2. Teil der Serie „Basiswissen Spanntechnik“ Qualität und Wirtschaftlichkeit

2. Teil der Serie „Basiswissen Spanntechnik“

Qualität und Wirtschaftlichkeit

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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.

Historisch betrachtet war die Einhaltung der Basiskriterien (Spannkraft/Drehmoment, Radialsteifigkeit, Störkontur, Highspeed-Eignung, siehe mav 01/02-2019) 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, die auch als Qualitätskriterien bezeichnet werden können, rasant an Bedeutung.

Hier lassen sich sowohl branchenspezifisch als auch regional unterschiedliche Entwicklungsgeschwindigkeiten beobachten. Je höher die Ansprüche hinsichtlich Maßhaltigkeit, Oberflächengüte, aber auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, desto stärker rücken die folgenden Qualitätskriterien in den Fokus.

Rundlaufgenauigkeit: Für die Präzisionsbearbeitung ist die Rundlaufgenauigkeit der Werkzeuge und des gesamten Antriebsstrangs von entscheidender Bedeutung. Von ihr hängt ab, ob Maße und Toleranzen eingehalten werden. Zudem hat die Rundlaufgenauigkeit erheblichen Einfluss auf den Verschleiß der Werkzeugschneide und auf die Lebensdauer der Maschinenspindel. Dreht sich das eingespannte Werkzeug nicht zentrisch zur Werkzeughalterachse, besteht die Gefahr, dass es zu Ungenauigkeiten kommt und die erforderlichen Maße am Werkstück nicht eingehalten werden. Zudem beginnen die Werkzeuge während der Bearbeitung zu schlagen, was zu Mikroausbrüchen an der Schneide führt und deren Verschleiß beschleunigt.

Reproduzierbarkeit im Fokus

Wiederholgenauigkeit: Die Wiederholgenauigkeit eines Werkzeughalters beschreibt, wie gut eine Werkzeugaufnahme einen definierten Parameter über mehrere Versuche hinweg reproduzieren kann. Für die moderne Präzisionsbearbeitung ist weniger die absolute Genauigkeit, sondern vielmehr die Wiederholgenauigkeit der Maschine und damit auch des Werkzeughalters entscheidend. Systematische Maschinenfehler lassen sich nämlich bei modernen CNC-Maschinen mithilfe von Algorithmen in der Maschinensteuerung vergleichsweise einfach kompensieren. Dies ist jedoch nur möglich, wenn eine hohe Wiederholgenauigkeit vorliegt, sprich, wenn die jeweiligen Abweichungen immer möglichst identisch sind. Die Wiederholgenauigkeit des Werkzeughalters bestimmt also maßgeblich, welche Genauigkeiten letztlich am Werkstück zu erreichen sind.

Wuchtgüte: Eine Unwucht entsteht vereinfacht ausgedrückt, wenn die Masse in Rotationskörpern ungleich verteilt ist, da entweder der Schwerpunkt nicht auf der Drehachse liegt (statische Unwucht) oder die Hauptträgheitsachse nicht parallel zur Drehachse verläuft (dynamische Unwucht). Bei Werkzeughaltern liegt häufig eine Kombination aus statischer und dynamischer Unwucht vor.

Ursachen können unter anderem sein: konstruktiv-technisch bedingte Auslegungen des Werkzeughalters oder des Werkzeuges (z. B. einschneidige Werkzeuge); unsymmetrische Bauweise des Werkzeughalters (z. B. aufgrund von Greiferrillen oder Spannschrauben); unsymmetrische Massenverteilung aufgrund von Fertigungstoleranzen; Fluchtungsfehler oder Fehler bei der Lagerung des Rotationskörpers. Werkzeughalter mit großer Unwucht wirken sich in mehrfacher Hinsicht negativ aus: schlechtere Oberflächenqualität aufgrund von Vibrationen am Werkzeughalter; Einschränkung der erzielbaren Schnittgeschwindigkeiten; abnehmende Fertigungsgenauigkeit; Verkürzung der Werkzeugstandzeiten; Lagerschäden an der Maschinenspindel.

