Analyse der Probleme bei Schwingungen bei der Bearbeitung auf Bohrwerken und wirksame Gegenmaßnahmen

#: Analyse der Schwingungsproblematik bei der Bearbeitung auf Bohrwerken und wirksame Gegenmaßnahmen

Im Bereich der mechanischen Bearbeitung sind Schwingungen an Bohrwerken kein isoliertes Phänomen; ihr grundlegender Ursprung lässt sich als äußere Manifestation eines Ungleichgewichts im Energiefluss innerhalb des Bearbeitungssystems betrachten. Wenn das Werkzeug und das Werkstück miteinander in Kontakt kommen, wird ein Teil der während des Zerspanungsvorgangs zugeführten Energie in die Arbeit umgewandelt, durch die Material effektiv abgetragen wird, während ein anderer Teil in unregelmäßige Bewegungsenergie des Systems umgewandelt wird – also in Schwingungen. Dieses Ungleichgewicht in der Energieverteilung ist hauptsächlich auf eine ungeeignete “Impedanzanpassung” zwischen verschiedenen Komponenten innerhalb des Systems zurückzuführen. Betrachtet man das gesamte Bearbeitungssystem einer Bohrmaschine – das die Maschine selbst, das Werkzeug, das Werkstück, die Spannvorrichtung und sogar das Fundament umfasst – als einen komplex aufgebauten mechanischen Schwingungskreislauf, so liegt der Kern des Schwingungsproblems in unerwünschten Phänomenen wie einem “Energie-Kurzschluss” oder einer “Resonanzverstärkung” innerhalb dieses Kreislaufs.

Betrachtet man den Energiefluss, lässt sich die Schwingungsquelle konkret in drei Ebenen von Energiestörungen unterteilen. Die grundlegendste Ebene ist die “erzwungene Schwingungsenergie”, die direkt aus den intermittierenden Stoßkräften entsteht, die durch das periodische Eindringen der Schneidkante in das Werkstückmaterial verursacht werden, sowie aus der inhärenten Unwucht der rotierenden Spindelkomponenten. Die nächsthöhere Ebene ist die “regenerierte Schwingungsenergie”, bei der es sich um eine Energie-Rückkopplung mit selbstanregenden Eigenschaften handelt. Die auf der bearbeiteten Oberfläche zurückbleibenden Rillen üben beim nächsten Schnittvorgang aufgrund der periodischen Änderung der Schnitttiefe eine wechselnde Kraft auf das Werkzeug aus. Wenn die durch diese Kraft verrichtete Arbeit kontinuierlich Energie in das System einspeist, werden die Schwingungen aufrechterhalten oder sogar verstärkt. “Modalkopplungsschwingungsenergie” ist die Bezeichnung für eine besondere Ebene von Energiestörungen, die nicht auf periodischen Schnittkräften beruht, sondern aus dem Energietransfer zwischen zwei oder mehr Schwingungsmoden des Bearbeitungssystems in unterschiedlichen Richtungen resultiert. Beispielsweise kann die radiale Schwingung des Schneidwerkzeugs durch eine bestimmte Phasenbeziehung eine tangentiale Schwingung auslösen; beide sind miteinander gekoppelt und beziehen kontinuierlich Energie aus dem stabilen Zerspanungsprozess.

Bei der Ausarbeitung von Gegenmaßnahmen sind zwei Grundprinzipien zu beachten: Erstens muss der Energieübertragungsweg unterbrochen werden, und zweitens muss die Schwingungsenergie abgeleitet werden. Auf dieser Grundlage werden Maßnahmen gegen Energiestörungen auf verschiedenen Ebenen ergriffen. Bei erzwungenen Schwingungen liegt der Schwerpunkt auf der Reduzierung der Anregungskraft sowie auf der Anpassung ihrer Frequenz. Dies lässt sich zum einen durch eine strenge Auswuchtung der Hauptspindel erreichen, zum anderen durch den Einsatz von Bohrwerkzeugen mit ungleichmäßiger Zahnteilung oder variablem Spiralwinkel, wodurch der periodische Rhythmus der Schnittkräfte gestört wird. Zudem müssen die Schnittparameter optimiert werden, um zu verhindern, dass sich die Hauptfrequenz der Schnittkräfte einer beliebigen Eigenfrequenz des Systems annähert. Bei der Beherrschung der regenerativen Schwingungsenergie liegt der Kernpunkt darin, deren Energierückkopplungskreislauf zu unterbrechen. Die grundlegende Methode besteht darin, die dynamische Steifigkeit des Systems in der Hauptschwingungsrichtung zu erhöhen, beispielsweise durch die Wahl einer Bohrstange mit größerem Biegequerschnitts-Trägheitsmoment oder durch die Verkürzung des Werkzeugüberhangs. Auf der verfahrenstechnischen Seite kann durch eine Änderung der Drehzahl die Entstehung von Regenerationsschwingungen aktiv gestört und die Energierückkopplungskette wirksam unterbrochen werden.

Bei besonders komplexen Schwingungen mit Modalkopplung sollten sich die Gegenmaßnahmen darauf konzentrieren, die Energieverteilungseigenschaften des Systems selbst zu verändern. Dies umfasst die Änderung des Dämpfungsverhältnisses bestimmter Schwingungsmoden durch strukturelle Optimierung oder das Anbringen von Dämpfungsmaterialien, um die Dissipation der Schwingungsenergie zu beschleunigen. Eine weitere wirksame Methode besteht darin, die geometrischen Winkel des Schneidwerkzeugs, insbesondere den Hauptspannwinkel und den Schneidwinkel, anzupassen, um die Richtung der Schnittkraft zu verändern und diese so weit wie möglich von den empfindlichen Richtungen fernzuhalten, die eine modale Kopplung auslösen können. Aus Sicht der Systemintegration muss sichergestellt werden, dass zwischen der Werkzeugmaschine, der Spannvorrichtung und dem Werkstück eine ausreichende Kontaktsteifigkeit sowie eine hohe Verbindungsgenauigkeit gegeben ist, Dies wirkt so, als würde man Energieverluste auf dem Übertragungsweg sowie Umwandlungsverluste reduzieren, wodurch die Energie stabiler in den Materialabtragungsprozess fließen kann, ohne in schädliche mechanische Schwingungen umgewandelt zu werden.

Maßnahmen zur Lösung von Schwingungsproblemen bei der Bearbeitung auf Bohrwerken besteht im Wesentlichen in einer präzisen Steuerung der Energieflüsse innerhalb des maschinellen Systems. Eine wirksame Strategie besteht nicht darin, nach einer einzigen “Wunderlösung” zu suchen, sondern auf der Grundlage einer klaren Identifizierung der Quellen, Arten und Übertragungswege der Schwingungsenergie eine Reihe von Maßnahmen zu ergreifen, die darauf abzielen, die “Quelle zu unterbinden” und anschließend die “Kette zu unterbrechen”, und schließlich die “Energie abzuleiten”. Mit diesem systematischen Ansatz zur Energiesteuerung lassen sich die Stabilität des Bohrprozesses sowie die Qualität der bearbeiteten Oberflächen deutlich verbessern, sodass die Energie des Bearbeitungssystems verstärkt der präzisen Formgebung zugutekommt, anstatt durch unnötige Eigenschwingungen verschwendet zu werden.