Wichtige Strategien zur Vermeidung von Bearbeitungsvibrationen in der Fertigung

Stellen Sie sich vor, Sie führen einen Präzisionsmetallbearbeitungsvorgang durch, um eine perfekte Komponente herzustellen. Inmitten des Dröhnens der Maschine ertönt ein beunruhigendes Rattern – das Werkzeug tanzt über dem Werkstück und hinterlässt eine raue Oberfläche und ruiniertes Material. Dieses frustrierende Szenario stellt den Albtraum der Vibration, insbesondere des Ratterns, bei Zerspanungsvorgängen dar. Dieser Artikel untersucht Vibrationsphänomene in der Zerspanung und bietet praktische Strategien zur Minimierung ihrer Auswirkungen auf Effizienz und Qualität.

Vibration – eine mechanische Schwingung um eine Gleichgewichtsposition – ist in der Zerspanung im Allgemeinen unerwünscht, da sie nachteilige Auswirkungen hat:

• Beschleunigter Werkzeugverschleiß: Vibrationen verschlechtern die Schneidkanten schnell, wodurch Ausbrüche und Risse entstehen, die die Werkzeugstandzeit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
• Verschlechterung der Oberflächenqualität: Unregelmäßige Muster und Markierungen erscheinen auf Werkstücken und überschreiten die Rauheitstoleranzen.
• Erhöhte Ausschussraten: Starke Vibrationen führen zu Maßungenauigkeiten und Oberflächenfehlern, was die Produktionskosten erhöht.
• Höhere Betriebskosten: Vorzeitiger Werkzeugwechsel, Ausschusskomponenten und Nacharbeit erhöhen die Ausgaben.
• Energieineffizienz: Vibrationen verschwenden Energie und reduzieren die Bearbeitungseffizienz.

Vibrationen manifestieren sich in zwei Hauptformen:

• Freie Vibration: Tritt auf, wenn ein System nach einer anfänglichen Störung mit seiner Eigenfrequenz schwingt (z. B. eine angeschlagene Metallplatte, die schwingt, bis die Energie abklingt).
• Erzwungene Vibration: Ergebnis von externer periodischer oder zufälliger Anregung (z. B. Vibrationen der Waschmaschine während ungleichmäßiger Schleudergänge).

Die Zerspanung beinhaltet hauptsächlich erzwungene Vibrationen, die durch Schneidkräfte, Maschinenkomponentenbewegungen oder Umgebungsstörungen verursacht werden.

Resonanz tritt auf, wenn sich die Anregungsfrequenz der Eigenfrequenz eines Systems nähert, wodurch die Amplitude dramatisch erhöht wird. In der Zerspanung verursacht die Resonanz zwischen Schneidkraftschwankungen und den Eigenfrequenzen von Werkzeug/Werkstück starkes Rattern, was möglicherweise zu Folgendem führt:

• Werkzeugbruch
• Werkstückausstoß
• Maschinenwerkzeugschäden

Eine proaktive Resonanzvermeidung ist daher unerlässlich.

Rattern – eine selbsterhaltende Schwingung – entsteht durch dynamische Wechselwirkungen zwischen Schneidkräften und Werkzeugmaschinen-Werkstück-Systemen. Gekennzeichnet durch hochfrequentes Geräusch und heftige Vibrationen, beschleunigt es den Werkzeugverschleiß und verschlechtert die Oberflächengüte. Seine komplexe Entstehung beinhaltet:

• Schneidkraftdynamik
• Werkzeuggeometrie
• Werkstückmaterialeigenschaften
• Maschinenbauliche Eigenschaften

Wichtige Vibrationsbestimmungsfaktoren in der Zerspanung sind:

• Maschinensteifigkeit: Maschinen mit geringer Steifigkeit vibrieren übermäßig, insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- oder Schwerzerspanungsvorgängen.
• Werkzeugsteifigkeit: Schlanke oder überhängende Werkzeuge sind anfällig für Vibrationen.
• Werkstückstabilität: Dünnwandige oder freitragende Komponenten vibrieren leicht.
• Schnittparameter: Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe beeinflussen die Kraftgröße/Frequenz.
• Werkzeuggeometrie: Spanwinkel, Freiwinkel, Neigungswinkel und Nasenradius beeinflussen die Prozessstabilität.
• Werkstückmaterial: Duktile Materialien fördern Vibrationen.
• Kühlmittelanwendung: Die richtige Schmierung reduziert Reibung und Temperatur.