Ruhiger und gleichmäßiger Schneideneingriff

Schwingungsdämpfung: Entsprechend dem Nachgiebigkeitsfrequenzgang des Gesamtsystems aus Maschine, Werkzeughalter, Werkzeug, Werkstückspannung und Werkstück treten bei jedem Zerspanungsprozess Schwingungen auf. Diese können beträchtliche Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis haben und zu erhöhtem Werkzeugverschleiß, Werkzeugbruch oder Maschinenschäden führen. Vergleichbar mit einem Stoßdämpfer sind Werkzeughalter je nach Spanntechnologie in der Lage, Schwingungen zu dämpfen und einen ruhigen und gleichmäßigen Schneideneingriff zu unterstützen. Auf diese Weise lassen sich Geräuschentwicklungen minimieren, die Qualität der Werkstückoberfläche verbessern, die Standwege der Werkzeuge verlängern und die Maschinenspindel schonen.

Kühlmittelzufuhr: Kühlschmierstoffe erfüllen beim Zerspanen vielfältige Aufgaben. Sie führen Späne und Wärme ab, vermindern die Reibung, sorgen für eine gleichmäßige Temperatur von Werkzeug und Werkstück und tragen dazu bei, dass Toleranzen eingehalten werden. Nach der Art der Kühlmittelzufuhr kann zwischen Außenkühlung, Peripheriekühlung und Innenkühlung unterschieden werden. Vor allem bei der Innenkühlung ergeben sich Vorteile: Der Kühlschmierstoff kommt exakt an der Schneide an, ohne dass Kühlmitteldüsen manuell ausgerichtet werden müssen; auch aus engen und tiefen Konturen werden Späne zuverlässig abtransportiert; selbst beim Tieflochbohren kann die Schneide wirkungsvoll gekühlt werden. In der Folge verlängern sich die Standwege der Werkzeuge und die Prozessparameter können zum Teil deutlich erhöht werden.

Wirtschaftlichkeitskriterien beeinflussen Effizienz der Zerspanung

Während die Basiskriterien und Qualitätskriterien unmittelbar den Zerspanungsprozess bestimmen und stets vorrangig in den Blick zu nehmen sind, dienen die Wirtschaftlichkeitskriterien der finalen Entscheidung unter ökonomischen Gesichtspunkten. Neben den reinen Anschaffungskosten der Werkzeugaufnahme sind hier zum einen die direkten Kosten zu berücksichtigen: Lebensdauer, Investitionen in Peripheriegeräte, Kosten des laufenden Betriebs (Werkzeugwechsel, Reinigung, Längenvoreinstellung, Wartung), Flexibilität, Energieverbrauch beim Werkzeugwechsel sowie Wiederverwendbarkeit der Aufnahmen.

Zum anderen spielen vor allem die indirekten Kosten eine wesentliche Rolle. Hierzu zählen vor allem die Werkzeugkosten (da die Standzeiten der Werkzeuge abhängig vom eingesetzten Spannsystem erheblich variieren) sowie die Kosten/Einsparungen infolge einer reduzierten beziehungsweise erhöhten Produktivität. Über die Lebensdauer betrachtet können bei den indirekten Kosten pro Werkzeugaufnahme zum Teil Einsparungen im fünfstelligen Bereich realisiert werden. Zusätzlich gewinnt der Aspekt der Unfallvermeidung in jüngster Zeit rasant an Bedeutung. Vor allem Verbrennungen oder Quetschungen gelten als mögliche Risiken.

Systematischer Vergleich

Der Kriterienkatalog zeigt, dass bei der Werkzeughalterauswahl stets 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. Die Spitze bildet derzeit ein sensorischer Werkzeughalter, der eine Prozessüberwachung in Echtzeit ermöglicht.

Schunk GmbH & Co. KG
www.schunk.com


Serie: Basiswissen Spanntechnik

  • Teil 1: Grundpfeiler der Werkzeughalterauswahl
    Die Basiskriterien der Werkzeughalterauswahl (Spannkraft/Drehmoment, Radialsteifigkeit, Störkontur, Highspeed-Eignung) können als K.-o-Kriterien der Werkzeughalterauswahl verstanden werden. Sie müssen zwingend erfüllt sein, damit der Zerspanungsprozess störungsfrei ablaufen kann. (Erschienen in der mav 01/02-2019, Seiten 70 – 72)
  • Teil 2: Qualitätskriterien bestimmen
    Präzision und Produktivität
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