Zu den Ersten Materialien Die Bronzelegierung, die seit jeher in der Fertigung eingesetzt wird, wird von Ingenieuren seit der Antike verwendet und geschätzt. Bronze Aufgrund seiner beeindruckenden Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie seiner geringen Reibungseigenschaften wird es in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schiffbau.
Dieser Leitfaden soll das gesamte Spektrum der CNC-Bearbeitung von Bronze abdecken, von den verschiedenen Bronzelegierungen und der Auswahl der besten Legierung für Ihre Bedürfnisse bis hin zu den verschiedenen Feinheiten, die mit der Bearbeitung von Bronze verbunden sind.
Was ist Bronzebearbeitung?
Kurz gesagt, ist die spanende Bearbeitung von Bronze ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem mithilfe von CAD/CAM-Software und CNC-Bearbeitung eine Bronzelegierung aus einem massiven Block in die gewünschte Form gebracht wird. Bronze kann zwar auch geschmolzen und in eine vorgegebene Form gegossen werden, doch für viele anspruchsvolle Anwendungen ist die spanende Bearbeitung der Legierung vorzuziehen, da sie eine deutlich bessere Toleranzkontrolle sowie eine glattere Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht.
Die am häufigsten verwendete Legierung mit Bronze ist Kupfer, wobei Zinn das wichtigste Legierungsmetall ist. Um die gewünschten Legierungseigenschaften zu erzielen, können jedoch auch andere Metalle wie Zink, Mangan, Aluminium oder Nickel verwendet werden.
Einer der Gründe für die Verwendung dieses Werkstoffs ist sein Bearbeitungsverhalten. Im Allgemeinen weisen die verschiedenen Bronzesorten eine gute Bearbeitbarkeit auf, wobei dies jedoch von der jeweiligen Sorte abhängt. Neben der guten Zerspanbarkeit zählen zu den weiteren wertvollen Eigenschaften des Materials eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine ausgezeichnete Reibungsbeständigkeit. Dadurch eignet es sich ideal für Bauteile, die auch gegen andere Metalle gleiten, wie beispielsweise Zahnräder und Buchsen.
Der CNC-Bronzebearbeitungsprozess
Obwohl Bronze seit Jahrhunderten von Hand bearbeitet wird, hat die CNC-Bearbeitung von Kupferbronze ein völlig neues Niveau an Präzision und Wiederholgenauigkeit erreicht. Computergesteuerte numerische Steuerungssysteme (CNC) ermöglichen die Herstellung komplexer Formen, die mit manueller Bearbeitung nicht realisierbar sind.
CNC-Drehen vs. CNC-Fräsen
Die Wahl des spezifischen CNC-Verfahrens richtet sich nach der Geometrie des herzustellenden Teils.
- CNC-Drehen: Bei zylindrischen Teilen wie Buchsen, Lagern oder Wellen ist dies die gängigste Methode. Eine CNC-Drehmaschine ist das bevorzugte Werkzeug. Das Bronzewerkstück rotiert in der Maschine, während ein feststehendes Schneidwerkzeug das Material abträgt.
- CNC-Fräsen: Auch nicht-zylindrische Werkstücke wie Halterungen, Platten oder komplexe Gehäuse bilden hier keine Ausnahme. Das Werkstück bleibt dabei unbeweglich, während ein rotierendes Schneidwerkzeug über die Oberfläche fährt und die gewünschte Form herausfräst.
Auswahl des richtigen CNC-Bronzebearbeitungswerkzeugs
Die CNC-Bearbeitung von Bronze hängt stark vom Werkzeug ab. Hartmetallwerkzeuge werden aufgrund ihrer höheren Temperaturbeständigkeit sowie der Möglichkeit, höhere oder niedrigere Schnittgeschwindigkeiten zu erzielen, bevorzugt. Dies führt zu einer etwas längeren Werkzeugstandzeit und einer besseren Oberflächengüte.
Es ist wichtig, die optimale Schnittgeschwindigkeit zu finden, da Bronze zwar zäher als Kunststoff, aber weicher als Stahl ist. Bei zu geringer Schnittgeschwindigkeit kann es zu Reibung und Materialabtrag kommen, was zu Kaltverfestigung führt. Bei zu hoher Schnittgeschwindigkeit kann die entstehende Wärme die Maßgenauigkeit des fertigen Werkzeugs beeinträchtigen.
