Die Problematik ist bekannt: Bei vielen Zerspanungsprozessen kann ein sogenanntes Rattern auftreten. Diese selbsterregten Schwingungen weisen zum Teil hohe Amplituden auf und können zu schlechten Oberflächenqualitäten und deutlich verkürzten Werkzeugstandzeiten führen. Dabei kann es auch zu Schäden am Werkstück oder an der Maschine kommen. Die Suche nach der Ursache und die Optimierungen brauchen Zeit. Und die neuen Parameter, bei denen es nicht mehr zu Rattern kommt, führen oft zu einer verringerten Produktivität.
Zusammenspiel verschiedener Faktoren
Diese Schwingungen sind selbsterregt: Sie resultieren nicht durch äussere Anregungen, sondern entstehen aus der Interaktion von Maschine, Werkzeug, Werkstück und Spannmittel. Die Werkstückoberfläche spielt dabei als «Speicher» der Schwingungen der vorangehenden Werkzeugschneide eine zentrale Rolle. Sie regt die nächste Schneide nach einer Totzeit mit den Schwingungen der vorangehenden Schneide an.
Änderungen in den Fertigungsparametern wie der Schnitttiefe, dem Vorschub oder der Hauptspindeldrehzahl können zur Beruhigung des Ratterns führen. Die grosse Herausforderung ist die Evaluation und Festlegung dieser Änderungen unter Berücksichtigung maximaler Produktivität und damit Wirtschaftlichkeit. Zudem sind solche Änderungen häufig aus verschiedensten Gründen unzulässig. Dann braucht es neben der Änderung der Prozessparameter oft auch eine Modifikation des Werkzeugs, des Spannmittels oder sogar der Maschine.
Die Ermittlung von optimalen Lösungen gegen das Rattern bei vielen individuellen Zerspanungsprozessen ist deshalb immer auch eine wissenschaftliche Herausforderung. In den letzten Jahrzehnten wurde weltweit viel zu diesem Thema geforscht. Robuste und kostengünstige Lösungen, die sich für alle industriellen Kombinationen von Maschinen, Halterungen und Werkzeugen eignen, wurden noch nicht entwickelt.
Für einen neuen Lösungsansatz haben sich das Schweizer Transferinstitut inspire AG und das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF) der ETH Zürich mit Implementierungspartnern aus der Schweizer Fertigungsindustrie zusammengetan. Die Lösung nutzt eine Kombination aus physikalischen Modellen und Techniken der künstlichen Intelligenz. Dabei stützt sie sich auf ein kostengünstiges System, das die Prozessgeräusche überwacht und mögliche Diskrepanzen zwischen der Modellvorhersage und dem tatsächlichen Prozesszustand nutzt. Dieser Ansatz ist der traditionellen Modellierung in Bezug auf die Vorhersagegenauigkeit und dem rein datengesteuerten maschinellen Lernen in Bezug auf die Dateneffizienz überlegen.
Das Fraunhofer IWU aus Chemnitz (DE) seinerseits nutzt einen integrativen Ansatz aus Simulationen und schnellen, vor Ort einsetzbaren Messtechniken. Die Analyse beginnt mit der Schwingungsmessung während der Bearbeitung, um die Ratterfrequenzen zu lokalisieren. Anschliessend wird die dynamische Steifigkeit gemessen. Beide Messungen lassen sich relativ schnell durchführen und liefern die erforderlichen Eingangsdaten für nachfolgende Berechnungen. Bereits hier lassen sich die Schwachstellen erkennen, und die Berechnungen ermöglichen eine Einschätzung der Wirkung von möglichen Massnahmen gegen das Rattern. Bei Bedarf wird dann eine experimentelle Modalanalyse durchgeführt, um konstruktive Schwachstellen innerhalb der Maschine genauer zu lokalisieren. Diese ist allerdings zeitaufwendiger und mit einer Vor-Ort-Messung verbunden, die etwa einen Tag in Anspruch nimmt.
Diese Forschungsleistung können interessierte Unternehmen als Dienstleistung buchen. Dabei sucht das Fraunhofer IWU immer Lösungen, die für den Auftraggeber passen. Denn nicht immer sind alle theoretisch denkbaren Massnahmen für das jeweilige Unternehmen ohne Weiteres umsetzbar. Eine Option ist auch, dem Auftraggeber das passende Berechnungstool in Form einer App zur Verfügung zu stellen und ihn so zu qualifizieren, dass er das Rattern in seiner Produktion eigenständig eliminieren kann.
Dr. Martin Kolouch, Spezialist für Maschinenanalysen am Fraunhofer IWU, betont: «Mit unserem Ansatz konnten wir feststellen, dass die Fertigungsparameter, die für die Produktivität bestimmend sind, in manchen Fällen bereits sehr gut passen.» Optimierungen seien vor allem in der Werkstückeinspannung möglich, wie das Projekt zeige: «Hier kann erhebliches Verbesserungspotenzial liegen.»