Mit System zum idealen Werkzeughalter
Spanntechnik passend auswählen
Moderne 5-Achs- und Multi-Tasking-Maschinen sowie hochpräzise Bearbeitungszentren für die Mikrozerspanung ermöglichen permanent neuartige und weiter verbesserte Bearbeitungskonzepte. Neben der Schneide entscheidet vor allem die Wahl des Werkzeugspannmittels über den Erfolg. Entsprechend groß ist das Angebot an Technologien. Ein systematischer Vergleich hilft, die für die jeweilige Bearbeitung optimale Spanntechnologie zu definieren.
So unterschiedlich wie die Anforderungen in den einzelnen Branchen, so unterschiedlich sind auch die Anteile der Werkzeughaltersysteme im internationalen Vergleich. Während in Europa rund 60 % auf thermische Spannfutter entfallen, liegt deren Anteil in den USA und Asien bei 20 % beziehungsweise 30 %. Spannzangenfutter hingegen spielen außerhalb Europas eine deutlich größere Rolle als hierzulande.
Der Anteil hochpräziser Hydro-Dehnspannfutter wiederum liegt weltweit zwischen 8 % und 15 %. Betrachtet man die Entwicklung auf dem Markt für Werkzeughaltersysteme, werden vor allem zwei Aspekte deutlich: Zum einen steigt die Variantenvielfalt. Zum anderen gewinnen Präzisionsaufnahmen rasant an Bedeutung, da mit zunehmender Qualität und Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschinen auch die Anforderungen an die Prozesssicherheit sowie an die Werkzeugstandzeiten steigen.
Hinzu kommt, dass Effizienzsteigerungen bei der Produktion von Präzisionswerkzeughaltern bewirken, dass der Aufpreis gegenüber mechanischen Spannfuttern, wie Weldon-, Whistle-Notch- oder Spannzangensystemen, merklich zurückging. Vor allem bei Hydro-Dehnspannfuttern sind die Einstiegspreise deutlich gesunken. Umso wichtiger erscheint es, einmal definierte Werkzeughalterstrategien regelmäßig zu hinterfragen, auch und gerade bei der Investition in neue Werkzeugmaschinen.
Betrachtung des Gesamtsystems
Vergleicht man die einzelnen Werkzeughaltersysteme, ihre technischen Eigenschaften und ihre Schnittstellen zur Maschinenspindel, so wird deutlich, dass es kein für alle Anwendungen optimales Werkzeughaltersystem gibt. Bei der Systemauswahl handelt es sich immer um einen individuellen Entscheidungsprozess, der von einer Vielzahl von Parametern abhängt.
Dabei sollte der Werkzeughalter nie isoliert betrachtet werden, sondern stets das Zusammenspiel des Gesamtsystems bestehend aus Werkstückspannung, Werkstück, Werkzeug, Werkzeughalter, Spindelschnittstelle und Maschine. Als vorderste Schnittstelle zum Werkstück spielt der Werkzeughalter eine wesentliche Rolle, nicht zuletzt auch, da er in der Lage ist, Schwächen innerhalb des Gesamtsystems zumindest teilweise zu kompensieren.
Die Auswahl des jeweils idealen Werkzeughaltersystems sollte in mehreren Schritten erfolgen. Zunächst gilt es, die Basiskriterien zu definieren, die die grundlegende Prozessstabilität maßgeblich beeinflussen. Hierzu zählen die erforderliche Spannkraft, Radialsteifigkeit, Störkontur und gegebenenfalls die Eignung für Highspeed-Anwendungen. In einem zweiten Schritt rücken Qualitätskriterien in den Fokus, die die Prozessqualität, Präzision und Produktivität beeinflussen.
Darunter fallen die Rundlauf- und Wiederholgenauigkeit, die Wuchtgüte, Schwingungsdämpfung, Kühlmittelzufuhr sowie die Möglichkeit der Längenvoreinstellung. Im dritten Schritt schließlich ist es ratsam, im Rahmen einer Kosten-Nutzen-Analyse wirtschaftliche Kriterien zu betrachten, also Anschaffungskosten, Lebensdauer, Flexibilität und Wiederverwendbarkeit sowie die Kosten des laufenden Betriebs.
Basiskriterien entscheiden über Prozessstabilität
Die Basiskriterien der Werkzeughalterauswahl können als K.-o-Kriterien der Werkzeughalterauswahl verstanden werden. Sie müssen zwingend erfüllt sein, damit der Zerspanungsprozess störungsfrei ablaufen kann.
