Beherrschung der Bearbeitungsstabilität:Ein Leitfaden zum Testen von Gewindebohrern und zur Verhinderung von Rattern

Beim Klopftest wird ein instrumentierter Hammer verwendet, um eine Struktur anzuregen und die Vibrationsreaktion mit einem Wandler, beispielsweise einem Beschleunigungsmesser, zu messen. Der Zweck dieses Tests besteht darin, die Frequenzgangfunktion (FRF) für die ausgewählte mechanische Struktur zu ermitteln. Mit der FRF können wir eine Stabilitätskarte berechnen, die Kombinationen aus Spindelgeschwindigkeit und axialer Tiefe, die Rattern erzeugen (d. h. oberhalb der blauen Grenze), von solchen trennt, bei denen dies nicht der Fall ist (unterhalb der Grenze). Dies ermöglicht die Auswahl stabiler Bearbeitungsparameter ohne Versuch und Irrtum; siehe Abbildung 1.

Abb. 1:Frässtabilitätskarte. Quelle (alle Zahlen):Tony Schmitz

Die grundlegende Hardware, die zum Messen von FRFs erforderlich ist, ist:

Empfohlener Inhalt

• ein Mechanismus zur bekannten Krafteingabe über den gewünschten Frequenzbereich (oder die gewünschte Bandbreite)
• ein Wandler zur Schwingungsmessung, wiederum mit der erforderlichen Bandbreite
• ein dynamischer Signalanalysator zur Aufzeichnung der Kraft- und Vibrationseingaben im Zeitbereich und zur Umwandlung dieser in die gewünschte FRF.

Ein dynamischer Signalanalysator umfasst Eingangskanäle für die Kraft- und Vibrationssignale im Zeitbereich und berechnet die Fourier-Transformation dieser Signale, um sie in den Frequenzbereich umzuwandeln. Anschließend wird das Verhältnis des Vibrationssignals im Frequenzbereich zum Kraftsignal im Frequenzbereich berechnet. Dieses Verhältnis ist der FRF. Ein Schema des Aufbaus ist in Abb. 2 dargestellt. Es umfasst die Kraft und Vibration im Zeitbereich, die die Form einer Verschiebung haben können, x , Geschwindigkeit, ẋ , oder Beschleunigung, ẍ , Eingänge und Verstärker für jeden. Die Verstärker dienen dazu, die Amplituden der Signale zu erhöhen. Kraft und Vibration sind analoge Signale, die zeitlich kontinuierlich sind. Um diese Signale mit dem Analysator aufzuzeichnen, müssen sie jedoch in kleinen Zeitintervallen abgetastet oder digitalisiert werden. Dieser Vorgang wird mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) abgeschlossen. Diese digitalen Signale werden dann vom dynamischen Signalanalysator bei der FRF-Berechnung verwendet. Basierend auf dem Vibrationseingangstyp kann der FRF wie folgt ausgedrückt werden:

• Rezeptanz oder Nachgiebigkeit – das Verhältnis von Verschiebung zu Kraft
• Mobilität – das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Kraft
• Beschleunigung oder Trägheit – das Verhältnis von Beschleunigung zu Kraft.

Abb. 2:Schematische Darstellung des FRF-Messaufbaus.

Es gibt drei gängige Arten der Kraftanregung. Dazu gehören:

• Sinuswelle mit fester Frequenz – Die FRF wird jeweils für eine Frequenz bestimmt. Bei jeder Frequenz innerhalb der gewünschten Bandbreite wird die sinusförmige Kraft angewendet, die Reaktion auf die Krafteingabe über ein kurzes Zeitintervall gemittelt und die FRF berechnet. Dies wird als Sinus-Sweep-Test bezeichnet.
• Zufallssignal – Der Frequenzinhalt des Zufallssignals kann breitbandig (weißes Rauschen) oder auf einen begrenzten Bereich beschränkt (rosa Rauschen) sein. Auch hier wird die Mittelung über einen festen Zeitraum angewendet, aber alle Frequenzen innerhalb der ausgewählten Bandbreite werden in einem einzigen Test angeregt.
• Impuls – Durch einen kurzzeitigen Aufprall wird die Struktur angeregt und die entsprechende Reaktion gemessen. Dieser Ansatz ermöglicht die Anregung eines breiten Frequenzbereichs in einem einzigen, kurzen Test. Mehrere Tests werden typischerweise im Frequenzbereich gemittelt, um die Kohärenz oder die Korrelation zwischen den Kraft- und Vibrationssignalen zu verbessern.

