Bei der Herstellung von Metallteilen treten häufig störende Vibrationen auf. Diese beeinträchtigen die Standzeit der Werkzeuge und die Oberflächengüte und verursachen einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand bei der Auftragsabwicklung. In der Regel begegnen Metallteilehersteller Vibrationen durch die Einstellung suboptimaler Maschinenparameter oder setzen teure „Vibrationsdämpfungswerkzeuge“ ein, um solche Probleme zu beheben. Diese Schneidwerkzeuge mit abgestimmter Massendämpfung (TMD) leiten die Schwingungsenergie der Schneidwerkzeuge an einen zusätzlichen Massendämpfer im Werkzeugkörper weiter. Diese Energieübertragung reduziert die durch Schneidprozesse erzeugte Schwingungsenergie.
Die Stützelemente bestehen aus Gummidichtringen, deren Querschnitte verändert oder angepasst werden können, um die Steifigkeit des Werkzeugs und damit auch die Resonanzfrequenz zu beeinflussen. Diese Werkzeuge sind jedoch teuer – in der Regel kosten sie das 10- bis 100-Fache eines herkömmlichen Werkzeugs. Zudem begrenzt Ölverlust die Lebensdauer von TMDs auf 1 bis 2 Jahre; danach muss das Werkzeug überholt oder ausgetauscht werden. TMDs müssen zudem bei jeder Arbeitsschicht neu abgestimmt werden, bevor neue Werkstoffe bearbeitet werden oder sie unter anderen Schnittbedingungen (Drehzahlen, Vorschübe, Schnitttiefe) als beim vorherigen Auftrag eingesetzt werden.
Vibrationen treten besonders stark auf, wenn das Verhältnis von Überhanglänge zu Durchmesser (L/D) eines Werkzeugs hoch ist, was häufig erforderlich ist, um in tiefe Taschen, Bohrungen oder andere Merkmale des zu bearbeitenden Werkstücks vorzudringen. Wenn sich das Werkstück um das Werkzeug dreht (Drehen oder Drehbearbeitung) oder sich das Werkzeug um das Werkstück dreht (Fräsen oder Bohren), entstehen Vibrationen, die zu einer schlechten Oberflächengüte führen und Nachbearbeitungen erforderlich machen, um die Spezifikationen zu erfüllen.
Angesichts des zunehmenden Drucks, Produktivitätsziele zu erreichen, kann ein vibrationsdämpfender Werkzeughalter, der einwandfrei funktioniert, ohne vor jeder Schicht neu eingestellt werden zu müssen, bevor neue Werkstoffe bearbeitet werden, den Herstellern von Metallteilen greifbare Vorteile bieten. Diese Herausforderung gewinnt mit dem zunehmenden Einsatz der additiven Fertigung (3D-Druck) zunehmend an Bedeutung, da diese Technologie längere und flexiblere Werkzeuge als je zuvor erfordert, um relativ komplexe Teile und geometrische Merkmale zu bearbeiten.
Eine solche Option ist ein selbstregulierender Massendämpfer (STMD), der aus einer Wolframmasse besteht, die von Polymerscheiben im Inneren der Halterung gestützt wird. Die Scheiben entziehen dem Schneidwerkzeugkörper Schwingungsenergie, um Bewegungen zu minimieren und Schwingungen zu neutralisieren, indem sie den Motor der Werkzeugmaschine mit dem Schneidkopf verbinden.
Wenn auf das Werkzeug Schnittkräfte einwirken, entstehen naturgemäß Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich, und die Steifigkeit des STMD passt sich automatisch an diese Frequenz an, um den Dämpfungseffekt durch die Masse zu maximieren.
STMDs sind elegant – raffiniert und benutzerfreundlich – und können die Oberflächengüte verbessern, die Zykluszeit verkürzen, die Werkzeugkosten und den Werkzeugbruch (Gesamtbetriebskosten) senken, die Ausschussquote verringern und den Energieverbrauch senken.
Diese Plug-and-Play-Lösung ist eine kostengünstige Alternative zu anderen Entvibrationswerkzeugen, die bis zu 10.000 US-Dollar pro Einheit kosten können. Sie trägt dazu bei, die Anzahl beschädigter Teile zu reduzieren, die Oberflächenqualität zu verbessern und die Lebensdauer der Schneideinsätze zu verlängern, wodurch die Produktionskosten minimiert werden.