Spannkraft/Drehmoment: Von der Spannkraft des Werkzeughalters hängt ab, inwieweit das Drehmomentaufkommen an der Schnittstelle zwischen Werkzeughalter und Werkzeug beherrscht werden kann. Reicht die Spannkraft aus, greift die Schneide des Werkzeugs gleichmäßig ins Material ein. Ist sie zu klein, beginnt das Werkzeug, sich im Halter zu drehen und der Schnitt wird unruhig. Im Extremfall wird das Werkzeug komplett aus dem Werkzeughalter herausgezogen.
Die Drehmomentübertragung ist bei den einzelnen Werkzeughaltersystemen auf unterschiedliche Weise gelöst: So können Werkzeuge per Gewinde in den Grundkörper eingeschraubt werden. Dabei muss das Gewinde so ausgelegt sein, dass es zumindest dem Drehmomentaufkommen entspricht. Eine zweite Variante sind mechanisch geklemmte Werkzeuge, die mit einem formschlüssigen Mitnehmer ausgestattet sind. Erst wenn die auftretenden Drehmomente die Bruch- oder Scherfestigkeit der Bauteile übersteigen, würde eine solche Spannung versagen.
In der Regel liegen diese Festigkeiten weit über den bei der zerspanenden Bearbeitung auftretenden Drehmomenten, so dass bei mechanisch geklemmten Werkzeugen eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet ist. Die dritte Möglichkeit schließlich sind kraftschlüssige Werkzeugspannungen, die sogenannte Querpressverbindungen nutzen. Dabei wird die das Werkzeug aufnehmende Bohrung mittels Wärme oder äußerer Kräfte so beeinflusst, dass das Werkzeug durch eine Überdeckung gespannt wird. In der Regel arbeiten Präzisionswerkzeughaltersysteme, wie etwa Hydro-Dehnspannfutter nach diesem Prinzip.
Im Rahmen jüngerer technologischer Entwicklungen ist es gelungen, die Spannkräfte von Hydro-Dehnspannfuttern so weit zu erhöhen, dass auch eine Volumenzerspanung prozesssicher möglich ist. Bei Ø 20 mm werden mit modernen Hydro-Dehnspannfuttern Drehmomente bis zu 900 Nm übertragen.
Radialsteifigkeit: Eine hohe Radialsteifigkeit ermöglicht hohe Schnittkräfte, sprich große Zustellungen und hohe Vorschübe. Für die Volumenzerspanung ist sie daher ein wesentliches Kriterium, beeinflusst sie doch entscheidend die Bearbeitungszeit und somit die Produktivität, aber auch die mögliche Auskragung der Werkzeuge. Die Radialsteifigkeit hängt ab von den Materialeigenschaften des Werkzeughalters (E-Modul) und dessen Verarbeitung, von der Geometrie des Werkzeughalters sowie von dessen Einbindung ins Gesamtsystem der Werkzeugmaschine, insbesondere von der Schnittstelle zur Maschinenspindel. Vereinfacht ausgedrückt gilt: Je kürzer der Werkzeughalter, je größer sein Durchmesser, je homogener die Einheit aus Werkzeug und Werkzeugaufnahme, je stärker die Wandung der Werkzeugaufnahme und je umfassender die Abstützung der Aufnahme auf der Maschinenspindel, desto höher die Radialsteifigkeit.
Störkontur: Wenn Werkstücke auf modernen 5-Achs-Maschinen in nur zwei Aufspannung komplett bearbeitet werden, spielt die Zugänglichkeit eine wesentliche Rolle. Gefragt sind schlanke Werkzeughalter, die ein ausreichend hohes Drehmoment übertragen und zugleich eine hohe Präzision am Werkstück gewährleisten. In besonders engen Räumen können alternativ Werkzeugverlängerungen eingesetzt werden, die bei Bedarf zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme montiert werden. Im Gegensatz zu störkonturoptimierten Werkzeughaltern mit Spindelschnittstelle, lassen sich Werkzeugverlängerungen sehr flexibel einsetzen. Diese werden mit unterschiedlichen Spanntechnologien angeboten.
