Ratterfreier Prozess mit Werkzeugen von MAPAL

Sogenannte selbsterregte Ratterschwingungen, also von der Zerspanung selbst ausgelöste Schwingungen, wirken in mehrerlei Hinsicht negativ. An erster Stelle steht das Bearbeitungsergebnis, das der Zerspaner nicht oder nicht optimal erreicht. Schwingungen verkürzen darüber hinaus die Standzeit der Werkzeuge, oft erheblich. Zudem belastet ein Rattern die Werkzeugmaschine selbst. 

Am Werkzeug nehmen die Folgen von Biege- oder Torsionsschwingungen während der Zerspanung unterschiedliche Ausmaße an, denn sie führen zum sogenannten Rattern:

• Schlechte Rundheiten und Zylinderformen
• Ungenügende Oberflächengüten
• Im Extremfall gebrochene Schneiden oder Werkzeuge.
   

Ratterschwingungen gehen auf eine dynamische Instabilität des Zerspanungsprozesses zurück und haben verschiedene Ursachen. Ein falsch eingespanntes Werkstück beziehungsweise eine nicht ausreichend fixierende Spannung führen ebenso zu Rattern wie ein langes, schlankes Werkzeug mit ungenügender Biegesteifigkeit. Wirkt auf ein solches Werkzeug zu viel Kraft, beispielsweise durch zu hohe Schnittgeschwindigkeiten, sind Ratterschwingungen die Folge. Eine weitere Ursache stellen sehr harte Materialien dar, die während der Bearbeitung im Vergleich zu weicheren Werkstoffen eine größere Rattertendenz aufweisen. Auch die Werkzeugspannung, generell große Schnitttiefen und unterbrochene Schnitte beeinflussen die Steifigkeit des Gesamtsystems und die Ratterneigung. 

Mit den genannten Ursachen hat sich der Präzisionswerkzeughersteller MAPAL intensiv auseinandergesetzt und verschiedene Ansätze definiert, um Ratterschwingungen zu kompensieren beziehungsweise zu vermeiden: Generell verringern angepasste Schnittgeschwindigkeiten und ein optimales Verhältnis von Drehzahl zu Vorschub die Belastung und die Dynamik des Systems. Auch sehr stabil ausgeführte Werkzeuge reduzieren die wirkenden Kräfte. Spezielle Werkzeuggeometrien stabilisieren den Bearbeitungsprozess überdies.

Senkbearbeitungen zeigten in der Vergangenheit häufig Rattermarken. Denn meist bringen Handbohrmaschinen oder Akkuschrauber die Senkungen ein. Aus diesen Maschinenverhältnissen ergibt sich zwangsläufig eine Instabilität des gesamten Systems. Als MAPAL einen neuen Kegelsenker entwickelte, stand daher die Anforderung im Mittelpunkt, dass das Werkzeug sich selbst stabilisiert. Die Kegelsenker weisen tatsächlich um 50 Prozent reduzierte Axialkräfte auf, die aus der deutlichen Ungleichteilung der drei Schneiden resultiert. Die Y-Schneidenanordnung führt zu einer gleichmäßigen, definierten Krafteinwirkung und vermeidet ein gegenseitiges Einhaken der Schneiden. Im Ergebnis entstehen deutlich weniger Vibrationen am Werkzeug und erheblich verbesserte Genauigkeiten, Oberflächenwerte und Werkzeugstandzeiten.

During boring processes, particularly with higher stock removal, radial vibrations often arise that cause chattering. The unequal spacing alone is not enough for high stock removal. For this reason MAPAL has fitted its tangential roughing tools (TSW) for this type of machining with innovative, six cutting edge indexable inserts with a special arc shaped land. This special geometry is a support surface on the insert that supports the tool in the bore and is comparable to an arc land chamfer on fixed reamers. The unequal spacing as well as the arc shaped land reliably prevents chattering and vibration for these tools.

Particularly for large, heavy tools with long projection, pendulum oscillations occur that must
be absorbed or compensated. Otherwise work must be performed with such low cutting speeds
that the process is not economical. For this case, MAPAL has developed the so-called “welded construction”. A thin-walled tube serves as a tool body, making the tool extremely light but also
very stable and rigid – “dynamically light”. The carriers for the inserts and guide pads are welded on and supported one another by means of connecting ribs. To optimise the relationship of rigidity and weight and to counteract the pendulum oscillations, for this type of tool MAPAL simulates the machining forces as well as the stresses that arise, bending vibrations and torsion vibrations by means of FEM (Finite Element Method). All in all the risk of chattering is minimised and the support and therefore the stability of the entire system is also ensured for an interrupted cut.

Tools for boring and milling with very long projection often cause insufficient dynamic rigidity of the system and are more inclined to vibrate. To compensate this vibration, MAPAL has developed an innovative system for vibration damping directly in the tool shaft. An absorber system consisting of several spring packs compensates the frequency of the vibration in the opposite direction. In this way only minimum vibrations are transferred to the tool body – they are smaller by a factor of 1,000 when compared to a setup without an absorber system. Despite the longer projection, operation is smoother and more stable even at higher cutting values.