Grundlagen der Werkzeugspanntechnik beim Fräsen, Bohren und Drehen

Inhaltsverzeichnis
1. Entwicklung der Werkzeughalter
2. Werkzeughalter als Schnittstelle zur Maschine
3. Aufnahmen für verschiedene Werkzeuge und Anwendungen
4. Hersteller von Werkzeughaltern

Spannmittel spielen heute eine entscheidende Rolle, um die Leistungsfähigkeit von Werkzeug und Maschine voll auszuschöpfen. Die Spanntechnik stellt sowohl die Verbindung zwischen Maschinenspindel und Werkzeug als auch die zwischen Maschinentisch und Werkstück während der Bearbeitung sicher. Die Fixierung der Werkzeuge und Werkstücke erfolgt dabei elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, per Vakuum oder mechanisch von Hand. 

Entwicklung der Werkzeughalter

Betrachtet man die Entwicklung der Werkzeugspannsysteme, werden vor allem zwei Aspekte deutlich: Zum einen steigt die Variantenvielfalt, zum anderen gewinnen Präzisionsaufnahmen rasant an Bedeutung. Da mit zunehmender Qualität und Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen auch die Anforderungen an die Prozesssicherheit sowie an die Werkzeugstandzeiten steigen. Schnellwechselsysteme und modulare Baukasten ermöglichen dabei ein schnelles Umrüsten der Spannmittel und können so zu einer flexiblen Produktion beitragen.

Im Zuge einer wachsenden Digitalisierung in der Fertigung werden auch vermehrt Sensoren in Spannsysteme integriert, um wichtige Daten während der Bearbeitung zu liefern und so beispielsweise eine Zustandsüberwachung des Werkzeugs sowie seines Halters zu ermöglichen. Gerade in der Massenfertigung setzen Zerspaner mehr und mehr auf intelligente Fertigungsstrukturen mit einem hohen Automatisierungsgrad.

Spannsysteme: Treiber für Präzision und Effizienz

Um die hohe Vielfalt in der Werkzeugspannung aufzuzeigen, werden nachfolgend die verschiedenen Spannmittel für Werkzeuge und deren Schnittstelle zur Maschinenspindel aufgezeigt.

Werkzeughalter als Schnittstelle zur Maschine

Die Verbindung zwischen Werkzeug und Spindel wird meist über einen Kegelschaft hergestellt. Für die Aufnahme der Werkzeughalter in die Maschine sind genormte Schnittstellen unerlässlich. Die verschiedenen Schnittstellen unterscheiden sich dabei in ihrer Automatisierbarkeit, der Spannsicherheit, der Wechselgenauigkeit und den optimalen Drehzahlbereichen.

Der Morsekegel (MK), eine der ältesten Werkzeugschnittstellen, ist nach DIN 228 genormt und wird meist in handbetätigten Bohrmaschinen eingesetzt. Die Drehmomentübertragung erfolgt durch Haftreibung im Kegel. Die Werkzeugaufnahme ist selbsthemmend. Demzufolge ist ein MK nicht automatisierbar, da er manuell aus dem Aufnahmekonus entfernt werden muss. In Drehmaschinen und Bearbeitungszentren werden heute hauptsächlich Steilkegel und Hohlschaftkegel verwendet.

Durch seinen relativ großen Kegelwinkel ist der deutlich steilere und weit verbreitete Steilkegel (SK, DIN 69871 und DIN 2080) nicht selbsthemmend. Er zentriert sich beim Werkzeugwechsel gut und ist leicht lösbar. Dementsprechend muss das Werkzeug aber auch durchgehend in die Aufnahme hineingezogen werden. Die Kraftübertragung erfolgt reibschlüssig über den Kegel. Zur sicheren Drehmomentübertragung besitzt er Nuten, in die die Nutensteine an der Arbeitsspindel greifen, wodurch ein Formschluss gewährleistet ist. Aufgrund der auftretenden Kräfte kommt der Steilkegel bei hohen Drehzahlen an seine Einsatzgrenzen. Die Zentrifugal- bzw. Fliehkräfte weiten die Kegelhülse der Hauptspindel auf. Dadurch wird das Werkzeug im Betrieb weiter in die Werkzeugaufnahme hineingezogen und verklemmt im Stillstand. Daher wurde es nötig, eine Schnittstelle für sehr hohe Drehzahlbereiche zu entwickeln.