Da STMD-Werkzeughalter im Vergleich zu anderen Optionen eine schnellere, effizientere und wirtschaftlichere Bearbeitung ermöglichen, machen sie dank ihrer durch die Stabilität bedingten höheren Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten eine Neuprogrammierung oder Neukonstruktion von Bearbeitungsvorgängen überflüssig, die sonst zur Kompensation von Maschinenineffizienzen erforderlich wären.
STMDs lassen sich nahtlos in Prozesse integrieren, wobei eine Vielzahl von Arbeitsabläufen und CAM-Softwarelösungen zum Einsatz kommen, da sie dank ihrer eleganten Bauweise einfach zu testen sind und auf Anhieb einwandfrei funktionieren, was die Durchlaufzeit verkürzt.
So funktionieren STMDs
STMDs können äußerst nützlich sein, um Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe zu verbessern, da stabilisierte Werkzeuge bessere Ergebnisse liefern als Werkzeuge mit zusätzlichen, ungewollten Bewegungen . Konkret dämpft der Werkzeughalter Vibrationen mithilfe einer Wolframmasse, die von Polyerscheiben im Inneren des STMD gestützt wird. Diese Polyerscheiben, die nach einer firmeneigenen Rezeptur hergestellt werden, weisen eine frequenzabhängige Steifigkeit auf, wodurch sie auf Schwankungen in den Vibrationen reagieren und sich daran anpassen können. Aufgrund ihrer Stabilität ermöglichen STMDs die größten Schnitttiefen und längsten Schnittwege .
STMDs sind hervorragende Beispiele dafür, wie Physik und Chemie zusammenwirken und das komplexe Problem der Steuerung der Schwingungsfrequenz bei Schneidwerkzeugen lösen, das durch veränderte Schnittbedingungen wie Werkzeugverschleiß, Verschleiß an den Kontaktstellen und Schwankungen bei den Werkstückmaterialien entsteht. Aus diesen Gründen erfordern andere Arten von Werkzeughaltern eine optimierte Abstimmung, um ihre Leistungsfähigkeit zu gewährleisten; ein Betrieb in einem nicht abgestimmten Zustand könnte das Schwingungsproblem verschlimmern, anstatt es zu beheben.
Was die selbstregulierenden Eigenschaften von STMDs betrifft, so werden diese durch Federelemente erreicht, die ihre Steifigkeit entsprechend der Schwingungsfrequenz anpassen und so das Problem der Frequenzänderungen lösen.
Da alle Werkzeugmaschinen unterschiedlich sind (groß, klein, lang, kurz, neu, alt), lassen sich die Schwingungsfrequenzen der Maschinen nicht vorhersagen, da verschiedene Werkzeuge bei unterschiedlichen Frequenzen schwingen. Derzeit sind Massendämpfer an Schneidwerkzeugen nur schwer einsetzbar, da sie auf bestimmte Frequenzen abgestimmt sind oder häufig gedreht werden müssen, um eine wirksame Schwingungsdämpfung zu gewährleisten.
Im Gegensatz dazu enthalten STMDs Polymerscheiben, deren Steifigkeit sich je nach Schwingungsfrequenz ändert. Bei hoher Frequenz ist die Steifigkeit hoch und umgekehrt. Die Scheiben ermöglichen die Selbstoptimierungsfunktion der Massendämpfer, die sich automatisch an die Maschinenbedingungen anpassen.
Wenn Stillstandszeiten oder Nacharbeiten aufgrund von Werkzeugverschleiß sowie häufige Maschinenstillstände zum Nachstellen der Dämpfer eine Rolle spielen, können STMDs eine sinnvolle Alternative zu anderen Schwingungsdämpfungstechnologien darstellen.
Sie können auch dann nützlich sein, wenn die Überhanglänge des Werkzeugs eine Rolle spielt, da ein einziges Werkzeug sowohl kurze als auch lange Überhänge bearbeiten kann, ohne dass ein Werkzeugwechsel erforderlich ist. Das Ergebnis ist, dass die Bearbeitung weniger Zeit in Anspruch nimmt und kostengünstiger ist.