Bronzelegierungen für die CNC-Bearbeitung
Die weit verbreitete Fehlannahme, Bronze sei ein einziges, voneinander unabhängiges Material, ist unzutreffend. Tatsächlich handelt es sich um eine Gruppe von Legierungen, weshalb die Wahl der passenden Legierung die wichtigste Entscheidung im Herstellungsprozess darstellt. Jede Legierung bietet eine unterschiedliche Kombination aus Bearbeitbarkeit, Zugfestigkeit und Rostbeständigkeit.
Lagerbronze C932 (SAE 660)
C932, auch bekannt als SAE 660, ist die wohl am weitesten verbreitete Bronzelegierung in der Zerspanung. Sie besteht aus Kupfer, Zinn und Blei.
- Eigenschaften:Das in dieser Legierung enthaltene Blei verleiht ihr eine hohe Bearbeitbarkeit sowie selbstschmierende Eigenschaften. Die Bronze ist nicht wärmebehandelbar, sondern eher zäh und verschleißfest.
- Beste Verwendung:Wie der Name schon sagt, ist dies der Goldstandard für Buchsen, Lager und Anlaufscheiben, bei denen geringe Reibung erforderlich ist.
C954 Aluminiumbronze
C954 Aluminiumbronze zählt zu den am häufigsten verwendeten Bronzesorten, wenn es auf Festigkeit ankommt, da es sich um eine hochfeste Legierung aus Aluminium, Eisen und Nickel handelt.
- Eigenschaften: Es weist eine höhere Streckgrenze und eine hohe Beständigkeit gegen Rost, einschließlich Verschleiß und Ermüdung, auf, da es im Gegensatz zu C932 auch bei hohen Temperaturen mechanischer Natur ist.
- Beste Verwendung:Es eignet sich für hohe Belastungen und Umgebungen mit starker Beanspruchung, wie z. B. Lager für schwere Maschinen, Ventilführungen und Komponenten von Flugzeugfahrwerken.
C260 Patronenhülse aus Messing (Messing-Bronze-Legierung)
Obwohl C260 technisch gesehen ein Messing (Kupfer und Zink) ist, wird es aufgrund ähnlicher Anwendungen und Verarbeitungsmethoden im Bereich der maschinellen Bearbeitung oft mit Bronze zusammengefasst.
- Eigenschaften:Es ist bekannt für seine hohe Duktilität, die höchste aller Messingsorten, und zeichnet sich durch ausgezeichnete Kaltverformbarkeit aus. Es ist sehr korrosionsbeständig, aber im Allgemeinen schwieriger zu bearbeiten als bleihaltige Bronzen.
- Beste Verwendung:Es wird häufig bei Munitionskomponenten (daher der Name), Befestigungselementen und Hardware verwendet, wo Tiefziehen oder Umformen erforderlich ist.
C510 Phosphorbronze
C510 ist eine Güteklasse, die durch die Zugabe von Phosphor zur Kupfer-Zinn-Mischung definiert wird.
- Eigenschaften:Der Phosphor erhöht die Verschleißfestigkeit und Steifigkeit der Legierung und verfeinert gleichzeitig das Korngefüge. Er ist bekannt für seine ausgezeichnete Dauerfestigkeit und Elastizität.
- Beste Verwendung:Aufgrund seiner federartigen Eigenschaften und seiner elektrischen Leitfähigkeit eignet es sich ideal für elektrische Steckverbinder, Schalterteile und Federscheiben.
Anwendungsbereiche von bearbeiteten Bronzeteilen
Die Vielseitigkeit von Bearbeitung von Bronze Das bedeutet, dass es in nahezu jedem Sektor der Industriegesellschaft anzutreffen ist.
Marine Industrie
Die meisten Metalle korrodieren bei Kontakt mit Salzwasser, Bronze hingegen ist von Natur aus beständig.
- Schlüsselteile:Schiffsschrauben, Unterwasserarmaturen, Pumpen und Ventile.
- Warum:Bronze bildet eine schützende Oxidschicht, die tiefe Korrosion verhindert und so auch bei Untertauchen eine lange Lebensdauer gewährleistet.
Automobil & Luft- und Raumfahrt
In diesen Branchen ist ein Versagen keine Option, und die Bauteile sind häufig hoher Reibung und Hitze ausgesetzt.
- Schlüsselteile:Getriebe-Pilotbuchsen, Ventilführungen, Fahrwerkskomponenten und Pleuellager.
