Pressemitteilung 15.04.2016

Schwingungsarme Werkzeug- und Verarbeitungsmaschinen

Ungewollte Schwingungen können können Werkzeugmaschinen beschädigen oder das Bearbeitungsergebnis negativ beeinflussen. Am Beispiel einer HPC-Bearbeitungsmaschine zeigt der folgende Beitrag, welche schädlichen Vibrationen auftreten können und wie sie sich vermeiden lassen.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken müssen dabei entstehende Schwingungen unterdrückt werden, da sie das Bearbeitungsergebnis beeinträchtigen können. Ebenso können durch diese Schwingungen Schäden an der Maschine auftreten. Welches die Ursachen der schädlichen Vibrationen sind und wie sie sich vermeiden lassen, soll im Folgenden am Beispiel einer HPC-Bearbeitungsmaschine dargestellt werden.

Die Hochleistungszerspanung

Hochleistungszerspanung (High Performance Cutting, HPC) erreicht durch ihre größeren Schnitttiefen ein erhöhtes Zeitspanvolumen. Der Nachteil ist, dass dabei größere Kräfte auf das Werkstück sowie auf den gesamten Antriebsstrang der Maschine und die Maschinenstruktur wirken. Die hohen Kräfte begünstigen gleichzeitig das Auftreten unerwünschter Schwingungen, was sich wiederum ungünstig auf die Oberflächengüte auswirkt. Höherer Verschleiß der Maschinenkomponenten ist ein weiterer negativer Effekt. Zur Minimierung dieser Einflüsse müssen alle Komponenten der Bearbeitungsmaschine optimal aufeinander abgestimmt sein.

Die Eigenschaften der Schwingungen

Faktoren wie Materialien und Bauteilform sowie die Verbindungsstellen beeinflussen den Frequenzgang einer Bearbeitungsmaschine. Bei der Schwerzerspanung von Titan liegen die kritischen Frequenzen im Bereich von < 100 Hz. Sie sind charakteristisch für die Maschinenstruktur und beeinflussen daher den Zerspanvorgang und die Maschine negativ. Frequenzen über 100 Hz beeinflussen die Maschine nur unwesentlich. Insbesondere die Schwingungen zwischen 25 und 100 Hz müssen reduziert werden.
Überlagern sich gleichfrequente Schwingungen resonant, kann dies fatale Folgen haben. Auch hohe Amplituden im kritischen Frequenzbereich sind unbedingt zu vermeiden. Neben der Dämpfung der Amplituden versuchen die Konstrukteure nun auch, die auftretenden Schwingungen in den unkritischen Bereich über 100 Hz zu verschieben, wobei die resonante Überlagerung einzelner Moden zu vermeiden ist.

Ansatz zur Eigenfrequenzverlagerung einzelner Komponenten

Konstruktive Maßnahmen bei der Maschinenstruktur wie auch der Komponenten ermöglichen die Verschiebung einzelner Moden in den unkritischen Bereich. Die Eigenfrequenz hängt sowohl von der Masse als auch von der Steifigkeit einer Konstruktion ab:


Ω = (c/m)1/2 

Ω: Mode/Eigenfrequenz
c: Steifigkeit
m: Masse

Ein verstärktes Maschinenbett kann bereits zu einer Versteifung führen, wodurch sich die Schwingungsamplituden reduzieren und auftretende Frequenzen in einen höheren Bereich verschoben werden. Auch die steifere Ausführung einzelner Komponenten führt zu den Effekten der Amplitudenreduzierung und Frequenzverlagerung.
Jede Komponente der Maschine hat eine spezifische Nachgiebigkeit. Mithilfe des Modells der gekoppelten Federn lässt sich der gesamte Antriebsstrang so gestalten, dass die einzelnen Nachgiebigkeiten in den unkritischen Bereich fallen. Kugelgewindetriebe lassen sich zum Beispiel versteifen, indem sie gereckt werden. Auch größer dimensionierte Führungen verbessern die Steifigkeit und damit das Schwingungsverhalten. Entsprechende Vorspannung und Platzierung der Lager haben einen vergleichbaren Effekt.
Die Dämpfung des Materials an sich hat nur einen geringen Einfluss auf die gesamte Dämpfung. Jedoch liegt auch im gezielten Einsatz bestimmter Materialien ein Potenzial zur Verbesserung des gesamten Schwingungsverhaltens.