Der Hohlschaftkegel (HSK), genormt nach DIN 69893, kann als Weiterentwicklung des Steilkegels betrachtet werden. Gegenüber diesem, ist er etwa 50 % leichter und rund 30 % kleiner, das soll den Werkzeugwechsel vereinfachen und beschleunigen. Mit seinem kleineren Kegelwinkel liegt der HSK an der Stirnfläche der Arbeitsspindel an, was zu einer hohen Steifigkeit und Wechselgenauigkeit in axialer Richtung führt. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt kraftschlüssig über die Kegel- und die Anlagenfläche sowie formschlüssig über zwei Mitnehmernuten. Die im Vergleich zum Steilkegel kürzere und leichtere Form des HSK ermöglicht einen schnelleren Werkzeugwechsel. Er eignet sich besonders für hohe Umdrehungsfrequenzen, da die hohen Kräfte die Spannelemente nach außen drücken und die Spannkraft an der Kegelfläche verstärken.

Eine ähnlich kompakte Schnittstelle wie der Hohlschaftkegel stellt die Capto-Schnittstelle (entwickelt von Sandvik Coromant) als polygonaler Hohlschaftkegel mit Plananlage nach ISO 26623 dar. Die konisch polygonale Formgebung verhindert aufgrund ihrer selbstzentrierenden Eigenschaft effektiv Axial- und Radialspiel. Mit der Plananlage ermöglicht der polygonale Kegel eine sichere und spielfreie Lagefixierung sowie eine kraft- und formschlüssige Übertragung großer Drehmomente ohne weitere Elemente. Die Schnittstelle lässt durch große Kontaktflächen eine hohe Spannkraft zu. Sie ermöglicht insbesondere für die radiale Position im Vergleich zum Hohlschaftkegel eine deutlich bessere Wiederholgenauigkeit im Bereich von ± 2 µm.¹ 

Aufnahmen für verschiedene Werkzeuge und Anwendungen

Beim Fräsen und Bohren müssen die Werkzeuge in einem Bearbeitungszentrum so gespannt sein, dass eine sehr gute Plan- und Rundlaufgenauigkeit vorliegt. Außerdem sollte eine hohe Wiederholgenauigkeit in der Positionierung beim Werkzeugwechsel gewährleistet sein. Weitere Anforderungen sind eine gute Biege- und Verdrehsteifigkeit sowie die Möglichkeit sehr hoher Umdrehungsfrequenzen.

Am Steil- bzw. Hohlschaftkegel kann das Werkzeug mithilfe verschiedener Aufnahmen unterschiedlich gespannt werden:

