Zerspanungsforschung Optimierte Zerspanung durch Schwingungsunterstützung

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IWU-Forscher haben erkannt, dass man mit gezielte Schwingungen in Vielerlei Hinsicht bei der Zerspanung von Metallen Vorteile herausschlagen kann. Hier verraten sie nicht nur, wie das geht.

Durch eine geeignete Schwingungsunterstützung winkt bei Zerspanungsprozessen nicht nur eine höhere Produktivität, sondern auch kürzere Stillstandszeiten der Maschinen, sagen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU. Und bei der Zerspanung schwer bearbeitbarer Metalle sei eine Schwingungsunterstützung sogar die Grundvoraussetzung, dass man sie überhaupt wirtschaftlich zerspanen könne.

Ein Team am IWU um Dipl.-Ing. Oliver Georgi nutzt deshalb gezielt erzeugte Schwingungen im Bereich bis 100 Hertz oder im Ultraschallbereich über 16 Kilohertz, um bei Zerspanungsprozessen bestehende Verfahrensgrenzen zu erweitern, wie es weiter heißt. In vielen Industrieprojekten, wird betont, konnte das technische Potenzial der schwingungsunterstützten Zerspanung bereits nachgewiesen werden und dabei signifikante Kostenvorteile herausgeholt werden. Insbesondere mit Blick auf die Großserienfertigung seien die Skaleneffekte hervorzuheben.

Mit Ultraschall lässt es sich nicht nur besser Bohren

Hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich (ab 16 Kilohertz) erhöhen beim Bohren und Tiefbohren die Produktivität und Prozesssicherheit, wie sich gezeigt hat. Die Ultraschallschwingungen führen bei der Zerspanung bestimmter Materialien, wie Kupfer- oder Aluminiumlegierungen, außerdem zu werkstofftechnischen Effekten, wodurch die Kräfte für die Bearbeitung niedriger werden können. Die Produktivität kann deshalb gesteigert werden, weil die Schnittwerte erhöht werden können. Hier ein Beispiel: Bei einem Maschinenstundensatz von 130 Euro, einer jährlichen Planbelegungszeit von rund 6.000 Stunden sowie einem Hauptzeitanteil des Bohrens von 35 Prozent, führt eine 40-prozentige Erhöhung der Drehzahl oder des Vorschubs zu einer Produktivitätssteigerung von 10 Prozent respektive Einsparungen in Höhe von 78.000 Euro! Würden die genannten Schnittparameter verdoppelt, könnten sogar 136.000 Euro an Betriebskosten eingespart werden.

Bei anderen Anwendungsfällen, heißt es weiter, reduziert sich mit Ultraschallunterstützung die Gratbildung. Denn reduziert man die Vorschubkraft entsprechend, verringert sich der entstehende Grat, oder wird sogar ganz verhindert. Speziell beim Tiefbohren sorge die Ultraschallunterstützung für einen verbesserten Spanabtransport und damit mehr Prozesssicherheit. Durch die genannten Effekte wird außerdem der für die Qualität wichtige, sogenannte Mittenverlauf (unerwünschter Abstand der idealen zur wirklichen Bohrungsmittelachse) reduziert. Die Ultraschallschwingung modifiziert zusätzlich die Reibungskontakte in der Zerspanungszone und damit den Werkzeugverschleiß, so die IWU-Forscher. Bei einige Zerspanungsprozessen, etwa bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien wie Nickelbasislegierungen, ermöglicht die Ultraschallunterstützung eine ausreichende Prozessfähigkeit überhaupt erst, damit akzeptable Werkzeugstandzeiten und damit eine wirtschaftliche Fertigung.

Schwingungsunterstützung optimiert auch das Drehen

Bei Zerspanungsprozessen mit kontinuierlichem Schneideneingriff, wie es beim Drehen typisch ist, ist es eine große Herausforderung, den sogenannten Spanbruch schnell zu erreichen, sagen die Forscher. In der Serienfertigung führen nämlich Störgrößen wie Werkzeugverschleiß oder Chargenschwankungen dazu, dass oft kein prozesssicherer Spanbruch eingestellt werden kann. Lange Späne und die sogenannten Wirrspäne können die Werkstücke aber mechanisch beschädigen. Außerdem bilden sie Spänenester, welche den Späneabfluss stören, wie es weiter heißt. Solche Spänenester müssen dann manuell beseitigt werden, was nur bei stehender Maschine gefahrlos klappt. Bekomme man den Spanbruch nicht in den Griff, sei bei einigen Prozessen auch keine Automatisierung möglich.

Aber durch die Schwingungsunterstützung mit niedrigeren Frequenzen von rund 100 Hertz und 0,6 Millimeter Schwingweite entstehen die gewünschten kurzen, also definiert gebrochene Späne prozesssicher. Und in Situationen in denen Drehmaschinen bisher selbst in der Serienfertigung mehrere Minuten pro Stunde gestoppt werden mussten, verursacht der gelungene Spanbruch in Zukunft keine Produktionsunterbrechungen mehr.

Die Schwingungsunterstützung bei der Zerspanung wird, wie es weiter heißt, mit speziellen Systemen erreicht, welche als Werkzeughalter am Revolver der Drehmaschinen eingewechselt werden können. Folgendes Beispiel beim Innendrehen unterstreicht das Einsparpotenzial durch die verbesserte Maschinenverfügbarkeit beim Drehen: Bei einem Maschinenstundensatz von 85 Euro und einer jährlichen Planbelegungszeit von wieder 6.000 Stunden führe ein spanbruchbedingter Nutzungsausfall von durchschnittlich 6 Minuten pro Stunde zu einem jährlichen Zeitverlust von 10 Prozent und Stillstandskosten in Höhe von rund 51.000 Euro. Diese Kosten sind durch die Schwingungsunterstützung beim Drehen nun aber vermeidbar.

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