Spannvorrichtungen Haltemomente sind beim Schrumpfen ein Maß für die Produktivität

Redakteur: Frank Fladerer

Die Schrumpftechnik ist eine Alternative zur klassischen Spanntechnik für Zerspanungswerkzeuge. Die Qualität des Schrumpfverfahrens und des Futters sind von entscheidender Bedeutung, weil Herstellungsmerkmale wie gleichmäßige Abkühlung des Werkzeugs unmittelbar Einfluss auf Faktoren wie Belastungsfähigkeit und Laufruhe haben. Diese wiederum wirken auf die Produktivität des Zerspanungsvorgangs ein.

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Bild 1: Von außen nicht erkennbar: Konstruktive Details entscheiden über die Haltemomente bei Schrumpffuttern. Die Konstruktion hat unter anderem auch Auswirkungen auf Laufruhe, Spantiefe und Oberflächengüte. Bild: Haimer
Bild 1: Von außen nicht erkennbar: Konstruktive Details entscheiden über die Haltemomente bei Schrumpffuttern. Die Konstruktion hat unter anderem auch Auswirkungen auf Laufruhe, Spantiefe und Oberflächengüte. Bild: Haimer
( Archiv: Vogel Business Media )

Jeder Hersteller von Schrumpftechnik für Werkzeug-Spannvorrichtungen kocht sein sprichwörtliches „eigenes Süppchen“, und das sowohl bei den Schrumpfgeräten als auch bei den Schrumpffuttern. Das genaue Verfahren wird als Firmengeheimnis gehütet. Begünstigt wird die Artenvielfalt durch die rechtlichen Grundlagen: Genormt ist lediglich die äußere Form der Schrumpffutter. Völlig frei in der Gestaltung sind die Produzenten der Schrumpftechnik-Artikel bei der inneren Ausführung, nicht zuletzt beim Kontaktbereich, der entscheidend für die zulässigen Haltemomente ist.

Wenn diese zu gering sind, kann es passieren, dass der Fräser beim Bearbeiten schwieriger Werkstoffe aus dem Futter gezogen wird. Die Unterschiede der Konstruktion führen zu unterschiedlichen Haltemomenten. Für den Anwender ist das lediglich anhand des Futters nicht erkennbar (Bild 1). Für ihn ist wichtig, die entsprechenden Werte und Daten bei den Herstellern abzufragen.

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Einfluss auf die Erreichung eines großen Haltemomentes hat unter anderem eine enge Passbohrung, die das Werkzeug in einem möglichst langen Bereich aufnimmt. Die Einführfase beim Fräsereingang entscheidet über die Auskraglänge und damit die Steifigkeit des Werkzeuges. Eine lange Einführfase von 5 oder 10 mm hat zur Folge, dass in diesem Bereich keine Haltekräfte wirken und die Auskraglänge des Werkzeuges ohne Notwendigkeit erhöht wird. Analog verhalten sich die Spannkräfte am hinteren Passungsende, das häufig freigedreht wird. Ein weiteres wichtiges Konstruktionsmerkmal bei den Schrumpffuttern ist der Durchmesser der Passbohrung, weil ein kleiner Durchmesser eine größere Kraftübertragung gewährleistet.

Optimierte Geometrie soll Schwingungen vermindern

Haimer setzt bei seinen Schrumpffuttern auf die „Power-Chuck“-Reihe, zu Deutsch Kraftspannfutter (Bild 2). Hinter dieser Neuentwicklung steckt ein universell einsetzbares Hochleistungsschrumpffutter, das durch eine optimierte Geometrie das Entstehen von Schwingungen weitgehend verhindern soll. Ein Futter für möglichst viele Anwendungsfälle zu konzipieren, war die Grundidee.

Dabei soll das Futter sich sowohl für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, bei der es auf exzellente Oberflächen ankommt, als auch für Schwerzerspanung mit ihrem hohen Spanvolumen eignen. Die Power-Shrink-Chucks sollen das Schlichten feinster Oberflächen ebenso gut wie Schruppbearbeitungen oder Bohrvorgänge meistern. In standardisierten Leistungsvergleichen auf einer hauseigenen Testmaschine konnten die Schrumpffutter diese Anforderungen erfüllen. Sie erzielten trotz ihrer universellen Ausrichtung bei größeren Schnitttiefen bessere Oberflächen als vergleichbare andere Produkte.