• • Spannzangenfutter sind mechanische, universell einsetzbare Spannmittel. Die Spannzange, eine geschlitzte Büchse mit konischer Außenkontur und zylindrischer Innenbohrung, sitzt im Grundkörper des Futters und wird durch das Anziehen einer Überwurfmutter axial in den Innenkegel der Spannzangenaufnahme gedrückt. Durch die konische Kontur verengt sich die Spannzange und spannt das Werkzeug kraftschlüssig. Genormt sind die Spannzangenfutter nach DIN 6391 und die Spannzangen nach DIN 6388 oder DIN 6499 (ER), welche an der konischen Kontur einen stärkeren Neigungswinkel aufweist.
  • Weldon-Aufnahmen stellen das traditionelle Futter für Fräsanwendungen dar und zählen wie Spannzangen zu den mechanischen Spannelementen. Die kurzen Flächen gewährleisten Drehmomentfestigkeit und Schutz vor Werkzeugauszug. Der Nachteil bei Weldon ist jedoch die Rundlaufgenauigkeit, die ein wichtiger Leistungsaspekt bei Fräswerkzeugen ist.
  • Bohrfutter werden verbreitet in Bohrmaschinen, aber auch in CNC-Bearbeitungszentren eingesetzt. Der Spannbereich liegt oft über 10 mm, weshalb mit einem einzigen Bohrfutter, Bohrer unterschiedlicher Schaftdurchmesser gespannt werden können. Das Futter unterscheidet sich von der Weldon-Aufnahme darin, dass die Fläche des Adapters geschliffen und der Schaft für höhere Stabilität länger ist. Für die hochpräzise Bearbeitung sind sie aber nicht vorgesehen.
  • Schrumpffutter werden kontrolliert in Schrumpfgeräten erwärmt, wodurch sich der Innendurchmesser weitet und das Werkzeug eingesetzt werden kann. Anschließend kühlt die Werkzeugaufnahme in wenigen Sekunden ab und schrumpft auf den Werkzeugschaft zusammen. Die Verbindung bietet eine sehr hohe Rundlaufgenauigkeit da keine weiteren Verbindungselemente eingesetzt werden. Es entstehen fast keine Unwuchten, weshalb diese Spannmöglichkeit auch beim Hochgeschwindigkeitsfräsen eingesetzt wird. Anwender können dabei häufig von der vielfältigen Kontur- und Geometrieauswahl der Futter sowie dem einfachen Werkzeugwechsel profitieren.
  • Hydrodehnspannfutter sorgen durch ihre hohe Rundlaufgenauigkeit, den daraus resultierenden gleichmäßigen Schneideneingriff sowie die Schwingungsdämpfung für sehr gute Werkstückoberflächen. Beim Spannen wird die Spannschraube mit einem Sechskantschlüssel bis zum Anschlag in das Futter eingedreht. Der Spannkolben drückt über ein Dichtelement Öl in die Dehnkammer und bewirkt einen Druckanstieg. Die dünnwandige Dehnbuchse spannt den Werkzeugschaft daraufhin präzise und sicher. Spannzangen können verwendet werden, wodurch sich die Anzahl der benötigten Spannfutter reduziert.

Die Werkzeughalter müssen die benötigte Bearbeitungskraft optimal von der Spindel auf das Werkzeug übertragen. Dabei dürfen Steifigkeit, Spannkraft, Schwingungsdämpfung und die Rundlaufgenauigkeit nicht vernachlässigt werden. Für Anwender sind insbesondere auch die Handhabung, die Investitionskosten und die Lebensdauer der Halter relevant. Bei jedem Spannverfahren ist deshalb darauf zu achten, dass die Spannflächen von Werkzeug und Werkzeugaufnahme sowie von Arbeitsspindel und Werkzeugaufnahme sauber und gratfrei sind.

Hersteller von Werkzeughaltern

Schunk: Das Total Tooling-Programm der Schunk GmbH & Co. KG soll mit seinem umfassenden Spektrum an einfach zu handhabenden Präzisionswerkzeughaltern längere Werkzeugstandzeiten sowie sehr gute Bearbeitungsergebnisse und Werkstückoberflächen bieten. Der Spanntechnik- und Greiferspezialist aus Lauffen am Neckar bietet ein sehr umfangreiches Spannportfolio für Werkzeuge: Hydro-Dehnspannfutter, Polygonspannfutter, Dehnspannfutter, Warmschrumpffutter, Spannzangenfutter, Weldon-Flächenspannfutter sowie Whistle-Notch-Aufnahmen und weitere. Auch für das Spannen von Werkstücken bietet das Unternehmen verschiedenste Technologien.

Haimer: Die Haimer GmbH aus Igenhausen ist spezialisiert auf die Spannzangen- und Schrumpftechnik. Vom Standard-Schrumpffutter ausgehend, wurde durch die Zusammenarbeit mit der Luft- und Raumfahrtindustrie das Power Shrink Chuck entwickelt. So konnte ein größeres Zerspanvolumen und eine deutlich höhere Werkzeugstandzeit z. B. bei der Aluminiumzerspanung erreicht werden. Als letzte Weiterentwicklung ist das Heavy Duty Chuck zu nennen. Durch die sehr steife Außenkontur und die verstärkte Wanddicke im Spannbereich, soll es sich für Höchstleistungen beispielsweise bei der Titanzerspanung eignen. Analog zu den Schrumpffuttern hat Haimer auch bei den Spannzangenfuttern die bestehende Technik weiterentwickelt. Die universell eingesetzten Standard ER Spannzangenfutter, wurden von konstruktiv und in Bezug auf Präzision und Sicherheit optimiert. Zudem kann bei kritischen Anwendungen mit dem Safe-Lock-Sicherheitssystem dem schleichenden Werkzeugauszug vorgebeugt werden.

