Zerspanung

Statische Eigenschaften von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 32

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Versuchsmethodik in Bezug auf die Biegebelastung

Die Untersuchungen erfolgten nach der Methodik von Müller [1] analog zu den Versuchen in den Baugrößen 63 und 100 [1, 5 bis 8]. Die Versuche wurden auf einem modularen Prüfstand zur Untersuchung von Werkzeugschnittstellen unter statischen Biege- und Torsionsbelastungen durchgeführt [8]. Für die Versuche der Baugröße 32 wurden sogenannte Spindeldummys eingesetzt, die über nicht kraftverstärkende Referenzspannsysteme verfügen, welche über Spannstangen mit Dehnungsmessstreifen zur Einzugskraftmessung betätigt werden. Sowohl die Werkzeugaufnahmen als auch die Werkzeuge wurden vor Versuchsbeginn mit einem 3D-Koordinatenmessgerät vermessen, um die Konformität der Werkzeuge zu den jeweiligen Normen sicherzustellen und die Toleranzlagen bewerten zu können.

Aus den erfassten Messdaten lassen sich charakteristische Biegekennlinien erzeugen. Eine ist in Bild 2 idealisiert dargestellt.

Bild 2: Idealisierte Biegekennlinie einer Werkzeugschnittstelle mit Plananlage nach [8 bis 10].
Bild 2: Idealisierte Biegekennlinie einer Werkzeugschnittstelle mit Plananlage nach [8 bis 10].
(Bild: WZL)

Die dort erkennbare Biegekennlinie beschreibt die Verkippung eines Werkzeugs relativ zur Spindel unter einem Biegemoment, welches durch Radialkräfte am Tool-Center-Point (TCP) erzeugt wird. Zur Ermittlung der Biegekennlinie wird der relative Kippwinkel α zwischen Werkzeug und Aufnahme in der Plananlageebene über dem Biegemoment MB aufgetragen, welches aus der Biegekraft und dem Hebelarm zwischen Kraftangriffspunkt am Werkzeug und Plananlage berechnet wird. Die Biegekennlinie besteht aus einem Belastungsteil mit drei charakteristischen Bereichen und dem Entlastungsteil mit seiner charakteristischen Hysterese. In Bereich (1) der Belastungskurve hat die Plananlage vollflächigen Kontakt und es gibt eine lineare Abhängigkeit zwischen relativem Kippwinkel und aufgebrachtem Biegemoment, weshalb dieser Bereich als linearer Bereich bezeichnet wird. In diesem sind die Biegesteifigkeit kB und das Ende des linearen Bereichs MB,krit definiert, welche zum Vergleich der Werkzeugschnittstellen herangezogen werden.

Mit Eintritt in den Übergangsbereich (2) beginnt die Plananlage einseitig den Kontakt zu verlieren und das Werkzeug hebt von der Aufnahme ab. Danach bildet sich ein zweiter linearer Bereich (3) aus, in dem das Werkzeug mitsamt dem Spannsystem aus dem Spindeldummy gezogen wird. Dieser Verlauf ist abhängig vom Spannsystem und eignet sich deshalb nicht für einen neutralen Vergleich von Werkzeugschnittstellen [1, 5, 8].

Versuchsergebnisse zur Biegebelastung

Für jede Einzugskraft wird aus mehreren Einzelversuchen mit verschiedenen Werkzeugen eine gemittelte Biegekennlinie erstellt. Dabei werden in jedem Einzelversuch fünf Belastungsrampen mit einem maximalen Biegemoment von 200 Nm durchlaufen. Zur Berücksichtigung von Streuungen der Ergebnisse aufgrund unterschiedlicher Toleranzlagen werden die Werkzeuge am oberen und unteren Toleranzrand nach Norm untersucht.