• Wählen Sie Maschinen mit hoher Steifigkeit für anspruchsvolle Operationen
• Optimieren Sie die Maschinenaufstellung auf soliden Fundamenten
• Warten Sie wichtige Komponenten (Spindeln, Führungen, Schrauben)

• Verwenden Sie nach Möglichkeit kurze, robuste Werkzeuge
• Minimieren Sie den Werkzeugüberhang
• Verwenden Sie hochsteife Halter (hydraulische/thermische Typen)
• Wählen Sie hochmodulare Werkzeugmaterialien (z. B. Hartmetall gegenüber HSS)

• Fügen Sie Stützen hinzu (Vorrichtungen, Stützblöcke)
• Optimieren Sie die Klemmung (mehrere Punkte, Vakuumsauger)
• Füllen Sie Hohlstrukturen (Harz, Sand)

• Reduzieren Sie Schnittgeschwindigkeit/Vorschub/Schnitttiefe
• Implementieren Sie unterbrochenes Schneiden (Spanbrecherwerkzeuge)

• Wählen Sie geeignete Span-/Frei-/Neigungswinkel
• Wählen Sie den optimalen Nasenradius

• Verwenden Sie Kühlmittel, um Temperatur/Reibung zu reduzieren
• Tragen Sie Schmiermittel auf, um die Werkzeug-Werkstück-Reibung zu minimieren
• Wählen Sie geeignete Zuführverfahren (z. B. Hochdruckkühlung)

• Ändern Sie die Schnittrichtung
• Installieren Sie Dämpfer
• Führen Sie eine Vibrationsanalyse durch

• Verwenden Sie Grobzahnfräser, um die Kontaktfläche zu reduzieren
• Minimieren Sie den Fräserüberhang
• Wählen Sie positive Wendeschneidplatten
• Verwenden Sie dünnbeschichtete Hartmetallsorten
• Erhöhen Sie den Vorschub pro Zahn und reduzieren Sie gleichzeitig die Drehzahl
• Verringern Sie die axiale/radiale Schnitttiefe
• Verwenden Sie eine starre Werkzeugaufnahme (z. B. Kegelschaftaufnahmen)
• Zentrieren Sie Fräser mit Gegenlauffräsen

• Maximieren Sie die Werkzeugsteifigkeit mit minimalem Überhang
• Wählen Sie kleine Nasenradien (wenn möglich unterhalb der Schnitttiefe)
• Verwenden Sie scharfe Schneidkanten mit ordnungsgemäßer Spanabfuhr
• Wählen Sie zähe Hartmetallsorten für empfindliche Geometrien
• Halten Sie Vorschübe ein, die 25 % des Nasenradius überschreiten
• Vermeiden Sie instabile Spindeldrehzahlbereiche

• Bewerten Sie das Überhangverhältnis; erwägen Sie größere/konische/modulare Werkzeuge
• Verwenden Sie hochwertige Werkzeugaufnahmen (z. B. Seco-Capto)
• Positionieren Sie die Schneidkanten auf der Mitte
• Wählen Sie positive Geometrien mit kleinen Radien
• Befolgen Sie die Drehempfehlungen für die Wendeschneidplattenauswahl

Maschinenvibrationen stellen komplexe Herausforderungen dar, aber das Verständnis ihrer Mechanismen und die Umsetzung gezielter Lösungen ermöglichen es Herstellern, hervorragende Ergebnisse zu erzielen. Durch die Berücksichtigung von Maschinen-, Werkzeug- und Prozessfaktoren können Bediener die Produktivität und Teilequalität erheblich steigern.