Highspeed-Eignung: Wenn beim Highspeed-Cutting Spindeldrehzahlen von 80.000 min-1 und mehr realisiert werden, müssen die Werkzeugaufnahmen besondere Bedingungen hinsichtlich Geometrie, Rundlaufgenauigkeit, Wuchtgüte aber auch hinsichtlich der Prozesssicherheit beim Werkzeugwechsel erfüllen. Je kleiner der Spanndurchmesser desto häufiger stoßen mechanische Universalspannfutter, aber auch thermische Schrumpffutter oder Hydro-Dehnspannfutter an Grenzen, sei es weil der zur Verfügung stehende Raum nicht für die entsprechende Spannmechanik ausreicht oder weil sich Werkzeuge in derart kleinen Dimensionen nicht mehr zuverlässig wechseln oder präzise einstellen lassen. Andere Spanntechnologie, wie beispielsweise die Polygonspanntechnik, die keine beweglichen Teile enthalten, spielen unter anderem hier ihre Stärken aus.
Kriterien für Präzision und Produktivität
Historisch betrachtet war die Einhaltung der Basiskriterien lange Zeit ausreichend, um die meisten Zerspanungsoperationen durchzuführen. Erst in Verbindung mit wachsenden Ansprüchen an die Werkstückqualität und die Effizienz der Zerspanung sowie im Kontext moderner Werkzeugmaschinenkonzepte und Verfahren, gewannen bislang eher sekundäre Faktoren, die auch als Qualitätskriterien bezeichnet werden können, rasant an Bedeutung. Hier lassen sich sowohl branchenspezifisch als auch regional unterschiedliche Entwicklungsgeschwindigkeiten beobachten. Je höher die Ansprüche hinsichtlich Maßhaltigkeit, Oberflächengüte, aber auch hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, desto stärker rücken die folgenden Qualitätskriterien in den Fokus.
Rundlaufgenauigkeit: Für die Präzisionsbearbeitung ist die Rundlaufgenauigkeit der Werkzeuge und des gesamten Antriebsstrangs von entscheidender Bedeutung. Von ihr hängt ab, ob Maße und Toleranzen eingehalten werden. Zudem hat die Rundlaufgenauigkeit erheblichen Einfluss auf den Verschleiß der Werkzeugschneide und auf die Lebensdauer der Maschinenspindel. Dreht sich das eingespannte Werkzeug nicht zentrisch zur Werkzeughalterachse, besteht die Gefahr, dass es zu Ungenauigkeiten kommt und die erforderlichen Maße am Werkstück nicht eingehalten werden. Zudem beginnen die Werkzeuge während der Bearbeitung zu schlagen, was zu Mikroausbrüchen an der Schneide führt und deren Verschleiß beschleunigt.
Wiederholgenauigkeit: Die Wiederholgenauigkeit eines Werkzeughalters beschreibt, wie gut eine Werkzeugaufnahme einen definierten Parameter über mehrere Versuche hinweg reproduzieren kann. Für die moderne Präzisionsbearbeitung ist weniger die absolute Genauigkeit, sondern vielmehr die Wiederholgenauigkeit der Maschine und damit auch des Werkzeughalters entscheidend. Systematische Maschinenfehler lassen sich nämlich bei modernen CNC-Maschinen mit Hilfe von Algorithmen in der Maschinensteuerung vergleichsweise einfach kompensieren. Dies ist jedoch nur möglich, wenn eine hohe Wiederholgenauigkeit vorliegt, sprich wenn die jeweiligen Abweichungen immer möglichst identisch sind. Die Wiederholgenauigkeit des Werkzeughalters bestimmt also maßgeblich, welche Genauigkeiten letztlich am Werkstück zu erreichen sind.
Wuchtgüte: Eine Unwucht entsteht vereinfacht ausgedrückt, wenn die Masse in Rotationskörpern ungleich verteilt ist, da entweder der Schwerpunkt nicht auf der Drehachse liegt (statische Unwucht) oder die Hauptträgheitsachse nicht parallel zur Drehachse verläuft (dynamische Unwucht). Bei Werkzeughaltern liegt häufig eine Kombination aus statischer und dynamischer Unwucht vor. Ursachen können unter anderem sein: Konstruktiv-technisch bedingte Auslegungen des Werkzeughalters oder des Werkzeuges (z. B. einschneidige Werkzeuge); unsymmetrische Bauweise des Werkzeughalters (z.B. aufgrund von Greiferrillen oder Spannschrauben); unsymmetrische Massenverteilung aufgrund von Fertigungstoleranzen; Fluchtungsfehler oder Fehler bei der Lagerung des Rotationskörpers. Werkzeughalter mit großer Unwucht wirken sich in mehrfacher Hinsicht negativ aus: schlechtere Oberflächenqualität aufgrund von Vibrationen am Werkzeughalter; Einschränkung der erzielbaren Schnittgeschwindigkeiten; abnehmende Fertigungsgenauigkeit; Verkürzung der Werkzeugstandzeiten; Lagerschäden an der Maschinenspindel.
