CNC-Bearbeitung von Kupfer: Auswahl von Legierungen, Anwendungen und bewährte Praktiken

Die CNC-Bearbeitung von Kupfer ist aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit für die Industrie in zahlreichen Anwendungen unerlässlich. Das Material ist resistent gegen Rostbildung und hat funktionelle Bearbeitungseigenschaften. Aufgrund seiner weichen Beschaffenheit, die es weicher macht als die meisten metallischen Werkstoffe, bereitet Kupfer bei der Produktion Probleme.

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CNC-Anwendungen erfordern eine geeignete Auswahl von Kupferlegierungen, da sich die verschiedenen Sorten in ihrer Festigkeit und ihren Grenzen in Bezug auf Bearbeitbarkeit und Einsatzmöglichkeiten unterscheiden. Das Dokument bewertet Kupferwerkstoffe, die in der CNC-Bearbeitung eingesetzt werden, ihre industriellen Anwendungen, ihre Bearbeitungshürden und die Anforderungen an die Werkstoffauswahl. Die Diskussion umfasst Bewertungen der Maßgenauigkeit von Kupfer sowie Vergleiche von Metall zu Metall.

Top-Kupferlegierungen für die CNC-Bearbeitung

Bei der CNC-Bearbeitung wird in hohem Maße auf Kupfer zurückgegriffen, da dieses Material eine außergewöhnliche Leitfähigkeit, Wärmekapazität und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Im Folgenden finden Sie einige Kupferwerkstoffe, ihre Eigenschaften, Anwendungen, Schwierigkeiten und Auswahlkriterien.

Reines Kupfer (C110, C101, C102)

Reines Kupfer, das die Sorten C110, C101 und C102 enthält, gehört zu den besten Materialien für die elektrische und thermische Leitung.

Der Stoff bietet einen robusten Korrosionsschutz, der ihn für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet macht. Aufgrund seiner Duktilität lässt sich das Material leicht in verschiedene Formen bringen. Allerdings sind seine mechanischen Eigenschaften geringer als die verschiedener metallischer Werkstoffe, was seine Fähigkeit, anspruchsvollen Umgebungen standzuhalten, einschränkt. Die Zugfestigkeit von reinem Kupfer (210-310 MPa) ist geringer als die von Messing (340-580 MPa) und Bronze (350-690 MPa), was seine Verwendung in strukturellen Anwendungen einschränkt.

Bei der CNC-Bearbeitung von Kupferteilen wie elektrischen Steckverbindern, Sammelschienen, Wärmetauschern und Elektrodenhaltern kommt die Verwendung von reinem Kupfer zum Tragen. Aufgrund der hohen Anforderungen an den Energieübertrag in diesen Bauteilen erweist sich die hervorragende Leitfähigkeit von Kupfer als äußerst vorteilhaft. Zu seinen Eigenschaften zählt die Korrosionsbeständigkeit, die eine verlängerte Lebensdauer ermöglicht, insbesondere bei Einsatz unter feuchten oder chemischen Bedingungen. Maschinenbediener müssen bei der Bearbeitung von reinem Kupfer verschiedene Herausforderungen bewältigen. Reines Kupfer ist ein extrem weiches Material, das je nach Temperierung typischerweise eine Streckgrenze von nur 69 bis 330 MPa aufweist ^[1]. Aufgrund dieser hohen Duktilität und der niedrigen Streckgrenze neigt das Metall beim Schneiden dazu, zu reißen, anstatt sauber abzuscheren. Dieses klebrige Verhalten führt zur Bildung starker Grate, die Maßabweichungen verursachen und die Hersteller dazu zwingen, zusätzliche Nachbearbeitungsschritte durchzuführen. Die Spanabfuhr bei Kupfer ist erschwert, da aufgrund seiner Duktilität dünne, langgestreckte Späne entstehen, die die Schneidwerkzeuge verstopfen.

