Rattern beim Fräsen: Ursachen und 10 praxisnahe Lösungen

Der hohe Pfeifton von der Werkzeugmaschine, regelmäßige Wellenspuren am Werkstück und Werkzeuge, die früher als erwartet ausfallen, sind Anzeichen desselben Problems: Rattern (chatter).

Kurze Antwort

Rattern entsteht, wenn die Eigenfrequenz des Systems aus Werkzeug, Werkzeugaufnahme, Werkzeugmaschine und Werkstück mit der vom Schnittvorgang erzeugten Anregungsfrequenz zusammenfällt. Die Schnittkraft hinterlässt eine Welle auf der Oberfläche, die nächste Schneide tritt in diese gewellte Oberfläche ein und die Schwingung nährt sich selbst.

Die Lösung führt über zwei Wege: Änderung der Anregungsfrequenz (Drehzahl) oder Versteifung des Systems (Auskraglänge, Werkzeugaufnahme, Aufspannung).

Anzeichen und Abgrenzung

Diagnoseablauf

Liegt Rattern vor?
├── Beginnt bei bestimmter Drehzahl, verschwindet bei Drehzahländerung
│   └── RESONANZ → Drehzahländerung um 10–20 % (Lösung 1)
├── Bei jeder Drehzahl vorhanden, Werkzeug lang
│   └── AUSKRAGLÄNGE → Verkürzung des Werkzeugs / kürzere Baureihe (Lösung 2)
├── Bei jeder Drehzahl vorhanden, Werkzeug kurz
│   ├── Werkstück dünn/schwach gespannt → Verstärkung der Aufspannung (Lösung 5)
│   └── Aufnahme mit Rundlauffehler / verschlissen → Wechsel der Aufnahme (Lösung 4)
└── Nur in einem bestimmten Bereich (Ecke, Eintauchen)
    └── PLÖTZLICHER EINGRIFFSANSTIEG → Glätten des Werkzeugwegs (Lösung 8)

10 praxisnahe Lösungen

1. Änderung der Drehzahl (erster Eingriff)

Dies ist der schnellste Eingriff und verursacht keine Zusatzkosten. Die Drehzahl ist um 10–20 % zu erhöhen oder zu senken. Resonanz tritt in einem schmalen Band auf; das Verlassen dieses Bandes kann die Schwingung vollständig beseitigen.

In der Stabilitätskarte (stability lobe diagram) finden sich bei hohen Drehzahlen breite stabile Bereiche; sofern die Kapazität der Werkzeugmaschine es zulässt, ist zunächst eine Erhöhung der Drehzahl zu bevorzugen.

2. Verkürzung der Auskraglänge (die wirksamste Einzelmaßnahme)

Die Abdrängung ist der dritten Potenz der Auskraglänge proportional:

δ ∝ L_aus³ / (E × D⁴)

Eine Verkürzung der Auskraglänge um 20 % senkt die Abdrängung etwa auf die Hälfte. Ein übermäßiges Herausstehen des Werkzeugs aus der Spannzange ist zu vermeiden; einzusetzen ist das kürzeste Werkzeug, das die Aufgabe erfüllen kann.

3. Keine Senkung des Vorschubs

Es widerspricht der Intuition, trifft aber zu: eine Senkung des Vorschubs verdünnt den Span, das Werkzeug reibt, statt zu schneiden, und das Reiben nährt die Schwingung. Bei vorhandener Schwingung ist der Wert fz beizubehalten oder etwas zu erhöhen.

Der richtige Weg: Vc (Drehzahl) wird geändert, fz wird beibehalten.

4. Verbesserung der Werkzeugaufnahme

Der Rundlauffehler wirkt sich unmittelbar auf die Standzeit aus: ein Rundlauffehler von 20 µm verteilt die Last ungleich auf die Schneiden und die am stärksten belastete Schneide fällt früh aus.

5. Verstärkung der Aufspannung

Bei dünnwandigen oder langen Teilen ist die Quelle der Schwingung nicht das Werkzeug, sondern das Werkstück. Ein Stützklotz, die Anzahl der Schraubstöcke, eine Magnetabstützung oder eine Harzverfüllung bewirken einen deutlichen Unterschied.

6. Einsatz von Werkzeugen mit ungleichem Drall / ungleicher Teilung

Da die Schneiden nicht gleichmäßig geteilt sind, wird die regelmäßige Anregungsfrequenz gestört und es baut sich keine Resonanz auf. Bei chronisch gewordenen Ratterproblemen ist dies die wirksamste werkzeugseitige Lösung.

7. Verringerung des Eingriffswinkels (trochoidal)

Der Wert ae ist auf das Niveau 0,1 × D zu verringern und der Wert ap zu vergrößern. Die Schnittkraft sinkt, die Kontaktzeit der Schneidkante wird kürzer und es entsteht Spielraum zum Abkühlen. Mit der Korrektur der Spanungsdickenreduzierung lässt sich der Vorschub erhöhen und die Leistung erhalten. Der Rechner wendet diese Korrektur automatisch an.

8. Glätten des Werkzeugwegs

In den Ecken löst ein plötzlicher Anstieg des Eingriffs die Schwingung aus. CAM-seitig empfiehlt sich Folgendes:

• Einfügen von Bogenübergängen (arc) in den Ecken
• Einsatz einer Strategie mit konstantem Eingriff (constant engagement)
• Helikale Ausführung des Eintauchens, Vermeidung des senkrechten Eintauchens

9. Änderung der Schneidenzahl

Die Schneidenzahl bestimmt die Anregungsfrequenz unmittelbar (f = n × Z / 60). Tritt bei einem Werkzeug mit 4 Schneiden Rattern auf, kann das Erproben eines Werkzeugs mit 3 oder 5 Schneiden die Frequenz aus dem Resonanzband heraustragen.

10. Berechnung der kritischen Drehzahl

Ist die Eigenfrequenz f_n des Systems bekannt (Messung mittels Tap-Test), ergeben sich die stabilen Drehzahlen zu:

n_stabil = (60 × f_n) / (Z × k)      k = 1, 2, 3...

Beispiel: f_n = 800 Hz, Z = 4 → für k=1 12.000 min⁻¹, für k=2 6.000 min⁻¹. Erreicht die Werkzeugmaschine diese Drehzahlen, verringert eine Bearbeitung in den betreffenden Bändern die Schwingung deutlich.

Eingriffsplan in Reihenfolge

1. Die Drehzahl wird um 15 % erhöht → das Ergebnis wird beurteilt.
2. Bleibt der Erfolg aus, wird die Drehzahl um 15 % gesenkt → das Ergebnis wird beurteilt.
3. Bleibt der Erfolg aus, wird die Auskraglänge um 3–5 mm verkürzt.
4. Bleibt der Erfolg aus, wird der Wert ae halbiert und ap erhöht (trochoidal).
5. Bleibt der Erfolg aus, werden Aufspannung und Werkzeugaufnahme geprüft.
6. Bleibt der Erfolg aus, wird auf einen Fräser mit ungleichem Drall gewechselt.

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Ein Start mit den richtigen Parametern verringert das Ratterrisiko von vornherein: Der Schnittparameter-Rechner gibt bei hohem Verhältnis von Länge zu Durchmesser automatisch eine Warnung aus.