Vibrationsanalyse für Werkzeugmaschinen ist die systematische Erfassung und Auswertung von mechanischen Schwingungen, die während des Betriebs oder im Stillstand auftreten. Anders als einfache Schwingungsmessungen beschränkt sich die Analyse nicht auf die Ermittlung von Amplitude (Stärke der Schwingung), sondern umfasst auch Frequenz (Anzahl der Schwingungen pro Sekunde, gemessen in Hertz, Hz) und Phase (Zeitversatz zwischen Schwingungen an verschiedenen Messpunkten).
In der Praxis wird die Vibrationsanalyse genutzt, um drei Kerngrößen zu kontrollieren:
Für die Messung werden standardisierte Sensoren verwendet: Beschleunigungssensoren (erfassen die Kraft, die auf eine Masse wirkt, gemessen in m/s² oder g), Geschwindigkeitssensoren (gemessen in mm/s) und Wegsensoren (gemessen in µm). Die Wahl des Sensors hängt von der zu messenden Frequenz ab: Beschleunigungssensoren eignen sich für hohe Frequenzen (ab 10 Hz), Geschwindigkeitssensoren für mittlere Frequenzen (10 bis 1000 Hz) und Wegsensoren für niedrige Frequenzen (unter 10 Hz).
Vibrationen sind nicht nur ein Geräuschproblem – sie beeinflussen direkt die Qualität von Werkstücken, die Lebensdauer der Maschine und die Betriebskosten. Die Auswirkungen lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Schwingungen führen zu unregelmäßigen Schnittkräften, die die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte von Werkstücken beeinträchtigen. Bei Präzisionsbearbeitungen, wie der Herstellung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt oder die Medizintechnik, können bereits Schwingungen von weniger als 1 µm Auslenkung zu Ausschuss führen. Beispielsweise erfordert die Bearbeitung von HSK-E40-Spindeln (wie sie bei der GA-DV750 verwendet werden) eine maximale Schwingungsstärke von 0,1 mm/s bei 30.000 U/min, um die erforderliche Rundlaufgenauigkeit von 0,002 mm zu erreichen.
Bei der Bearbeitung von weichen Materialien (z. B. Aluminium) führen Schwingungen zu Rattermarken auf der Oberfläche, die nachbearbeitet werden müssen. Bei harten Materialien (z. B. Stahl) können sie zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß oder sogar zu Werkzeugbruch führen.
Werkstücke mit unzureichender Maßhaltigkeit oder Oberflächengüte können nicht ordnungsgemäß montiert werden. Beispielsweise können Schwingungen bei der Bearbeitung von Passungen (z. B. H7-Passungen) zu Übermaß oder Untermaß führen, die die Funktionsfähigkeit des Bauteils beeinträchtigen. Bei Bauteilen, die in rotierenden Systemen verwendet werden (z. B. Turbinenräder), können Schwingungen während der Bearbeitung zu einer ungleichmäßigen Massenverteilung führen, die im Betrieb zu Resonanzen und Ausfällen führt.
Unkontrollierte Schwingungen erhöhen die Betriebskosten auf mehrere Arten:
Die Messung von Schwingungen in der Werkstatt erfolgt in drei Phasen: Vorbereitung, Messung und Auswertung. Jede Phase hat spezifische Methoden und Genauigkeitsgrenzen.
Bevor die Messung beginnt, muss die Messumgebung definiert werden:
Es gibt drei gängige Messmethoden, die sich in Genauigkeit, Aufwand und Anwendungsbereich unterscheiden:
Die Einpunktmessung ist die einfachste Methode: Ein Sensor wird an einem einzelnen Messpunkt angebracht, um die Schwingungen in einer Richtung zu erfassen. Sie eignet sich für schnelle Checks, beispielsweise um zu überprüfen, ob die Schwingungsstärke einer Spindel innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.
Genauigkeit: ±10 % der gemessenen Amplitude. Die Genauigkeit hängt von der Sensorqualität und der Anbringung ab: Wenn der Sensor nicht fest genug angebracht ist, kann die Messung um bis zu 20 % abweichen. Aufwand: Niedrig. Die Messung dauert nur wenige Minuten. Typischer Einsatz: Schnelle Überprüfung von Spindeln bei der GA-VT540, einer Bohr- und Gewindeschneidmaschine.
Bei der Mehrpunktmessung werden mehrere Sensoren gleichzeitig an verschiedenen Messpunkten angebracht, um die Schwingungen in mehreren Richtungen und an mehreren Komponenten zu erfassen. Sie eignet sich für die Lokalisierung von Schwingungsquellen.
Genauigkeit: ±5 % der gemessenen Amplitude. Die Genauigkeit ist höher als bei der Einpunktmessung, da die Messdaten von mehreren Punkten verglichen werden können. Aufwand: Mittel. Die Messung dauert zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Typischer Einsatz: Lokalisierung von Schwingungsquellen bei der GA-MVD2560, einer Vertikalfräsmaschine mit zwei Spindeln.
Die Modalanalyse ist die komplexeste Methode: Sie erfasst die natürlichen Frequenzen und Schwingungsformen einer Maschine oder eines Bauteils. Dazu wird die Maschine mit einem Impulshammer angeregt oder mit einem Shaker (Schwingungserzeuger) zu Schwingungen gebracht, und die Antwort wird mit mehreren Sensoren erfasst. Sie eignet sich für die Analyse von Resonanzen.