Schwingungsdämpfung: Entsprechend dem Nachgiebigkeitsfrequenzgang des Gesamtsystems aus Maschine, Werkzeughalter, Werkzeug, Werkstückspannung und Werkstück treten bei jedem Zerspanungsprozess Schwingungen auf. Diese können beträchtliche Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis haben und zu erhöhtem Werkzeugverschleiß, Werkzeugbruch oder Maschinenschäden führen. Vergleichbar mit einem Stoßdämpfer sind Werkzeughalter je nach Spanntechnologie in der Lage, Schwingungen zu dämpfen und einen ruhigen und gleichmäßigen Schneideneingriff zu unterstützen. Auf diese Weise lassen sich Geräuschentwicklungen minimieren, die Qualität der Werkstückoberfläche verbessern, die Standwege der Werkzeuge verlängern und die Maschinenspindel schonen.
Kühlmittelzufuhr: Kühlschmierstoffe erfüllen beim Zerspanen vielfältige Aufgaben. Sie führen Späne und Wärme ab, vermindern die Reibung, sorgen für eine gleichmäßige Temperatur von Werkzeug und Werkstück und tragen dazu bei, dass Toleranzen eingehalten werden. Nach der Art der Kühlmittelzufuhr kann zwischen Außenkühlung, Peripheriekühlung und Innenkühlung unterschieden werden. Vor allem bei der Innenkühlung ergeben sich Vorteile: Der Kühlschmierstoff kommt exakt an der Schneide an, ohne dass Kühlmitteldüsen manuell ausgerichtet werden müssen; auch aus engen und tiefen Konturen werden Späne zuverlässig abtransportiert; selbst beim Tieflochbohren kann die Schneide wirkungsvoll gekühlt werden. In der Folge verlängern sich die Standwege der Werkzeuge und die Prozessparameter können zum Teil deutlich erhöht werden.
Wirtschaftlichkeitskriterien
Während die Basiskriterien und Qualitätskriterien unmittelbar den Zerspanungsprozess bestimmen und stets vorrangig in den Blick zu nehmen sind, dienen die Wirtschaftlichkeitskriterien der finalen Entscheidung unter ökonomischen Gesichtspunkten. Neben den reinen Anschaffungskosten der Werkzeugaufnahme sind hier zum einen die direkten Kosten zu berücksichtigen: Lebensdauer, Investitionen in Peripheriegeräte, Kosten des laufenden Betriebs (Werkzeugwechsel, Reinigung, Längenvoreinstellung, Wartung), Flexibilität, Energieverbrauch beim Werkzeugwechsel sowie Wiederverwendbarkeit der Aufnahmen.
Zum anderen spielen vor allem die indirekten Kosten eine wesentliche Rolle. Hierzu zählen vor allem die Werkzeugkosten (da die Standzeiten der Werkzeuge abhängig vom eingesetzten Spannsystem erheblich variieren) sowie die Kosten/Einsparungen infolge einer reduzierten beziehungsweise erhöhten Produktivität. Über die Lebensdauer betrachtet können bei den indirekten Kosten pro Werkzeugaufnahme zum Teil Einsparungen im fünfstelligen Bereich realisiert werden. Zusätzlich gewinnt der Aspekt der Unfallvermeidung in jüngster Zeit rasant an Bedeutung. Vor allem Verbrennungen oder Quetschungen gelten als mögliche Risiken.
Systematischer Vergleich
Der Kriterienkatalog zeigt, dass bei der Werkzeughalterauswahl stets eine detaillierte Betrachtung der jeweiligen Anwendung empfehlenswert ist. Als Kompetenzführer für Greifsysteme und Spanntechnik verfügt SCHUNK über eine umfangreiche Expertise in diesem Bereich. Hinzu kommt, dass das SCHUNK-Werkzeughalterprogramm als das umfangreichste Technologiespektrum made in Germany gilt.
Es reicht von mechanischen Werkzeughaltern und Warmschrumpfaufnahmen über preisattraktive hydraulisch gespannte Werkzeughalter bis hin zu High-End-Spannfuttern auf Basis der Hydro-Dehn- oder Polygonspanntechnik. Die Spitze bildet derzeit der sensorische Werkzeughalter iTENDO, der eine lückenlose Zustandsbeobachtung und Dokumentation der Prozessstabilität erlaubt, eine echtzeitfähige Regelung von Drehzahl und Vorschub sowie eine mannlose Grenzwertüberwachung.