Neue Spannfutter für einheitliche Prozesse

Mapal: Das Spanntechnik-Programm von Mapal bietet für jede Anwendung eine Schnittstelle, die dem Werkzeug im Einsatz die erforderliche Performance, Rundlauf- und Wechselgenauigkeit sichert. Von den manuellen HSK-Spanneinheiten mit KS-Spannpatrone über Spannzeuge mit Flanschmodul bis hin zu der Hydrodehnspann- und Schrumpftechnik umfasst das Standardprogramm eine breite Vielfalt an Systemen und Technologien. Analog zu den Veränderungen in der gesamten Branche hat das Unternehmen aus Aalen auch die Spanntechnik weiterentwickelt – ein Beispiel dafür sind Hydro-Dehnspannfutter mit der schlanken Kontur von Schrumpffuttern oder im Miniaturformat.

Ott-Jakob: Der Hohlschaftkegel ist als Weiterentwicklung des Steilkegels im Rahmen eines Forschungsprojektes der RWTH Aachen in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie entstanden. Die Ott-Jakob Spanntechnik GmbH war von Beginn an am Entstehungsprozess der HSK-Schnittstelle beteiligt. Neben den verschiedenen HSK-Varianten bietet der Spanntechnik-Experte auch Steilkegel, Polygonschaftkegel, die Hochleistungsschnittstelle KM4X – als Ergebnis einer Zusammenarbeit mit Kennametal – sowie manuelle Handspannsätze.

Sandvik Coromant: Capto von Sandvik Coromant ist ein modulares Werkzeugkonzept, das mit einem selbstzentrierenden, konischen Polygon höchste Drehmomente überträgt und eine exzellente Biegesteifigkeit sowie Stabilität bietet. Schnellwechsel-Werkzeughalter reduzieren Rüst- und Werkzeugwechselzeiten und die direkt in die Spindel eingebaute Kupplung erhöht die Stabilität und Vielseitigkeit. Eine große Anzahl an Verlängerungen und Reduzierungen ermöglicht eine Kombination aus Werkzeugen in unterschiedlichen Längen und Ausführungen – unabhängig von der Maschinenschnittstelle. Außerdem bietet der Werkzeugspezialist mit Silent Tools eine Serie von Werkzeugadaptern mit Dämpfungsmechanismus im Werkzeugkörper, um Vibrationen zu minimieren.

Big Daishowa/Big Kaiser: Die Big Daishowa Seiki Ltd. hat mit Big-Plus eine sehr stabile Verbindung zwischen der Maschinenspindel und der Werkzeugaufnahme entwickelt. Die Stabilität wird mittels gleichzeitiger Kegel- und Plananlage der Werkzeugaufnahme in der Maschinenspindel erreicht, was zu einer besseren Oberflächengüte und Maßgenauigkeit führt. Die Big Kaiser Präzisionswerkzeuge AG, welche zu Big Daishowa gehört, setzt in ihrem Produktportfolio verschiedene, auf dem Markt gängige Schäfte ein: Steilkegel, Hohlschaftkegel und die Big-Capto-Schäfte. Dazu bietet das Schweizer Unternehmen verschiedene Spannzangenfutter, Kraftspannfutter, Hydro-Dehnspannfutter sowie Gewindeschneidfutter.

