Zerspanung

Fühlende Maschinen überwachen noch sensibler

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Ratterschwingungen rechtzeitig registrieren

Sogenannte Ratterschwingungen sind selbst erregte Vibrationen, die beispielsweise bei ungünstig gewählten Prozessparametern auftreten. Sie führen zu einer schlechten Oberflächenqualität am Bauteil. Stark ausgeprägt, führen sie auch zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß und sie können dann auch die Maschinenkomponenten beschädigen. Um das zu vermeiden, müssen Ratterschwingungen im Prozess früh­zeitig erkannt werden. Bisher werden dafür vor allem teure Beschleunigungssensoren oder Mikrofone mit einer hohen Störanfälligkeit eingesetzt. Durch die Auswertung der Beschleunigungsdaten im Frequenzbereich können spezifische Ratterfrequenzen detektiert werden. Weil die einzelnen Schneiden des Werkzeugs hintereinander in den Werkstoff greifen, treten aber auch beim stabilen Fräsen Schwingungen auf. Ratterschwingungen zeigen sich jedoch im Signal frühzeitig durch Schwingungsamplituden im hohen Frequenzbereich, die nicht durch den Zahneingriff erklärbar sind. Bild 3 zeigt das Signal eines Beschleunigungssensors und eines H. DMS beim Auftreten von Ratterschwingungen, bei einem Nutenfräsprozess in Aluminium im Frequenzbereich.

Bild 3: Vergleich zwischen den Signalen eines Beschleunigungssensors und eines H. DMS im Frequenzbereich.
Bild 3: Vergleich zwischen den Signalen eines Beschleunigungssensors und eines H. DMS im Frequenzbereich.
(Bild: IFW)

Es wurde mit einem Schaftfräser mit vier Zähnen im Durchmesser D = 8 Millimeter und bei einer Drehzahl von n = 6.000 min-1 gearbeitet. Sowohl im Signal des Beschleunigungssensors als auch im Signal des H. DMS ist die dominierende Ratterfrequenz bei ungefähr 1.950 Hertz eindeutig zu erkennen. Auch die hohen Amplituden bei 3.900 Hertz und 4.300 Hertz sind in beiden Signalen zu sehen. Das zeigt, dass die neuste Generation der fühlenden Maschinen in der Lage ist hochfrequente Ratterschwingungen präzise zu erfassen. Die Signale der H. DMS im Frequenzbereich sind dabei mit denen der herkömmlichen hochpreisigen Beschleunigungssensoren vergleichbar.

Fazit: Neuen Multitalente in der Prozessüberwachung

Durch die neuste Generation der fühlenden Maschinen können auch Fräsprozesse mit Werkzeugen mit sehr kleinen Durchmessern überwacht werden. Der Einsatz von Dehnungsmessstreifen ermöglicht dabei sowohl die Erfassung des quasistatischen als auch des dynamischen Prozessverhaltens. Es wurde bewiesen, dass sich die fühlenden Maschinen sowohl zur Überwachung von Prozessen mit geringen Zustellungen als auch zur Ratterdetektion im Frequenzbereich eignen. Damit können mit sie für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, die bisher nur durch den Einsatz unterschiedliche und nicht zuletzt teure Sensortypen machbar waren. Durch die Integration der H. DMS in den Spindelschlitten wird weder das Prozessverhalten beeinträchtigt, noch der Arbeitsraum eingeschränkt. Auch Werkzeugwechsel sind ohne Einschränkungen weiterhin möglich. Langfristig bieten die fühlenden Maschinen daher eine günstige und flexibel einsetzbare Alternative zu herkömmlich Sensorsystemen, wie Dynamometer und sensorischen Werkzeughaltern.

* Prof. Berend Denkena leitet das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Dr.-Ing. Benjamin Bergmann ist dort Leiter des Bereichs Maschinen und Steuerungen und M. Sc. Svenja Reimer leitet die Abteilung Prozess­überwachung und -regelung. Weitere Informationen: www.ifw.uni-hannover.de

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