Schwingungsanalyse meistern: Datengestützte Strategie gegen Frässchwingungen (Chatter)

Schwingung ist Begleiterscheinung rotierender Werkzeuge beim Fräsen. Aber übermäßige Schwingung führt zu Rattern (Chatter) – Werkzeug- und Maschinenverschleiß, schlechte Teilequalität, überlange Zykluszeiten. Hier ein Überblick über die Elemente der Schwingungsanalyse zur Chatter-Beseitigung.

In der Fertigung kennt man Schwingung – vor allem: übermäßige Schwingung schadet Fräsmaschinen und Teilen. Zerspaner verbringen viel Zeit damit, Chatter zu eliminieren.

„Chatter kann bei hoher Schnittgeschwindigkeit zu schnellem Werkzeugverschleiß und schlechter Oberflächenqualität führen – und tritt bei verschiedenen Prozessparametern auf“, so Forschung in The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.

Typischerweise greifen Zerspaner zu Trial-and-Error – verbringen halbe bis ganze Schichten, um das ideale Setup für einen Job an der CNC-Fräsmaschine zu finden.

Um Chatter – das immer lauter werdende Kreischen, das einen unruhigen Schnitt anzeigt – zu beseitigen, reduzieren sie Drehzahl, justieren Vorschub, variieren axiale/radiale Schnitttiefen, tauschen Werkzeuge.

Warum? Um das optimale Betriebsniveau zu finden – das nicht nur Standzeit verlängert, sondern mehr gute Teile in kürzerer Zeit ermöglicht.

Läuft das Werkzeug-Setup stabil, gleicht es einem heißen Messer durch Butter: schnell, leise, sauber.

In begrenzten Fällen messen und analysieren Teams bereits die Schwingungsfrequenz zwischen Werkstück und Schneidwerkzeug und tracken Daten über Setups und Maschinen. Die Zeitersparnis kann signifikant sein – aber im Gegensatz zur Schwingungsanalyse für vorbeugende/prädiktive Instandhaltung industrieller Maschinen ist sie in der Zerspanung, speziell Fräsen, noch eher unüblich.

Video: Wie MSC MillMax das Raten beim Optimieren Ihrer Fräsanwendungen eliminiert:

Was ist Schwingungsanalyse und warum ist sie auf dem Shopfloor wichtig?

Klar: Schwingungsbeseitigung führt zu effektiveren, effizienteren Fräsoperationen. Zerspaner produzieren mehr gute Teile, senken Ausschussquote, steigern Rentabilität.

Hier setzt Schwingungsanalyse an: Im Wesentlichen die Erfassung von Schwingungsinformationen zur Identifikation optimaler, stabiler Drehzahlen und Vorschübe beim Zerspanen.

„Schwingungsanalyse kann unsere Ohren sein, um die Sprache der Maschinen zu entschlüsseln, und uns zeigen, wo Ressourcen fokussiert werden müssen“, so Manufacturing.net.

Es ist wie ein Gesundheitscheck der Frässpindel – die einzigartige Antwort von Maschinenspindel, Werkzeughalter und Fräser. Je stärker Schwingung und Chatter, desto „kranker“ die Fräsbaugruppe, desto dringender die Notwendigkeit, Drehzahl und Vorschub anzupassen für perfekte Teile und Schutz vor Ausfall.

Schwingung treibt Kosten auf mehrere Weisen: Erstens Spindelausfall-Risiko. Reparatur: wenige hundert bis mehrere tausend Euro; Austausch: Zehntausende. Hinzu kommt: Stillstehende Maschine produziert keine Teile. Letztlich nutzen sich suboptimal laufende Maschinen schneller ab als chatter-freie.

„Zustandsüberwachung von Schneidwerkzeugen in jeder Zerspanung ist wichtig, um unerwartete Probleme zu vermeiden und Genauigkeit zu verbessern“, so International Journal of Production Research.

Vergleich: Überladene Waschmaschine – läuft dauerhaft unrund, Teile verschleißen schneller, Maschine fällt früher aus. Last justieren für Stabilität → höhere optimale Geschwindigkeit, längere Lebensdauer.

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Die vier Prinzipien der Schwingungsanalyse

Im Kern: Schwingung (erfasst per Sensoren/Beschleunigungsmesser) → elektrisches Signal → Messung. Schwingungsanalyse vergleicht und liefert Einblicke basierend auf Frequenz, Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung.

Vier Prinzipien ermöglichen Darstellung und Vergleich der Signaldaten Ihres Bearbeitungssetups: Zeitbereich, Frequenzbereich, Gelenkbereich (Joint Domain), Modalanalyse.

„Jede Domäne liefert spezifische Informationen zu Arbeitsbedingungen und Merkmalen des schwingenden Teils“, erklärt ScienceDirect.

Was ist Zeitbereich (Time Domain)?

Ein Signal läuft als Welle. Zeitbereich = Amplitudenverlauf über Zeit.

„Während die meisten Maschinen-Schwingungsprobleme per Spektralanalyse erkannt werden, sind manche Typen im Wellenformbild leichter sichtbar“, so Reliable Plant.

Aber: Zeitbereichsinfo allein macht es schwer, Amplitudenorte zu identifizieren und Maschine entsprechend zu isolieren/kalibrieren.

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Was ist Frequenzbereich (Frequency Domain)?

Im Gegensatz zum Zeitbereich betrachtet Frequenzbereich Wellen an diskreten Punkten – Amplitudenänderung an diesen Frequenzen.

„Wenn Verschiebung, Geschwindigkeit, Beschleunigung im Frequenzbereich (Amplitude vs. Frequenz) dargestellt werden – werden Anomalien als hohe Amplituden an bestimmten Frequenzen sichtbar“, erklärt Ingenieurin Danielle Collins (Motion Control Tips). „Da viele schwingungsbedingte Probleme an spezifischen Frequenzen auftreten, lassen sich Ursache und Ort über Amplitudenvariationen an bestimmten Frequenzen eingrenzen/identifizieren.“

Was ist Gelenkbereich (Joint Domain)?

Joint Domain koppelt Zeit- und Frequenzbereich – adressiert, dass Schwingungsanalyse nichtstationäre Objekte untersucht.

Was ist Modalanalyse?

Modalanalyse definiert Eigenfrequenzen der Schwingung basierend auf Strukturmaterialien von Setup, Maschine, Werkstück. Erstellt die Basislinie, an der Schwingungsanalyse abliest, wann und wie stark ein Werkzeug-Setup/Maschine außerhalb der gewünschten Kalibrierung für den spezifischen Job liegt.

Letztes Ziel: Stabile Drehzahl für ein spezifisches Projekt mit spezifischem Setup auf spezifischer Maschine identifizieren.

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Wie managen Ihre Zerspaner Chatter? Welche Ansätze waren am erfolgreichsten? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren.