Das Fräsen langer und schlanker Werkstücke gehört zu den anspruchsvollsten Verfahren in der zerspanenden Bearbeitung. Selbst in modernen Bearbeitungszentren und bei Verwendung hochwertiger Werkzeuge kann das Problem der Schwingungen die Produktionsstabilität erheblich beeinträchtigen, die Zykluszeiten verlängern und die Anzahl der Qualitätsmängel erhöhen. In der industriellen Praxis ist die Schwingungsdämpfung eine der Voraussetzungen für die Wiederholgenauigkeit und Wirtschaftlichkeit der Serienfertigung und zugleich eine der größten Herausforderungen. Wie lassen sich also Vibrationen beim CNC-Fräsen reduzieren?
In diesem Artikel erfahren Sie:
Lassen Sie uns zunächst erläutern, welche Ursachen es überhaupt für Vibrationen beim Fräsen langer Werkstücke gibt. Bei Fertigungsprozessen gibt es fast nie einen einzigen Faktor, der für die Instabilität des Prozesses verantwortlich ist – meistens handelt es sich um eine Kombination aus geringer Steifigkeit des Werkstücks, falscher Wahl der Zerspanungsparameter, der Werkzeuggeometrie und der Spannart. Eine ähnliche Herausforderung kann das Drehen langer Wellen mit Auflagen darstellen.
Man muss berücksichtigen, dass lange und schlanke Werkstücke besonders leicht in Resonanz geraten, da die einwirkenden Zerspanungskräfte eine Durchbiegung verursachen, die wiederum die Kontaktbedingungen zwischen Schneide und Werkstoff verändert. Dieses Phänomen führt zur Entstehung einer Rückkopplung und in der Folge zu selbstangeregten Schwingungen. Das Verständnis dieser Mechanismen ist die Grundlage für eine effektive Optimierung des CNC-Fräsdienstes für lange Werkstücke.
Chatter in der CNC-Bearbeitung sind selbstangeregte Schwingungen, die an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstoff entstehen und schnell zu einer Destabilisierung des Zerspanungsprozesses führen. Sie äußern sich durch ein charakteristisches, metallisches Geräusch sowie eine sichtbare Verschlechterung der Oberflächenqualität.
Wie Paweł Chojnacki, Experte bei RADMOT, betont, ist Chatter in der CNC-Bearbeitung ein Problem, das nicht ignoriert werden darf:
„In der Praxis führt Chatter nicht nur zu Qualitätsproblemen bei den gefertigten Bauteilen, sondern auch zu einer verkürzten Standzeit der Werkzeuge und zu höheren Produktionskosten. Die Stabilität des Zerspanungsprozesses ist daher einer der entscheidenden Faktoren für die Rentabilität der Großserienfertigung.“
Genauer gesagt führt Chatter zu:
Lange Werkstücke verhalten sich wie elastische Balken – unter dem Einfluss der Zerspanungskräfte biegen sie sich durch und kehren in ihre ursprüngliche Position zurück. Selbst eine minimale Verformung führt daher zu einer Veränderung der Dicke der Zerspanungsschicht, was den Prozess destabilisiert und zu Schwingungen führt.
Je größer das Verhältnis von Länge zu Querschnitt ist, desto größer ist die Anfälligkeit für Durchbiegungen. Bei dünnwandigen Aluminiumteilen tritt das Problem besonders deutlich zutage, da das Material zusätzlich die Entstehung von Resonanz begünstigt.
Der Werkzeugausladung ist einer der etwas unterschätzten Faktoren, die die Stabilität der Bearbeitung beeinflussen. Sie müssen sich bewusst sein, dass jeder – wir betonen: jeder – zusätzliche Millimeter Ausladung die Anfälligkeit des Fräsers für Durchbiegungen und Schwingungen erhöht. Infolgedessen kann selbst ein sehr steifes Bearbeitungszentrum instabil arbeiten.
Ein zu großer Überhang führt zu:
Wie bereits erwähnt, sind Vibrationen beim Fräsen nicht nur ein Problem für die Oberflächenqualität. Vibrationen beim CNC-Fräsen führen auch zu konkreten finanziellen Verlusten aufgrund einer kürzeren Standzeit der Werkzeuge, einer höheren Ausschussquote und längerer Produktionszeiten. In der Mittel- und Großserienfertigung ist die Prozessstabilität eine Voraussetzung für vorhersehbare Kosten und termingerechte Lieferungen.
Die gute Nachricht ist, dass es eine Reihe bewährter technologischer Methoden gibt, mit denen sich Vibrationen deutlich reduzieren und die Bearbeitung stabilisieren lassen.
Die Art der Werkstückaufspannung ist von grundlegender Bedeutung für die Stabilität des gesamten Prozesses. Selbst die optimal gewählten Zerspanungsparameter führen nicht zu den erwarteten Ergebnissen, wenn das Werkstück nicht ausreichend abgestützt ist. In der Praxis bedeutet dies, dass die Auslegung des Spannsystems oft genauso wichtig ist wie die Wahl des Werkzeugs.
Hierbei sind folgende Aspekte zu beachten:
Bei langen Werkstücken erhöht der Einsatz von Stützvorrichtungen und Auflagen die Steifigkeit des Systems erheblich. Zusätzliche Auflagepunkte begrenzen die Durchbiegung des Werkstücks, stabilisieren den Prozess und ermöglichen den Einsatz effizienterer Zerspanungsparameter. In der Serienfertigung kann die richtige Abstützung des Werkstücks über die Wirtschaftlichkeit des gesamten Projekts entscheiden.
Moderne Spannsysteme ermöglichen eine gleichmäßige Kraftverteilung und reduzieren lokale Spannungen. Die Vakuumspannung eignet sich für dünnwandige Aluminiumteile, während Magnetspannsysteme bei der Bearbeitung von Stahl und Gusseisen für Stabilität sorgen.
Die Zerspanungsparameter wirken sich direkt auf die auf das Werkzeug und das Werkstück einwirkenden Kräfte aus. Durch ihre richtige Optimierung lässt sich das Risiko von Resonanz und Chatter deutlich verringern:
Moderne Zerspanungswerkzeuge werden für den Einsatz unter Bedingungen begrenzter Systemsteifigkeit entwickelt – also genau dort, wo klassische Fräser und Standardhalter die Prozessstabilität nicht mehr gewährleisten können. Die moderne Werkzeugkonstruktion berücksichtigt die beim Zerspanen auftretenden dynamischen Phänomene, und die Hersteller legen zunehmend Wert auf die Begrenzung von Resonanzen, die Reduzierung der Schnittkräfte und die Verbesserung der Schwingungsdämpfung.
Durch die richtige Werkzeugauswahl lässt sich die Prozessstabilität oft erheblich steigern, ohne dass die Bearbeitungsparameter radikal geändert werden müssen.
Fräser mit unregelmäßigem Schneidabstand wurden so konzipiert, dass sie die Wiederholbarkeit der Schneidkraftimpulse „aufbrechen“. Durch den variablen Zahnhub wird die Frequenz dieser Impulse gestreut, wodurch es wesentlich schwieriger wird, selbstangeregte Schwingungen zu erzeugen. In der Praxis führt dies zu einem leiseren Werkzeugbetrieb, einer besseren Oberflächenqualität und der Möglichkeit, effizientere Zerspanungsparameter einzusetzen, insbesondere bei der Bearbeitung langer und schlanker Werkstücke.
Spezielle Werkzeughalter, die mit Schwingungsdämpfungssystemen ausgestattet sind, fungieren als Stoßdämpfer zwischen Spindel und Werkzeug. Sie basieren auf der Verwendung von Materialien und Mechanismen, die Schwingungsenergie absorbieren können, wodurch die auf den Fräser übertragene Schwingungsamplitude deutlich reduziert wird.
Ein Maschinenpark mit hochsteifen Fräsmaschinen reicht oft nicht aus. Eine geeignete technologische Strategie ermöglicht es, das Vibrationsrisiko selbst bei sehr anspruchsvollen Werkstücken deutlich zu reduzieren:
Woran erkennt man, dass Vibrationen bei der Bearbeitung ein Problem darstellen?
Meistens äußern sich Vibrationen durch ein charakteristisches Geräusch und eine wellige Oberflächenstruktur. Zudem lässt sich ein schnellerer Verschleiß des Werkzeugs beobachten.
Ist es bei Vibrationen besser, die Drehzahl oder den Vorschub zu verringern?
Meistens beginnt man mit einer Reduzierung der Drehzahl. Anschließend werden Vorschub und Schnitttiefe angepasst.
Welche maximalen Werkstücklängen lassen sich vibrationsfrei fräsen?
Es gibt keinen einheitlichen Wert – alles hängt vom Werkstoff und der Befestigungsart ab. Entscheidend ist das Verhältnis von Länge zu Querschnitt.
Hilft das 5-Achs-Fräsen dabei, Vibrationen zu reduzieren?
Ja, das vibrationsminimierende simultane 5-Achs-Fräsen, da es ermöglicht, den Werkzeugausladungsweg zu verkürzen und den Schnittwinkel optimal einzustellen. Dies erhöht die Prozessstabilität erheblich.
Wie viel kostet ein Schwingungsdämpfungssystem für eine Fräsmaschine?
Die Kosten hängen vom Produktionsumfang und der Art der Halterungen ab. Entscheidend ist, dass sich die Investition in der Serienfertigung schnell amortisiert.