Zerspanung

Statische Eigenschaften von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 32

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Versuchsmethodik zur Torsionsbelastung

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 Torsionslasten durchgeführt [8]. Für die Versuche in Sachen Baugröße 32 wurden 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-Koordinaten-Messgerät vermessen, um die Konformität der Werkzeuge zu den jeweiligen Normen sicherzustellen und die Toleranzlagen bewerten zu können. Aus den erfassten Messdaten lassen sich charakteristische Torsionskennlinien erzeugen.

Die Torsionskennlinie beschreibt die Verdrehung der Werkzeugschnittstelle unter Einfluss einer Torsionsbelastung. Hierzu wird der relative Verdrehwinkel φ zwischen Aufnahme und Werkzeug über dem Torsionsmoment MT aufgetragen. In Bild 5 ist nun die idealisierte Torsionskennlinie einer Werkzeugschnittstelle mit einer formschlüssigen Drehmomentübertragung und Plananlage dargestellt.

Bereich (1) zeigt das erste Belasten des Werkzeugs, in dem es reibschlüssig gehalten wird. Beim Erreichen des Losbrechmoments ML beginnt es in der Aufnahme durchzurutschen, bis die formschlüssigen Mitnahmeelemente zur Anlage kommen. Im Weiteren bildet sich ein linearer Bereich (2) aus, in dem die Torsionssteifigkeit kT definiert ist. Bei Abbau der Last (3) findet zunächst eine elastische Rückfederung statt, bei Erreichen des Durchrutschmomentes MR in Gegenrichtung kommt es zu einem erneuten Durchrutschen. Der Abstand zwischen den Punkten, in denen die Mitnahmeelemente zur Anlage kommen, ist als Spiel definiert [1, 6, 8].

Versuchsergebnisse zur Torsionsbelastung

Die Torsionsversuche wurden für HSK-A 32 und PSC 32 mit einem maximalen Torsionsmoment von 200 Nm durchgeführt. Für den SK-A 30 musste das Torsionsmoment auf 250 Nm erhöht werden, weil das Durchrutschmoment derart hoch ist, dass sonst kein linearer Bereich nach Anliegen der Nutensteine zu beobachten war. Die Einzugskräfte wurden analog zu den Biegeversuchen gewählt. Bild 6 zeigt die gemittelten Torsionskennlinien für PSC 32, HSK-A 32 und SK-A 30, die in der linken Spalte mit trockenen und in der rechten Spalte mit geölten Werkzeugen durchgeführt wurden.

Bild 6: Gemittelte Torsionskennlinien für die Werkzeugschnittstellen PSC 32, HSK-A 32 und SK-A 30.
Bild 6: Gemittelte Torsionskennlinien für die Werkzeugschnittstellen PSC 32, HSK-A 32 und SK-A 30.
(Bild: WZL)

Die Torsionskennlinien des PSC weisen in positiver Lastrichtung ein Durchrutschen auf, was mit den Ergebnissen des PSC 100 [7] übereinstimmt, wohingegen die negative Belastungsrichtung kein ausgeprägtes Durchrutschen zeigt, was wiederum mit den Ergebnissen des PSC 63 [1, 6] übereinstimmt. Wie auch in [7] beschrieben, kann der PSC, je nachdem wie die Form innerhalb der Toleranzen gefertigt wird, unterschiedliches Verhalten aufweisen, was sich hier in unterschiedlichem Verhalten je nach Belastungsrichtung zeigt.

Die Kennlinien von HSK und SK zeigen das bekannte erste Rutschen, das Einfedern, sobald die Nutensteine zur Anlage kommen, und das deutlich ausgeprägte Rutschen in der Gegenbelastung und den Wiederholungen. Die Spiele der drei untersuchten Schnittstellen unterscheiden sich deutlich. Auch wenn der PSC kein Spiel aufweisen sollte, zeigt sich in der positiven Lastrichtung ein geringes Spiel, wohingegen das Spiel des SK wie zuvor beschrieben bestimmt werden kann und über 0,8° liegt. Dagegen zeigt der HSK mit rund 2° ein bedeutend größeres Spiel, was in den Toleranzen der Nutensteine und dem kleineren Anlagedurchmesser der Nutensteine im Vergleich zum SK begründet ist. Gleiches gilt für die Gesamtverdrehung, die bei SK und PSC in ähnlicher Größe liegt und beim HSK nahezu das Vierfache beträgt.

