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Werkzeugschnittstellen

Statische Eigenschaften von HSK-A 100, SK-A 50 und PSC 100

| Autor/ Redakteur: Christian Brecher, Christian Bergs und Marcel Fey / Mag. Victoria Sonnenberg

Der Industriearbeitskreis Werkzeugschnittstellen (AK WZS) am WZL der RWTH Aachen erforscht die Eigenschaften von Werkzeugschnittstellen für Werkzeugmaschinen. Das statische Biege- und Torsionsverhalten erlaubt einen Vergleich der Schnittstellen untereinander. In diesem Artikel werden die statischen Eigenschaften von HSK-A 100, SK-A 50 und PSC 100 verglichen.

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Bild 1: Die Werkzeugschnittstelle unter hohen Belastungen in der 
Schwerzerspanung.
Bild 1: Die Werkzeugschnittstelle unter hohen Belastungen in der 
Schwerzerspanung.
(Bild: Sandvik Coromant)

Die Werkzeugschnittstelle hat die Aufgabe, gleichzeitig einen schnellen Werkzeugwechsel, aber auch eine sichere Spannung des Werkzeugs in der Maschine zu gewährleisten. Sie liegt direkt im Kraftfluss der Zerspankräfte und hat einen maßgeblichen Einfluss auf die erreichbaren Zerspanleistungen und die Bauteilqualität [1].

Auf heute im Einsatz befindlichen Maschinen finden sich vorwiegend genormte Werkzeugschnittstellen wie der Kegel-Hohlschaft HSK [2], der Steilkegelschaft SK [3] und der polygonale Hohlschaftkegel PSC [4]. Um die mechanischen Eigenschaften dieser Schnittstellen untereinander vergleichen zu können, wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Die von Müller entwickelte Methodik zur Charakterisierung von Werkzeugschnittstellen bei statischen Lasten erlaubt den direkten Vergleich der Werkzeugschnittstellen bei Biege- und Torsionsbelastung [1]. Die bisherigen Untersuchungen mit dieser Methodik sind auf Schnittstellen der Baugröße 63, die den Plananlagedurchmesser der Plananlageschnittstellen angibt, beschränkt [1, 5, 6]. Im Arbeitskreis Werkzeugschnittstellen wurden die Untersuchungen um die Baugröße 100 erweitert. Untersucht wurden die Schnittstellen HSK-A 100, PSC 100 und SK-A 50, die mit einem nicht kraftverstärkenden Referenzspannsystem ausgestattet wurden, hinsichtlich ihrer Biege- und Torsionseigenschaften.

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Versuchsmethodik

Die Versuche zum statischen Verhalten von Werkzeugschnittstellen der Baugröße 100 sind nach der Methodik von Müller durchgeführt worden, welche in [1, 5, 7] ausführlich beschrieben wird. Dazu wurde ein modularer Prüfstand zur Untersuchung von Werkzeugschnittstellen unter statischen Biege- und Torsionslasten eingesetzt [7]. Dieser Prüfstand erlaubt den Einsatz sogenannter Spindeldummys, auf Spannsystem und Werkzeugschnittstelle reduzierter Spindeln. Die Einzugskraft Fein wird hier über eine Spannstange auf ein nicht kraftverstärkendes Referenzspannsystem aufgebracht. Die Spannstange ist mit Dehnungsmessstreifen ausgestattet und erlaubt es so, die aufgebrachte axiale Einzugskraft exakt einzustellen und im Verlauf des Versuchs zu messen. So kann die Einzugskraft als Einflussfaktor auf die statischen Kennwerte bewertet werden. Die Spindeldummys wie auch die Werkzeuge wurden vor Versuchsbeginn auf einem 3D-Koordinatenmessgerät vermessen, um sicherzustellen, dass die Werkzeuge und Aufnahmen den Normen entsprechen. Insbesondere im Fall des PSC zeigen sich große Varianzen in der Form des polygonalen Kegels, die sich zum Teil stark auf das Biege- und Torsionsverhalten auswirken.

Biegeverhalten

Bild 2 zeigt den Verlauf einer charakteristischen Biegekennlinie einer Werkzeugschnittstelle mit Plananlage nach Müller [1]. Dargestellt ist der relative Kippwinkel α zwischen dem Werkzeug und der Spindel in der Plananlageebene. Dieser wird über dem Biegemoment MB aufgetragen, welches aus der Biegekraft und dem Hebelarm zwischen Kraftangriffspunkt und Plananlage berechnet wird. Die gemittelte Kennlinie wird aus mehreren Einzelversuchen mit verschiedenen Werkzeugen ermittelt, wobei bei jedem Einzelversuch fünf Belastungsrampen mit 3000 Nm aufgebracht werden. Der Einsatz von Werkzeugen am oberen und unteren Toleranzrand nach Norm stellt sicher, dass die zulässigen Streuungen abgebildet werden.

