Neue Entwicklungen in der Schleiftechnik für Aluminium

Das manuelle Schleifen von Aluminiumwerkstücken kann eine Herausforderung sein. Die besten Ergebnisse erzielen Sie, wenn Sie ein speziell für die Aufgabe entwickeltes Schleifmittel verwenden.

In den letzten Jahren hat die Transportindustrie zunehmend auf Aluminium zurückgegriffen, um ihre Produkte „leichter“ zu machen. Daher benötigen Metallbauer neue Werkzeuge für die Arbeit mit diesem anspruchsvollen Material.

Aluminiumlegierungen bieten im Vergleich zu herkömmlichen Stahllegierungen ein verbessertes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Die Leichtbautrends im gesamten Transportsektor erfordern schnelle und effiziente Werkzeuge zum Schleifen von Aluminium. Typische Winkelschleifscheiben für Stahl eignen sich nicht für Aluminium, da sich die Oberfläche der Scheibe schnell mit Metallspänen zusetzen kann, die am Schleifmittel haften bleiben.

Durch die Untersuchung der Mechanismen, durch die Metallspäne an der Oberfläche der Schleifscheibe haften (aufgeladen) werden können, können Strategien zur Vermeidung von Metallbelastungen auf die Schleifkonstruktion angewendet werden. Dies führt dann zu neuen Aluminium-Schleifprodukten mit deutlich verbesserten Schleifgeschwindigkeiten und länger anhaltender Leistung, ohne dass Wachse oder Schmiermittel erforderlich sind.

In der Industrie verwendetes Aluminium ist in der Regel kein reines Element, sondern gehört zu einer Reihe von Familien von Aluminiumlegierungen, je nach Endverwendung. Obwohl die Eigenschaften bestimmter Aluminiumlegierungen stark variieren können, lassen sich folgende Verallgemeinerungen treffen:

Die Produktion und Verwendung von Aluminium nimmt zu. Obwohl die Gesamtproduktion von Stahl derzeit höher ist als die von Aluminium, ist die Wachstumsrate der Aluminiumproduktion etwa 60 % höher als die von Stahl. Von 2008 bis 2018 wuchs die weltweite Aluminiumproduktion mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 4,8 %, während die globale Stahlproduktion mit einer jährlichen Wachstumsrate von 3,0 % wuchs.

Das Wachstum des Aluminiumverbrauchs wird hauptsächlich von der Automobil- und Transportindustrie vorangetrieben, gefolgt von der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungs- und Schifffahrtsindustrie. Auf die Automobil- und Transportindustrie entfallen wertmäßig etwa 80 % des weltweiten Verbrauchs hochfester Aluminiumlegierungen, bei einer geschätzten jährlichen Wachstumsrate von 7,7 % von 2018 bis 2023.

Der starke Bedarf an Aluminium in der Automobil- und Transportindustrie wird durch Leichtbautrends vorangetrieben. Automobilhersteller stehen unter ständigem Druck, die Kraftstoffeffizienz ihrer Flotten zu steigern, und suchen daher naturgemäß nach stärkeren und leichteren Materialien. In der gewerblichen Lkw-Branche können leichtere Anhänger zusätzlich zu Kraftstoffeinsparungen zu mehr Frachtgewicht pro Fahrt führen. Aluminium wird auch verwendet, um das Gewicht von Schiffen zu reduzieren, was zu deren Geschwindigkeit, Manövrierfähigkeit, Stabilität und Kraftstoffeinsparungen beiträgt. Leichte Rümpfe ermöglichen auch den Betrieb in flachem Wasser.

Aluminiumlegierungen haben im Vergleich zu Stahllegierungen auch eine geringere Härte, höhere Duktilität und niedrigere Schmelzpunkte (932 °F bis 1.112 °F für Aluminium gegenüber etwa 2.732 °F für Stahl). Diese Unterschiede können dazu führen, dass die für die Stahlbearbeitung verwendeten Metallbearbeitungswerkzeuge und -techniken nicht immer für die Aluminiumbearbeitung optimiert sind.

Ein häufiges Problem beim manuellen Schleifen von Aluminiumwerkstücken ist die Tendenz, dass Aluminiumspäne an der Schleifscheibe selbst haften bleiben. Wenn das Rad mit Metallspänen belastet (verstopft) wird, kann es kein Metall mehr vom Werkstück entfernen. Abbildung 1 zeigt eine Standard-Schleifscheibe nach nur wenigen Minuten Einsatz auf Aluminium. Da diese Schleifscheibe für den Einsatz auf Stahl und nicht auf Aluminium konzipiert war, trat eine Belastung auf und die Scheibe hörte auf, effektiv zu schleifen.