Die Auswertung des ersten Rutschens in Bild 7 zeigt, dass es bei allen Schnittstellen mit der Einzugskraft ansteigt. Bei gleicher Einzugskraft haben SK und HSK ein höheres Durchrutschmoment als der PSC, der jedoch bei seinen üblichen Einzugskräften deutlich über dem HSK liegt.

Bild 7: Das Diagramm veranschaulicht das sogenannte „erste Rutschen“ von Werkzeugschnittstellen bei Torsionsbelastung.
Bild 7: Das Diagramm veranschaulicht das sogenannte „erste Rutschen“ von Werkzeugschnittstellen bei Torsionsbelastung.
(Bild: WZL)

Zusammenfassung zu den Torsionsuntersuchungen

Mit den vorgestellten Ergebnissen können die statischen Torsionseigenschaften von HSK-A 32, PSC 32 und SK-A 30 in der Baugröße 32 objektiv miteinander verglichen werden. In der Torsion zeigen sich deutliche Unterschiede im Verdrehspiel, die in den unterschiedlichen Durchmessern der formschlüssigen Mitnahmeelemente und deren Maßtoleranzen begründet sind.

Literatur

[1] Müller, F.: Methoden zur Charakterisierung von Werkzeugschnittstellen unter statischer Last. Diss., RWTH Aachen, Aachen 2016.

[2] DIN 69893-1: Kegelhohlschäfte mit Plananlage – Teil 1: Kegelhohlschäfte Form A und Form C; Maße und Ausführung.

[3] DIN ISO 7388-1: Steilkegelschäfte für automatischen Werkzeugwechsel – Teil 1: Maße und Bezeichnungen von Schäften der Formen A, AD, AF, U, UD, UF (ISO 7388-1:2007).

[4] DIN ISO 26623-1: Polygonaler Hohlschaftkegel mit Plananlage – Teil 1: Maße und Bezeichnung von Schäften (ISO 26623-1:2008).

[5] Brecher, C.; Müller, F.; Wagner, P. et al.: Analyse des Biegeverhaltens von Werkzeugschnittstellen. MM MaschinenMarkt 121 (2015), Nr. 30, S. 44-48.

[6] Brecher, C.; Müller, F.; Wagner, P.: Werkzeugschnittstellen unter Torsionsbelastung. MM MaschinenMarkt 122 (2016), Nr. 14, S. 64-69.

[7] Brecher, C.; Bergs, C.; Fey, M.: Statische Eigenschaften von HSK-A 100, SK-A 50 und PSC 100. MM MaschinenMarkt 125 (2019), Nr. 21, S. 40-45.

[8] Brecher, C.; Müller, F.; Wagner, P.: Statisches Verhalten von Werkzeug-Schnittstellen. VDI-Z 155 (2013), Nr. 1, S. 36-39.

[9] Schubert, I.: Grenzlastverhalten von Schnittstellen zwischen Maschine und Werkzeug. Diss., RWTH Aachen, Aachen 1994.

[10] Lembke, D.: Untersuchung der Gestaltungsmöglichkeiten für die Schnittstelle Maschine/Werkzeug. Diss., RWTH Aachen, Aachen 1993.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Inhaber des Lehrstuhls Werkzeugmaschinen am WZL der RWTH Aachen, Christian Bergs M. Sc. ist am WZL in der Abteilung Maschinentechnik Leiter der Gruppe Auslegung und Untersuchung von Maschinenkomponenten, und Dipl.-Ing. Stephan Neus ist Oberingenieur am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen. www.wzl.rwth-aachen.de

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