Bei der inneren Gestaltung der Schrumpffutter zählen die Details. So wurde die innen liegende Schraube für die Längeneinstellung optimiert. Sie verfügt über ein Feingewinde, weil dadurch im Gegensatz zum weniger präzisen Regelgewinde ein Verkanten durch die Temperaturausdehnung beim Erwärmen und Schrumpfen vermieden werden kann. Mit dem Einsatz eines Feingewindes wird somit der Rundlauf des Schrumpffutters verbessert. Die Schraube verfügt außerdem über zwei seitlich angefräste Flächen, die die Sicherheit vergrößern sollen.

Wenn mit einer inneren Kühlmittelzufuhr gefräst wird, läuft das Kühlmittel durch das Schrumpffutter bis an die Werkzeugspitze. Dabei entweicht zwangsläufig ein Teil der Kühlflüssigkeit an der Schnittstelle zwischen Einstellschraube und Fräser in die Freidrehung am Grund der Passbohrung. Dies birgt Risiken für das Ausschrumpfen, bei dem eine Induktionsspule das Futter auf bis zu 350 °C erhitzt und das fehlgeleitete Wasser zum Sieden bringt. Eine mögliche Folge: Sobald das Haltemoment nachlässt, schießt der Fräser explosionsartig aus dem Futter. Durch die Fasen an der Schraube kann die Flüssigkeit herauslaufen und die Gefahrenquelle ist behoben.

Schruppen und Schlichten mit einem Werkzeug

Der breite Einsatzbereich der Power-Shrink-Chucks wird durch eine schwingungsarme Konstruktion möglich. Sie wird auf zwei Wegen erreicht: Zum einen bietet das Igenhausener Unternehmen kurze Schrumpffutter an, die allein aufgrund der geringen Länge von 65 mm nur in geringem Umfang Schwingungen aufnehmen. Diese kurzen Schrumpffutter sind speziell für die Schwer- oder Hochleistungszerspanung ausgelegt (Bild 3a).

Bei den langen Schrumpffuttern wirkt die spezielle Außengeometrie schwingungsdämpfend (Bild 3b). Ein großer Durchmesser am Steil- oder Hohlschaftkegel verschafft diesen Bauteilen eine hohe Steifigkeit. Im Bereich der Werkzeugspannung sind die 130 oder 160 mm langen Power-Chucks schlank gehalten, damit bei der Zerspanung schwer zugängliche Ecken erreichbar sind.

Nach Angabe des Herstellers lässt sich beim Einsatz der Schrumpffutter in Langausführung dasselbe Werkzeug sowohl fürs Schruppen als auch fürs Schlichten einsetzen. Es erzeuge in beiden Fällen beste Ergebnisse. Versuche hätten ergeben, dass man mit den Futtern deutlich über die Leistungsangaben der Werkzeughersteller hinausgehen kann, ohne dass Vibrationen auftreten. Zudem verringere sich der Verschleiß von Spindel und Werkzeug, der Ausstoß der Maschine dagegen lasse sich unter Umständen mehr als verdoppeln.

Eine weitere Größe, die Rückwirkungen auf die Zerspanungsparameter hat, ist das Schrumpfgerät: Bei der ebenfalls neuen „Power-Clamp New Generation“ hat der Hersteller auf eine Spulenoptimierung gezielt. Die Induktionsspule der Maschinen ist in der Lage, sich dem Futter in Länge und Durchmesser anzupassen. So soll gewährleistet werden, dass die 13-kW-Spule das Schrumpffutter in kurzer Zeit gleichmäßig und über die ganze Passungslänge erwärmt. Auch diese Maßnahme erhöht das Haltemoment und bietet damit die Ausgangsbasis für eine Steigerung der Produktivität.

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