Schwingungen bei der CNC-Bearbeitung – im Fachjargon auch als "Chatter" bezeichnet – sind unkontrollierte, periodische Bewegungen des Werkzeugs oder Werkstücks während des Zerspanvorgangs. Sie treten auf, wenn die Kräfte zwischen Werkzeug und Werkstück so stark schwanken, dass sie das System aus seiner stabilen Bewegung herausbringen.
Ein zentraler Typ, der hier im Fokus steht, ist die regenerative Schwingung. Sie entsteht, wenn das Werkzeug bei einem Umlauf (oder einer Bearbeitungsbahn) eine unregelmäßige Oberfläche erzeugt, die es bei dem nächsten Umlauf erneut bearbeitet. Die Abweichungen der vorherigen Bahn führen zu veränderten Schnittkräften, die die Schwingung weiter verstärken – ein sich selbst verstärkender Kreislauf.
Bei der Diagnose und Beseitigung von Schwingungen messen oder kontrollieren Sie zwei Kerngrößen:
Ein weiteres Schlüsselkonzept sind Stabilitätslappen. Das sind grafische Darstellungen, die für eine bestimmte Werkzeug-Werkstück-Maschine-Kombination zeigen, bei welchen Spindeldrehzahlen und Schnitttiefen das System stabil läuft. Die Lappen entstehen, weil die Resonanzfrequenz des Systems (die Frequenz, bei der es am leichtesten schwingt) mit der Spindeldrehzahl zusammenhängt: Bei bestimmten Drehzahlen passt die Frequenz der Schnittkräfte zur Resonanzfrequenz, was Schwingungen verursacht – bei anderen Drehzahlen wird die Schwingung durch Dämpfung abgebaut.
Dämpfung beschreibt die Fähigkeit des Systems, Schwingungsenergie abzubauen. Sie wird durch Reibung in Lagern, Dichtungen, Werkzeugaufnahmen oder dem Werkstück selbst verursacht. Je höher die Dämpfung, desto stabiler läuft der Bearbeitungsprozess.
Schwingungen beeinträchtigen alle drei Kernbereiche der Fertigung: Teilefunktion, Montage und Kosten.
Unkontrollierte Schwingungen erzeugen unregelmäßige Oberflächen, die die Funktionsfähigkeit von Bauteilen beeinträchtigen können. Bei Passungen, die eine genaue Maßhaltigkeit erfordern (z. B. Wellen-Lager-Verbindungen), führen Schwingungen zu Abweichungen von bis zu mehreren Zehntel Millimeter, die die Passung unbrauchbar machen. Bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenrauheit (z. B. Dichtflächen bei Hydraulikkomponenten) können Schwingungen zu Leckagen führen. Bei rotationssymmetrischen Bauteilen verursachen Schwingungen zudem Unwuchten, die bei Betrieb zu erhöhtem Verschleiß oder Ausfällen führen.
Schwingungen führen zu Maßabweichungen, die die Montage von Baugruppen erschweren oder unmöglich machen. Wenn beispielsweise ein Gehäuse für einen Motor aufgrund von Schwingungen um 0,1 mm zu groß gebohrt wird, passt der Motor nicht mehr. Bei Bauteilen, die in automatisierten Montagelinien verarbeitet werden, führen Maßabweichungen zu Stillständen der Linie, was die Produktionskapazität stark reduziert.
Schwingungen verursachen Kosten auf mehreren Ebenen:
Die Diagnose und Beseitigung von Schwingungen erfolgt in der Praxis über mehrere Methoden, die sich in Genauigkeit und Aufwand unterscheiden.
Die einfachste Methode ist die visuelle Prüfung des Bearbeitungsprozesses und der resultierenden Oberfläche. Schwingungen erzeugen typische Muster: Bei regenerativen Schwingungen entstehen regelmäßige Wellen auf der Oberfläche, deren Abstand von der Spindeldrehzahl abhängt.
Praktische Anwendung: Bei der Bearbeitung eines Werkstücks auf der GA-MV856 (Vertikalbearbeitungszentrum mit 12.000 U/min Spindeldrehzahl) beobachten Sie den Prozess: Wenn das Werkzeug vibriert oder die Oberfläche wellig aussieht, liegt eine Schwingung vor.
Genauigkeitsgrenzen: Diese Methode erkennt nur starke Schwingungen. Leichte Schwingungen, die zwar die Maßhaltigkeit beeinträchtigen, aber keine sichtbaren Wellen erzeugen, werden nicht erkannt.
Schwingungen erzeugen charakteristische Geräusche. Bei stabilen Prozessen ist das Geräusch gleichmäßig und leise; bei Schwingungen tritt ein lautes, pfeifendes oder ratterndes Geräusch auf.
