Zerspanung Statische Eigenschaften von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 32

Autor / Redakteur: Prof. Dr. Christian Brecher, Christian Bergs M. Sc und Dipl.-Ing. Stephan Neus / Peter Königsreuther

Aachener Forscher haben Werkzeugschnittstellen der Größe 32 untersucht. Das Ziel war es, mehr über die statischen Eigenschaften bei Biegung und Torsion zu erfahren...

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Bild 1: Der am WZL der RWTH Aachen verwendete Statikprüfstand für Biegung und Torsion mit davor befindlichen Versuchskomponenten in Form von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 32.
Bild 1: Der am WZL der RWTH Aachen verwendete Statikprüfstand für Biegung und Torsion mit davor befindlichen Versuchskomponenten in Form von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 32.
(Bild: WZL)

Werkzeugschnittstellen erfüllen in Werkzeugmaschinen die Aufgabe, Zerspanungswerkzeuge sicher zu spannen und einen schnellen Werkzeugwechsel zu ermöglichen. Dabei liegen sie im direkten Kraftfluss der Zerspanungskräfte und beeinflussen die Bauteilqualität und die erreichbaren Zerspanungsleistungen maßgeblich [1].

Der Industriearbeitskreis Werkzeugschnittstelle (AK WZS) am WZL der RWTH Aachen erforscht deshalb die Eigenschaften von Werkzeugschnittstellen für Werkzeugmaschinen. Denn das statische Torsions- und Biegeverhalten erlaubt einen Vergleich der Werkzeugschnittstellen untereinander. In diesem Teil des Artikel werden nun die statischen Biegeeigenschaften von HSK-A 32, SK-A 30 und PSC 32 verglichen.

In modernen Produktionsmaschinen kommen vorwiegend die genormten Werkzeugschnittstellen Hohlschaftkegel HSK [2], Steilkegelschaft SK [3] und polygonaler Hohlschaftkegel PSC [4] zum Einsatz. Die mechanischen Eigenschaften dieser Maschinenelemente lassen sich nach der Methodik von Müller charakterisieren und so untereinander vergleichen [1]. Bisher wurden die statischen Biege- und Torsionseigenschaften für die Baugrößen 63 [1, 5, 6] und 100 [7] bestimmt. Im Rahmen des Arbeitskreises Werkzeugschnittstelle wurden die Untersuchungen am WZL um die Baugröße 32 erweitert. Untersucht wurden die Werkzeugschnittstellen HSK-A 32, PSC 32 und SK-A 30 hinsichtlich ihrer Biege- und Torsionseigenschaften mit dem aus [1] bekannten Versuchsaufbau mit nicht kraftverstärkenden Referenzspannsystemen. Der SK-A 30 wurde als kleinster genormter SK nach [3] mit in die Untersuchung der Baugröße 32 aufgenommen, obwohl die Einbaumaße einen Einsatz in größeren Spindeln vergleichbar mit HSK-A 40 und PSC 40 eher zulassen.

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.

Weiter geht es mit den Torsionsuntersuchungen

Wie bei der Biegung im ersten Teil erlaubt auch das statische Torsionsverhalten einen Vergleich der Werkzeugschnittstellen untereinander. Auch in diesem Artikel werden die Schnittstellentypen HSK-A 32, SK-A 30 und PSC 32 verglichen.

Werkzeugschnittstellen erfüllen in Werkzeugmaschinen die Aufgabe, Werkzeuge sicher zu spannen und einen schnellen Werkzeugwechsel zu ermöglichen. Dabei liegen sie im direkten Kraftfluss der Zerspankräfte und beeinflussen die Bauteilqualität und die erreichbaren Zerspanungsleistungen maßgeblich [1].

In modernen Produktionsmaschinen kommen vorwiegend die genormten Werkzeugschnittstellen Kegel-Hohlschaft HSK [2], Steilkegelschaft SK [3] und polygonaler Hohlschaftkegel PSC [4] zum Einsatz. Die mechanischen Eigenschaften derselben lassen sich nach der Methodik von Müller charakterisieren und so untereinander vergleichen [1].

Bisher wurden die statischen Biege- und Torsionseigenschaften für die Baugrößen 63 [1, 5, 6] und 100 [7] bestimmt. Im Rahmen des Arbeitskreises Werkzeugschnittstelle wurden die Untersuchungen am WZL um die Baugröße 32 erweitert. Untersucht wurden die Werkzeugschnittstellen HSK-A 32, PSC 32 und SK-A 30 hinsichtlich ihrer Biege- und Torsionseigenschaften mit dem aus [1] bekannten Versuchsaufbau mit nicht kraftverstärkenden Referenzspannsystemen. Der SK-A 30 wurde als kleinster genormter SK nach [3] mit in die Untersuchung der Baugröße 32 aufgenommen, obwohl die Einbaumaße einen Einsatz in größeren Spindeln vergleichbar mit HSK-A 40 und PSC 40 eher zulassen.

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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