Eine Methode, die den Beginn der Metallbelastung verzögert, ist das Auftragen von Wachs auf die Schleifscheibe. Durch Auftragen einer rutschigen Substanz auf die Radoberfläche wird das Anhaften der Aluminiumspäne vorübergehend erschwert. Allerdings nutzt sich das Wachs mit der Benutzung des Rades ab und muss erneut aufgetragen werden. Diese Option ist nicht ideal, da das Auftragen von Wachs Zeit beim Schleifen kostet und zusätzliche Verunreinigungen auf dem Werkstück erzeugt, die nach dem Schleifen entfernt werden müssen. Wird das Werkstück nicht gründlich vom Wachs gereinigt, kann es zu Fehlern in der Schweißnaht kommen.

ABBILDUNG 1. Dies ist ein Beispiel einer Standard-Schleifscheibe, die nicht speziell für die Verwendung auf Aluminium entwickelt wurde, nachdem sie zum Schleifen von Aluminium verwendet wurde. Beachten Sie alle silberfarbenen (belasteten) Bereiche mit festsitzendem Metall, die die Schleifscheibe unwirksam machen.

Eine stark vergrößernde Kamera, die auf die belasteten Bereiche der Oberfläche einer gebrauchten Schleifscheibe gerichtet ist (siehe Abbildung 2), zeigt eine abrasive Oberfläche, die nicht in der Lage ist, die Aufgabe zu erfüllen, für die sie entwickelt wurde. Die hellen Bereiche sind das Aluminiummetall, das auf die Vorderseite des Rades geklebt ist. Die weißen, blockigen Strukturen sind das Schleifkorn. Der gelbe Bereich stellt die freigelegten, abgenutzten Bindungsbereiche dar, und der braune Bereich stellt die darunter liegende Bindung und die Poren dar.

Das Bild rechts in Abbildung 2 zeigt den Schnittpunkt eines einzelnen Korns, dessen Oberfläche mit Aluminiummetall beschichtet wurde. Hinter der Schneidstelle haben sich viele zähe Aluminiumspäne angesammelt. Da diese Späne nicht aus der Schleifzone entfernt wurden, verschmolzen sie durch die Reibung und Hitze, die beim Auftreffen des Korns auf das Werkstück entsteht. Streifen entlang der Mitte dieser Masse zeigen Schleifspuren zwischen dem Aluminiumwerkstück und dem an der Schleifscheibe haftenden Aluminium. Da sich das Aluminium auf der Oberfläche der Schleifscheibe sammelte, blockierte es die Schneidspitze und blockierte so den Abtransport weiterer Späne, was den Metallabtrag verlangsamte.

Ein Querschnitt dieser Schleifscheibe (siehe Abbildung 3), betrachtet unter einem Mikroskop, zeigt die Metallbeladung aus der Seitenansicht.

Eine genaue Untersuchung der von der Radoberfläche entfernten Aluminiumspäne mit einem Elektronenrastermikroskop zeigt noch mehr (siehe Abbildung 3, rechts). Die Nahaufnahme der Oberseite der Späne zeigt Reib-/Pflugspuren, was auf ein halbfestes Verhalten schließen lässt. Die Unterseite des Chips zeigt, wie sich das Aluminium verformen und an der gesamten Oberfläche der Schleifscheibe festsetzen konnte, wobei es sich sowohl an die Körnung als auch an die Bindung anpasste. Diese Verformungsmerkmale zeigen, dass das Metall nahe seinem Schmelzpunkt erweicht wurde, als es an der Radoberfläche befestigt wurde, und dass die Masse zusammenhängend wuchs, während andere Aluminiumspäne feststeckten.

Abbildung 4 zeigt einen Rahmen dafür, wie das Schleifkorn, die Bindung, die das Korn hält, und das zu schleifende Werkstück beim Schneiden (Materialentfernung), Pflügen (Materialverdrängung) und Gleiten (Oberflächenmodifikation) interagieren können. Die auf der Oberfläche der Scheibe beobachteten Merkmale weisen hauptsächlich auf Gleitwechselwirkungen hin, die beim Kontakt der Schleifkörner mit dem Aluminiumwerkstück entstehen. Gleitwechselwirkungen tragen nicht zum Metallentfernungsprozess (Spanbildung) bei und führen lediglich dazu, dass der Schleifprozess weniger effizient ist.