Am Beispiel des Drehens lässt sich das Werkzeug für unterschiedliche Längen einstellen, um verschiedene Teile zu bearbeiten. Je länger der Überhang ist, desto niedriger ist die Schwingungsfrequenz und umgekehrt. Das Werkzeug schwingt je nach Überhanglänge mit unterschiedlichen Frequenzen, und STMDs decken einen breiteren Frequenzbereich ab, der mit dem L/D-Verhältnis korreliert.
Untersuchungen haben gezeigt, dass STMDs die Zykluszeit um 30 % verkürzen, die Werkzeugkosten um 5 % bis 10 % senken, den Energieverbrauch um 2 % bis 3 % verringern und den Ausschuss um 1 % bis 2 % reduzieren können. Auch wenn einige dieser Prozentsätze gering erscheinen, können angesichts des hohen Volumens an Bearbeitungsvorgängen selbst kleinste prozentuale Einsparungen zu erheblichen Kosteneinsparungen führen.
Zudem werden die Schnittparameter (Drehzahlen und Vorschübe) konservativ gewählt oder begrenzt, wenn das Risiko instabiler Schwankungen zu berücksichtigen ist. Bei Einsatz der STMD-Technologie sind Vibrationen kein Thema.
Darüber hinaus passen sich STMDs an, um hohe und niedrige Frequenzen zu dämpfen, wenn bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mehrere Frequenzschwankungen an den Schneidwerkzeugen auftreten, sodass ein erfolgreiches Schneiden bei hohen Geschwindigkeiten und Vorschubraten möglich wird.
Wir stellen nicht nur nützliche Produkte her, sondern sind auch stolz auf die Unterstützung, die wir Programmierern und Fertigungsingenieuren bieten.
Tatsächlich ist unsere Reaktionsschnelligkeit eines der Merkmale, die uns von anderen Anbietern von Schwingungsdämpfungslösungen unterscheiden. Wenn Sie uns Angaben zu Ihrem Maschinentyp und Ihrer Maschinenkonfiguration machen, können wir Sie bei der Verwendung von STMDs unterstützen. In den meisten Fällen antworten wir innerhalb von 24 Stunden, da wir wissen, wie wichtig es ist, Produkte pünktlich, spezifikationsgerecht und im Rahmen des Budgets zu liefern.
Wenn Sie unsere STMDs anstelle anderer Werkzeughalter verwenden, gewinnen Sie einen hilfreichen Partner und nicht nur einen weiteren Lieferanten.
Laden Sie unsere Bearbeitungs-Testdaten und Whitepaper herunter, in denen die Leistungsfähigkeit von STMDs und verschiedene Betriebsbedingungen erläutert werden.
Unsere Geschichte
Die Idee für MAQ STMD stammt von Qilin (ausgesprochen: CHILL-in) Fu, unserem CTO, als er noch Doktorand am KTH Royal Institute of Technology in Stockholm war. Er untersuchte, wie sich Vibrationen auf die maschinelle Bearbeitung auswirken, und erkannte, dass es hier Verbesserungspotenzial gab.
Ein Durchbruch gelang 2015, als Qilin vorhandene Polymere nutzte, um die frequenzabhängige Steifigkeit eines Polymers genau zu messen. Er stellte fest, dass einige Polymere bei steigender Frequenz eine deutlich erhöhte Steifigkeit aufweisen.
Schließlich stellte ein Forschungsteam, zu dem auch Qilin gehörte, fest, dass eine Gruppe von Polymeren mit einer bestimmten physikalischen Struktur und Chemie die für Massendämpferanwendungen erforderliche frequenzabhängige Steifigkeit aufweisen würde.
Der Name des Unternehmens, MAQ, leitet sich von den Vornamen der drei Mitbegründer ab – Mihai Nicolscu, Amir Rashid und Quilin Fu.
Unsere Entstehungsgeschichte ist ein Paradebeispiel dafür, wie Grundlagenforschung in einem akademischen Labor zu einer großartigen Geschäftsidee und einem florierenden Unternehmen führen kann.
Wenn Sie Probleme mit der Schwingungsdämpfung haben, sagen Sie uns Bescheid und wir setzen unser Fachwissen für Sie ein.