Häufige Probleme und Lösungsmethoden bei der Bearbeitung von Aluminiumteilen beim NC-Drahterodieren

Bei der CNC-Bearbeitung von Aluminiumteilen treten häufig Probleme wie starker Verschleiß, Kurzschlüsse, Leiterbahnbrüche, Leiterbahnverzerrungen und Werkstückverformungen auf, was zum Aussortieren einiger Produkte führt. Basierend auf langjähriger Erfahrung fasst der Autor die wichtigsten technischen Probleme in der Bearbeitungspraxis zusammen.
Erstens, das Problem, dass beim Drahtschneiden Aluminiumteile leicht brechen.
Der Grund, warum das mit einem Draht durchtrennte Aluminiumstück leicht bricht
Beim Schneiden von Aluminiumdraht ist die Spanabfuhr aufgrund der Materialweichheit schwierig. Aluminium bildet bei hohen Temperaturen leicht einen harten Film, wodurch sich große Mengen an Aluminiumoxid oder Aluminiumspänen am Molybdändraht festsetzen. Beim Kontakt des Molybdändrahts mit den Zuführblockteilen entstehen schnell Schleifrillen. Weiches Aluminium und hartes Schleifmittel vermischen sich, füllen die Rillen und führen beim Einbringen in die Rillen zu deren Zerstörung und zum Abriss des Drahtes.
2 Lösungen
Das Problem des Molybdändrahtes am Vorschubblock besteht darin, dass bei der Einstellung der Vorschubblockposition des Drahtrahmens der Verschleiß des Vorschubnutblockes verhindert wird, was zu geringer Effizienz, mehrfachem Schneiden der Bearbeitungsfläche, was zu einer Verschlechterung der Materialqualität und zu Drahtbruch führt.
Bei Materialdicken über 40 mm wird der Zuführblock nach 3–4 Stunden Bearbeitungszeit leicht gedreht (siehe Abb. 1b). Die erste Drehrichtung entspricht der in Abb. 1a dargestellten, nach 8 Stunden Bearbeitungszeit wird der Zuführblock erneut in die in Abb. 1b dargestellte Richtung gedreht. Dadurch wird die Position des Zuführblocks nach jeder 8-stündigen Bearbeitung angepasst, um die Wahrscheinlichkeit eines Drahtbruchs zu verringern. Die Praxis zeigt, dass sich die Bearbeitungskosten durch diese Methode deutlich reduzieren und die Wirtschaftlichkeit verbessern lässt. Der Abstand zwischen Zuführblock und Elektrodendraht beträgt üblicherweise 0,5–1 mm. Sobald an drei Punkten einer Seite Nuten geschnitten sind, wird der Zuführblock um 90 Grad gedreht usw., bis alle vier Seiten Nuten geschnitten sind. Anschließend kann nahe der Probenlinie der Seitenauflage eine 1–2 mm dicke Dichtung angebracht werden. Durch Verschieben des Zuführblocks nach links wird die Position angepasst, was einem neuen Zuführblock entspricht und Produktionskosten spart.
Beispiel: Jedes Aluminiumblech ist 2 mm dick, insgesamt werden 8 Bleche gleichzeitig bearbeitet. Die Justierung der Kontaktfläche des Zuführblocks dauert ca. 8 Stunden. Bei einer täglichen Bearbeitungsdauer von 8 Stunden kommt es bis zum sechsten Tag zu Drahtbrüchen. Anschließend wird der Durchmesser des mit einem Mikrometer gefertigten Molybdändrahts auf nur 0,125 mm reduziert (ursprünglich 0,18 mm). Durch eine präzise Anpassung der Zuführblockposition lässt sich das Problem der Drahtbrüche am Zuführblock vermeiden.

Selbstverständlich muss beachtet werden, dass bei relativ hohen Anforderungen an die Werkstückgenauigkeit der Durchmesser des Molybdändrahtes gemessen und der Kompensationsbetrag rechtzeitig angepasst werden muss, um die Einhaltung der Genauigkeitsanforderungen zu gewährleisten.

