Zinklegierungsbearbeitung: Sorten, CNC-Techniken und -Praktiken

Zinklegierungen werden in zahlreichen Branchen für ihre Kombination aus Festigkeit, Duktilität, Korrosionsbeständigkeit und bemerkenswert hoher Bearbeitbarkeit geschätzt. Obwohl sie vor allem für den Einsatz im Druckguss bekannt sind, machen ihre hervorragenden Eigenschaften sie auch zu einer beliebten Wahl für hochpräzise Komponenten in kleinen Stückzahlen, die durch computergestützte numerische Steuerung (CNC) hergestellt werden. Das Verständnis der verschiedenen Sorten und die Anwendung bewährter Verfahren sind unerlässlich, um die einzigartigen Eigenschaften des Materials zu überwinden und eine fehlerfreie Endkomponente zu gewährleisten.

Zinklegierungssorten für die Bearbeitung

Die Zinklegierungsfamilie ist umfangreich, aber die am häufigsten in der CNC-Bearbeitung verwendeten Sorten sind die Zamak-Serie und die hochaluminiumhaltige ZA-Serie. Die richtige Auswahl der Legierung ist der erste kritische Schritt, da die mechanischen Eigenschaften und die Bearbeitbarkeit erheblich variieren.

• Zamak 3 (ASTM AG40A):Dies ist die Basis und die weltweit am häufigsten verwendete Zinklegierung. Sie bietet ein ausgezeichnetes Gleichgewicht an physikalischen und mechanischen Eigenschaften, wodurch sie sehr stabil und dimensionsstabil ist. Ihre hervorragende Fließfähigkeit und Gießbarkeit führen oft zu formnahen Teilen, aber sie lässt sich hervorragend für zusätzliche Merkmale und engere Toleranzen bearbeiten. Sie ist die bevorzugte Wahl, wenn allgemeine Festigkeit, Duktilität und Stabilität erforderlich sind.

• Zamak 5 (ASTM AC41A):Zamak 5 enthält einen höheren Kupferanteil als Zamak 3 und bietet eine höhere Festigkeit, Härte und Kriechfestigkeit. Obwohl es etwas weniger duktil ist als Zamak 3, macht seine verbesserte mechanische Leistung es für Teile geeignet, die eine höhere strukturelle Integrität und Haltbarkeit erfordern. Es bleibt gut bearbeitbar.

• ZA-8 (Zink-Aluminium-Legierung):Diese Legierung enthält etwa 8,4 % Aluminium. Sie ist bekannt für gute Festigkeit und Härte und liegt zwischen Zamak 3 und Zamak 5. Entscheidend ist, dass sie bei erhöhten Temperaturen eine bessere Leistung als die Zamak-Legierungen aufweist und ausgezeichnete Lagereigenschaften besitzt. Sie bietet eine sehr gute Bearbeitbarkeit und wird häufig für anspruchsvolle Funktionsteile verwendet.

• ZA-27 (Zink-Aluminium-Legierung):ZA-27 enthält etwa 27 % Aluminium und ist die stärkste der gängigen Zinklegierungen. Sie wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen maximale Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von größter Bedeutung sind. Obwohl sie immer noch bearbeitbar ist, machen der höhere Aluminiumgehalt und die erhöhte Härte sie abrasiver und etwas schwieriger zu bearbeiten als die Zamak-Legierungen, was robustere Werkzeugüberlegungen erfordert.

Herausforderungen und Überlegungen bei der CNC-Bearbeitung von Zinklegierungen

Trotz ihrer allgemein hohen Bearbeitbarkeitseinstufung stellen Zinklegierungen einige spezifische Herausforderungen dar, die CNC-Bediener bewältigen müssen:

• Gummiges Verhalten und Spanmanagement:Zinklegierungen sind relativ weich und duktil. Während der Bearbeitung kann das Material "gummig" oder "klebrig" werden und an der Schneidkante des Werkzeugs haften. Diese Tendenz zur Bildung einer Aufbauschneide (BUE) beeinträchtigt die Oberflächengüte, erhöht die Schnittkräfte und beschleunigt den Werkzeugverschleiß.

• Thermische Erweichung und niedriger Schmelzpunkt:Zinklegierungen haben einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (um $380^circtext{C}$ bis $420^circtext{C}$). Wärme, die während der aggressiven Bearbeitung erzeugt wird, kann zu thermischer Erweichung führen, was das gummige Verhalten verschlimmert und zu Maßungenauigkeiten oder Verformungen führen kann.

• Sprödigkeit (hochaluminiumhaltige Legierungen):Obwohl sie im Allgemeinen duktil sind, können einige hochaluminiumhaltige Zinklegierungen wie ZA-27 einen gewissen Grad an Sprödigkeit oder Ausbrüchen aufweisen, insbesondere wenn sie hohen Stoßkräften oder Hochgeschwindigkeits-Vorschub-Schnittkräften ausgesetzt sind.

