungsabfälle werden sortiert, geschmolzen, gereinigt (die Reinheit kann über 99,5% erreichen) und dann wieder pulverisiert oder in Barren gegossen, wodurch die Rückgewinnungsrate auf über 95% erhöht wird.

Anwendungsszenarien und Fälle von Prozessanpassungen

1. Luft- und Raumfahrt: Flugzeugfahrwerksteile (7075-Aluminiumlegierung) werden in einem Verfahren namens “Lösungsalterung → Fünf-Achsen-Fräsen (Genauigkeit ±0,005 mm) → Ultrapräzisionsschleifen → PVD-Beschichtung” hergestellt, um Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Die Satellitenhalterungen (6061er Aluminiumlegierung) werden mittels SLM-3D-Druck geformt und anschließend mit HIP-Behandlung und Präzisionsfräsen bearbeitet, um ein geringes Gewicht (30% Gewichtsreduzierung) und hohe Präzision (Toleranz ±0,1 mm) zu erreichen.
2. Bereich Fahrzeuge mit neuer Energie: Die Batterieträger (6082 Aluminiumlegierung) haben das “Präzisionsstrangpressen → Laserschweißen → CNC-Fräsen (Ebenheit ≤ 0,05 mm) → Eloxieren”, um die Anforderungen an das Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit zu erfüllen; Motorrotoren (Aluminiumlegierung 2024) verwenden Ultrapräzisionsdrehen (Rundheit ≤ 0,001 mm) und dynamischer Auswuchtung, um die Stabilität bei hohen Drehzahlen zu gewährleisten.
3. Elektronischer Informationsbereich: 5G-Basisstationsfilter (5052-Aluminiumlegierung) werden im “Präzisionsdruckgussverfahren (Vakuumgrad ≤ 30mbar) → T6-Wärmebehandlung → CNC-Bohrung (Öffnungstoleranz ±0,01mm) → Oberflächenversilberung” hergestellt, um eine verbesserte Signalübertragungseffizienz zu erreichen; Laptop-Computergehäuse (6063-Aluminiumlegierung) werden “Strangpressen → Ziehen → CNC-Fräsen (dünne Wandstärke 0,5mm, Toleranz ±0,02mm) → Eloxieren (Oxidschichtdicke 10μm)”, um sowohl Leichtigkeit als auch Ästhetik zu erreichen.

Entwicklungstrends und künftige Richtungen

1. Intelligentes Upgrade: Einführung in das industrielle Internet und KI-Technologien um eine digitale Verwaltung und Steuerung des gesamten Bearbeitungsprozesses zu erreichen. So werden beispielsweise KI-Algorithmen zur Optimierung der Schnittparameter eingesetzt (Steigerung der Effizienz um 20%-30%), und die digitale Zwillingstechnologie wird zur Simulation des Bearbeitungsprozesses und zur Vorhersage von Prozessrisiken im Voraus verwendet.
2. Durchbruch bei der Ultrapräzisionsbearbeitung: Erforschung und Entwicklung von Bearbeitungstechnologien im Nanobereich, wie z. B. Atomkraft- und Ionenstrahlbearbeitung, um eine Oberflächenrauheit von Ra ≤ 0,005 μm bei Aluminiumlegierungen zu erreichen, die den Anforderungen von Ultrapräzisionsbereichen wie Quantengeräten und optischen Komponenten entsprechen.
3. Integration von Verbundprozessen: Entwicklung einer “additiven + subtraktiven” Verarbeitung von Verbundwerkstoffen (z. B. SLM + integriertes Fräsverfahren mit fünf Achsen) zur Herstellung von komplexe Strukturteile in einem Schritt, Verbesserung der Verarbeitungseffizienz um 40% und Verringerung der Präzisionsschwankungen um 50%; Erforschung von kontinuierlichen Prozessen “Schneiden + Oberflächenbehandlung” zur Verringerung von Prozessumwandlungsfehlern.
4. Gemeinsame Innovation bei Materialien und Verfahren: Entwicklung spezieller Aluminiumlegierungen (z. B. hochtemperaturbeständige Aluminiumlegierungen und Aluminiumlegierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit) für bestimmte Szenarien bei gleichzeitiger Optimierung der Verarbeitungstechniken. Zum Beispiel, entwickeln keramische Werkzeuge und Hochtemperaturschneidverfahren, die für Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen geeignet sind, um die Anwendung von Aluminiumlegierungen in Hochtemperaturkomponenten von Flugzeugtriebwerken zu erweitern.

Abschließende Überlegungen

Die Präzisionsverarbeitung von Aluminiumlegierungen ist eine der wichtigsten Technologien für die High-End-Fertigung. Ihre Entwicklung muss sich auf drei Schlüsselthemen konzentrieren: Präzisionsverbesserung, Effizienzoptimierung und grüne Transformation. Durch eine tiefgreifende Anpassung von Materialeigenschaften und Prozessen, Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien und intelligente Upgrades wird sie den sich wandelnden Anforderungen der nachgelagerten Industrien gerecht. Durch die integrierte Anwendung interdisziplinärer Technologien (wie KI, digitale Zwillinge und neue Werkstoffe) wird sich die Verarbeitung von Präzisionsaluminiumlegierungen in Zukunft in Richtung höherer Präzision, höherer Effizienz und größerer Nachhaltigkeit bewegen und der Entwicklung der globalen High-End-Fertigungsindustrie einen stärkeren Impuls verleihen.

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