Die Bearbeitbarkeit von reinem Kupfer erfordert von den Herstellern eine präzise Auswahl der Schneidwerkzeuge und der Bearbeitungsparameter. Die Bearbeitung von reinem Kupfer erfordert Schneidwerkzeuge aus Hochgeschwindigkeitsstahl oder Hartmetall mit scharfen Kanten, um Werkzeugverschleiß zu vermeiden und gleichzeitig eine bessere Oberflächengüte zu erzielen. Die ordnungsgemäße Anwendung von Kühlmittel spielt eine wichtige Rolle bei der Minimierung von Wärmestaus und der Vermeidung von Materialanhaftungen. Die elektrische Leitfähigkeit und die wärmeleitenden Eigenschaften von reinem Kupfer sind nach wie vor die beste Materialwahl für diese Anforderungen. Unternehmen, die in den Bereichen Elektronik, Energieverteilung und Wärmemanagement tätig sind, verwenden reine Kupferelemente zur Optimierung der betrieblichen Effizienz.

Messing (C260, C360, C464)

Alle Messingsorten, einschließlich C260, C360 und C464, bieten eine hervorragende CNC-Bearbeitbarkeit und ausreichende Festigkeit. Das Material weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, wodurch es für verschiedene industrielle Zwecke geeignet ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Messing ist geringer als die von reinem Kupfer. Durch die Beimischung von Zink wird Messing so weit gestärkt, dass es weniger haltbare Metalle in Bezug auf die strukturelle Beständigkeit übertrifft. Messing besitzt attraktive Eigenschaften, die es ideal für die Herstellung von Bauteilen machen, die gute Bearbeitungs- und Korrosionsbeständigkeiten erfordern.

Die Herstellung von Ventilkomponenten, Zahnrädern, Fittings und Befestigungselementen ist mittels CNC-Bearbeitung unter Verwendung von Messing als Rohmaterial möglich. Präzisionsbearbeitungsverfahren lassen sich aufgrund ihrer guten Zerspanbarkeit äußerst problemlos mit Messing bearbeiten. Tatsächlich dient das als C360 bezeichnete, leicht zerspanbare Messing weltweit als industrieller Maßstab, an dem alle anderen Kupferlegierungen gemessen werden, und weist eine Standard-Zerspanbarkeitsbewertung von 100% auf. ^[2]. Diese außergewöhnliche Einstufung ermöglicht eine schnelle Bearbeitung mit hohen Vorschüben und Drehzahlen bei gleichzeitig sehr geringem Werkzeugverschleiß. Dank seiner Korrosionsbeständigkeit in feuchten Umgebungen und bei Kontakt mit Chemikalien eignet sich Messing ideal für Fittings und Befestigungselemente. In sehr korrosiven Umgebungen führt das Auslaugen von Zink jedoch letztendlich zu einer Schwächung des Materials.

Hersteller, die Messing bearbeiten wollen, müssen ihre Produktionswerkzeuge und Betriebsparameter richtig auswählen. Werkzeugmacher sollten hartmetallbestückte Werkzeuge verwenden, da diese den Prozess der Kaltverfestigung, der zu Bearbeitungsproblemen führt, stoppen. Die korrekte Verwendung von Kühlmittel kontrolliert die Wärmeentwicklung und verlängert die Lebensdauer der Werkzeuge. Messing ist nach wie vor eine der ersten Wahl für technische Komponenten, die mechanische Leistung mit Korrosionsbeständigkeit und guter Bearbeitbarkeit kombinieren müssen. Die Sanitär- und Automobilindustrie sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie verlassen sich aufgrund ihrer hervorragenden Leistung und Langlebigkeit auf Bauteile aus Messing.

Bronze (C932, C954, C863)

Die Palette der Bronzewerkstoffe, die C932, C954 und C863 umfasst, bietet eine hervorragende Verschleißfestigkeit, starke Eigenschaften und Korrosionsschutz. Das Material eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen, die hohe Belastungen und Reibung erfordern. Die Wärmeübertragungskapazität von Bronze liegt in ihrem Bereich, führt aber zu einem geringeren Gesamtwirkungsgrad als reines Kupfer. Durch die Zugabe bestimmter Elemente wie Zinn und Aluminium oder Mangan wird das Material gestärkt und bietet eine höhere Verschleißfestigkeit als fast alle anderen Kupferlegierungen.