Diebold: Die Helmut Diebold GmbH & Co. Goldring-Werkzeugfabrik verfügt über ein umfangreiches Sortiment an Werkzeugaufnahmen aller HSK- und SK-Formen und -Größen. Das Diebold Modular System (DMS) besteht aus einer Grundaufnahme, in die Schrumpffutter, Verlängerungen und Reduzierungen mit ER-Kegel mit verschiedenen Längen und Durchmessern gespannt werden. Besondere Spezialitäten des Unternehmens sind Eigenentwicklungen wie Centrogrip (Spannzangenfutter), Ultragrip (Kraftspannfutter), JetSleeve 2.0 (Schrumpffutter) und TER-Schrumpfspannzangen.

Iscar: Der Werkzeugexperte Iscar Ltd. verfügt neben einem breiten Werkzeug-Portfolio auch über entsprechende Aufnahmen. Dazu zählen Hydro-Dehnspannfutter, Schrumpffutter, Werkzeughalter mit Camfix-Schnittstelle, Spannzangenfutter für kurze Auskraglängen, Gewindeschneidfutter, Kraftspannfutter für hohe Abtragraten sowie Steilkegel mit Plananlage.

Walter: Als weltweit agierender Hersteller von Zerspanungswerkzeugen, bietet die Walter AG auch ein großes Sortiment an Werkzeugaufnahmen. Ob axiale oder radiale Aufnahmen, stehend oder rotierend, mit Steilkegel oder Hohlschaftkegel, mit Peripherie- oder Innenkühlung, für Schaftwerkzeuge oder Werkzeuge mit Wendeschneidplatten: Einsatzorientierte Werkzeugaufnahmen und Spanneinheiten sollen Anwendern die Möglichkeit bieten, Zerspanungswerkzeuge individuell an die jeweilige Maschinenumgebung und Bearbeitungssituation anzupassen. Das Unternehmen verfügt mit Walter Capto, Screw Fit und Cone Fit über mehrere modulare Spannsysteme.

Mehr zum Thema Werkzeugaufnahmen und Spanntechnik im Allgemeinen finden Sie auf unserer Themenseite Spanntechnik.

Quellennachweis:

1. Neugebauer, R. (Hrsg.);Werkzeugmaschinen – Aufbau, Funktion und Anwendung von spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen (2012);  Springer Vieweg
   ISBN 978-3-642-30078-3
   Das Buch vermittelt Wissen zu Anforderungen, Anwendung, Aufbau und Konstruktion von spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen. Der Inhalt wird an Hand zahlreicher aktueller praktischer Beispiele erläutert. Die Anforderungen werden aus fertigungstechnischer Sicht hergeleitet. Auf Basis der Klassifizierung der Werkzeugmaschinen werden ihr Aufbau und ihre wirtschaftliche Anwendung vermittelt. Typische Fragestellungen zur Auswahl angewandter Prinzipien in funktionsbestimmenden Baugruppen einschließlich deren Eigenschaften und konstruktiven Auslegung werden exemplarisch behandelt. Geschrieben zur Unterstützung der Aus- und Weiterbildung für produktionstechnische Studiengänge und in der beruflichen Weiterbildung eignet sich das Buch auch als Nachschlagewerk für den praktisch tätigen Anwender und Konstrukteur von Werkzeugmaschinen.
2. Haffer, R.; Aigner, H.; Becker-Kavan, A.; Hahn, E.; Lindner, V.; Timm, J.; Wiemann, A.; Fachkenntnisse 1 Industriemechaniker – nach Lernfeldern 5-9 (2007); Verlag Handwerk und Technik
   ISBN 978-3-582-03013-9
   Das Buch  wendet sich an Industriemechaniker im zweiten Ausbildungsjahr und beinhaltet die Lernfelder 5 bis 9 dieses Berufes. Es setzt die Konzeption von „Grundkenntnisse industrielle Metallberufe nach Lernfeldern“ HT3010 fort. Sehr großer Wert wurde auf eine gute und fachgerechte Visualisierung in Form von Fotos, mehrfarbigen dreidimensionalen Abbildungen, Schaltplänen mit verschiedenen Schaltzuständen und verschiedenfarbigen Texten gelegt, um das Verständnis der dargebotenen Zusammenhänge zu erleichtern.
3. Websites der genannten Hersteller