Genauigkeit: ±2 % der gemessenen Frequenz. Die Genauigkeit ist sehr hoch, da die Messung unter kontrollierten Bedingungen erfolgt. Aufwand: Hoch. Die Messung dauert mehrere Stunden und erfordert spezielle Software und geschultes Personal. Typischer Einsatz: Analyse von Resonanzen bei der GA-FA500, einer Fünf-Achsen-Fräsmaschine.
Alle Messmethoden haben Genauigkeitsgrenzen, die durch folgende Faktoren beeinflusst werden:
Die gemessenen Schwingungen können durch mehrere Faktoren beeinflusst werden, die nicht auf die Maschine selbst zurückzuführen sind. Diese Fehlerquellen lassen sich in drei Kategorien einteilen:
Die Vibrationsanalyse ist ein leistungsfähiges Werkzeug, aber sie hat klare Einschränkungen, die oft übersehen werden.
Viele Anwender glauben, dass niedrigere Schwingungen immer besser sind. Das ist nicht korrekt: Jede Maschine hat einen optimalen Schwingungsbereich, in dem sie am besten arbeitet. Zu niedrige Schwingungen können auf eine zu hohe Steifigkeit der Maschine hinweisen, die zu höheren Kosten führt. Beispielsweise hat die GA-UHD500, eine hochpräzise Fünf-Achsen-Fräsmaschine, eine maximale Schwingungsstärke von 0,05 mm/s bei 12.000 U/min. Für weniger anspruchsvolle Bearbeitungen ist diese Genauigkeit überflüssig und führt zu höheren Anschaffungs- und Wartungskosten.
Ein weiterer Irrtum ist, dass die Vibrationsanalyse alle Probleme einer Maschine lösen kann. Sie ist nur ein Diagnosewerkzeug: Sie kann zeigen, dass eine Schwingung vorliegt, aber sie kann nicht automatisch die Ursache beheben.
| Methode | Genauigkeit (Amplitude) | Aufwand | Typischer Einsatzbereich |
|---|---|---|---|
| Einpunktmessung | ±10 % | Niedrig | Schnelle Überprüfung von Spindeln bei Bohr- und Gewindeschneidmaschinen (z. B. GA-VT540) |
| Mehrpunktmessung | ±5 % | Mittel | Lokalisierung von Schwingungsquellen bei Vertikalfräsmaschinen (z. B. GA-MVD2560) |
| Modalanalyse | ±2 % | Hoch | Analyse von Resonanzen bei Fünf-Achsen-Fräsmaschinen (z. B. GA-FA500) |
Um die Vibrationsanalyse korrekt durchzuführen, folgen Sie dieser Checkliste:
Die zulässige Schwingungsgrenze hängt von der Maschine und der Bearbeitung ab. Für Präzisionsbearbeitungen mit der GA-DV750 (max. Spindeldrehzahl 30.000 U/min) beträgt die zulässige Schwingungsstärke 0,1 mm/s. Für allgemeine Bearbeitungen mit der GA-MV856 beträgt die zulässige Schwingungsstärke 0,5 mm/s. Im Zweifelsfall sollten Sie die Grenzen des Maschinenherstellers oder der Qualitätsanforderungen des Werkstücks einhalten.
Ja, eine unzureichende Spannung des Werkstücks ist eine häufige Ursache für Schwingungen. Wenn das Werkstück nicht fest genug gespannt ist, kann es während der Bearbeitung zu Schwingungen kommen. Überprüfen Sie die Spannkraft und die Spannpunkte, um sicherzustellen, dass das Werkstück fest sitzt.
Die Häufigkeit der Vibrationsanalyse hängt von der Nutzung der Maschine ab. Für Maschinen, die im Schichtbetrieb arbeiten, sollten Sie eine Vibrationsanalyse alle 3 bis 6 Monate durchführen. Für Maschinen, die nur gelegentlich genutzt werden, reicht eine Analyse einmal pro Jahr. Zusätzlich sollten Sie eine Analyse durchführen, wenn Sie Änderungen an der Maschine vornehmen (z. B. Spindelwechsel, Änderung der Schnittparameter) oder wenn Sie eine Verschlechterung der Werkstückqualität feststellen.
Ja, die Vibrationsanalyse kann auch bei alten Maschinen durchgeführt werden. Sie eignet sich besonders für die Überprüfung von Verschleiß bei alten Maschinen. Allerdings sollten Sie beachten, dass alte Maschinen möglicherweise höhere Schwingungsgrenzen haben als neue Maschinen.
Wenn die Schwingungen zu hoch sind, können Sie folgende Maßnahmen ergreifen:
Die Vibrationsanalyse ist ein wertvolles Werkzeug zur Optimierung der Werkstückqualität und der Betriebskosten. Indem Sie die Grundlagen verstehen, die Messung korrekt durchführen und die Ergebnisse richtig interpretieren, können Sie die Leistung Ihrer Maschine verbessern und Ausfälle vermeiden.
Nennen Sie uns Ihr Teil, Ihre Losgröße und Ihren Zielhafen. Sie erhalten eine Konfiguration, ein verbindliches Lieferfenster und einen Gesamtkostenvergleich.
Angebot anfordern →