Das Geheimnis der Werkzeugmaschinenvibrationen: Entdeckung der Grundlagen, der vier Ursachen und modernster Präventionsstrategien

In der heutigen ZeitBearbeitungIn diesem Zusammenhang ist die Leistungsstabilität von Werkzeugmaschinen als zentrale Anlagen von entscheidender Bedeutung. Allerdings treten während des gesamten Betriebsablaufs von Werkzeugmaschinen häufig Vibrationen auf. Diese Vibrationen beeinträchtigen nicht nur die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität, sondern können auch zu Schäden an den Schneidwerkzeugen führen, die Produktionseffizienz verringern und sogar die Gesundheit des Bedienpersonals gefährden. Daher ist es von großer praktischer Bedeutung, die Mechanismen und Ursachen von Vibrationen an Werkzeugmaschinen gründlich zu verstehen und wirksame Maßnahmen zu ihrer Vermeidung und Bekämpfung zu ergreifen.

I. Mechanismen, die zu Vibrationen an Werkzeugmaschinen führen

(1) Erzwungene Schwingungen

Ursache für erzwungene Schwingungen ist die Einwirkung stabiler, periodischer Störkräfte von außen. Andere Maschinen außerhalb der Werkhalle, Schmiedehämmer, Züge, Lastwagen und Ähnliches übertragen die Schwingungen über das Fundament auf die Maschine. Auch Unwuchten bei rotierenden Bauteilen im Inneren der Maschine, Fertigungsfehler und Mängel an den Antriebskomponenten sowie Stöße während des Zerspanungsvorgangs können zu erzwungenen Schwingungen führen.

Die Frequenz entspricht der Frequenz der Störkraft oder ist ein ganzzahliges Vielfaches davon; dies ist eines der Merkmale von erzwungenen Schwingungen. Die Amplitude hängt von der Amplitude der Störkraft sowie von den dynamischen Eigenschaften des Prozesssystems ab. Die Phasencharakteristik der Verschiebung bei erzwungenen Schwingungen zeigt sich darin, dass sie in der Phase um einen bestimmten Winkel hinter der Störkraft zurückbleibt.

(2) Selbstangeregte Schwingungen

Selbstangeregte Schwingungen sind periodische Schwingungen, die nicht durch periodisch einwirkende äußere Kräfte entsteht, sondern durch interne Rückkopplungen innerhalb des Systems, wenn keine periodischen äußeren Kräfte wirken. Im Zerspanungsprozess kann dieser Prozess selbst eine gewisse wechselnde Zerspanungskraft auslösen, und das Schwingungssystem kann aus diesen Kraftschwankungen zusätzliche Energie gewinnen, wodurch die Schwingung aufrechterhalten wird.

Selbstangeregte Schwingungen weisen folgende Merkmale auf: Erstens gibt es keine periodischen äußeren Störungen, zweitens liegt ihre Frequenz nahe an einer Eigenfrequenz des Systems; drittens nimmt sie nicht ab; viertens wird diese Schwingung durch die Parameter des Schwingungssystems selbst bestimmt; fünftens hängt sie zudem vom Verhältnis zwischen der in jedem Zyklus gewonnenen und der verbrauchten Energie ab.

II. Ursachen für Vibrationen an Werkzeugmaschinen

(1) Elektrische und mechanische Faktoren

1. Probleme mit dem Motor

Die Magnetpole des Motors selbst bestehen aus Permanentmagneten. Während seiner Bewegung treten aufgrund des Phänomens der Hysterese geringfügige Schwankungen auf, oder es entstehen niederfrequente Schwingungen aufgrund von mechanischer Reibung und unzureichender mechanischer Steifigkeit. Bei Linearmotoren lassen sich die durch Hysterese verursachten Schwingungen durch entsprechende Parameter kompensieren.

2. Probleme mit den Antriebskomponenten

Unwuchten bei der Hochgeschwindigkeitsdrehung der Schleifscheibe oder der Riemenscheibe, unterschiedliche Stärken der Keilriemen, uneinheitliche Längen der Keilriemen sowie eine instabile Funktionsweise der Ölpumpe können zu erzwungenen Schwingungen der Werkzeugmaschine führen. Unregelmäßigkeiten im Zahnrad-, Riemen- oder Kettenantrieb können ebenfalls zu Schwingungen führen.

