Schwingungsbedingte Welligkeit beim Schleifen: Ursachenanalyse und Gegenmaßnahmen

In einer Produktionsschleifoperation ist Welligkeit auf der Werkstückoberfläche ein potenzieller Hinweis darauf, dass Maschine oder Prozess ein Schwingungsproblem entwickelt haben. Der Effekt zeigt sich in der Prüfung, oder – falls ein Läpp- oder Polierschritt folgt – in der erhöhten Zeit zum Entfernen der Wellen. Laut Saint-Gobain Abrasives, Hersteller von Norton-Schleifscheiben, ist dies der Punkt, an dem Shops fast immer versuchen, das Schwingungsproblem durch eine einfache Prozessänderung zu lösen. Und diese einfache Änderung kann ein ziemlich guter Ansatz sein.

Tatsächlich könnten diese Wellen auf der Oberfläche, oft als Rattermarken bezeichnet, auf die passende Lösung hinweisen. Bei einem Teil, das auf einer Flachschleifmaschine bearbeitet wurde, gilt: Schwingungsfrequenz (Zyklen pro Minute) = Vorschubgeschwindigkeit (Zoll pro Minute) / Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rattermarken (Zoll). Ermittelt man die Schwingungsfrequenz über diese Beziehung und stimmt sie mit der Drehzahl der Schleifspindel überein, deutet dies darauf hin, dass Schleifscheibe, Scheibenflansche oder die Schleifspindel der wahrscheinliche Verursacher sind. Scheibe wechseln, Flanschschrauben nachziehen oder Drehzahl ändern – das könnte genügen, um das Schwingungsproblem zu heilen oder zu beherrschen.

In anderen Fällen – manche betreffen andere Maschinenteile, manche die Eigenfrequenz des Systems – reicht eine einfache Lösung nicht aus, um das Problem ausreichend zu adressieren. Die beste Reaktion ist dann, die Maschine warten zu lassen und das defekte Maschinenelement zu reparieren, das Schwingungen aufs Werkstück überträgt. Wartung braucht Zeit und bedeutet Produktionsausfall. Für Shops, die kurzfristig weiterproduzieren müssen, haben Forscher einen Prozess bewiesen, der Schwingungseffekte überwindet, ohne Produktivitätseinbußen und ohne Maschinenstillstand.

Was folgt, basiert auf einem Paper zur „Kontaktlängen-Filterung“ von Saint-Gobain-Unternehmensanwendungstechnikern John Hagan und Mark Martin. Durch Reduzierung des Werkzeugvorschubs bei gleichzeitiger Erhöhung der Schnitttiefe können die Auswirkungen schwerer Schwingungen eliminiert werden – ohne Netto-Einfluss auf die Gesamtproduktivität.

Großes Scheibe-Werkstück-Verhältnis

Ziel der Kontaktlängen-Filterung ist es, die Scheibe-Werkstück-Kontaktlänge sehr groß zu machen im Verhältnis zur Wellenlänge der durch Schwingung betroffenen Oberfläche. Wenn erstere hoch genug im Verhältnis zur letzteren ist, entfernt die Scheibe effektiv schwindungsbedingte Spitzen vom Werkstück und glättet die Oberfläche – obwohl Schwingung noch auftritt. Wird die Schnitttiefe um denselben Faktor erhöht, um den der Vorschub verringert wird, bleibt der Zeitspanvolumen (und damit die Produktivität) gleich.

Die Schnitttiefe kontrolliert die Kontaktlänge. Offensichtlich muss die Erhöhung der Kontaktlänge ungünstige Effekte wie Werkstückanlaufen, Werkstückdurchbiegung etc. vermeiden. Die Schnitttiefe wird auf ein Niveau erhöht, das im Vergleich zu Standardbedingungen hoch ist, aber diese Negativwirkungen noch vermeidet.

Derweil steuert der Vorschub (oder Werkstückgeschwindigkeit) die Wellenlänge der Schwingungsmarken im Teil. Langsamere Werkstückgeschwindigkeit verkürzt die Wellenlänge.

Die Kontaktlängen-Filterung beginnt, eine glatte Oberfläche zu erreichen, wenn das Doppelte der Scheibe-Werkstück-Kontaktlänge die Wellenlänge des Ratterns (oder der Oberflächenwelligkeit) übersteigt. Anders ausgedrückt, die Bedingung für Rattern-Amplitudenreduktion lautet:

2 × Kontaktlänge (lc) ≥ Rattern-Wellenlänge (λchatter)

...wo die beiden obigen Figuren die Kontaktlänge (lc) und die Rattern-Wellenlänge (λchatter) definieren.

Die Technik funktioniert nicht immer, sagen die Forscher. In manchen Prozessen ist es nicht möglich, die Schwingungswellenlänge niedrig genug oder die Kontaktlänge hoch genug zu bekommen. In diesen Fällen bleibt nur die Lösung, die ohnehin durchgeführt werden muss: die Ursache der Schwingung zu identifizieren und zu beheben. Siehe Sidebar für einen Fall, in dem Kontaktlängen-Filterung effektiv war, um trotz extremer Schwingung eine glatte Oberfläche zu bearbeiten.

Dieser Artikel wurde von Peter Zelinski, Chefredakteur von Modern Machine Shop, verfasst und erschien ursprünglich in der Dezember-2018-Ausgabe. Wiedergabe mit Genehmigung.