Die beim Zerspanen von Metallen entstehenden Schnittschwingungen sind ein sehr schädliches Phänomen. Treten während der Bearbeitung Schwingungen auf, kommt es zu einer Relativverschiebung zwischen Werkzeug und Werkstück. Dies führt zu Schwingungsspuren auf der Bearbeitungsfläche und beeinträchtigt die Oberflächenqualität und die Leistungsfähigkeit der Teile erheblich. Das Prozesssystem ist weiterhin dynamischen Wechsellasten ausgesetzt, was leicht zu Werkzeugverschleiß (oder sogar Schneidkantenbruch) führen, die Verbindungen der Werkzeugmaschine beschädigen und im schlimmsten Fall den Bearbeitungsprozess unterbrechen kann. Der durch die Schwingungen erzeugte Lärm gefährdet zudem die Gesundheit des Bedieners. Um die Schwingungen zu reduzieren, ist es mitunter notwendig, die Zerspanungsleistung zu verringern, was die Produktionseffizienz der Werkzeugmaschine mindert. Daher ist es unerlässlich, die Ursachen von Schwingungen beim Zerspanen von Metallen zu analysieren und Methoden zur Schwingungsdämpfung zu beherrschen.

 

Warum Werkzeugvibrationen beim Schneiden eliminieren?

Beim konventionellen Zerspanen erfolgt der Zerspanungsprozess durch die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Entstehung von Spänen und bearbeiteten Oberflächen ist im Wesentlichen der Vorgang, bei dem das Werkstückmaterial durch das Werkzeug verformt wird, was zu elastischer und plastischer Verformung führt und die Ablösung der Späne vom Grundmaterial bewirkt. Beim konventionellen Zerspanen, bei dem das Werkzeug fixiert bleibt, beeinflusst es zwei Aspekte: zum einen die Schneide selbst und zum anderen die Werkzeugoberfläche, die die Schneide bildet.

Durch den hohen Druck an der Kontaktstelle zwischen Sägeblatt und Werkstück wird dieses vom Werkstück getrennt. Die Schneidfläche stützt und komprimiert das Werkstück während des Schnitts und fördert so diese Trennung. Beim allgemeinen Zerspanen entsteht mit der Spänebildung zwangsläufig eine höhere Schnitttemperatur, die zu schädlichen Phänomenen wie Werkzeugverschleiß und Schnittvibrationen führt.

Hauptgründe für das Abschneiden von Vibrationen

Die Vibration des Schneidwerkzeugs während des Schneidens des Werkstücks erfordert das gleichzeitige Vorliegen der folgenden drei Bedingungen:

1. Die unzureichende Steifigkeit des Prozesssystems, einschließlich der Schneidwerkzeuge, führt zu niedrigen Eigenfrequenzen.

2. Der Schneidvorgang erzeugt eine ausreichend große äußere Anregungskraft.

3. Die Frequenz der äußeren Anregungskraft entspricht der Eigenfrequenz des Prozesssystems, was unmittelbar zu Resonanz führt.

Die spezifischen Ursachen für Vibrationen beim Schneiden können folgende sein:

1. Die Stabilität der Vorrichtung ist zu gering.

2. axiale Steifigkeitsdifferenz des bearbeiteten Werkstücks.

3. Der überstehende Teil des Werkzeugs ist zu lang.

4. Die Vorschubgeschwindigkeit der Werkbank ist instabil.

Die Schnittgeschwindigkeit ist zu hoch, die Vorschubgeschwindigkeit hingegen zu niedrig. Außerdem ist die Schnitttiefe nicht angemessen.

 

Wie können wir Schneidvibrationen eliminieren?

Unser Grundprinzip zur Beseitigung von Schnittvibrationen lautet wie folgt:

1. Die Schnittkraft auf ein Minimum reduzieren,

2. die statische Steifigkeit des Werkzeugsystems bzw. der Vorrichtung gegenüber dem Werkstück so weit wie möglich zu erhöhen;

3. Um eine Vibration im Werkzeughalter zu erzeugen, die die Schwingungsfrequenz der äußeren Schnittkraft unterbricht und dadurch die Werkzeugvibration beseitigt.

Verwenden Sie scharfe Schneidklingen, um die Schnittvibrationen zu reduzieren.

Unbeschichtete Schneidklingen sind schärfer als beschichtete Klingen. Ist eine Beschichtung erforderlich, sind physikalisch beschichtete Klingen ebenfalls schärfer als chemisch beschichtete. Der Passivierungsgrad der Klingen kann zwischen 35 und 75 μm gewählt werden.

Für die Schnitttiefen ist ein kleiner Spitzenbogenradius erforderlich.

Die Größe ΔR in der Abbildung stellt die Federverformung des Bohrstangenkörpers dar. Man erkennt, dass die Federverformung maximal ist, wenn die Schnitttiefe ap dem Radius des Werkzeugspitzenbogens entspricht. Mit zunehmender Schnitttiefe steigt die Federverformung nicht weiter an, sondern nimmt sogar wieder ab. Da die radiale Schnittkraft FCN bei ap = r maximal ist, erhöht eine Steigerung von ap lediglich den axialen Widerstand. Dieser ist jedoch nicht die Ursache für die Schwingungsfederverformung des schlanken Werkzeugstangenkörpers und trägt somit zu dessen Stabilität bei.

Wenn beispielsweise der Klingenspitzenwinkel unverändert bei 0,8 mm bleibt

Mit zunehmender Schnitttiefe des Schneidwerkzeugs ist die Vibration schlanker Bohr- oder Fräswerkzeuge maximal, wenn die Schnitttiefe ap und der Spitzenradius (r = 0,8 mm) gleich sind. Ist die Schnitttiefe ap größer als der Spitzenradius r, wird die Vibration des Schneidwerkzeugs hingegen reduziert.

Zum Bohren und Drehen schlanker Wellenteile mit schlanken Werkzeugstangen sollte ein Werkzeug mit 90 Grad Hauptablenkwinkel verwendet werden.

Ob beim Drehen schlanker Wellen mit zylindrischen Drehwerkzeugen oder beim Bohren von Löchern mit schlanken Werkzeugstangen – die radiale Schnittkraft, die vom Werkzeug mit einem Hauptablenkwinkel von 90° erzeugt wird, ist stets am geringsten, während die axiale Kraft an der Schneide am größten ist. Dreh- und Bohrwerkzeuge mit einem Hauptablenkwinkel von 45° neigen zu Schnittschwingungen, da die schwingungserzeugende radiale Schnittkraft der axialen Kraft entspricht. Bei Verwendung kreisförmiger Schneidplatten ist die radiale Schnittkraft größer als die axiale Kraft, wodurch Schwingungen besonders häufig auftreten.

Bei Fräsern mit schlanken Stangen sind Kreisschneidfräser besser zur Vibrationsreduzierung geeignet.

Der Fräser arbeitet entgegengesetzt zum Bohrer. Je näher der Hauptablenkwinkel an 90 Grad liegt, desto größer sind die radiale Schnittkraft und die Vibration des Werkzeughalters. Daher wird beim Oberflächenfräsen tiefer Bohrungen in Formen üblicherweise ein Fräser mit einem Hauptablenkwinkel von 45 Grad verwendet. Bei Schnitttiefen unter 1 mm kommen häufig Kreis- oder Kugelfräser zum Einsatz.

 

Der Planfräser verwendet eine geringe Zahnteilung und ungleichmäßig abgewinkelte Fräser, um die Frässchwingungen zu reduzieren.

Mit „Zähnen“ sind die Schneiden gemeint. Bei einem Planfräser mit gleichem Durchmesser, beispielsweise 100 Millimetern, erzeugt eine Scheibe mit 5 Schneiden definitiv weniger Fräskraft als ein Fräser mit 10 Schneiden. Tatsächlich ist ein 100-mm-Fräskopf mit 5 Schneiden im Vergleich zu einem Fräskopf mit 10 Schneiden ein Fräskopf mit geringerer Zahnteilung. Bei ungleichmäßiger Zahnteilung handelt es sich um einen Fräser mit ungleichmäßiger Zahnteilung. Dieser Fräsertyp zeichnet sich nicht nur durch geringe Schnittkraft aus, sondern weist auch keine feste Frequenz auf, die Resonanzen im Prozesssystem anregen könnte.

 

Beim Bohren von Innenlöchern gilt: Je kleiner der Formwinkel des Schneidblatts, desto besser.

Bei dieser Schnitttechnik (siehe Abbildung) ist der sekundäre Hauptabweichungswinkel groß und die Kontaktfläche zwischen der Sekundärschneide und der bearbeiteten Oberfläche klein, wodurch die Umwandlung von Vibrationen in Schwingungen erschwert wird. Auch die Gefahr des Quetschens der Sekundärschneide ist gering. Beispielsweise beträgt beim Bohren von Innenlöchern der Hauptabweichungswinkel des Bohrwerkzeugs 93 Grad, der sekundäre Hauptabweichungswinkel des Schneidblatts bei Verwendung von CCMT 7 Grad, während er bei Verwendung von DCMT 32 Grad beträgt. Das Schneiden ist deutlich leichter und schneller, die Sicherheit des Schneidblatts mit dem kleinen Schneidwinkel ist jedoch geringer.

Integrale verwenden Hartmetall-Zugstange oder solche aus legiertem Stahl, um die statische Steifigkeit des Werkzeughalters zu verbessern

Viele Werkzeughersteller fertigen Werkzeughalter aus Hartmetall oder Volllegierungen, da diese Werkstoffe eine hohe Druckfestigkeit aufweisen. Die Druckfestigkeit von legiertem Stahl beträgt 210 GPa, während die Druckfestigkeit von Hartmetall 900 GPa erreicht, also das 2,5-Fache der Festigkeit von Stahlwerkzeughaltern.