Die Versuche werden bei HSK und SK jeweils in 0°- und 90°-Position durchgeführt, also jeweils in Richtung und quer zur Position der Nutensteine. Beim PSC wird in den Positionen 0° und 60°, also jeweils auf der Flachseite und Spitze des Polygonprofils, gemessen. So werden Auswirkungen der Asymmetrien der Werkzeugschnittstellen in die Auswertung einbezogen.

Biegekennlinie zeigt drei markante Bereiche

Der Verlauf der Biegekennlinie nach Bild 2 zeigt drei markante Bereiche im Belastungsteil der Kurve sowie den Entlastungsteil mit der charakteristischen Hysterese. Der erste Abschnitt (1) der Belastungskurve wird als linearer Bereich bezeichnet, in welchem die Plananlage vollflächigen Kontakt hat. In diesem Bereich ist die Biegesteifigkeit kB definiert. Neben der Biegesteifigkeit wird das Ende des linearen Bereichs MB,krit zum Vergleich der Werkzeugschnittstellen herangezogen. Am Ende des linearen Bereichs beginnt die Plananlage einseitig den Kontakt zu verlieren und das Werkzeug hebt von der Spindel ab.

An den Übergangsbereich (2) schließt der zweite lineare Bereich (3) an, dessen Verlauf vom Spannsystem abhängig ist, da hier das Werkzeug mitsamt dem Spannsystem aus der Spindel gezogen wird. Dieser Bereich eignet sich daher nicht für den spannsystemneutralen Vergleich der Werkzeugschnittstellen. Die gemittelten Biegekennlinien der Werkzeugschnittstellen HSK-A 100, PSC 100 und SK-A 50 sind in Bild 3 dargestellt.

Die verschiedenen Schnittstellen wurden mit üblichen Einzugskräften untersucht. Für den Vergleich wurde die für HSK-A und PSC vergleichsweise geringe, für SK-A 50 aber unüblich hohe Einzugskraft von 45 kN gewählt. Für HSK-A 100 werden 45 kN [2] und für PSC 100 60 kN [4] Einzugskraft als Empfehlung angegeben, für SK-A 50 [3] enthält die Norm keine Empfehlung.

HSK und PSC zeigen das typische Verhalten von Plananlageschnittstellen, welches zuvor beschrieben wurde. HSK und PSC zeigen die typischen Biegekennlinien, bei denen sich mit steigender Einzugskraft das Ende des linearen Bereichs zu höheren Momenten verschiebt. Der SK zeigt das typische Hystereseverhalten ohne linearen Bereich.

Der Vergleich der Schnittstellen bei 45 kN Einzugskraft zeigt eine höhere Gesamtverkippung von HSK und SK gegenüber dem PSC sowie die deutlich geringere Steifigkeit des SK gegenüber den beiden Plananlageschnittstellen. Ebenfalls ist hier die geringere Steifigkeit des PSC gegenüber dem HSK im linearen Bereich zu erkennen.

Die Auswertung der statischen Kennwerte nach Müller, die eine bessere Interpretation der Biegekennlinien zulässt, zeigt Bild 4. Auffällig bei der Betrachtung der Biegesteifigkeiten ist die deutlich geringere Steifigkeit des PSC 100 gegenüber dem HSK-A 100, insbesondere da die Biegesteifigkeiten bei HSK-A 63 und PSC 63 in vorausgegangenen Untersuchungen in vergleichbarer Höhe lagen [1, 5]. Ein ähnliches Bild zeigt sich bei dem Ende des linearen Bereichs, auch hier liegen die Werte des PSC 100 unter denen des HSK-A 100. Dies wird auf Fertigungstoleranzen des PSC zurückgeführt, was ausführlicher am Ende des Beitrags erläutert wird.

Torsionsverhalten im Überblick

Die Torsionskennlinie (TKL) beschreibt die Verdrehung der Werkzeugschnittstelle unter Einfluss einer Torsionsbelastung. In Bild 5 wird exemplarisch die Torsionskennline eines Werkzeugs mit formschlüssiger Drehmoment- übertragung und Plananlage betrachtet.

Der erste Bereich der in Bild 5 dargestellten Kennlinie zeigt den Bereich der ersten Belastung (1), in dem das Werkzeug reibschlüssig gehalten wird. Bei Überschreiten des Losbrechmoments ML rutscht das Werkzeug durch, bis sich die formschlüssigen Mitnahmeelemente anlegen. Es bildet sich ein linearer Bereich (2) aus, in dem die Torsionssteifigkeit kT definiert ist. Bei Lastumkehr (3) wird das Torsionsmoment zunächst gesenkt und es kommt bei Belastung mit dem Durchrutschmoment MR in Gegenrichtung erneut zu einem Durchrutschen (4). Das Spiel ist definiert als der Abstand zwischen den Punkten, in denen die Mitnahmeelemente zur Anlage kommen [6]. Die Torsionsversuche wurden mit einem maximalen Torsionsmoment von 3000 Nm und den gleichen Einzugskräften wie bei den Biegeuntersuchungen durchgeführt.

