Analyse des Biegeverhaltens von Werkzeugschnittstellen

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Charakteristisch für Werkzeugschnittstellen mit Plananlage ist die zunächst nahezu linear verlaufende Kennlinie (Bild 4, Bereich 1). Innerhalb des linearen Bereichs werden Biegemomente maßgeblich über ein abstützendes Moment an der Plananlage aufgenommen. In diesem Bereich wird die Biegesteifigkeit k_B als charakteristischer Kennwert angegeben. Sie wird durch den Kehrwert der Steigung einer im linearen Belastungsbereich approximierten Geraden gebildet. Das Ende dieses linear verlaufenden Bereiches wird als kritisches Biegemoment M_{B, krit} bezeichnet. Ab diesem Punkt beginnt die Plananlage des Werkzeugs auf einer Seite den Kontakt zur Plananlage der Spindel zu verlieren (Bereich 2). Dies führt zu einer Reduzierung der Schnittstellensteifigkeit und einer Erhöhung der Steigung der Kennlinie.

Schnittstelle unterhalb des kritischen Biegemoments einsetzen

Spannsystem und Kegelverbindung nehmen nun ebenfalls Kräfte auf. Die mit steigender Belastung kontinuierlich abnehmende Kontaktfläche an der Plananlage führt zu einem allmählich abknickenden Verlauf der Kennlinie. Nach dem so genannten Übergangsbereich folgt keine weitere signifikante Änderung der Kontaktverhältnisse und die Kennlinie verläuft erneut nahezu linear (Bereich 3). Die Steifigkeiten des Spannsystems und der Kegelverbindung haben nun einen deutlichen Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit. Unter Berücksichtigung der Forderung nach einer hohen Steifigkeit sollte die Schnittstelle bei Belastungen unterhalb des kritischen Biegemoments eingesetzt werden.

Der dritte gebräuchliche Kennwert wird als Abhebemoment (M_Ab) bezeichnet. Dieser ist durch den Schnittpunkt aus der Geraden der Biegesteifigkeit mit einer weiteren definiert. Die zweite Gerade approximiert den nahezu linearen Bereich nach dem Abheben der Plananlage (Bild 4). Durch diese Definition, insbesondere durch die Konstruktion mittels einer Geraden durch den Bereich nach dem Abheben der Plananlage, besitzt der Kennwert M_Ab eine starke Abängigkeit von der Steifigkeit des Spannsystems und des Kegels. Der reale Punkt des Abhebens der Plananlage ist allerdings fast gänzlich unabhängig davon. Aus diesem Grund hat M_Ab keinen signifikanten Bezug zum realen Abheben und ist in seiner Bezeichnung als Abhebemoment irreführend.

Einfluss der Einzugskraft auf die Biegekennlinie

In Bild 5 ist exemplarisch der Einfluss der Einzugskraft (F_ein) auf die Biegekennlinie der Schnittstellen HSK-A 63 und SK 40 anhand der Referenzspannsysteme dargestellt. Neben dem relativen Kippwinkel ist auch die theoretische Verlagerung der Werkzeugspitze bei einem Abstand von 100 mm zur Plananlage in dem Diagramm ablesbar. Zunächst ist der unterschiedliche Verlauf der Biegekennlinien des SK und des HSK auffällig. Weil der Steilkegel über keine Plananlage zur Abstützung des Biegemomentes verfügt, werden die eingeleiteten Kräfte und Momente grundsätzlich über die Kegelverbindung aufgenommen. Dadurch ist der Kennlinienverlauf über das volle Prüfmoment bis 1000 Nm nahezu linear und vergleichsweise hysteresearm. Eine Steigerung der Einzugskraft hat keinen signifikanten Einfluss auf das Biegeverhalten. Beim HSK-Werkzeug wird das eingeleitete Biegemoment zunächst hauptsächlich über die zusätzliche Plananlage abgestützt. Ähnlich einer Schraubenverbindung ist das System über die Einzugskraft vorgespannt. Die Plananlage hebt umso später ab, je höher die aufgebrachte Einzugskraft ist. Somit ist die Länge des linearen Bereiches (M_{B, krit}) nahezu proportional zur Einzugskraft (Bild 6).

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