Zweitens, Verformung des Werkstücks
1 Grund für die Verformung des Werkstücks
Bei der Herstellung von Werkstückrohlingen, der Bearbeitung und Wärmebehandlung kommt es zu ungleichmäßiger Erwärmung, inneren Kräften und Verformungen, die zu inneren Eigenspannungen führen. Unter Bedingungen, die über einen gewissen Zeitraum ohne äußere Einflüsse ausgeglichen sind, ist die Spannungsverteilung relativ ausgeglichen. Beim Drahterodieren (WEDM) hingegen, wo das Werkstückmaterial durch zahlreiche Schnitte und Abtrennungen verändert wird, kann sich die Spannungsverteilung ebenfalls verändern. Mit der Zeit gleichen sich die Spannungen allmählich aus, was zu Verformungen des Werkstücks führt. Dieses Verformungsphänomen ist bei Aluminiumlegierungen besonders ausgeprägt.
2 Lösungen
(1) Vor der ersten Wärmebehandlung der beanspruchten Teile erfolgt ein Schneideprozess, um innere Spannungen abzubauen und so eine starke Verformung zu vermeiden und die Bauteilmaße zu stabilisieren. Selbstverständlich variieren die Bearbeitungsverfahren je nach Material.
(2) Bei der Bearbeitung von Außenkonturen kann üblicherweise nicht durch ein Drahtloch von der Rohlingsseite aus geschnitten werden (siehe Abbildung 2a). Dieses Verfahren birgt ein hohes Bruchrisiko, da sich der Rohling nach der Spannungsentlastung verformt, was die Bearbeitungsgenauigkeit verringert. Um Verformungen während der Produktion zu vermeiden oder zu reduzieren, kann das Verfahren des Durchschneidens durch ein Drahtloch angewendet werden, um die grobe Kontur des geschlossenen Werkstücks zu erhalten (siehe Abbildung 2b). Dadurch lassen sich Spannungen und Verformungen im Bearbeitungsprozess minimieren.
(a) Außenschnitt (b) zum Durchspielen durch die Drahtlochbearbeitung
(3) Bei der Verwendung des Zweischnittverfahrens zur Erzielung einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit der Teile ist es am besten, das Zweischnittverfahren anzuwenden.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird ein Werkstück mit einem V-förmigen Eisenclip an einem Ende (8 mm Durchmesser) befestigt, während das andere Ende aufgehängt ist. Nach der Mikrometermessung und der anschließenden Bearbeitung beträgt der Bearbeitungsdurchmesser im Bereich des V-Clips 2,00 mm, während der Bearbeitungsdurchmesser am anderen Ende nur 1,86 mm beträgt. Es handelt sich um einen Online-Schneidprozess, da durch das Schneiden des Werkstückmaterials die Spannungsverteilung und damit die Verformung des Werkstücks verändert wird.
Das verbesserte Bearbeitungsverfahren besteht darin, die Dicke des ersten Zwischenbearbeitungsschritts von 2 mm auf 2,4 mm zu erhöhen und an der ersten Schnittseite einen Rand von 0,2 mm zu lassen (bei einem Molybdändraht mit 0,18 mm Durchmesser wird die Vorbearbeitung zu schnell durchgeführt). Nach dem ersten Schnittvorgang wird der Rohling durch innere Spannungen spannungsfrei gemacht und ein neues Gleichgewicht erreicht. Anschließend erfolgt die zweite Nachbearbeitung mit einer Endabmessung von 1,99 mm, um die geforderte Größe zu prüfen.
Drittens, Aluminiumteile neigen beim Schneiden zu Kurzschlüssen und Leiterbahnverzerrungen.
1. Analyse der Ursachen des Problems
Bei der täglichen Bearbeitung ist das Schneiden großer Werkstückdicken schwierig, da die Bedingungen der Funkenerosion begrenzt sind, die Werkstückdicke bis zu einem gewissen Grad nicht ausreicht, um ausreichend Kühlmittel in das Werkstück zu bringen, und die Spaltbildung von Funkenerosionsprodukten normalerweise nicht ausgeschlossen werden kann, ist die Bearbeitung nicht stabil, und es kommt zu keinem Stromfluss, bis ein Entladungskurzschluss auftritt. Beim Schneidprozess von Aluminium tritt dieses Phänomen besonders häufig auf.
