Effektive Strategien zur Beseitigung von Drehschwingungen beim Drehen

Ein häufiger Fehler beim Drehen ist Vibration. Wenn die Drehmaschine vibriert, wird der normale Schneidprozess des Prozesssystems gestört und zerstört – dies verschlechtert nicht nur die Bearbeitungsoberflächenqualität massiv, sondern verkürzt auch die Lebensdauer von Maschine und Schneidwerkzeug. Daher sind Maßnahmen zur Reduzierung oder Beseitigung maschineller Vibrationen notwendig.

Heute stelle ich hauptsächlich Ursachen und Beseitigungsmaßnahmen von Niederfrequenzschwingungen vor, die durch Verformung des Werkstücksystems und des Werkzeughaltersystems während der Bearbeitung entstehen.

01 Hauptmerkmale von Niederfrequenzschwingungen

Nach Ausschluss von Vibrationen der Rotationskomponenten und des Antriebssystems ist die Hauptart der Drehschwingung die selbsterregte Schwingung, die sich nicht mit der Drehzahl ändert.

Hauptmerkmale:

• Niedrige Schwingungsfrequenz (50–300 Hz), geringes Geräusch während der Schwingung
• Auf der Schneidoberfläche des Werkstücks verbleibende Spuren sind tief und breit
• Schwingung ist heftig, lässt oft Maschinenteile (Gegenständer, Werkzeughalter etc.) locker werden und bricht Hartmetallschneiden

02 Ursachen von Niederfrequenzschwingungen

Bei Niederfrequenzschwingungen beim Drehen vibrieren meist Werkstücksystem und Werkzeughaltersystem (in den meisten Fällen ist die Werkstückschwingung größer und dominierend). Sie entfernen sich manchmal voneinander und nähern sich manchmal an, wobei Kräfte gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung entstehen. Während der Schwingung: Entfernen sich Werkstück und Werkzeug, wirkt Schneidkraft F in gleicher Richtung wie Werkstückverschiebung → positive Arbeit. Nähern sie sich, ist die Arbeit der Annäherungskraft F negativ.

Beim Drehen können folgende fünf Bedingungen periodische Änderungen der Schneidkraft bewirken und f_Phase > f_Annäherung erzeugen. Damit ist in jedem Schwingungszyklus die positive Arbeit der Schneidkraft am Werkstück (oder Werkzeug) immer größer als die negative Arbeit → Werkstück (oder Werkzeug) erhält Energiezufuhr und erzeugt selbsterregte Schwingung:

• Reibung zwischen Spänen und Werkzeugspanfläche
• Unterschiedlicher Verfestigungsgrad des Metalls beim Ein- und Austritt des Werkzeugs
• Periodische Änderung des tatsächlichen geometrischen Werkzeugwinkels während der Schwingung
• Relativbewegungspfad des Werkzeugs zum Werkstück ist elliptisch → periodische Änderung des Schnittquerschnitts
• Schwingungsspuren der vorherigen Umdrehung verursachen periodische Änderung des Schnittquerschnitts

03 Beseitigungsmaßnahmen für Niederfrequenzschwingungen

(1) Hauptmaßnahmen gegen Y-Richtung bedingte Schneidkraftänderung:

① Hauptablenkwinkel (κr) vergrößern: Je größer, desto kleiner die Fy-Kraft, desto unwahrscheinlicher Schwingung. Hauptablenkwinkel des Werkzeugs erhöhen → Schwingung reduzieren/beseitigen.

② Winkel (Rake Angle) vergrößern: Reduziert Fy-Kraft und Schwingung.

③ Freiwinkel & Schneidenschärfe: Zu großer Freiwinkel oder zu scharfe Schneide → Werkzeug „beißt“ sich in Werkstück → Schwingung. Richtiges Abstumpfen der Rückseite verhindert „Einbeißen“ → Schwingung reduzieren/beseitigen.

④ Werkzeugspitzenhöhe: Zu niedrig (unter Werkstückmitte) beim Drehen, oder zu hoch beim Bohren auf Drehmaschine → verringert tatsächlichen Winkel, erhöht Freiwinkel → Schwingung. Korrekte Einstellung nötig.

⑤ Negative Steifigkeit des Werkzeughaltersystems vermeiden: Führt zu „Einbeißen“ und Schwingung. So weit wie möglich vermeiden.

(2) Bei breiten, dünnen Spänen: Y-Richtungsschwingung verursacht drastische Änderung von Schnittquerschnitt und -kraft → Schwingung begünstigt. Beispiel: Längsdrehen – größere Schnitttiefe, größerer Vorschub, kleinerer Hauptablenkwinkel → breiterer, dünnerer Schnittquerschnitt → leichtere Schwingung. Daher: Mittleren Geschwindigkeitsbereich vermeiden, in dem Schnittkraft mit Geschwindigkeit abnimmt (bei Stahl: 30–50 m/min). Gleichzeitig Schnittkraft reduzieren, Vorschub angemessen erhöhen, Schnitttiefe reduzieren → Schwingungsdämpfung.

(3) Unzureichende Steifigkeit von Werkstück- und Werkzeughaltersystem ist Hauptursache. Maßnahmen:

1. Bei 3- oder 4-Backenfutter: Koaxialitätsfehler zwischen Werkstück- und Spindelrotationszentrum minimieren → Vibration durch periodische Schnittkraftänderung (unterbrochenes/ungleichmäßiges Schneiden durch Werkstückneigung) vermeiden.
2. Bei dünnen, langen, verformungs-/schwingungsanfälligen Werkstücken: Elastisches Zentrum & Gegenlager nutzen, Kühlmittel zur Kühlung → thermische Ausdehnungsverformung reduzieren.
3. Werkstück nicht zu weit ausspannen. Bei unzureichender Steifigkeit: passende Steady Rests, Werkzeughalterauflage, Zentrierlager als Hilfsstützen → Steifigkeit erhöhen.
4. Bei Mitlaufspitze: Spitze und Kegelbohrung gut passend → Verbiegen durch zu großen Druck oder Pendeln durch zu kleinen Druck vermeiden. Auskragung der Gegenständerhülse nicht zu lang.
5. Lagerspiel der Maschinenspindel beeinflusst Drehgenauigkeit und Steifigkeit direkt. Bei Verschleiß: Spiel einstellen, Vorspannung anbringen → Steifigkeit des Werkstücksystems erhöhen, Schwingung beseitigen.
6. Regelmäßig Kontakt zwischen Mittel- und Oberschlitten sowie Dovetail-Führung zwischen Kleinschlitten und Mittelschlitten prüfen, Keileinlage justieren →適切er Spalt halten, Kriechen beim Schlittenbewegung vermeiden → Werkzeughaltersystem-Schwingung verhindern.
7. Bei jedem Drehen des Vierkantschalters: Vierkantschalter pressen und fixieren → Lockerung verhindern, Steifigkeit des Werkzeughaltersystems erhalten, Schwingung vermeiden.