(2) Probleme bei der Parametereinstellung

1. Die Verstärkungen des Positions- und des Geschwindigkeitsregelkreises stimmen nicht überein

Um Schwingungen mit niedriger Frequenz zu erzeugen, erhöht man in der Regel zunächst die Verstärkung des Geschwindigkeitsregelkreises und verringert anschließend die Verstärkung des Positionsregelkreises.

2. Vibrationsbefehl

Der Interpolationszyklus des Befehls beträgt 8 ms. Bei einer Erhöhung des Geschwindigkeitsverstärkungsfaktors können Schwingungen im Signal auftreten; ebenso können Schwingungen auftreten, wenn der Positionsverstärkungsfaktor erhöht wird, oder es können aufgrund der Wirkung von VFF Schwingungen mit Frequenzen über 400 Hz entstehen. Dies kann durch Anpassung der FAD-Zeitkonstante, durch Anpassung der Beschleunigungs- und Verzögerungszeitkonstanten nach der Interpolation oder durch eine angemessene Verringerung des VFF-Einstellwerts behoben werden.

(3) Probleme bei der vollständig geschlossenen Regelung

Wenn das System mit einer Vollregelung arbeitet und die mechanische Verbindung nicht ausreichend steif ist, kann es bei Bewegungen – insbesondere beim Beschleunigen und Abbremsen – zu Vibrationen kommen. Der entscheidende Faktor ist dabei eine Diskrepanz zwischen der Positionsrückmeldung auf der mechanischen Seite und der Drehzahlrückmeldung auf der Motorseite. Dies lässt sich durch Hinzufügen einer mechanischen Drehzahlrückmeldung, Einbau einer Schwingungsdämpfungssteuerung oder die Implementierung einer doppelten Positionsrückmeldung beheben; die Ergebnisse sind jedoch möglicherweise nicht zufriedenstellend.

(4) Besondere Fälle

Wenn die Schwerkraftachse absinkt, kommt es zu Schwingungen, da diese Energie auf den Motor und von dort weiter auf den Verstärker zurückgeführt wird; an der Achse entstehen Störschwingungen, da die beiden angeschlossenen Motoren unterschiedliche Drehzahlen und Lastcharakteristiken aufweisen.

III. Maßnahmen zur Vermeidung und Bekämpfung von Vibrationen an Werkzeugmaschinen

(1) Maßnahmen zur Vermeidung und Bekämpfung von erzwungenen Schwingungen

1. Reduzierung der Erregungskräfte

Durch das Auswuchten von Teilen mit hoher Drehzahl wird die Laufruhe der Antriebsanlage verbessert; es werden geeignete Maßnahmen ergriffen, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu senken, und der Hauptteil der Bearbeitungsmaschine wird räumlich vom Antriebsteil getrennt aufgestellt.

2. Frequenz der Schwingungsquelle anpassen

Um zu vermeiden, dass die Frequenz der Erregungskraft mit der Resonanzfrequenz des Systems übereinstimmt und dadurch Resonanz entsteht, muss bei der mechanischen Bearbeitung die Drehzahl sinnvoll gewählt werden.

3. Verbesserung der mechanischen Steifigkeit und Dämpfung

Es werden flexible Verbindungen gewählt, um die Vibrationen des Motors zu dämpfen, der Hydraulikbereich wird von der Werkzeugmaschine getrennt, es werden spezielle hydraulische Dämpfungsvorrichtungen eingesetzt und mithilfe von Schwingungsdämpfern wird die Verbindung zwischen der Werkzeugmaschine und dem Boden isoliert.

4. Maßnahmen zur Schwingungsisolierung

Zunächst sollte die Werkzeugmaschine von der Schwingungsquelle isoliert werden, und zwar mithilfe von Schwingungsdämpfern mit sehr guter Elastizität, beispielsweise durch die Trennung des Hydraulikteils von der Werkzeugmaschine, den Einbau von Dämpfungsvorrichtungen oder die Verwendung von Gummipuffern. Außerdem sollten im Bearbeitungsprozess selbst Schwingungsdämpfer eingebaut werden.