- Warum:Die geringe Metall-auf-Metall-Reibung von Bronze verhindert ein Festfressen und reduziert den Verschleiß an den dazugehörigen Stahlteilen.
Industrielle Ausrüstung
Schwere Maschinen benötigen Bauteile, die einiges aushalten und trotzdem zuverlässig funktionieren.
- Schlüsselteile:Schneckengetriebe, Verschleißplatten und Hydraulikkomponenten.
- Warum:Bronzezahnräder werden oft mit Stahlschnecken kombiniert; die Bronze dient als Verschleißteil, d. h. sie verschleißt langsam, bevor die teurere Stahlwelle verschleißt, und schützt so das gesamte System.
Boardelektronik
Die Kombination aus Leitfähigkeit und Haltbarkeit macht bestimmte Bronzelegierungen für die Elektronik unverzichtbar.
- Schlüsselteile:Leitungsschutzschalterklemmen, Sicherungsklemmen und Federklemmen.
- Warum:Phosphorbronze (C510) dient als elektrischer Leiter und gewährleistet gleichzeitig die Federspannung, die für eine dichte Verbindung erforderlich ist.
Häufige Herausforderungen bei der Bronzebearbeitung
Obwohl Bronze als eines der am besten für die maschinelle Bearbeitung geeigneten Werkstoffe gilt, bestehen dennoch einige Risiken. Bestimmte Eigenschaften der Legierung können zur Zerstörung eines Werkstücks oder zur Beschädigung des Werkzeugs führen, wenn der Bediener diese nicht kennt.
Kaltverfestigung
Dies ist wohl die größte Herausforderung bei der Bearbeitung von Kupferlegierungen. Das Schneidwerkzeug bleibt entweder stillstehen oder die Vorschubgeschwindigkeit ist zu gering, wodurch der Druck das Material komprimiert, anstatt es zu schneiden. Zudem verhärtet sich die Oberfläche, was den Materialabtrag behindert. Dieses Phänomen wird als Kaltverfestigung bezeichnet.
Der FixAchten Sie auf einen gleichmäßigen, hohen Vorschub mit scharfen Schneidwerkzeugen. Die Legierungsoberfläche darf durch das Werkzeug nicht beschädigt werden.
Chipkontrolle
Bleibronze-Zuschnitte (C932): Diese Legierung erzeugt kurze, spröde Späne, die sich leicht handhaben lassen.
Aluminiumbronze (C954): Diese Legierung kann lange, fadenförmige Späne erzeugen, die sich um das Werkzeug oder Werkstück wickeln und Oberflächenbeschädigungen oder Werkzeugbrüche verursachen können.
Die Reparatur: Verwenden Sie Hochdruckkühlmittel, um die Späne schnell zu entfernen.
Oberflächenfinish
Bronze bietet zwar den Vorteil einer schönen, goldähnlichen Oberfläche, ist aber kratzempfindlich und weich genug, um leicht beschädigt zu werden. Zudem führt die Bearbeitung dieses Materials zu einer Wärmeausdehnung, was Toleranzprobleme verursachen kann.
Die Reparatur: Die Endbearbeitung sollte in einem separaten Arbeitsgang mit höherer Spindeldrehzahl und reduziertem Vorschub erfolgen. Wichtig ist außerdem, das Bauteil kühl zu halten, um Probleme mit der Maßstabilität zu vermeiden.
Sicherheitsaspekte bei der Bearbeitung von Bronze
Sicherheit hat in jeder Maschinenwerkstatt oberste Priorität, aber Bearbeitung von Bronze birgt spezifische Gefahren, die bewältigt werden müssen.
Staub und Dämpfe
Die größte Sorge besteht im Einatmen von feinem Metallstaub. Kupferstaub wirkt zwar reizend, die eigentliche Gefahr geht jedoch von den Zusatzstoffen in Bronze aus.
- Führen:Viele Bearbeitungsbronzen (wie C932) enthalten Blei. Das Einatmen oder Verschlucken von Bleipartikeln kann zu schwerwiegenden Langzeitgesundheitsproblemen führen.
- Beryllium:Berylliumkupfer ist zwar weniger verbreitet, aber hochgiftig, und seine Bearbeitung erfordert strenge Gefahrstoffvorschriften.