Um diese unterschiedlichen Kräfte zu erzeugen, werden zwei gängige Arten von Krafteingabehardware eingesetzt:

• Shaker – Diese Systeme umfassen einen harmonisch angetriebenen Anker und eine Basis. Der Anker kann entlang seiner Achse durch eine Magnetspule oder hydraulische Kraft betätigt werden. Die Magnetspulen- oder elektrodynamischen Konfigurationen können Anregungsfrequenzen von mehreren zehn kHz mit Kraftniveaus von mehreren zehn bis tausenden Newton liefern (eine erhöhte Kraft bedeutet typischerweise einen niedrigeren Frequenzbereich). Hydraulische Shaker bieten eine hohe Kraft mit der Möglichkeit einer statischen Vorspannung (d. h. die durchschnittliche oder mittlere Kraft ist nicht Null), aber relativ niedrige Frequenzbereiche. In beiden Fällen wird die Kraft oft über einen Stachel oder einen schlanken Stab, der axiale Spannung und Kompression, aber keine Biegung oder Scherung aufnimmt, auf die gewünschte Struktur ausgeübt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kraft nur in eine Richtung wirkt. Zur Messung der Eingangskraft ist eine Kraftmessdose in den Aufbau integriert; siehe Abbildung 3.
• Schlaghammer – Ein Schlaghammer verfügt über einen Kraftaufnehmer, der sich an einer Metall-, Kunststoff- oder Gummispitze befindet, um die Krafteinwirkung während eines Hammerschlags zu messen. Wenn ein Hammer in Verbindung mit einem Vibrationsaufnehmer verwendet wird, wird das Messverfahren als Klopfprüfung bezeichnet. Der Energieeintrag in die Struktur ist eine Funktion der Hammermasse; Eine größere Masse liefert mehr Energie. Daher sind viele Größen verfügbar. Außerdem hängt die Anregungsbandbreite des Krafteintrags von der Masse und der Spitzensteifigkeit ab. Steifere Spitzen regen tendenziell einen größeren Frequenzbereich an, verteilen aber auch die Eingangsenergie über diesen größeren Bereich. Weichere Spitzen konzentrieren die Energie auf einen niedrigeren Frequenzbereich. Hartplastik- und Metallspitzen sorgen für eine höhere Steifigkeit, während Gummispitzen für eine geringere Steifigkeit sorgen.

Abb. 3:Shaker-Aufbau.

Vibrationswandler sind sowohl in berührungsloser als auch in Kontaktausführung erhältlich. Während berührungslose Wandler wie kapazitive Sonden und Laservibrometer bevorzugt werden, da sie die Strukturdynamik nicht beeinflussen, sind kontaktbehaftete Typen wie Beschleunigungsmesser oft bequemer zu implementieren. Als Kompromiss können Beschleunigungsmesser mit geringer Masse verwendet werden, um den Einfluss auf die Teststruktur zu minimieren. Sie werden mit Wachs, Kleber, einem Magneten oder einem Gewindebolzen an der gewünschten Stelle befestigt und nach Abschluss der Prüfung wieder entfernt.

Abb. 4:Schlüsselelemente des Tap-Tests.

Abbildung 4 identifiziert Schlüsselelemente des Tap-Tests. Das Foto unten links zeigt, wie mit einem Hammer auf eine Werkzeugspitze geschlagen wird und wie ein Beschleunigungsmesser (mit Wachs an der Werkzeugspitze befestigt) zur Messung der Vibrationsreaktion verwendet wird. In der oberen Zeile werden die Zeitreaktionen für Kraft und Vibration angezeigt. Wir sehen, dass der Hahn einen Krafteintrag von kurzer Dauer erzeugt. Aufgrund dieser Kraft schwingt das Werkzeug mit abnehmender Amplitude (aufgrund der Dämpfung). Die mittlere Zeile zeigt die Umsetzung dieser Signale in den Frequenzbereich. Der Hahn regt ein breites Spektrum an Frequenzen an. In der unteren Zeile wird die FRF angezeigt. Aus diesem Diagramm können wir die Eigenfrequenz, Steifigkeit und das Dämpfungsverhältnis für jeden Schwingungsmodus ermitteln.