5. Verbesserung der Stabilität der Hubvorrichtung

Die Riemen und Verbindungsstücke sollten optimiert werden, wobei verstärkt Keilriemen zum Einsatz kommen sollten, um eine möglichst gleichmäßige Spannung zu erzielen. Anstelle von Stirnradgetrieben sollten Schräg- oder Hohlradgetriebe verwendet werden. Die Spannung der Keilriemen ist angemessen einzustellen, und es ist auf die Wahl einer geeigneten Länge zu achten.

(2) Schutzmaßnahmen gegen selbstangeregte Schwingungen

1. Sinnvolle Wahl der geometrischen Parameter und Schnittparameter des Schneidwerkzeugs

Die Schnittgeschwindigkeit sollte innerhalb eines bestimmten Bereichs gewählt werden, wobei eine relativ geringe Schnitttiefe und ein relativ hoher Wert zu wählen sind, um selbstangeregte Schwingungen zu verringern. Versuche und theoretische Untersuchungen haben gezeigt, dass der Hauptspannwinkel und der Spanwinkel des Schneidwerkzeugs die wichtigsten geometrischen Parameter sind, die die Schwingungen beeinflussen.

2. Verbesserung der Schwingungsfestigkeit des Prozesssystems

Die Kontaktsteifigkeit des Bearbeitungssystems lässt sich verbessern, indem beispielsweise die Kontaktflächen geschliffen werden, das Lagerspiel des Spindelsystems verringert wird, eine Vorspannung auf die Wälzlager ausgeübt wird und die Schleifqualität der Spitzenbohrung verbessert wird. Einsatz von Zentrier- oder Werkzeugaufnahmen, um den Überstand von Bohrstange und Werkzeug zu verkürzen, Ersatz der beweglichen Spitzen durch feste Spitzen sowie Verwendung von elastischen Werkzeugaufnahmen.

3. Einsatz von Schwingungsdämpfern

Wenn andere Maßnahmen keine Dämpfungswirkung erzielen, werden Schwingungsdämpfer eingesetzt, um die durch Schwingungen erzeugte Energie zu absorbieren oder abzuleiten und so erzwungene Schwingungen und Vibrationen zu verringern; die Steifigkeit des Prozesssystems lässt sich dadurch jedoch nicht erhöhen.

4. Anpassung des Steifigkeitsverhältnisses der Schwingungsmoden

Auf der Grundlage des Prinzips der Schwingungsformkopplung lassen sich durch eine angemessene Anpassung der Steifigkeitsverhältnisse der einzelnen Schwingungsformen sowie durch die Optimierung ihrer Kombinationen die Schwingungsfestigkeit des Systems verbessern und selbstangeregte Schwingungen unterdrücken.

(3) Sonstige umfassende Bekämpfungsmaßnahmen

1. Die Ursachen für die Entstehung von Schwingungen beseitigen oder abschwächen

Durch die Verringerung der internen Störkräfte, die Anpassung der Schwingungsfrequenz, die Umsetzung von Maßnahmen zur Schwingungsisolierung, die Erhöhung der Steifigkeit des Prozesssystems in Verbindung mit Dämpfung sowie den Einsatz von Schwingungsdämpfern.

2. Beseitigung oder Abschwächung der Bedingungen, die zu selbstangeregten Schwingungen führen

Verringerung des Überlappungsfaktors beim Zerspanen oder Schleifen, geeignete Wahl der Schnittparameter und Werkzeugparameter, Anpassung der Position der Spindel mit geringer Systemsteifigkeit, Erhöhung der Schnittdämpfung sowie Einsatz von Bearbeitungsverfahren mit variabler Drehzahl.

3. Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Prozesssystems

Die Steifigkeit des Prozesssystems erhöhen und dessen Dämpfung verstärken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Auftreten von Vibrationen bei Werkzeugmaschinen ein komplexes Problem darstellt, das auf mehreren Ebenen analysiert und bekämpft werden muss. Ein tiefgreifendes Verständnis der Mechanismen und Ursachen von Vibrationen sowie die Anwendung wirksamer Gegenmaßnahmen können die Bearbeitungsgenauigkeit und Stabilität der Werkzeugmaschinen verbessern, die Lebensdauer von Werkzeugen und Anlagen verlängern, die Produktionseffizienz steigern und damit die Entwicklung der maschinellen Fertigungsindustrie nachhaltig sichern.