Bearbeitungsstabilität meistern: Leitfaden zu Klopftesten und Chatter-Vermeidung

Beim Klopftesten (Tap Testing) wird ein instrumentierter Hammer verwendet, um eine Struktur anzuregen und die Schwingungsantwort mit einem Wandler, wie einem Beschleunigungssensor, zu messen. Der Zweck dieses Tests ist die Identifizierung der Frequenzgangfunktion (FRF) für die ausgewählte mechanische Struktur. Gegeben die FRF können wir eine Stabilitätskarte berechnen, die Kombinationen von Spindeldrehzahl und axialer Schnitttiefe, die Schwingungen (Chatter) erzeugen (das heißt, oberhalb der blauen Grenze), von denen trennt, die dies nicht tun (unterhalb der Grenze). Dies ermöglicht die Auswahl stabiler Bearbeitungsparameter ohne Trial-and-Error; siehe Abbildung 1.

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

Die grundlegende Hardware, die zur Messung von FRFs erforderlich ist:

Hervorgehobener Inhalt

• ein Mechanismus für bekannte Krafteinbringung über den gewünschten Frequenzbereich (oder Bandbreite)
• ein Wandler für Schwingungsmessung, wieder mit der erforderlichen Bandbreite
• ein dynamischer Signalanalysator, um die zeitbereichsbasierten Kraft- und Schwingungseingänge aufzuzeichnen und in die gewünschte FRF umzuwandeln.

Ein dynamischer Signalanalysator umfasst Eingangskanäle für die zeitbereichsbasierten Kraft- und Schwingungssignale und berechnet die Fourier-Transformation dieser Signale, um sie in den Frequenzbereich umzuwandeln. Er berechnet dann das Verhältnis des frequenzbereichsbasierten Schwingungssignals zum frequenzbereichsbasierten Kraftsignals; dieses Verhältnis ist die FRF. Ein Schaltplan des Aufbaus ist in Abb. 2 dargestellt. Er umfasst die zeitbereichsbasierten Kraft und Schwingung, die die Form von Verschiebung, x, Geschwindigkeit, ẋ, oder Beschleunigung, ẍ, annehmen können, sowie Verstärker für jedes. Die Verstärker dienen zur Erhöhung der SignalAmplituden. Kraft und Schwingung sind analoge Signale, die kontinuierlich in der Zeit sind. Die Aufzeichnung dieser Signale mit dem Analysator erfordert jedoch deren Abtastung in kleinen Zeitintervallen, also ihre Digitalisierung. Dieser Prozess wird mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) abgeschlossen. Diese digitalen Signale werden dann in der FRF-Berechnung vom dynamischen Signalanalysator verwendet. Basierend auf dem Schwingungseingabetyp kann die FRF ausgedrückt werden als:

• Empfänglichkeit oder Compliance – das Verhältnis von Verschiebung zu Kraft
• Mobilität – das Verhältnis von Geschwindigkeit zu Kraft
• Beschleunigungsempfänglichkeit oder Trägheitsempfänglichkeit – das Verhältnis von Beschleunigung zu Kraft.

Abb. 2: Schematischer Aufbau der FRF-Messung.

Es gibt drei gängige Arten der Krafteinbringung. Dazu gehören:

• Festfrequenz-Sinuswelle – Die FRF wird Frequenz für Frequenz bestimmt. Bei jeder Frequenz innerhalb der gewünschten Bandbreite wird die sinusförmige Kraft angelegt, die Antwort auf die Krafteinbringung wird über ein kurzes Zeitintervall gemittelt und die FRF berechnet. Dies wird als Sinus-Sweep-Test bezeichnet.
• Zufälliges Signal – Der Frequenzinhalt des zufälligen Signals kann breitbandig (weißes Rauschen) oder auf einen begrenzten Bereich begrenzt sein (rosa Rauschen). Mitteln über einen festen Zeitraum wird wieder angewendet, aber alle Frequenzen innerhalb der gewählten Bandbreite werden in einem einzigen Test angeregt.
• Impuls – Ein kurzdauernder Impact wird verwendet, um die Struktur anzuregen und die entsprechende Antwort zu messen. Dieser Ansatz ermöglicht die Anregung eines breiten Frequenzbereichs in einem einzigen, kurzen Test. Mehrere Tests werden typischerweise im Frequenzbereich gemittelt, um die Kohärenz, also die Korrelation zwischen Kraft- und Schwingungssignalen, zu verbessern.