Die Dimensionierung der Frässpindel

Die durch die Bearbeitung entstehenden Schwingungen übertragen sich auch auf die Frässpindel. Hierbei besteht ein Zusammenhang zwischen Drehzahl und Lagerinnendurchmesser sowie Steifigkeit und Tragzahl. Ein großer Lagerinnendurchmesser sowie eine auf 8.000 bis 9.000 min-1 beschränkte Drehzahl haben sich für die HPC-Bearbeitung als günstig erwiesen. Die Schwingungsbelastung wird vermindert und dadurch die Lebensdauer der Spindel erhöht, da die höhere Tragzahl und geringere Umdrehungszahl zu einem günstigeren Lastverhältnis führen. Im Sinne der Steifigkeit sollten auch möglichst kurze Werkzeuge gewählt werden.
Speziell die duoBLOCK®-Baureihe der 4. Generation von DMG MORI wurde unter anderem auf diese HPC-Anforderungen hin entwickelt. Durch die Erhöhung der Gesamtsteifigkeit um 30% mittels spezieller konstruktiver Maßnahmen und gekühlter wie auch größer dimensionierter Kugelgewindetriebe, um nur zwei Maßnahmen zu nennen, konnte das Zeitspanvolumen in Titan auf bis zu 480 cm³ erhöht werden. Aufgrund der besonderen Konstruktionsbauweise können die Motorspindel powerMASTER® 1000 mit 1.000 Nm und 77 kW wie auch die Getriebespindel 5X torqueMASTER®mit 1.300 Nm und 37 kW ihr Leistungsprofil voll entfalten. Der Einsatz der DMG MORI-Technologiezyklen wie MPC 2.0 schützt die Maschine durch Schnellabschaltung bei Prozessstörungen und kompensiert temperaturbedingte Einflüsse an der Spindel mit dem SGS – Spindel Growth Sensor. Somit eignet sich die duoBLOCK®-Baureihe der 4. Generation perfekt für die HPC-Zerspanung.

Details zur Auslegung von schwingungsarmen Werkzeugmaschinen stellt Thomas Lochbihler, Bereichsleiter Engineering & Anwendungstechnik bei Deckel Maho Pfronten, als Referent auf der VDI-Fachkonferenz "Schwingungen in Werkzeug- und Verarbeitungsmaschinen 2016" am 10. Und 11. Mai in Darmstadt vor. In diesem Jahr sind die Schwerpunkte der Tagung unter anderem die Grundprinzipien zur Reduzierung von Schwingungen und deren Ziele, Relevante Schwingungskenngrößen und auftretende Schwingungsarten sowie Messvorgehensweisen und Voraussetzung zur Schwingungsisolierung. Geleitet wird die Konferenz von Dr. Herold vom Fraunhofer Institut LBF in Darmstadt. Das Programm der Veranstaltung sowie die Möglichkeit zur Anmeldung finden Sie im Internet unter:
www.vdi-wissensforum.de/weiterbildung-maschinenbau/schwingungen-in-werkzeugmaschinen/

Über die VDI Wissensforum GmbH

Die VDI Wissensforum GmbH mit Sitz in Düsseldorf ist seit mehr als 50 Jahren einer der führenden Weiterbildungsspezialisten für Ingenieure sowie für Fach- und Führungskräfte im technischen Umfeld. Die mehr als 1.300 Veranstaltungen im Jahr decken alle relevanten Branchen ab. Das Angebot reicht von Seminaren und Technikforen über modulare Lehrgänge mit abschließender Zertifizierung bis zu Fachtagungen und Kongressen. Dabei gewähren permanente Marktrecherche, ein großes Expertennetzwerk und das ausgeprägte Know-how des VDI (Verein Deutscher Ingenieure) die hohe Qualität der Veranstaltungen.