Wie sollte bei auftretenden Schwingungen in der Bearbeitung vorgegangen werden?
Maschinenvibrationen, auch bekannt als Rattern, sind eine selbsterregte Schwingung zwischen Werkzeug und Werkstück, die die Oberflächengüte, Maßhaltigkeit und Werkzeugstandzeit beeinträchtigt und im schlimmsten Fall die Werkzeugmaschine beschädigen kann. Ihre Beherrschung erfordert einen systematischen Ansatz, um die Ursache zu identifizieren und Korrekturmaßnahmen umzusetzen, die die dynamische Steifigkeit des gesamten Systems erhöhen.
Sofortige Untersuchung und Ursachenidentifikation
Der erste Schritt besteht darin, die Art des Ratterns zu diagnostizieren. Erzwungene Vibrationen entstehen durch eine äußere periodische Kraft, etwa durch eine Unwucht im Werkzeughalter, verschlissene Spindellager oder unterbrochene Schnitte. Selbsterregtes Rattern ist häufiger und entsteht aus der Wechselwirkung des Zerspanungsprozesses mit der strukturellen Dynamik des Maschinen-Werkzeug-Werkstück-Systems; es tritt auf, wenn die durch Schwingung verursachte Spandickenmodulation eine Rückkopplungsschleife erzeugt, die die Schwingung verstärkt.
Beginnen Sie mit den leicht zugänglichen Komponenten. Überprüfen und ziehen Sie alle Spann- und Befestigungselemente nach – einschließlich Werkstück, Schraubstock, Paletten und Werkzeug im Halter. Ein unzureichend abgestütztes Werkstück verhält sich wie eine Trommelmembran und neigt stark zum Schwingen. Für dünnwandige oder komplexe Teile sollten spezielle Spannlösungen wie Vakuumspannsysteme oder niedrigschmelzende Legierungen eingesetzt werden, um eine vollständige Unterstützung zu gewährleisten. In unserem One-Stop-Service entwickeln wir häufig kundenspezifische Vorrichtungen für anspruchsvolle Bauteile, um maximale Steifigkeit vom ersten Schritt der Prototypenfertigung bis hin zur Serienproduktion sicherzustellen.
Korrekturmaßnahmen: Parameter- und Werkzeugbahn-Anpassungen
Oft ist die schnellste Lösung die Anpassung der Schnittparameter. Die effektivste Maßnahme besteht darin, die Spindeldrehzahl zu verändern. Rattern tritt bei bestimmten Resonanzfrequenzen auf; eine deutliche Erhöhung oder Verringerung der Drehzahl kann den Prozess aus dieser instabilen Zone verschieben. Wenn möglich, sollte die Maschinenfunktion „Spindeldrehzahlvariation“ verwendet werden, um die Drehzahl kontinuierlich zu modulieren und den harmonischen Zyklus zu unterbrechen.
Die Anpassung von Vorschub und Schnitttiefe ist ebenfalls entscheidend. Eine reduzierte radiale Schnitttiefe (Seitenschritt) ist häufig effektiver zur Ratterunterdrückung als eine Verringerung der axialen Tiefe. Dadurch wird der Werkzeug-Eingriffswinkel reduziert und die Schnittkraft, die Schwingungen anregt, minimiert. Andererseits kann ein leicht erhöhter Vorschub helfen, indem er einen dickeren Span erzeugt, der mehr Dämpfung bietet. Bei komplexen Bauteilen, die mit Mehrachsenbearbeitung gefertigt werden, können trochoidale oder dynamische Werkzeugbahnen, die einen konstanten Werkzeugkontakt beibehalten, Rattern nahezu vollständig eliminieren, da sie hohe Eingriffswinkel vermeiden.
Werkzeug- und Werkzeughalter-Strategien
Die Auswahl des richtigen Werkzeugs ist entscheidend. Zur Maximierung der Steifigkeit sollte stets die kürzeste mögliche Werkzeugauskragung und der größtmögliche Werkzeugdurchmesser verwendet werden. Die Werkzeughalterverbindung ist ebenfalls kritisch: Schrumpfhalter und Hydraulikhalter bieten eine überlegene Spannkraft und Dämpfungswirkung im Vergleich zu Standardspannzangen. Für besonders problematische Fälle sind gedämpfte Werkzeughalter erhältlich, die mit internen Masse-Feder-Systemen ausgestattet sind, um Schwingungen bei bestimmten Frequenzen aktiv entgegenzuwirken.
Wählen Sie Werkzeuge mit ungleichmäßiger Nutteilung oder einem variablen Drallwinkel. Diese Konstruktion unterbricht die harmonische Rückkopplung, da aufeinanderfolgende Schneiden das Material zu leicht unterschiedlichen Zeiten bearbeiten und so die kontinuierliche Ansammlung von Schwingungsenergie verhindern. Dies ist Standardpraxis in unserem CNC-Frässervice für anspruchsvolle Materialien wie Titan oder Inconel, bei denen Rattern ein häufiges Problem darstellt.
Optimierung der Werkstück- und Maschinensteifigkeit
Wenn die Vibration weiterhin besteht, kann die Ursache im Werkstück oder in der Maschine selbst liegen. Für lange, schlanke Geometrien können Opferstützen, die in der Endbearbeitung entfernt werden, zusätzliche Stabilität bieten. Eine effektive Kühlmittelzufuhr ist ebenfalls entscheidend, da ein Hochdruck-Kühlsystem dabei hilft, Späne zu zerkleinern und deren Wiederzerspanung zu verhindern, die sonst Schwingungen anregen könnten.
Wenn die Werkzeugmaschine verschlissene Spindellager oder eine unzureichende Strukturmasse aufweist, sind die Möglichkeiten jedoch begrenzt. In solchen Fällen bleibt oft nur die weitere Reduzierung der Bearbeitungsparameter – oder, wenn die Teilequalität wie bei vielen Anwendungen im Präzisionsbearbeitungsservice nicht verhandelbar ist, die Verlagerung der Bearbeitung auf eine steifere Maschinenplattform. Die durch Rattern induzierten Spannungen können zudem die Lebensdauer eines Werkstücks beeinträchtigen, was gegebenenfalls eine anschließende Wärmebehandlung für CNC-Bauteile zur Spannungsreduzierung oder eine PVD-Beschichtung zum Schutz mikroverrissener Oberflächen erforderlich machen kann.
