Analyse: Verwendung asymmetrischer Teilungszähne zur Vermeidung von Rattern

Rattern ist ein kostspieliges und anhaltendes Problem beim Fräsen. Die Auswirkungen von Rattervibrationen können so groß sein, dass sie das Werkzeug beschädigen, zum Ausschuss des Werkstücks führen und sogar die Werkzeugmaschine beschädigen. Erschwerend kommt hinzu, dass Werkzeugmaschinenbediener aufgrund der Gefahr des Ratterns bei der Auswahl der Bearbeitungsparameter möglicherweise zu konservativ sind und die Fähigkeiten der Maschine nicht optimal nutzen können. Normalerweise wird die Bearbeitungskapazität der Werkzeugmaschine nur zur Hälfte oder zu einem Bruchteil davon genutzt.

Flattern ist eine Art selbsterregte Vibration, was bedeutet, dass die stabile Eingangsenergie des Spindelmotors durch einen bestimmten Mechanismus in Vibration umgewandelt wird. Der Hauptmechanismus der Vibration von Werkzeugmaschinen ist die positive Rückkopplungsverstärkung der Vibrationswelle. Grundsätzlich ist die dynamische Steifigkeit des Bearbeitungssystems (einschließlich Werkzeug und Werkstück) unzureichend. Wenn der Fräserzahn das Werkstück schneidet, verursacht er Vibrationen und der vibrierende Fräserzahn erzeugt Wellen auf der Oberfläche des Werkstücks. Wenn der nächste Zahn die geriffelte Oberfläche berührt, führt die Riffelung der Oberfläche zu einer Änderung der Spandicke, die geänderte Spandicke führt zu einer Änderung der Schnittkraft und die veränderte Schnittkraft führt zu Vibrationen.

Eine Möglichkeit, den Rattermechanismus zu eliminieren, besteht darin, die dynamischen Eigenschaften des Bearbeitungssystems zu testen, anhand dieser Testergebnisse eine stabile Schnittbereichskarte zu berechnen und die Schnittbedingungen innerhalb des stabilen Bereichs auszuwählen. Diese Strategie zur Vorsteuerung des Bereichs basiert auf der Anpassung der Werkzeugvibration an die gewellte Oberfläche. Wenn die vordere und hintere Riffelung zusammenfallen, ändert sich die Spandicke nicht mehr und die Vibration hört auf. Wenn die Anzahl der Vibrationswellen zwischen benachbarten Zähnen genau 1, 2 oder eine beliebige ganze Zahl beträgt, erscheint im Stabilitätssinuskurvendiagramm ein stabiles Intervall. Diese Art der Bearbeitungsstrategie muss die stabile Geschwindigkeit kennen, eine stabile Geschwindigkeit innerhalb des zulässigen Spindeldrehzahlbereichs aufrechterhalten, über gleichmäßig verteilte Fräserzähne verfügen und die Spindeldrehzahl genau steuern.

Eine alternative Strategie besteht darin, den positiven Feedback-Verstärkungsmechanismus von Vibrationswellen durch Änderung des Zahnabstands zu unterdrücken. Wenn die Fräserzähne eine asymmetrische (ungleichmäßige) Teilung haben, hat die gewellte Oberfläche, die der vorherige Fräserzahn hinterlassen hat und der von jedem Fräserzahn geschnitten wurde, eine andere Wellenform, wodurch Vibrationen unterdrückt werden. Im Vergleich zu Werkzeugen mit gleichmäßigem Zahnabstand können Werkzeuge mit ungleichem Zahnabstand im Allgemeinen eine stabilere axiale Schnitttiefe erreichen.

Um solche Ergebnisse zu erhalten, ist jedoch eine sorgfältige Schätzung erforderlich. Da der Vorschub konstant ist, führt die Änderung der Zahnteilung dazu, dass der Vorschub pro Zahn unterschiedlich ist. Dies bedeutet in der Regel, dass nur ein Zahn der vollen Spanlast standhalten kann, während die restlichen Zähne nicht unter voller Last schneiden können. Aus diesem Grund muss der effektive Vorschub pro Umdrehung des Werkzeugs reduziert werden, und die Reduzierung des Vorschubs muss durch eine Erhöhung der axialen Schnitttiefe ausgeglichen werden, bis die Zähne gerade ausgewuchtet sind.

Betrachten wir zum Beispiel einen 4-schneidigen Schaftfräser mit gleichmäßig verteilten Zähnen und der stabilsten axialen Schnitttiefe (10 mm). Die Zähne sind gleichmäßig im 90°-Winkel verteilt und die Anordnungsrichtungen betragen 0°, 90°, 180° bzw. 270°. Wenn die zulässige Spanlast (Vorschub pro Zahn) 0,2 mm beträgt, beträgt der Vorschub pro Umdrehung 0,8 mm/Umdrehung. Wenn sich die Ausrichtung nur eines Zahns um 10° ändert, beträgt die Ausrichtung dieser Zähne 0°, 100°, 190° und 280°. Daher beträgt der Zahnabstand 100° (maximaler Abstand), 90°, 90° und 80° (minimaler Abstand).

Um zu verhindern, dass der Vorschub pro Zahn bei maximalem Abstand den zulässigen Grenzwert überschreitet, wird der maximale Abstand als Steuerabstand verwendet. Es ist notwendig, den Vorschubbetrag entsprechend dem Verhältnis des gleichen Abstands zum maximalen Abstand (in diesem Beispiel 90°/100°) auf der Grundlage des gleichmäßig beabstandeten Fräserzahnvorschubs zu reduzieren. Auf diese Weise betragen die Spanlasten für jeden Abstand zwischen den Zähnen 0,2 mm, 0,18 mm, 0,18 mm bzw. 0,16 mm. Der Vorschub pro Umdrehung beträgt 0,72 mm/Umdrehung. Bei diesem Werkzeug muss die zulässige Erhöhung der stabilen axialen Schnitttiefe größer als das Verhältnis 100/90 sein, was bedeutet, dass 11,1 mm genau der kritische Wert der Metallentfernungsrate ist. Im Allgemeinen ist es bei der Verwendung dieser Methode zur Unterdrückung der positiven Rückkopplungsverstärkung der Vibrationswelle erforderlich, damit die axiale Schnitttiefe das Doppelte des Verhältnisses von maximalem Abstand/gleichem Abstand verdoppelt, damit das Werkzeug mit ungleichem Abstand einen Anwendungswert erhält.

In ähnlicher Weise kann eine Änderung der Spindeldrehzahl auch die positive Rückkopplungsverstärkung der Vibrationswelle unterdrücken, aber wenn die Spindel mehr als eine Umdrehung dreht, kann auch der Werkzeugzahnabstand effektiv geändert werden. Da der Vorschub jedoch fest ist, kann der maximale Abstand den Vorschub immer noch steuern. Bevor eine Erhöhung der Zerspanungsrate erreicht werden kann, muss die Änderung der Spindeldrehzahl eine stabile axiale Schnitttiefe ermöglichen, um das Verhältnis zwischen maximaler Steigung und gleicher Steigung zu verdoppeln