Wesentliche CNC-Techniken und -Praktiken

Um Zinklegierungen erfolgreich zu bearbeiten und diese inhärenten Herausforderungen zu meistern, sind spezielle CNC-Techniken und Werkzeugmanagementpraktiken erforderlich.

Werkzeugauswahl und Geometrie:

• Schärfe ist der Schlüssel:Die wichtigste Praxis ist die Verwendung extrem scharfer Schneidwerkzeuge. Scharfe Kanten minimieren Reibung und Schnittkraft, wodurch die Tendenz des Materials, am Werkzeug zu haften, reduziert und die Bildung einer Aufbauschneide verhindert wird.

• Werkzeugmaterial:Hartmetallwerkzeuge werden oft wegen ihrer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit, thermischen Stabilität und Fähigkeit, eine scharfe Kante länger zu halten, bevorzugt. Schnellarbeitsstahl (HSS) kann für leichtere Schnitte verwendet werden, erfordert aber möglicherweise einen häufigeren Austausch aufgrund von schnellerem Verschleiß.

• Werkzeuggeometrie:Werkzeuge sollten ausreichend Spanwinkel und Freiwinkel aufweisen, um einen effizienten Spanfluss zu fördern und das Reiben zu minimieren. Hohe positive Spanwinkel werden empfohlen, um das Material sauber abzuschneiden, anstatt es zu schieben oder zu pflügen. Hochglanzpolierte oder beschichtete Nuten (z. B. poliertes Hartmetall) unterstützen zusätzlich die Spanabfuhr und verhindern das Anhaften.

Schnittparameter (Vorschübe und Drehzahlen):

• Mittlere bis hohe Schnittgeschwindigkeiten:Im Gegensatz zu einigen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt kann die Verwendung einer etwas höheren Schnittgeschwindigkeit bei Zink manchmal von Vorteil sein. Höhere Geschwindigkeiten können die Dauer, in der das Schneidwerkzeug mit dem Material in Kontakt ist, reduzieren, was zu einer besseren Wärmeableitung über die Späne und nicht in das Werkstück oder das Werkzeug führt.

• Optimierte Vorschübe und Zustellung:Die Vorschübe sollten großzügig genug sein, um sicherzustellen, dass das Werkzeug immer frisches Material schneidet und Späne abtrennt, anstatt nur zu reiben. Aggressive Zustellungen müssen jedoch sorgfältig gehandhabt werden, um eine übermäßige Wärmeentwicklung zu vermeiden, die zu thermischer Erweichung führt. Ein Gleichgewicht ist unerlässlich, um die Materialabtragung zu maximieren, ohne die Oberflächengüte oder die Dimensionsstabilität zu beeinträchtigen.

Kühlung und Schmierung:

• Flutkühlung ist entscheidend:Aufgrund des Risikos der thermischen Erweichung ist eine großzügige Kühlmittelzufuhr unerlässlich. Flutkühlung oder Hochvolumen-Nebelschmierung werden dringend empfohlen, um Wärme effektiv abzuleiten, die Schnittstelle zu schmieren und eine saubere Spanabfuhr zu fördern. Kühlmittel auf Wasserbasis werden häufig verwendet.

• Temperaturkontrolle:Das Hauptziel der Kühlung ist es, die Temperatur der Schnittzone niedrig zu halten und zu verhindern, dass das Material gummig wird und am Werkzeug haftet.

Oberflächenbearbeitung und Sekundäroperationen:

• Oberflächengüte:Zinklegierungen erhalten in der Regel eine sehr gute Oberflächengüte direkt von der CNC-Maschine aufgrund ihrer feinen Kornstruktur.

• Entgraten:Die Duktilität von Zink kann manchmal zur Bildung von Graten führen. Eine sorgfältige Auswahl der Werkzeuge und der Schnittrichtung, gefolgt von leichtem manuellem oder automatisiertem Entgraten, ist oft erforderlich.

• Beschichtungen:Zinklegierungsteile werden häufig galvanisiert (z. B. mit Kupfer, Nickel oder Chrom) oder pulverbeschichtet, um die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißeigenschaften zu verbessern oder ein gewünschtes ästhetisches Erscheinungsbild zu erzielen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die erfolgreiche CNC-Bearbeitung von Zinklegierungen davon abhängt, die Empfindlichkeit des Materials gegenüber Wärme und seine Tendenz zur Gummigkeit zu berücksichtigen. Durch die Auswahl der richtigen Zamak- oder ZA-Sorte, den Einsatz extrem scharfer Hartmetallwerkzeuge mit geeigneter Geometrie und die sorgfältige Handhabung der thermischen Bedingungen durch effektive Flutkühlung können Hersteller die hohe inhärente Bearbeitbarkeit von Zink nutzen, um komplizierte, hochpräzise Komponenten zuverlässig und effizient herzustellen. Zinklegierungen sind nach wie vor ein Eckpfeilermaterial in der Präzisionsfertigung in großen Stückzahlen, insbesondere wenn der Druckguss allein die von modernen technischen Standards geforderten engen Toleranzen nicht erreichen kann.