Beim Aluminiumschleifen (siehe Abbildung 4) pflügt das Korn durch das duktile Werkstück, das die Kornspitzen mit Metall umhüllt. Sobald die Kornspitze beschichtet ist, sorgen Reibungswechselwirkungen zwischen dem Span (der am Korn haftet) und dem Werkstück dafür, dass der festsitzende Metallspan kohäsiv zu wachsen beginnt. Wenn der festsitzende Metallfleck wächst, kommt es durch weitere Wechselwirkungen zwischen der Verbindung und dem Werkstück zu einer stärkeren Wärmeentwicklung, was zu einer größeren Fläche führt, die von der Metallbelastung beeinflusst wird.

Wenn sich die Schleifscheibe während des Gebrauchs mit Metall verstopft, wird das Schleifen weniger effizient, was dazu führt, dass der Bediener auf natürliche Weise stärker auf die Schleifscheibe drückt, um die Scheibe weiter zu zerkleinern und die Oberfläche zu öffnen, um neue Schleifkörner freizulegen. Dieser übliche Ansatz funktioniert jedoch nicht, da der erhöhte Schleifdruck zu einem stärkeren Wärmeaufbau führt, wodurch der Prozess des Erweichens der Aluminiumspäne und des Anhaftens an der Stirnfläche der Scheibe fortgesetzt wird. Dadurch entsteht eine Rückkopplungsschleife, die wie ein Teufelskreis wirkt und das Rad weiter belastet, bis es nicht mehr schleifen kann und ersetzt werden muss.

Um die Rückkopplungsschleife des Lademechanismus zu unterbrechen, muss das Schleifkorn widerstandsfähiger gegen Metallbelastung werden. Dies liegt daran, dass der Lademechanismus an den Kornspitzen beginnt und zusammenhängend wächst, um große Bereiche der Schleifscheibe abzudecken.

Beim Schleifen werden einzelne Schleifkörner beim kontinuierlichen Auftreffen auf das Werkstück thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Diese Spannungen können dazu führen, dass das Korn auf unterschiedliche Weise reißt oder bricht (siehe Abbildung 5). Die Art des Kornbruchs sowie die Gesamtgeschwindigkeit des Kornbruchs hängen von der Mikrostruktur des Korns ab und hängen mit mehreren Korneigenschaften zusammen, darunter Härte und Beständigkeit gegen Hitze, Schlag und Stoß. Ein Korn, das leicht bricht und zerfällt, wird als bröckelig bezeichnet, und eines, das sich langsam abnutzt, wird als haltbar bezeichnet.

Der Kornbruch ist selbstschärfend, da er neue Schnittflächen freilegt. Beim Schleifen von Aluminium können beim Brechen des Korns die herausgeschleuderten Stücke festsitzende Aluminiummetallstücke abheben und eine frische, saubere Schnittstelle hinterlassen.

ABBILDUNG 2. Dargestellt ist eine Draufsicht auf einen gebrauchten Schleifscheibenabschnitt.

Um die Auswirkung der Bröckeligkeit auf die Schleifgeschwindigkeit (Abtragsrate) und das Ausmaß der Belastung zu demonstrieren, wurden Schleifscheiben mit Kornarten mit unterschiedlichem Bröckeligkeitsgrad hergestellt und einem Schleiftest unterzogen. Alle anderen experimentellen Parameter wurden gleich gehalten.

Nach Abschluss der Schleiftests wurde jeder Radstummel fotografiert, um das Ausmaß der Metallbelastung zu bestimmen, indem die gesamte, von festsitzendem Metall bedeckte Fasenfläche berechnet wurde (siehe Abbildung 6).

Als Ergebnis wurde eine starke Korrelation zwischen Schleifscheiben gefunden, die stark bröckelige Kornarten mit geringerer Metallbeladung und höherer Schleifgeschwindigkeit enthielten.

Dies hat zur Entwicklung von Aluminium-Schleifscheiben mit einem speziellen, besonders bröckeligen Schleifkorn geführt, das in der Lage ist, zu brechen und zu zerfallen, kurz bevor zu viel Druck und Hitze erzeugt werden, wodurch die Ansammlung von Metall verhindert wird (siehe Abbildung 7). Diese Schleifscheiben sind aggressiv, sodass die Handschleifmaschine im Vergleich zur Verwendung von Schleifscheiben, die nicht speziell für die Aluminiumentfernung entwickelt wurden, mit weniger Kraftaufwand arbeiten kann.