Bei der Herstellung von Buchsen, Lagern, Pumpenkomponenten und Schiffsteilen durch CNC-Bearbeitung ist Bronze das wichtigste Material. Das Material erfordert eine hohe Festigkeit und Reibungsbeständigkeit, was Bronze zu einer hervorragenden Wahl macht. Der Dauerbetrieb und der mechanische Druck von Lagern und Buchsen werden durch die hohe Verschleißfestigkeit von Bronze unterstützt. Bei Schiffsbeschlägen wie Propellern und Armaturen wird Bronze aufgrund ihrer außergewöhnlichen Beständigkeit gegen Salzwasserkorrosion verwendet. Aufgrund ihres Härtegrades ist die Bearbeitung von Bronze eine Herausforderung. Eine angemessene Werkzeugschärfe und kontrollierte Bearbeitungsgeschwindigkeiten tragen dazu bei, den Werkzeugverschleiß während des Verfahrens zu minimieren.

Kühlmethoden und Schmiersysteme verbessern die Effizienz der Maschine, indem sie die überschüssige Wärmeentwicklung reduzieren. Hartmetallwerkzeuge oder -beschichtungen sind notwendig, um die Bearbeitungspräzision und die Haltbarkeit der Werkzeuge zu erhalten. Die wirksame Spanabfuhr ist nach wie vor von entscheidender Bedeutung, da Bronze schwer zu entfernende feine Späne erzeugt, die das Werkzeug beschädigen können. Trotz der komplizierten Verarbeitung wird Bronze bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf Verschleißfestigkeit und hohe Belastbarkeit ankommt. Bronzeteile sind für Produkte in der Luft- und Raumfahrt, in der Schiffsausrüstung und im Schwermaschinenbau von entscheidender Bedeutung, da sie eine lange Lebensdauer aufweisen.

Tellur-Kupfer (C14500)

Durch die Zugabe von Tellur zu C14500 entsteht eine Legierung, die eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit von etwa 85% IACS beibehält. Gleichzeitig verbessert dieser Legierungsprozess die Zerspanbarkeit des Materials drastisch auf 85% und übertrifft damit die von reinem Kupfer bei weitem. ^[3]. Durch den Einsatz dieser Tellur-Mikrostruktur entstehen kurze, spröde Späne, die den Werkzeugverschleiß minimieren und die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vereinfachen. Dieses Material zeichnet sich durch Korrosionsbeständigkeit aus und eignet sich daher optimal für den Einsatz in verschiedenen Betriebsumgebungen. Die Materialauswahl C14500 basiert in erster Linie auf der geringen Abweichung der Leitfähigkeit gegenüber reinem Kupfer sowie auf den hervorragenden Bearbeitungseigenschaften.

Die elektrische Kontaktindustrie, der Schaltanlagensektor und die Schweißtechnik verwenden in großem Umfang Tellurkupfer, das durch CNC-Bearbeitung gewonnen wird. Anwendungen, die eine hohe Leitfähigkeit erfordern, profitieren von Tellurkupfer, da es eine ausgezeichnete Leitfähigkeit und eine verbesserte Bearbeitbarkeit aufweist. Die Leistung wird durch die Auswahl geeigneter Werkzeuge erhöht, da diese Hochgeschwindigkeitsoperationen mit geringerem Werkzeugverschleiß ermöglichen. Das Material eignet sich perfekt für elektrische und industrielle Anwendungen, da es die doppelte Anforderung von hoher Leitfähigkeit und leichter Bearbeitbarkeit erfüllt.

Berylliumkupfer (C17200, C17500)

Beryllium-Kupfer, insbesondere Sorten wie C17200, ist eine hervorragende Wahl für den industriellen Einsatz. Nach vollständiger Aushärtung erreicht diese Legierung bemerkenswerte Zugfestigkeiten von über 1.380 MPa (200.000 psi) und ist damit die festeste aller handelsüblichen kupferbasierten Legierungen. ^[4]. Darüber hinaus zeichnet sich das Material durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit aus, sodass es auch unter anspruchsvollsten Bedingungen zuverlässig eingesetzt werden kann. Berylliumkupfer behält etwa 20-25% der elektrischen Leitfähigkeit von reinem Kupfer (IACS 22% vs. 100% für C101) und eignet sich daher für spezielle Anwendungen. Die spannungsbedingte Festigkeitserhaltung macht Berylliumkupfer zu einer optimalen Wahl für Hochleistungsbauteilanwendungen.

Fertigung von Luft- und Raumfahrtteilen Berylliumkupfer wird für hochpräzise Steckverbinder, funkenfreie Werkzeuge und Federn verwendet, die eine CNC-Bearbeitung erfordern. Da diese Steckverbinder in der Luft- und Raumfahrt zahlreichen Belastungszyklen ausgesetzt sind, benötigen sie ein ideales Material, und Berylliumkupfer erfüllt diese Anforderung. Berylliumkupfer bietet funkenfreien Werkzeugen den Vorteil der Schlagfestigkeit, da es die Funkenbildung verhindert und somit Sicherheit in explosionsgefährdeten Umgebungen gewährleistet. Der Einsatz dieses Materials ermöglicht die Herstellung elastischer und zuverlässiger Federn, die auch unter hohen Belastungen eine gute Leistung erbringen. Bei der Trockenbearbeitung von Berylliumkupfer entsteht potenziell gesundheitsschädlicher Staub, was den Arbeitsprozess komplex und schwer zu handhaben macht.

Der sichere Betrieb von Maschinen hängt von geeigneten Belüftungssystemen und Schutzmaßnahmen ab. Die Lebenserwartung von Werkzeugen erhöht sich durch den Einsatz beschichteter Geräte und ein Kühlmittelmanagement, das die Staubbelastung in der Luft reduziert. Berylliumkupfer ist nach wie vor das beste Material für Anwendungen, bei denen es auf außergewöhnliche Festigkeit und mäßige Leitfähigkeit ankommt. Hersteller in der Luft- und Raumfahrt, in der Öl- und Gasindustrie und in der Elektronikbranche verlassen sich auf Berylliumkupfer wegen seiner lang anhaltenden Leistung, Sicherheit und Haltbarkeit.

Vergleich von Kupfermaterialien

Die verschiedenen Kupferwerkstoffe weisen einzigartige Festigkeits- und Leitfähigkeitsniveaus, Bearbeitungseigenschaften und Korrosionsbeständigkeiten auf, so dass sie für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Natürliches Kupfer bietet hervorragende leitfähige Eigenschaften, schwache Festigkeitseigenschaften und komplexe Verarbeitbarkeit. Zu den Hauptanwendungen dieses Werkstoffs gehören thermische und elektrische Anwendungen. Die Leistung von Messing umfasst eine ausreichende Festigkeit, eine durchschnittliche Leitfähigkeit und eine außergewöhnliche Verarbeitbarkeit. Das Material eignet sich hervorragend für die Herstellung präziser Armaturen, Ventile und anderer Komponenten mit ähnlichen Spezifikationen. Die mechanischen Eigenschaften von Bronze übertreffen die von Messing und reinem Kupfer, da es eine bessere Festigkeit, einen ausgezeichneten Korrosionsschutz und eine durchschnittliche Bearbeitbarkeit aufweist. Dieses Material findet breite Anwendung in Schiffsbeschlägen und Pumpenlagern, da es eine ausgezeichnete Haltbarkeit bei Reibung und unter rauen Umweltbedingungen aufweist.

