Werkzeugschnittstellen Verhalten von Werkzeugschnittstellen unter Torsionsbelastung

Autor / Redakteur: Christian Brecher, Frank Müller und Petra Wagner / Mag. Victoria Sonnenberg

Am WZL der RWTH Aachen wird im Rahmen des Industriearbeitskreises Werkzeugschnittstelle (AK-WZS) und des vom BMWi geförderten Projekts Revosit das VerhaltenvonWerkzeugschnittstellen für die Dreh- und Fräsbearbeitung untersucht.

Firmen zum Thema

Bild 1: Belastung der Werkzeugschnittstelle im Prozess.
Bild 1: Belastung der Werkzeugschnittstelle im Prozess.
(Bild: WZL)

Als direktes Bindeglied zwischen der Werkzeugmaschine und dem Werkzeug beeinflusst die Werkzeugschnittstelle unmittelbar die Leistungsfähigkeit und Qualität des Bearbeitungsprozesses [4]. Abhängig von der Prozessart wirken die Bearbeitungskräfte als Längs- und Querkräfte sowie als Biege- und Torsionsmomente auf die Werkzeugschnittstelle (Bild 1). Der Betrag des Torsionsmoments wird dabei durch die relative radiale Lage zwischen der Werkzeugschneide und der Mit- telachse der Werkzeugschnittstelle sowie die Aufteilung der Zerspankraft in ihre Komponenten bestimmt. Die stetige Steigerung der Spindelleistung führt zu immer höheren Bearbeitungskräften und folglich höheren Belastungen der eingesetzten Werkzeugschnittstellen.

Beurteilung von Werkzeugschnittstellen

Ein wichtiges Beurteilungskriterium von Werkzeugschnittstellen ist das Verhalten unter statischer Torsionslast. Besonders beim Drehen führt der Einsatz von statischen Werkzeugen mit großen radialen Auskraglängen zu hohen Torsionsmomenten an der Werkzeugschnittstelle. Die Verdrehung des Werkzeugs relativ zur Aufnahme, welche als Folge einer Torsionsbelastung entsteht, lässt in Dreh- und Fräsmaschinen einen Effekt auf das dynamische Prozessverhalten und die Gebrauchsdauer der Werkzeugschnittstelle und der Werkzeugschneiden erwarten. In Drehmaschinen beeinflussen Verdrehungen zudem unmittelbar die Mittenhöhe der Schneide und damit die Arbeitsgenauigkeit der Maschine.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

Im Fokus der vorgestellten Untersuchungen stehen die genormten Frässchnittstellen SK (DIN 69871) und HSK-A (DIN 69893) und die ebenfalls genormten kombinierten Dreh- und Frässchnittstellen PSC (ISO 26623) und HSK-T (ISO 12164). Als Schnittstellen für die Drehbearbeitung werden der genormte VDI (DIN ISO 10889) und der BMT des Unternehmens Doosan betrachtet. Zum Vergleich unter praxisrelevanten Bedingungen wurden die Schnittstellen in den Baugrößen getestet, welche üblicherweise in Spindeln mit einem Wellendurchmesser von 70 mm oder in Revolvern der Schlüsselweite ~650 mm Verwendung finden (SK 40, HSK-A 63, PSC 63, HSK-T 63, VDI 40, BMT 65).

Die Torsionskennlinie ist durch den relativen Verdrehwinkel αT zwischen Werkzeug und Aufnahme unter Belastung mit dem Torsionsmoment MT definiert und beschreibt das Verhalten bei statischer Torsionsbelastung. Die Torsionskennlinien verschiedener Werkzeugschnittstellen unterscheiden sich zum Teil deutlich. Ein Vergleich verschiedener Werkzeugschnittstellen anhand einzelner allgemeingültiger Kennwerte ist somit nicht sinnvoll [1].

Bei Systemen mit Verdrehspiel (Bild 2, links) erfolgt die Übertragung von Torsionsmomenten zunächst reibschlüssig (1). Die dabei entstehenden sehr geringen Verdrehungen sind charakterisiert durch das tangential-elastische Verhalten der Kontaktfuge. Oberhalb des Losbrechmomentes ML beginnt ein Übergang in den Bereich der Gleitreibung. Das reibschlüssig übertragbare Moment MR charakterisiert die Belastung, bei der ohne weitere Erhöhung der Belastung eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Aufnahme stattfindet (2). Im Anschluss bildet sich eine Kontaktzone an den Mitnehmerelementen. Eine weitere Zunahme der Belastung führt zu einer Einfederung an diesem Kontakt und einer Zunahme der Verdrehsteifigkeit (3). Bei vollständigem Kontakt stellt sich ein lineares Lastverformungsverhalten ein (4). In diesem Kennlinienbereich wird die Torsionssteifigkeit kT als Kehrwert der Steigung definiert. Bei Systemen ohne Verdrehspiel besteht der Formschluss bereits zu Beginn der Belastung und es erfolgt ein direkter Übergang in den linearen Belastungsbereich.

Nach Erreichen der maximalen Belastung bewirkt eine Reduzierung des Torsionsmoments zunächst eine elastische Reversion des Verdrehwinkels. Erst nach Überschreiten eines in Gegenrichtung wirkenden Moments, beginnt das Werkzeug gegenüber der Aufnahme zu gleiten, bis es an der gegenüberliegenden Seite des Mitnehmers zur Anlage kommt. Der sich unter Belastung einstellende Verdrehwinkel ist sowohl vom Verdrehspiel S, dem reibschlüssig übertragbaren Moment MR und der Torsionssteifigkeit kT als auch vom Kennlinienverlauf in den Übergangsbereichen abhängig. Eine Beschreibung des Torsionsverhaltens anhand einzelner Kennwerte ist somit nur bedingt aussagekräftig.

Die Torsionskennlinie einer Werkzeugschnittstelle kann grundsätzlich messtechnisch ermittelt werden. Dazu wird das in einem Spindeldummy eingespannte Versuchswerkzeug mit einem Torsionsmoment beaufschlagt und die sich daraufhin einstellende Verdrehung aufgezeichnet (Bild 3) [1]. Die Beaufschlagung des Werkzeugs mit dem Torsionsmoment erfolgt querkraftfrei über eine Zwischenwelle. Auf diese wird die hydraulisch erzeugte Kraft über einen Hebelarm aufgebracht. Zur Berechnung des Torsionsmoments wird die Kraft hierbei piezoelektrisch gemessen. Der relative Verdrehwinkel zwischen Werkzeug und Aufnahme wird über tangential angeordnete Wegsensoren, die mittels spezieller Messringe auf dem Werkzeugbund und dem Außendurchmesser des Spindeldummys montiert werden, erfasst. Zur Erzielung einer größtmöglichen Vergleichbarkeit der Untersuchungen werden Spannsätze ohne Kraftverstärkung verwendet und die Einzugskraft im Versuchslauf über Dehnungsmessstreifen exakt gemessen. Die Ausnahme bilden die Systeme VDI und BMT, die aufgrund ihrer konstruktiven Auslegung mit ihrem regulären Spannmechanismus gespannt werden müssen. Die Ermittlung der wirkenden Einzugskraft erfolgt indirekt über das Anzugsmoment der Schrauben. Der Ablauf einer Messung besteht in mehrmaliger abwechselnder Be- und Entlastung in beide Belastungsrichtungen.

Die Ermittlung der dargestellten Kennlinien erfolgt durch die statistische Mittelung mehrerer Messungen mit verschiedenen Werkzeugen variierender Toleranzen innerhalb der Normgrenzen.

(ID:43905243)