Rattern eliminieren: Bewährte Strategien zur Optimierung von Maschineneinstellungen für schnellere, sauberere Produktion

Bremst Rattern die Produktivität Ihrer Fertigung? Wir sprechen mit Experten über einen neuen Ansatz zur Minimierung von Vibrationen in der Teilefertigung – damit Sie mehr Teile schneller und mit weniger Ausschuss auf den Markt bringen.

Übermäßige Bearbeitungsvibration, auch Rattern genannt, ist der Feind effizienter Metallbearbeitung.

Das unerwünschte Schütteln – das der Relativbewegung zwischen Werkstück und Schneidwerkzeug entspricht – setzt Werkzeuge und Maschinen übermäßigem Verschleiß aus und erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bearbeitungsprozess ein Teil außerhalb der Spezifikation produziert, sagt Tony Schmitz, Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik und Biomedizintechnik an der University of Tennessee, Knoxville.

Seit zwei Jahren arbeiten Schmitz und sein Kollege Dave Barton, ein Fertigungsindustrie-Veteran, mit einem Ingenieurteam am Oak Ridge National Laboratory an einem Tool, das Fertigungsbetriebe dabei unterstützt, Maschineneinstellungen hinsichtlich Vibration besser zu optimieren.

„Beim Fräsen haben Sie einen rotierenden Fräser – der die Späne entfernt“, erklärt Schmitz, der auch Joint Faculty am ORNL ist. Die Schnittkraft wächst und fällt mit jedem Zahneingriff, fügt er hinzu. „Stellen Sie es sich wie einen Herzschlag vor – der Zahn geht in und aus dem Kontakt. Es ist diese auf und ab gehende Kraft, die Vibration verursacht.“

Einen Weg zu finden, Rattern intelligent zu reduzieren und einen rhythmischen Bearbeitungs-„Herzschlag“ beizubehalten, ist nicht nur eine Frage der Drehzahlsteuerung, sondern auch der Optimierung einer Maschine durch Verständnis der Vibration an der Schneidspitze relativ zum bearbeiteten Material und dem spezifischen Setup jeder Maschine, erklärt Barton.

Die Herausforderung liegt darin, dass jedes Werkzeug-Spindel-Maschinen-Setup seine eigenen einzigartigen Vibrationsfrequenzen hat. Das macht das Testen jedes Werkzeughalter-Spindel-Maschinen-Setups für ein Produkt kritisch – und oft zeitaufwändig für Betriebe. Doch diese Information ist erforderlich, um optimale Bearbeitungsparameter ohne kostspieliges Trial-and-Error zu finden.

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Wie Betriebe Rattern typischerweise minimieren

Für die meisten Zerspaner und Betriebe ist das Management von Rattern ein Prozess aus Trial-and-Error – mehr oder weniger Ratespiel, sagt Barton.

Es ist üblich, dass Zerspaner sich auf die empfohlenen Einstellungen der Werkzeughersteller zur Ratternreduzierung verlassen oder auf umfangreiche Drehzahl-Vorschub-Tabellen, sagt Schmitz. Dann passen sie die Einstellungen nach Bedarf an: „Die Herausforderung: Diese Drehzahlen und Vorschübe aus Büchern oder dem Internet berücksichtigen nicht die Dynamik Ihrer Maschine und Ihres Setups.“

Typischerweise veröffentlichen Maschinen- und Werkzeughersteller Parameter für hohe, mittlere und niedrige Geschwindigkeiten für Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, sagt Jamie Goettler, Director of Metalworking Innovation bei MSC.

Basierend darauf gehen die meisten Zerspaner „direkt in die Mitte“, sagt Goettler. „Bei Problemen oder Rattern reduzieren sie, bis sie einen stabilen Betriebsbereich finden.“

Mit diesem Ansatz führen Betriebe generell einen Testlauf für jedes neue Material oder Produktbauteil durch, fügt er hinzu. Ein Zerspaner startet mit den herstellerempfohlenen Werten für Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe und muss dann intuitiv jeden dieser Parameter über mehrere Testläufe anpassen.

Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Betrieb die bessere Hälfte einer ganzen Schicht damit verbringt, sein Setup zu optimieren, bevor die Teilefertigung beginnt, sagt Goettler. Man sieht leicht ein, warum: Sie streben nach maximaler Produktivität, Abfallkontrolle und verlängerter Werkzeug- und Maschinenlebensdauer.

Einige Betriebe führen detaillierte Logs und Tabellen für verschiedene Werkzeug-Setup-Kombinationen für spezifische Werkstücke, nur um festzustellen, dass die Kombination beim nächsten Mal rattert, weil die ursprünglichen Ergebnisse nicht robust oder wiederholbar waren. Andere bekämpfen Rattern täglich mit manuellen Overrides oder dem Ausprobieren verschiedener Werkzeuge.

Neue Werkzeugtechnologie zur Ratternreduzierung

Barton und Schmitz sagen, dass MSC MillMax, das von ihnen entwickelte Fräsparameter-Auswahltool, die Optimierung beschleunigen kann.

Größte Sorge bereitet, wie das Werkzeug an seiner Spitze schneidet, erklärt Schmitz. Die Messung des „spezifischen Vibrationsverhaltens an der Werkzeugspitze“ liefert die entscheidenden Daten, die Betriebe benötigen, um jede Setup-Kombination zu perfektionieren. „Man kann sich jede Werkzeughalter-Spindel-Maschinen-Kombination als einzigartigen dynamischen Fingerabdruck vorstellen. MillMax ermöglicht es, den Fingerabdruck zu messen und die Kombination optimal zu nutzen.“

MillMax ist ein kleines Kit, das einen Sensor nutzt, um Vibrationsfrequenzdaten zu erfassen und diese in Near-Realtime auf einem digitalen Dashboard darzustellen. Mit dieser Information kann ein Betrieb ein Setup aufbauen, das seinen Zerspanern ermöglicht, Teile mit maximal möglicher Geschwindigkeit zu fertigen und den Spanabtrag zu maximiert, sagt Barton.

„Wir befestigen einen kleinen Sensor an der Werkzeugspitze, klopfen das Werkzeug dann mit einem instrumentierten Hammer an, um die Vibrationsdaten zu erhalten“, erklärt er. Es gibt „Milliarden potenzieller Frässystem-Kombinationen im MillMax-System.“

Einmal das Setup für ein spezifisches Werkstück auf einer spezifischen Maschine erstellt, muss nicht erneut angeklopft werden, fügt Schmitz hinzu. Nur bei Änderung der Werkzeuglänge oder der geplanten Maschine ist ein erneutes Anklopfen nötig.

„Wir wollen kein spezielles Werkzeug verkaufen, sondern helfen, das richtige Werkzeug zu finden“, sagt Barton. Im Grunde „sind wir der Wahrheitsdetektor“, der einem Betrieb echte Daten darüber zeigt, was mit Vibrationsfrequenz auf ihren einzigartigen Setups passiert – oder um mehrere Setups zu vergleichen. „Und das in wenigen Minuten“, fügt er hinzu.

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