Die Beimischung von Tellur in Kupfer führt zu einer verbesserten Bearbeitbarkeit mit hervorragenden leitenden und korrosionshemmenden Eigenschaften. Das Material wird in großem Umfang für elektrische Bauteile verwendet, da es einfache Bearbeitungsvorgänge ohne Einbußen bei der Funktionsfähigkeit ermöglicht. Berylliumkupfer zeichnet sich vor allem durch seine überlegene Festigkeit und hervorragende Beständigkeit gegen Ermüdungsschäden aus. Obwohl seine elektrische Leistung etwas schlechter ist als die von 100%-Kupfer, erfüllt es effektiv die Anforderungen in elektronischen Anwendungen. Dieses Material wird in der Luft- und Raumfahrt zusammen mit funkenfreien Geräten und Präzisionsfedern eingesetzt. Jeder Kupferwerkstoff ist bei der Herstellung unverzichtbar, da er bestimmte Eigenschaften aufweist, die für verschiedene industrielle Anwendungen erforderlich sind.

CNC-Bearbeitungsablauf für Kupferwerkstoffe

Der Einsatz von CNC-Bearbeitungstechnologie für die Bearbeitung von Kupferwerkstoffen erfordert die Einhaltung einer Reihe von organisierten Schritten, um Genauigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Der erste Schritt besteht in der Auswahl von Materialien aus den verfügbaren Kupfersorten nach ihren Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Sobald ein Kupferrohling ausgewählt ist, wird er in die CNC-Maschine eingesetzt, um während der Bearbeitung Stabilität zu gewährleisten. Die Auswahl geeigneter Werkzeuge ist nach wie vor von entscheidender Bedeutung, da es Hartmetall- oder diamantbeschichtete Werkzeuge gibt, die dem Verschleiß widerstehen und die Haltbarkeit der Werkzeuge erhöhen.

Der Prozess umfasst Fräsen und Drehen zum Formen sowie zum präzisen Bohren, Gewindeschneiden und Gewindebohren mit beschichteten Werkzeugen zur Verringerung der Reibung. Die Zugabe einer ausreichenden Menge an Kühlmittel ist während des gesamten Arbeitsvorgangs zwingend erforderlich, um eine Überhitzung der Anlagen zu verhindern und den Werkzeugverschleiß zu minimieren, sodass die Schnitte glatt und präzise bleiben. Bei der Endbearbeitung und dem Entgraten wird unerwünschtes Material vom Bauteil entfernt und gleichzeitig eine polierte Oberflächenoptik erzielt. Umfassende Produktprüfungen stellen sicher, dass alle Anforderungen den Spezifikationen entsprechen, was zu einer einwandfreien Funktionalität führt.

Leistungsvergleich: Kupfer und andere Metalle bei der CNC-Bearbeitung

Die ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kupfer macht es zum optimalen Material für die Durchführung von Energieübertragungsvorgängen. Das Material weist eine geringere Härte als CNC- und Edelstahl auf und ist daher nicht für schwere Belastungen geeignet. Kupfer erfordert eine genaue Auswahl der Werkzeuge, um Verschleiß zu vermeiden, da seine Bearbeitbarkeit zwischen durchschnittlich und hoch liegt. Die CNC-Bearbeitbarkeit von Kupfer ist besser als die von CNC-Stahl, da der Stahlwerkstoff Varianten mit niedrigem, mittlerem und hohem Kohlenstoffgehalt umfasst, die wesentlichere Eigenschaften aufweisen. Kupfer verfügt über eine bessere Leitfähigkeit als Stahl, da Stahl nicht die gleichen elektrischen oder thermischen Leistungswerte aufweist, die Kupfer so wertvoll machen.

Hochleitfähiges Aluminium ist ein wettbewerbsfähiges, gewichtsbewusstes Material, da es eine Kombination aus Leichtigkeit und hervorragender Verarbeitbarkeit mit Kupfer in verschiedenen Anwendungen bietet. Die Leitfähigkeit ist eine bessere Eigenschaft von Kupfer als von Aluminium, die für die Anforderungen an die Konstruktion elektrischer Komponenten nach wie vor von entscheidender Bedeutung ist. Die Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit der Edelstahlsorten 304 und 201 übertrifft die von Kupfer, aber dieses Material ist aufgrund seiner Zähigkeit sehr schwer zu bearbeiten.