Praktische Anwendung: Bei der Bearbeitung von Aluminium auf der GA-DV750 (Vertikalbearbeitungszentrum mit 30.000 U/min Spindeldrehzahl) erkennen Sie regenerative Schwingungen an einem hohen Pfeifton, der mit der Spindeldrehzahl korreliert.
Genauigkeitsgrenzen: Geräusche werden durch Umgebungsgeräusche überlagert, sodass leichte Schwingungen nicht erkannt werden. Zudem lässt sich nur schwer zwischen verschiedenen Schwingungstypen unterscheiden.
Diese Methode nutzt Beschleunigungssensoren, die an der Spindel, Werkzeugaufnahme oder Werkstück befestigt werden, um Schwingungen direkt zu messen. Die Sensoren erfassen die Amplitude und Frequenz der Schwingung, sodass Sie genau bestimmen können, ob es sich um regenerative Schwingungen handelt.
Praktische Anwendung: Bei der Bearbeitung von Stahl auf der GA-MVD2560 (Doppelspindel-Vertikalbearbeitungszentrum) befestigen Sie einen Sensor an der Spindel. Die Messung zeigt eine Schwingungsfrequenz von 1200 Hz, die mit der Resonanzfrequenz des Systems übereinstimmt. Sie passen die Spindeldrehzahl von 12.000 U/min auf 11.500 U/min an, sodass die Frequenz der Schnittkräfte nicht mehr mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt – die Schwingung verschwindet.
Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit hängt von der Qualität der Sensoren ab. Hochwertige Sensoren erreichen eine Genauigkeit von ±1 Mikrometer, einfache Sensoren nur ±10 Mikrometer. Zudem müssen die Sensoren korrekt befestigt werden, um Messfehler zu vermeiden.
Diese Methode berechnet Stabilitätslappen für eine bestimmte Werkzeug-Werkstück-Maschine-Kombination, um optimale Bearbeitungsparameter zu bestimmen. Die Berechnung basiert auf der Resonanzfrequenz des Systems, der Dämpfung und den Eigenschaften des Werkzeugs und Werkstücks.
Praktische Anwendung: Für die Bearbeitung von Titan auf der GA-UHD500 (Hochpräzisions-Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum) berechnen Sie Stabilitätslappen. Die Berechnung zeigt, dass bei einer Spindeldrehzahl von 10.000 U/min eine Schnitttiefe von 2 mm möglich ist, ohne dass Schwingungen auftreten. Bei 12.000 U/min sinkt die maximal stabile Schnitttiefe auf 0,8 mm.
Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit der Berechnung hängt von der Genauigkeit der Eingangsdaten ab. Wenn die Resonanzfrequenz des Systems um 5 % falsch gemessen wird, kann die maximal stabile Schnitttiefe um bis zu 30 % falsch berechnet werden. Zudem berücksichtigen einfache Berechnungsmodelle nicht alle Einflüsse (z. B. Werkzeugverschleiß oder Temperaturänderungen).
Die Messung und Beseitigung von Schwingungen ist mit mehreren Fehlerquellen verbunden, die zu falschen Ergebnissen führen können:
Falsche Messposition: Wenn Sie einen Sensor an der Maschinenbasis statt an der Spindel befestigen, messen Sie nur einen Teil der Schwingung, da die Schwingungsenergie auf dem Weg zur Basis abgebaut wird. Beispielsweise kann eine Schwingung der Spindel mit einer Amplitude von 5 Mikrometer an der Maschinenbasis nur noch 0,5 Mikrometer betragen – eine Messung an der Basis führt zu einer Unterschätzung der Schwingung.
Veraltete Eingangsdaten: Stabilitätslappenberechnungen basieren auf Daten, die sich im Laufe der Zeit ändern. Wenn die Resonanzfrequenz des Systems aufgrund von Verschleiß um 10 % abweicht, sind die berechneten Stabilitätslappen nicht mehr gültig. Beispielsweise kann eine abgenutzte Werkzeugaufnahme die Resonanzfrequenz des Systems um bis zu 20 % verändern.
Umgebungsfaktoren: Temperaturänderungen, Vibrationen von benachbarten Maschinen oder Luftströmungen beeinflussen die Messung. Bei einer Temperaturänderung von 10 °C kann die Resonanzfrequenz eines Stahlwerkzeugs um bis zu 5 % abweichen.
Unberücksichtigte Einflüsse: Einfache Mess- und Berechnungsmethoden berücksichtigen nicht alle Einflüsse auf den Prozess. Beispielsweise wird der Einfluss von Werkzeugverschleiß auf die Stabilität oft nicht berücksichtigt, obwohl abgenutzte Werkzeuge die Schnittkräfte und damit die Schwingungsneigung stark verändern.
