Wann kann das vibrationsunterstützte Drehen Erleichterung bringen?

Um den Drehprozess zu verbessern, kann man zum Beispiel eine fortschrittliche Technik wie das vibrationsunterstützte Drehen anwenden. Indem man das Schneidwerkzeug oder das Werkstück in Schwingung versetzt und eine geringere Amplitude anwendet, lassen sich bessere mechanische Eigenschaften erzielen. Aber wie genau funktioniert das, und wann kann es sinnvoll sein, diese Technik auch in Ihren Drehprozess zu integrieren?

Das herkömmliche Drehen von Hartlegierungen führt zu hohen Schnitttemperaturen und Schnittkräften, was einen schnelleren Verschleiß der Schneidwerkzeuge zur Folge haben kann. Darüber hinaus können die Oberflächenqualität und die Maßgenauigkeit aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und der höheren Zähigkeit solcher Werkstoffe schlecht sein. Um diese Probleme bei spröden Werkstoffen, optischen Teilen oder Legierungen aus Inconel oder Titan zu vermeiden, hat sich das vibrationsunterstützte Drehen bereits bewährt. Mit dem zunehmenden Bedarf an Präzisionsteilen aus spröden Werkstoffen wird man sich daher mehr und mehr in diese Richtung orientieren müssen. 

Wie funktioniert das?

Das vibrationsunterstützte Drehen ist eine fortschrittliche Bearbeitungstechnik, bei der Vibrationen kontrolliert in Bearbeitungsbewegungen eingesetzt werden. Ziel ist es, die Oberflächenqualität zu verbessern, die Genauigkeit des zu bearbeitenden Teils zu erhöhen und die Werkzeugstandzeit zu verlängern. Zu diesem Zweck werden niedrige Schwingungsamplituden und hohe Schwingungsfrequenzen eingesetzt, um schwer zerspanbare Werkstoffe zu drehen. Man unterscheidet zwischen resonanten (über 20 kHz, Amplitude 1 - 10 µm) und nicht-resonanten Systemen (1 - 40 kHz, Amplitude bis 100 µm). Erstere sind zu bevorzugen, weil sie sich leichter entsprechend dem gewünschten Ergebnis steuern lassen. Beim schwingungsunterstützten Drehen hängt die Schnittqualität hauptsächlich vom Kontaktverhältnis zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück und der relativen Geschwindigkeit des Werkzeugs ab. Das Kontaktverhältnis wird wiederum durch die Schnittgeschwindigkeit, die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude des Werkzeugs bestimmt. Das Werkstück dreht sich mit einer konstanten Schnittgeschwindigkeit weiter, während das Schneidwerkzeug mit einer Ultraschallfrequenz und einer kleinen Schwingungsamplitude schwingt.

Herausforderungen

Die Vorteile, die das vibrationsunterstützte Drehen mit sich bringen kann, sind zahlreich und haben sich auch in der Praxis bereits bewährt. Die Herausforderung liegt jedoch in der Einführung und Beherrschung des Prozesses, insbesondere des thermischen Verhaltens von Werkzeug und Werkstück sowie der wechselnden Schwingungsfrequenz und -amplitude. Es ist mühsam und zeitaufwendig, genau auszulegen und zu berechnen, was für einen stabilen Prozess notwendig ist. Das Fraunhofer IPT aus Aachen hat deshalb vor einigen Jahren ein ultraschallgestütztes System zum Drehen vorgestellt. Ausgangspunkt ist eine neue Methode, um die Konstruktion deutlich zu verkürzen und die Amplitude von bewegten Teilen schnell und automatisch zu berechnen. Der Prototyp diente zum hochpräzisen Drehen von Freiformflächen an Stahl und Klasse mit monokristallinen Diamantwerkzeugen. Aber es ist klar, dass hier noch wissenschaftliche Forschung betrieben werden muss.

Schlussfolgerung

Hat man diese Elemente erst einmal in den Griff bekommen, werden maßgeschneiderte Werkzeuge, Werkzeughalter und Schnittparameter folgen, und das vibrationsunterstützte Drehen wird sich in der Werkstatt durchsetzen. Insbesondere die Verbesserung der Integrität der zu bearbeitenden Oberfläche, die größeren Bearbeitungsmengen und die Verringerung des Werkzeugverschleißes und der Bearbeitungszeit machen es zu einer interessanten Option für eine Vielzahl von Anwendungen in der Zerspanung. ■