Der Vorteil von Messing liegt in der Kombination von hervorragender Bearbeitbarkeit, Festigkeit und mäßigen elektrischen Eigenschaften, was seine Verwendung bei der Herstellung von Ventilen und Armaturen begünstigt. Die Wahl des Metalls hängt von den Anforderungen der Anwendung ab, da jedes Metall unterschiedliche Vorteile bietet.

Bearbeitungstoleranzen für Kupferprofile

Die Maße, die durch die Bearbeitung an Kupferprofilen erzielt werden, hängen davon ab, wie das Material eingesetzt werden soll und welche Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Standardmäßige Bearbeitungsanforderungen lassen sich durch allgemeine Toleranzen von ±0,05 mm bis ±0,1 mm. Präzisionskomponenten müssen Toleranzbereiche zwischen ±0,01 mm und ±0,02 mm aufweisen, da solche engen Genauigkeitsanforderungen fortschrittliche CNC-Einstellungen, hochwertige Schneidwerkzeuge und optimierte Bearbeitungsparameter erfordern. Maßgenauigkeit, Standzeit der Werkzeuge und Oberflächenqualität hängen in hohem Maße von der Auswahl geeigneter Werkzeuge und der korrekten Kalibrierung der Maschinen ab.

Die Ausdehnung von Kupfer während der Erwärmung übertrifft die von Stahl, so dass die thermische Ausdehnung bei allen Kupferbearbeitungsprozessen berücksichtigt werden muss. Die Hersteller können die Temperaturschwankungen in den entsprechenden Anwendungen durch eine angemessene Anpassung der Bearbeitungstoleranzen ausgleichen. Polierte Kupferteile können eine Oberflächengüte erreichen, die Ra-Werte von 0,2-0,4 µm erreicht. Eine glatte Oberfläche bei Kupferteilen erfordert optimale Schnittgeschwindigkeiten und den richtigen Einsatz von Kühlmitteln, gefolgt von Polier- oder elektrochemischen Endbearbeitungsverfahren. Strenge Leistungskriterien werden bei Hochleistungsanwendungen durch diese maß- und erscheinungsbezogenen Faktoren erreicht.

Schlussfolgerung

Kupferwerkstoffe sind bei der CNC-Bearbeitung vorteilhaft, da sie für Anwendungen mit optimaler elektrischer und thermischer Leitfähigkeit am besten geeignet sind. Die Auswahl geeigneter Kupferlegierungen für verschiedene Anwendungen erfolgt auf der Grundlage der Kombination von Betriebsanforderungen in Bezug auf Bearbeitungsdauer, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Kupfer bietet CNC-Anwendern eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit und leichte Bearbeitbarkeit; allerdings müssen die Anwender sorgfältige Werkzeuge und geeignete Kühlmaßnahmen verwenden. Das Wissen über Toleranzspezifikationen und Leistungsmerkmale ermöglicht eine optimale CNC-Prozessverbesserung für kupferbasierte Teile.

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Referenz

[1] ASTM International. (2020). ASTM B187/B187M-20 – Standard-Spezifikation für Kupfer, Sammelschienen, Stangen und Profile sowie Stangen, Stäbe und Profile für allgemeine Zwecke. https://doi.org/10.1520/B0187_B0187M-20

[2] Schultheiss, F., Johansson, D., Bushlya, V. und Ståhl, J. E. (2020). Bewertung der Zerspanbarkeit von bleiarmen Messinglegierungen. Procedia Manufacturing, 38, 1723-1730. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.01.102

[3] ASTM International. (2020). ASTM B301/B301M-13(2020) Norm für leicht zerspanbare Kupferstangen, -stäbe und -profile. https://doi.org/10.1520/B0301_B0301M-13R20

[4] ASTM International. (2018). ASTM B196/B196M-18 – Norm für Stangen und Stäbe aus Kupfer-Beryllium-Legierungen. https://doi.org/10.1520/B0196_B0196M-18