Keine Methode zur Diagnose und Beseitigung von Schwingungen ist perfekt. Hier die wichtigsten Einschränkungen:
Keine 100 %ige Vorhersage: Selbst die genauesten Stabilitätslappenberechnungen können nicht alle Einflüsse berücksichtigen. Beispielsweise können unvorhergesehene Materialinhomogenitäten im Werkstück zu Schwingungen führen, auch wenn die Berechnung einen stabilen Prozess vorhersagt.
Begrenzte Gültigkeit: Stabilitätslappen und Messergebnisse sind nur für eine bestimmte Kombination aus Werkzeug, Werkstück, Maschinenkonfiguration und Umgebung gültig. Wenn Sie nur einen Parameter ändern (z. B. die Werkzeuglänge), können die Ergebnisse ungültig werden. Beispielsweise kann eine Erhöhung der Werkzeuglänge um 20 % die Resonanzfrequenz des Systems um bis zu 30 % verändern.
Überbewertung von Stabilitätslappen: Viele Fertigungsunternehmen vertrauen blind auf berechnete Stabilitätslappen, ohne die Genauigkeit der Eingangsdaten zu überprüfen. Wenn die Resonanzfrequenz des Systems falsch gemessen wird, können die berechneten Parameter zu Schwingungen führen.
Komplexität bei Mehrspindelmaschinen: Bei Maschinen mit mehreren Spindeln (z. B. der GA-MVD2560 oder der GA-GF5455DD) beeinflussen sich die Spindeln gegenseitig. Schwingungen einer Spindel können auf die andere übertragen werden, was die Diagnose und Beseitigung von Schwingungen stark erschwert.
| Methode | Genauigkeit | Aufwand | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Visuelle Inspektion | Erkennt nur Schwingungen > 100 µm | Sehr gering (keine Kosten) | Erste Prüfung bei neuen Prozessen |
| Akustische Analyse | Erkennt nur Schwingungen > 50 µm | Gering (keine Kosten) | Schnelle Prüfung bei laufenden Prozessen |
| Sensorische Messung | Erkennt Schwingungen > 1 µm | Mittel (Sensoren kosten 500–5.000 €) | Detaillierte Diagnose bei komplexen Prozessen |
| Stabilitätslappenberechnung | Genauigkeit ±10–30 % der maximal stabilen Schnitttiefe | Hoch (Messung der Resonanzfrequenz und Dämpfung erforderlich) | Optimierung von Serienprozessen |
Folgen Sie dieser Checkliste, um Schwingungen korrekt zu diagnostizieren und zu beseitigen:
Frage: Kann ich Schwingungen auch bei kleinen Werkstücken erkennen?
Antwort: Ja, aber es ist schwieriger. Kleine Werkstücke haben oft eine hohe Resonanzfrequenz, sodass Schwingungen kleiner sind und weniger leicht erkannt werden. Bei kleinen Werkstücken ist eine sensorische Messung empfehlenswert.
Frage: Wie oft sollte ich die Resonanzfrequenz des Systems messen?
Antwort: Mindestens einmal pro Jahr oder wenn Sie wesentliche Änderungen vornehmen (z. B. neue Werkzeugaufnahmen, neue Werkstücke oder nach einer Maschinenwartung). Bei Serienprozessen mit hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit sollten Sie die Resonanzfrequenz alle 3–6 Monate messen.
Frage: Können Schwingungen auch bei der Bearbeitung von Kunststoffen auftreten?
Antwort: Ja, aber sie sind seltener als bei Metallen. Kunststoffe haben eine höhere Dämpfung, sodass Schwingungen schneller abgebaut werden. Wenn sie auftreten, sind sie oft auf falsche Schnittparameter oder unzureichende Werkstückspannung zurückzuführen.
Frage: Wie beeinflusst die Werkzeuglänge die Schwingungsneigung?
Antwort: Längere Werkzeuge haben eine niedrigere Resonanzfrequenz und eine geringere Dämpfung, sodass sie stärker zur Schwingung neigen. Bei der Bearbeitung von tiefen Hohlräumen sollten Sie daher so kurze Werkzeuge wie möglich verwenden oder Dämpfungseinsätze einsetzen.
Frage: Kann ich Schwingungen auch mit einer Software ohne Sensoren beseitigen?
Antwort: Teilweise. Einige CNC-Steuerungen haben Funktionen zur Schwingungsreduzierung, die die Spindeldrehzahl oder den Vorschub automatisch anpassen. Diese Funktionen sind aber weniger genau als sensorische Messungen und funktionieren nur bei einfachen Prozessen. Bei komplexen Prozessen ist eine sensorische Messung empfehlenswert.
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