PSA (Persönliche Schutzausrüstung)
Die Bediener sollten stets die übliche persönliche Schutzausrüstung für Maschinenbaubetriebe tragen, einschließlich Schutzbrille und Sicherheitsschuhen mit Stahlkappen. Bei der Bearbeitung von Trockenbronze (ohne Kühlmittel) wird jedoch das Tragen einer passgenauen Atemschutzmaske, die für Metallrauch und -staub geeignet ist, dringend empfohlen.
Lüftung
Die allgemeine Klimaanlage in Werkstätten ist oft unzureichend. Lokale Absauganlagen sollten in der Nähe der CNC-Maschine installiert werden, um Staub und Nebel direkt an der Entstehungsstelle abzusaugen. Bei Verwendung von Kühlschmierstoff muss sichergestellt werden, dass das Filtersystem für die Entfernung feiner Bronzepartikel ausgelegt ist, um Pumpenverschleiß zu vermeiden.
Fazit
Die CNC-Bearbeitung von Bronzelegierungen ermöglicht Eigenschaften, die mit Kunststoffen und Stahl nicht zu erzielen sind. Dieses Material ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung langlebiger, reibungsarmer und korrosionsbeständiger Produkte – von der Tiefsee bis hin zu Flugzeugtriebwerken.
Der erste Schritt besteht in der Auswahl der richtigen Legierung. Die Legierung für höchste Belastungen ist C954, für Lager ist C932 Standard. Der zweite Schritt ist das Wissen um die Bearbeitungsmethoden.
Stellen Sie sicher, dass Sie bei Ihrem nächsten Projekt auf die richtige Expertise zurückgreifen können. Bei Bonbby finden Sie Experten und Ingenieure für die Bronzebearbeitung, die Ihnen bei der Auswahl der passenden Legierung zum besten Preis behilflich sind.
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Q: Ist Bronze leicht zu bearbeiten?
A: Im Großen und Ganzen ja. Die meisten Standardbronzelegierungen, insbesondere bleihaltige Legierungen wie C932, weisen eine Zerspanbarkeit von 100 Prozent auf (gemäß den Richtlinien für Automatenmessing). Sie führen zu geringem Materialabtrag und minimalem Werkzeugverschleiß. Legierungen mit hoher Festigkeit, wie beispielsweise Aluminiumbronze, sind hingegen schwieriger und abrasiver zu bearbeiten und erfordern robustere Werkzeuge mit niedrigeren Drehzahlen.
Q: Worin besteht der Unterschied zwischen der Bearbeitung von Messing und Bronze?
A: Obwohl beide aus Kupferlegierungen bestehen, lässt sich Messing (Kupfer und Zink) im Allgemeinen besser bearbeiten als Bronze (Kupfer und Zinn). Messing eignet sich besser für kosmetische Anwendungen und Anwendungen mit geringer Reibung, während Bronze besser für Umgebungen und Anwendungen geeignet ist, die ein hohes Maß an Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Q: Kann man Bronze trocken maschinell bearbeiten?
A: Es ist möglich, aber für hochpräzise oder schnelle Bearbeitungen nicht empfehlenswert. Kühlmittel hilft, Späne abzutransportieren, verhindert eine Überhitzung des Werkstücks (die die Toleranzen beeinträchtigt) und schmiert den Schneidvorgang, um die Oberflächengüte zu verbessern. Trockenbearbeitung erhöht das Risiko der Kaltverfestigung.
Q: Warum verformt sich mein Bronzeteil nach der Bearbeitung?
A: Dies liegt üblicherweise an inneren Spannungen im Material oder am Anpressdruck. Da Bronze weicher als Stahl ist, kann zu starkes Einspannen in einen Schraubstock oder ein Spannfutter zu Verformungen führen. Auch das Abtragen großer Materialmengen kann innere Spannungen lösen und so ein Verziehen des Werkstücks verursachen. Eine Spannungsarmglühung vor der Bearbeitung kann hier Abhilfe schaffen.
Q:Welches Kühlmittel eignet sich am besten für die Bearbeitung von Bronze?
A: Wasserlösliche Öle sind in der Regel die beste Wahl. Sie bieten hervorragende Kühleigenschaften zur Wärmeregulierung und gewährleisten ausreichende Schmierung, um ein Anhaften des Materials am Werkzeug (Aufbauschneiden) zu verhindern. Vermeiden Sie Kühlmittel mit aktivem Schwefel, da diese das Bronzewerkstück verfärben können.
