1. Teil der Serie Basiswissen Spanntechnik Grundpfeiler der Werkzeughalterauswahl

1. Teil der Serie Basiswissen Spanntechnik

Grundpfeiler der Werkzeughalterauswahl

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5-Achs- und Multitasking-Maschinen sowie Bearbeitungszentren für die Mikrozerspanung ermöglichen permanent neuartige und verbesserte Bearbeitungskonzepte. Neben der Schneide entscheidet die Wahl des Werkzeugspannmittels über den Erfolg. In einer zweiteiligen Serie wollen wir einen Überblick geben, um für die jeweilige Bearbeitung die geeignetste Spanntechnik zu definieren.

So unterschiedlich wie die Anforderungen in den einzelnen Branchen sind, so unterschiedlich sind auch die Anteile der Werkzeughaltersysteme im internationalen Vergleich. Während in Europa rund 60 % auf thermische Spannfutter entfallen, liegt deren Anteil in den USA und Asien bei 20 % beziehungsweise 30 %. Spannzangenfutter hingegen spielen außerhalb Europas eine deutlich größere Rolle als hierzulande. Der Anteil hochpräziser Hydro-Dehnspannfutter wiederum liegt weltweit zwischen 8 und 15 %.

Betrachtet man die Entwicklung von Werkzeughaltersystemen auf dem Markt, 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. Hinzu kommt, dass Effizienzsteigerungen bei der Produktion von Präzisionswerkzeughaltern bewirken, dass der Aufpreis gegenüber mechanischen Spannfuttern, wie Weldon-, Whistle-Notch- oder Spannzangensystemen, merklich zurückging. Vor allem bei Hydro-Dehnspannfuttern sind die Einstiegspreise deutlich gesunken. Umso wichtiger erscheint es, einmal definierte Werkzeughalterstrategien regelmäßig zu hinterfragen, auch und gerade bei der Investition in neue Werkzeugmaschinen.

Betrachtung des Gesamtsystems

Vergleicht man die einzelnen Werkzeughaltersysteme, ihre technischen Eigenschaften und ihre Schnittstellen zur Maschinenspindel, so wird deutlich, dass es kein für alle Anwendungen optimales Werkzeughaltersystem gibt. Bei der Systemauswahl handelt es sich immer um einen individuellen Entscheidungsprozess, der von einer Vielzahl von Parametern abhängt. Dabei sollte der Werkzeughalter nie isoliert betrachtet werden, sondern stets das Zusammenspiel des Gesamtsystems, bestehend aus Werkstückspannung, Werkstück, Werkzeug, Werkzeughalter, Spindelschnittstelle und Maschine. Als vorderste Schnittstelle zum Werkzeug spielt der Werkzeughalter eine wesentliche Rolle, nicht zuletzt auch, da er in der Lage ist, Schwächen innerhalb des Gesamtsystems zumindest teilweise zu kompensieren.

Die Auswahl des jeweils idealen Werkzeughaltersystems sollte in mehreren Schritten erfolgen. Zunächst gilt es, die Basiskriterien zu definieren, die die grundlegende Prozessstabilität maßgeblich beeinflussen. Hierzu zählen die erforderliche Spannkraft, Radialsteifigkeit, Störkontur und gegebenenfalls die Eignung für Highspeed-Anwendungen. In einem zweiten Schritt rücken Qualitätskriterien in den Fokus, die die Prozessqualität, Präzision und Produktivität beeinflussen. Im dritten Schritt schließlich ist es ratsam, im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse wirtschaftliche Kriterien zu betrachten.

Basiskriterien entscheiden über die Prozessstabilität

Die Basiskriterien der Werkzeughalterauswahl können als deren K.-o.-Kriterien verstanden werden. Sie müssen zwingend erfüllt sein, damit der Zerspanungsprozess störungsfrei ablaufen kann.

Spannkraft/Drehmoment: Von der Spannkraft des Werkzeughalters hängt ab, inwieweit das Drehmomentaufkommen an der Schnittstelle zwischen Werkzeughalter und Werkzeug beherrscht werden kann. Reicht die Spannkraft aus, greift die Schneide des Werkzeugs gleichmäßig ins Material ein. Ist sie zu klein, beginnt das Werkzeug, sich im Halter zu drehen und der Schnitt wird unruhig. Im Extremfall wird das Werkzeug komplett aus dem Werkzeughalter herausgezogen.

Die Drehmomentübertragung ist bei den einzelnen Werkzeughaltersystemen auf unterschiedliche Weise gelöst: So können Werkzeuge per Gewinde in den Grundkörper eingeschraubt werden. Dabei muss das Gewinde so ausgelegt sein, dass es zumindest dem Drehmomentaufkommen entspricht. Eine zweite Variante sind mechanisch geklemmte Werkzeuge, die mit einem formschlüssigen Mitnehmer ausgestattet sind. Erst wenn die auftretenden Drehmomente die Bruch- oder Scherfestigkeit der Bauteile übersteigen, würde eine solche Spannung versagen. In der Regel liegen diese Festigkeiten weit über den bei der zerspanenden Bearbeitung auftretenden Drehmomenten, sodass bei mechanisch geklemmten Werkzeugen eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet ist. Die dritte Möglichkeit schließlich sind kraftschlüssige Werkzeugspannungen, die sogenannte Querpressverbindungen nutzen. Dabei wird die das Werkzeug aufnehmende Bohrung mittels Wärme oder äußerer Kräfte so beeinflusst, dass das Werkzeug durch eine Überdeckung gespannt wird. In der Regel arbeiten Präzisionswerkzeughaltersysteme, wie etwa Hydro-Dehnspannfutter nach diesem Prinzip. Im Rahmen jüngerer technologischer Entwicklungen ist es gelungen, die Spannkräfte von Hydro-Dehnspannfuttern so weit zu erhöhen, dass auch eine Volumenzerspanung prozesssicher möglich ist. Bei Ø 20 mm werden mit modernen Hydro-Dehnspannfuttern Drehmomente bis zu 900 Nm übertragen.