Auch werden die Versuche bei HSK und SK in den Einbaulagen 0 und 90° durchgeführt – also jeweils in Richtung der Nutensteine und quer dazu. Der PSC wird in den Einbaulagen 0 und 60° untersucht, also auf der Flachseite und auf der Spitze des Polygonprofils. So werden Asymmetrien der Werkzeugschnittstellen-Geometrien berücksichtigt. Bild 3 zeigt die gemittelten Biegekennlinien der Werkzeugschnittstellen HSK-A 32, PSC 32 und SK-A 30.

Bild 3: Gemittelte Biegekennlinien HSK-A 32, 
PSC 32 und SK-A 32. (Anklicken zum Vergrößern).
Bild 3: Gemittelte Biegekennlinien HSK-A 32, 
PSC 32 und SK-A 32. (Anklicken zum Vergrößern).
(Bild: WZL)

Die verschiedenen Werkzeugschnittstellen wurden mit üblichen Einzugskräften untersucht. Um einen Vergleich der Werkzeugschnittstellen zu ermöglichen, wurde für HSK-A 32 und SK-A 30 eine unüblich hohe und für den PSC 32 eine relativ geringe Einzugskraft von 10 kN verwendet. Die empfohlene Einzugskraft wird für den HSK-A 32 mit 5 kN [2] und für den PSC 32 mit 15 kN angegeben [4]. Was den SK-A 30 anbelangt, so enthält die Norm keine Empfehlung [3].

Die Werkzeugschnittstellen HSK und PSC zeigen das zuvor beschriebene typische Verhalten von Plananlage-Schnittstellen. Steigt die Einzugskraft, verschiebt sich das Ende des linearen Bereichs zu höheren Biegemomenten. Der SK zeigt das typische Hystereseverhalten ohne linearen Bereich.

Der HSK zeigt im abgehobenen Bereich im Vergleich zu PSC und SK eine deutlich höhere Gesamtverkippung. Weil die Schnittstellen meist unterhalb des kritischen Biegemoments MB,krit betrieben werden sollten, lässt die Auswertung der Biegesteifigkeit und des Endes des linearen Bereichs nach Bild 4 eine aussagekräftigere Interpretation der Biegekennlinien zu.

Bild 4: Blick auf die Biegesteifigkeit (links). Rechts wird das Ende des linearen Bereichs dargestellt.
Bild 4: Blick auf die Biegesteifigkeit (links). Rechts wird das Ende des linearen Bereichs dargestellt.
(Bild: WZL)

Hier zeigt sich, dass HSK und SK bei vergleichbarer Einzugskraft eine etwas höhere Biegesteifigkeit aufweisen als der PSC, der bei Nenneinzugskraft aber höhere Biegesteifigkeiten hat. Im Vergleich zu den gleichen Schnittstellen der Baugröße 63 [1, 5] fällt auf, dass sich im untersuchten Einzugskraftbereich mit steigender Einzugskraft keine Sättigung der Biegesteifigkeiten einstellt.

Das Ende des linearen Bereichs von HSK und PSC steigt mit zunehmender Einzugskraft linear an. Der SK verfügt systembedingt nicht über ein Ende des linearen Bereichs. Die Auswertung zeigt auch, dass das Abhebemoment beider Schnittstellen in vergleichbarer Größe bei gleicher Einzugskraft liegt. Diese ist aus den Kurven nicht in gleicher Weise zu interpretieren, weil hier der abgehobene Bereich des PSC eine deutlich höhere Steifigkeit aufweist als der des HSK.

Zusammenfassung zu den Biegeuntersuchungen

Mit den vorgestellten Ergebnissen können die statischen Biegeeigenschaften von HSK-A 32, PSC 32 und SK-A 30 objektiv miteinander verglichen werden. Die statischen Biegekennwerte liegen in der gleichen Größenordnung, zeigen im untersuchten Einzugskraftbereich im Vergleich zur Baugröße 63 jedoch keine Sättigung, so dass in dieser Baugröße höhere Einzugskräfte Steigerungen der Biegesteifigkeit erlauben würden.

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