Bild 6 zeigt die gemittelten Torsionskennlinien von PSC, HSK-A und SK-A jeweils aus einer Versuchsreihe mit trockenen und einer Versuchsreihe mit öligen Werkzeugen. Insbesondere bei den trockenen Kennlinien des HSK zeigt sich hier durch den Treppenstufenverlauf ein starkes Ruckgleiten, welches bei den öligen Kennlinien deutlich geringer ausfällt. Die Kurvenverläufe von HSK und SK entsprechen den in der Literatur [1] beschriebenen Verläufen, wohingegen beim PSC eine Kennlinie erwartet wurde, die kein Durchrutschen zeigt. Ein Erklärungsansatz hierzu findet sich am Ende des Beitrags.

Das charakteristische erste Rutschen unter Torsionslast ist für alle Versuche in Bild 7 zusammengefasst dargestellt. Bei HSK und SK lässt sich deutlich erkennen, dass das erste Rutschen bei geschmierten Bedingungen deutlich früher einsetzt als im trockenen Zustand.

Die Werte des PSC zeigen einen deutlich geringeren Einfluss des Schmierzustands, der auf den Formschluss im Polygon zurückgeführt werden kann. Hieraus resultieren ebenfalls die deutlich geringeren Verdrehspiele des PSC, die mit rund 0,1° gegenüber rund 0,8° bei HSK und rund 0,5° bei SK gemessen wurden. Ebenfalls sind die resultierenden Gesamtverdrehungen deutlich geringer, was in Bild 6 unter Beachtung der Achs- skalierung deutlich wird.

Abweichungen im statischen Verhalten des PSC

Die Untersuchungen des PSC in Baugröße 100 zeigen deutliche Abweichungen im Vergleich zu den Untersuchungen in Baugröße 63 hinsichtlich der Biegesteifigkeit, des Abhebemoments und der Form der Torsionskennlinie. Diese Abweichungen wurden ausführlich untersucht und werden auf die Form der Werkzeugkegel zurückgeführt. Die verschiedenen Werkzeugschnittstellen werden in den jeweiligen Normen mit unterschiedlichen Toleranzsystemen versehen. Im Falle von Kegeln mit kreisförmiger Grundfläche stellt das Toleranzsystem wenig Herausforderungen, wohingegen der polygonale Kegel des PSC nicht in gleicher Weise beschrieben werden kann.

Durch die Kombination aus der Profiltoleranz des Polygonprofils im Bezugsdurchmesser und der Winkeltoleranz für den restlichen Kegel ergibt sich ein weiteres Toleranzfeld am Kegelende, als dies beispielsweise beim HSK der Fall ist. Hierdurch werden Abweichungen in der Kegelform des PSC insbesondere am kleineren Kegel- ende zulässig, die sich gleichzeitig positiv oder negativ auf verschiedene statische Eigenschaften der Schnittstelle auswirken können. Im Rahmen ausführlicher Diskussionen mit den Mitgliedern des Arbeitskreises Werkzeugschnittstelle und einigen an der Normung und Entwicklung des PSC beteiligten Firmenvertretern wurde beschlossen, dass der Status der Norm und damit die Unschärfe in der Tolerierung bestehen bleiben wird. Somit liegt es in der Verantwortung der Hersteller des PSC, ihre Werkzeuge innerhalb der Toleranzen der Norm optimal auf die Bedürfnisse der Kunden hinsichtlich Torsion (Drehen) und Biegebelastung (Fräsen) auszulegen.

Mit den vorgestellten Ergebnissen werden HSK-A, PSC und SK-A in der Baugröße 100 objektiv miteinander verglichen.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Fertigung des PSC hohe Anforderungen stellt, die sich stark auf die statischen Eigenschaften auswirken.

Literatur

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

[2] DIN 69893-1: Kegel-Hohlschäfte mit Plananlage – Teil 1: Kegel-Hohlschäfte 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. Internetadresse: https://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/zerspanung/articles/ 496392/.

[6] Brecher, C.; Müller, F.; Wagner, P.: Werkzeugschnittstellen unter Torsionsbelastung. MM Maschinenmarkt 122 (2016), Nr. 14, S. 64-69. Internetadresse: https://www.maschinenmarkt.vogel.de/verhalten-von-werkzeugschnittstellen-unter-torsionsbelastung-a-527636/.

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

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

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

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen University, Christian Bergs M. Sc. RWTH ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dr.-Ing. Marcel Fey ist Oberingenieur am WZL in 52074 Aachen. Weitere Informationen: Tel. (02 41) 8 02-62 93, C.Bergs@wzl.rwth-aachen.de

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