Radialsteifigkeit: Eine hohe Radialsteifigkeit ermöglicht hohe Schnittkräfte, sprich große Zustellungen und hohe Vorschübe. Für die Volumenzerspanung ist sie daher ein wesentliches Kriterium, beeinflusst sie doch entscheidend die Bearbeitungszeit und somit die Produktivität, aber auch die mögliche Auskragung der Werkzeuge. Die Radialsteifigkeit hängt ab von den Materialeigenschaften des Werkzeughalters (E-Modul) und dessen Verarbeitung, von der Geometrie des Werkzeughalters sowie von dessen Einbindung ins Gesamtsystem der Werkzeugmaschine, insbesondere von der Schnittstelle zur Maschinenspindel. Vereinfacht ausgedrückt gilt: Je kürzer der Werkzeughalter, je größer sein Durchmesser, je homogener die Einheit aus Werkzeug und Werkzeugaufnahme, je stärker die Wandung der Werkzeugaufnahme und je umfassender die Abstützung der Aufnahme auf der Maschinenspindel, desto höher die Radialsteifigkeit.

Störkontur: Wenn Werkstücke auf modernen 5-Achs-Maschinen in nur zwei Aufspannungen komplett bearbeitet werden, spielt die Zugänglichkeit eine wesentliche Rolle. Gefragt sind schlanke Werkzeughalter, die ein ausreichend hohes Drehmoment übertragen und zugleich eine hohe Präzision am Werkstück gewährleisten. In besonders engen Räumen können alternativ Werkzeugverlängerungen eingesetzt werden, die bei Bedarf zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme montiert werden. Im Gegensatz zu störkonturoptimierten Werkzeughaltern mit Spindelschnittstelle, lassen sich Werkzeugverlängerungen sehr flexibel einsetzen. Diese werden mit unterschiedlichen Spanntechniken angeboten.

Highspeed-Eignung: Wenn beim Highspeed-Cutting Spindeldrehzahlen von 80 000 min-1 und mehr realisiert werden, müssen die Werkzeugaufnahmen besondere Bedingungen hinsichtlich Geometrie, Rundlaufgenauigkeit, Wuchtgüte aber auch hinsichtlich der Prozesssicherheit beim Werkzeugwechsel erfüllen. Je kleiner der Spanndurchmesser desto häufiger stoßen mechanische Universalspannfutter, aber auch thermische Schrumpffutter oder Hydro-Dehnspannfutter an Grenzen, sei es weil der zur Verfügung stehende Raum nicht für die entsprechende Spannmechanik ausreicht oder weil sich Werkzeuge in derart kleinen Dimensionen nicht mehr zuverlässig wechseln oder präzise einstellen lassen. Andere Spanntechnologien, wie beispielsweise die Polygonspanntechnik, die keine beweglichen Teile enthalten, spielen unter anderem hier ihre Stärken aus.

Sekundäre Faktoren nehmen Einfluss auf Qualität

Historisch betrachtet war die Einhaltung dieser Kriterien lange Zeit ausreichend, um die meisten Zerspanungsoperationen durchzuführen. Erst in Verbindung mit wachsenden Ansprüchen an die Werkstückqualität und die Effizienz der Zerspanung sowie im Kontext moderner Werkzeugmaschinenkonzepte und Verfahren, gewannen bislang eher sekundäre Faktoren an Bedeutung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Werkzeughalterauswahl eine detaillierte Betrachtung der jeweiligen Anwendung empfehlenswert ist. Als Anbieter von Greifsystemen und Spanntechnik verfügt die Firma Schunk über eine umfangreiche Expertise in diesem Bereich. Das Werkzeughalterprogramm des Unternehmens reicht von mechanischen Werkzeughaltern und Warmschrumpfaufnahmen über hydraulisch gespannte Werkzeughalter bis hin zu High-End-Spannfuttern auf Basis der Hydro-Dehn- oder Polygonspanntechnik.

Schunk GmbH & Co. KG
www.schunk.com


Serie: Basiswissen Spanntechnik

  • Teil 1: Grundpfeiler der Werkzeughalterauswahl
  • Teil 2: Qualitätskriterien bestimmen
    Präzision und Produktivität

Im zweiten Teil dieser Serie, der in der kommenden mav-Ausgabe erscheint, rücken „sekundäre“ Faktoren wie Wuchtgüte, Schwingungsdämpfung und Kühlmittelzufuhr in den Fokus. Je höher die Ansprüche hinsichtlich Maßhaltigkeit, Oberflächengüte, aber auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, desto wichtiger werden auch diese Qualitätskriterien.

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