Üblicherweise verfügen Schneidemaschinen ab Werk über eine Kurzschlussschutzfunktion. Bei einem Kurzschluss stoppt der Maschinentisch sofort und bleibt in dieser Position, um die Bearbeitung fortzusetzen. Bei der Bearbeitung von Aluminium, das weich und leicht ist und sich daher schwer zerkleinern lässt, kann es vorkommen, dass nach einem Kurzschluss die Entladungsstelle im Bearbeitungsbereich auf den Zuführblock übergeht. Dieser wird durch Funkenentladung mit dem Molybdändraht beaufschlagt. Obwohl zwischen Werkstück und Drahtelektrode ein Kurzschluss besteht, ist der Entladungszustand der Maschine normal. Daher greift der Kurzschlussschutz der Maschine nicht ein, und die Maschine bearbeitet das Werkstück gemäß den normalen Verfahren. Die Entladung führt dazu, dass das Werkstück durch die weiche Aluminiumnut des Molybdändrahts nicht die gewünschte Form und Größe erreicht. Dies verursacht eine Verformung der Schnittspur und somit Ausschuss. Abbildung 4 zeigt die Bearbeitungsvorrichtung und die ersten beiden Bearbeitungsschritte mit Verformung der Schnittspur und Ausschuss.
2 Lösungswege
(1) Zunächst müssen die Prozessparameter für unterschiedliche Materialstärken optimiert werden, indem unterschiedliche Drahtschneidparameter eingestellt werden. Zahlreiche Versuche haben gezeigt, dass bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen eine Reduzierung der Impulsbreite sinnvoll ist. Durch die geringere Impulsbreite sinkt die Einzelimpulsenergie, die Entladungsspur wird kleiner, und es können Größe und Anzahl der Aluminiumoxidpartikel sowie der Verschleiß des Vorschubblocks reduziert werden. Im Vergleich dazu fördert ein größerer Impulsabstand den Spanabtransport, reduziert die Drahtverklebung, verbessert die Schnittstabilität und die Oberflächenrauheit des Werkstücks. Ist der Impulsabstand zu klein, können Entladungsprodukte entstehen, und die Ionisierung wird nicht ausreichend eliminiert, was zu einem instabilen Bearbeitungsprozess und leicht zu Drahtbruch oder Schnittspurverformungen führen kann.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Systems ist geringer als die tatsächliche Korrosionsrate des Werkstücks, der Bearbeitungszustand ist offen und die Schnittgeschwindigkeit niedrig. Da der Schmelz- und Siedepunkt der Aluminiumlegierung niedrig sind, erhöht sich die Menge der Entladungsenergie, und der Entladungsspalt ist groß. Aufgrund des Entladungsspalts kann die Impulsspannung nicht rechtzeitig zwischen dem flüssigen Medium durchschlagen, was die Impulsausnutzung stark reduziert. Gleichzeitig führt ein zu großer Abstand zwischen den Drahtelektroden zu einer Amplitudenerhöhung, wodurch der Prozess instabil wird und sogar Drahtbrüche auftreten können. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit die tatsächliche, mögliche Erosionsgeschwindigkeit des Systems (auch als Nachführ- oder Nachführvorschub bezeichnet) übersteigt, besteht Kurzschlussgefahr. Der tatsächliche Vorschub und die Schnittgeschwindigkeit sinken dadurch, jedoch wird das Aluminium nicht durch elektrische Erosion abgetragen, was zu Drahtbrüchen und Kurzschlüssen führt. Daher ist eine sinnvolle Einstellung des Frequenzumrichters erforderlich, um einen besseren Bearbeitungszustand zu erreichen. Die gesamte Regelungsschaltung des Frequenzumrichters verfügt über zahlreiche Einstellmöglichkeiten, die größtenteils im Schaltschrank der Werkzeugmaschine installiert sind und im Allgemeinen nicht verändert werden sollten. Auf dem Bedienfeld der Konsole befindet sich ein Drehknopf, der je nach den spezifischen Gegebenheiten in der richtigen Position betätigt werden kann, um sicherzustellen, dass die Messwerte des Strommessers, des Spannungsmessers und das Zittern des Molybdändrahts gering sind und die Verarbeitung im optimalen Tracking-Zustand erfolgt.