Um diese verschiedenen Kräfte zu erzeugen, werden zwei gängige Arten von Krafteinbringungshardware angewendet:

• Shaker (Schwinger) – 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 Zehner-kHz mit Kraftpegeln von Zehnern bis Tausenden Newton bereitstellen (erhöhte Kraft bedeutet typischerweise einen niedrigeren Frequenzbereich). Hydraulische Schwinger bieten hohe Kraft mit Potenzial für statische Vorspannung (d. h. die mittlere Kraft ist nicht null), aber relativ niedrigere Frequenzbereiche. In jedem Fall wird die Kraft oft über einen Stinger, einen schlanken Stab, der axiale Zug- und Druckkräfte unterstützt, aber keine Biegung oder Scherung, auf die interessante Struktur appliziert. Dies stellt sicher, dass die Kraft nur in eine Richtung appliziert wird. Eine Kraftmessdose ist im Aufbau integriert, um die Eingangskraft zu messen; siehe Abbildung 3.
• Impulshammer – Ein Impulshammer beinhaltet einen Kraftwandler an einer Metall-, Kunststoff- oder Gummispitze, um die Eingangskraft während eines Hammerschlags zu messen. Wenn ein Hammer in Verbindung mit einem Schwingungswandler verwendet wird, wird das Messverfahren als Klopftesten (Tap Testing) bezeichnet. Die der Struktur zugeführte Energie ist eine Funktion der Hammermasse; eine größere Masse liefert mehr Energie. Daher sind viele Größen verfügbar. Auch die Anregungsbandbreite der Eingangskraft hängt von Masse und Spitzensteifigkeit ab. Steifere Spitzen neigen dazu, einen breiteren Frequenzbereich anzuregen, verteilen aber die Eingangsenergie über diesen breiteren Bereich. Weichere Spitzen konzentrieren die Energie auf einen niedrigeren Frequenzbereich. Hartkunststoff- und Metallspitzen bieten höhere Steifigkeit, während GummiSpitzen reduzierte Steifigkeit geben.

Abb. 3: Shaker-Aufbau.

Schwingungswandler sind sowohl in berührungslosen als auch in kontaktierenden Typen verfügbar. Während berührungslose Wandler, wie Kapazitätssonden und Laservibrometer, bevorzugt werden, da sie die Strukturdynamik nicht beeinflussen, sind kontaktierende Typen, wie Beschleunigungssensoren, oft praktischer zu implementieren. Als Kompromiss können niedrigmassige Beschleunigungssensoren verwendet werden, um den Einfluss auf die Teststruktur zu minimieren. Sie werden am Interessenort mit Wachs, Klebstoff, einem Magneten oder einem Gewindestift befestigt und nach Abschluss des Tests entfernt.

Abb. 4: Schlüsselelemente des Klopftests.

Abbildung 4 identifiziert Schlüsselelemente des Klopftests. Das Foto links unten zeigt einen Hammer, der eine Werkzeugspitze anklopft, und einen Beschleunigungssensor (mit Wachs an der Werkzeugspitze befestigt), der die Schwingungsantwort misst. Die obere Reihe zeigt die Zeitantworten für Kraft und Schwingung. Wir sehen, dass der Klopfer einen kurzdauernden Krafteingang erzeugt. Aufgrund dieser Kraft schwingt das Werkzeug mit abklingender Amplitude (durch Dämpfung). Die mittlere Reihe zeigt die Umwandlung dieser Signale in den Frequenzbereich. Der Klopfer regt einen breiten Frequenzbereich an. Die untere Reihe zeigt die FRF. Aus diesem Plot können wir die Eigenfrequenz, Steifigkeit und Dämpfungsverhältnis für jeden Schwingungsmodus identifizieren.