Bei der Bearbeitung dicker Werkstücke, insbesondere zu Beginn (5 mm), ist es aufgrund der leichten Vibration des Elektrodendrahts und der hohen Konzentration der Kühlflüssigkeit ratsam, die Einzelpulsenergie zu erhöhen und das Pulsintervall zu verlängern. Das Verhältnis von Pulsbreite zu Pulsintervall sollte mindestens 1:8 betragen, um sicherzustellen, dass die Einzelpulsenergie ausreicht und die elektrische Erosion innerhalb eines ausreichend langen Zeitintervalls verhindert wird. Gleichzeitig sollte der Bearbeitungsstrom auf unter 2 A reduziert werden. Sobald die Bearbeitung stabil ist, kann das Pulsintervall entsprechend verringert und der Bearbeitungsstrom auf ca. 3 A und die Spannung auf ca. 75 V erhöht werden. Der mittlere Entladungswert des Molybdändrahts wird nicht erhöht, die Fähigkeit zur Funkenbildung jedoch verbessert und die Explosionskraft des Funkens verstärkt. Daher sollten die elektrischen Parameter entsprechend angepasst werden, um eine instabile Bearbeitung und eine verminderte Qualität der bearbeiteten Teile zu vermeiden.
Die Anforderungen an Schnittgeschwindigkeit und Oberflächenrauheit sind die beiden technologischen Kennzahlen. Um die Anforderungen an die Oberflächenrauheit zu erfüllen, ist es notwendig, eine hohe Schnittgeschwindigkeit anzustreben.
(2) Bei der Bearbeitung dicker Werkstücke ist der Entladungsspalt ungeeignet. Ist er zu klein, besteht Kurzschlussgefahr, die Kühlung wird beeinträchtigt und Korrosion begünstigt. Ist der Entladungsspalt hingegen zu groß, verschlechtert sich die Oberflächenrauheit und die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Beim Schneiden dicker Werkstücke empfiehlt sich die Verwendung eines Molybdändrahts mit größerem Durchmesser und größerer Impulsbreite. Dadurch vergrößert sich der Entladungsspalt, die Spanabfuhr wird verbessert und die Schnittstabilität erhöht.
(3) Die Kühlmittelreinheit ist zu gewährleisten und das Kühlmittel rechtzeitig zu erneuern. Verunreinigungen und Rückflusskühlmittel sind mithilfe eines Filters aus dem Kühlwasser zu entfernen. Anschließend wird am Kühlmittelauslass eine Schicht adsorbiertes Kühlwasser aufgetragen, was eine sehr gute Wirkung erzielt. Um die Spanabfuhr zu verbessern und ein Verstopfen der Bearbeitungsspur zu verhindern, können dem Kühlwasser Reinigungsmittel und Seifenblöcke zugesetzt werden. Dies verbessert die Reinigungsleistung, erhöht die Spanabfuhr und optimiert die Spanabfuhr. Gleichzeitig ist die Position des Rotationsvorschubblocks rechtzeitig anzupassen oder ein neuer Vorschubblock auszutauschen. Die Späne sind stets am Zuführpunkt zu entfernen. Der Vorschubblock muss einen guten Kontakt zum Molybdändraht aufweisen, um ein Austreten von Spänen zu verhindern. Dadurch wird ein Verformen durch Werkstückabrieb an der Bearbeitungsspur effektiv vermieden.
Viertens, die Schlussfolgerung
Die Analyse des tatsächlichen Betriebs der Schneidlinie in der Aluminiumverarbeitung zeigt, dass leicht Aluminiumoxidpartikel entstehen, was zu Leitfähigkeitsverlusten, Verschleiß des Vorschubblocks, Drahtbrüchen und Kurzschlüssen führt. Diese Probleme beeinträchtigen die Bearbeitungsqualität und -effizienz erheblich. Die beschriebenen Probleme und Lösungen wurden in der Praxis zusammengefasst. Die vorgestellten Methoden und Maßnahmen sind praktikabel und umsetzbar und verbessern die Qualität des Drahterodierprozesses, indem sie Drahtbrüche, Kurzschlüsse und Schnittbahnverformungen an Aluminiumteilen reduzieren.