Dynamisches Verhalten von Werkzeugaufnahmen im Vergleich

Grundsätzlicher Aufbau, wesentliche Parameter und bei den Tests betrachtete Varianten von Werkzeugaufnahmen.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken kommen Schaftfräser mit unterschiedlicher Stirngeometrie zum Einsatz. Zylindrische Werkzeuge in scharfkantiger, gefaster oder mit einem kleinen Radius versehene Werkzeuge werden z. B. für die Bearbeitung von Flächen, Nuten und Kanten eingesetzt. Voll- oder Doppelradiuswerkzeuge kommen dagegen häufig bei der Bearbeitung im Werkzeug- und Formenbau zum Einsatz.

Einer der drei Autoren: Prof. Dr.-Ing. Paul Helmut Nebeling ist Professor an der Hochschule Reutlingen und lehrt zu den Themen Werkzeugmaschinen, Steuerungstechnik (inklusive Hydraulik) und Produktionsanlagen.

Kräfte und deren Wirkung

Durch die Eingriffsbedingungen wirken tangentiale, radiale und axiale Kräfte auf die Werkzeuge. Die axialen Kraftanteile werden durch die Eingriffstiefe (axiale Zustellung ap), Eingriffsbreite (seitliche Zustellung ae) und den Drallwinkel der spiralisierten Schneiden beeinflusst. Bei Hochvorschubfräsern wirken die Kräfte durch geringe axiale Zustellung und hohen radialen Vorschub pro Schneide zu größeren Anteilen in axialer Richtung, in der das Spindel-Lager-System eine höhere Steifigkeit besitzt. Die Schnittkräfte variieren periodisch in Betrag und Richtung in Abhängigkeit der Zustellung, Teilung, Winkelposition und dem Eingriffsbereich des Werkzeugs. Die bei der Bearbeitung auftretenden axialen und radialen Kräfte müssen von der Werkzeughalterung sicher aufgenommen werden. Dabei wirken prozessbedingt erhebliche dynamisch variierende Kräfte. Teilweise führt dies zu einem Versagen der Werkzeugfixierung in der Aufnahme bei deutlich unter den statischen Haltekräften liegenden Bearbeitungskräften. Zur Absicherung kommen teilweise mechanische, formschlüssige Sicherungen zum Einsatz.

Verfügbare Werkzeugaufnahmen

Werkzeuge werden mit unterschiedlichen konstruktiven Prinzipien in der Maschine aufgenommen. Einheitlich ist dabei die genormte Schnittstelle zur Maschinenspindel (SK DIN 69871, HSK DIN 69893). Diese ist häufig als Steilkegel- oder Hohlschaftkegel ausgeführt. Insbesondere die Hohlschaftkegel-Schnittstelle ermöglicht eine hohe Steifigkeit und Genauigkeit. In Abhängigkeit der Anwendung sind diese Aufnahmen für den automatischen Werkzeugwechsel mit einer Greifernut versehen.

Bei Werkzeugaufnahmen für Schaftwerkzeuge haben sich unterschiedliche Spannprinzipien (Hydrodehn-, Spannzangenfutter, Schrumpf- oder Weldonaufnahme) auf dem Markt etabliert. Zur Erzielung hoher statischer und dynamischer Stabilität sollte der frei auskragende Bereich aus Aufnahme und Werkzeug so kurz und steif wie möglich sein. Insbesondere bei der Bearbeitung tiefer Kavitäten ist aber der Einsatz langer, schlanker Aufnahmen und Werkzeuge erforderlich. Diese erlauben dann nur sehr begrenzte Zustellung und Vorschubwerte.

Während bei Spannzangenaufnahmen und Schrumpffuttern eine allseitige flächige Anlage des Werkzeugschaftes vorhanden ist, zentriert das Hydrodehnspannfutter den Schaft, ist aber radial durch die nachgiebige Ölkammer flexibel. Bei der Weldon-/Wistle-Notch-Aufnahme drückt die Spannschraube den Werkzeugschaft an der gegenüberliegenden Seite linienförmig an die Bohrungswand, während die Spannschraube den Schaft an der gegenüberliegenden Seite nur punktuell lagefixiert. Diese unterschiedlichen Prinzipien führen bezüglich Steifigkeit und Dämpfung zu erheblichen Unterschieden. Während die allseitige Umschlingung des Schaftes einer starren Aufnahme ähnelt, kann sich der Schaft bei Hydrodehnaufnahmen radial verbiegen. Die Steifigkeit bei allseitig umschlungenen Schäften ist dann primär von der Steifigkeit der Aufnahme selber (Wandstärke und Länge) abhängig. Der auskragende Teil des Werkzeuges ist ebenfalls ein Biegebalken.

Die daraus resultierenden Übertragungsfunktionen und Schwingungsformen zeigen charakteristische Resonanzfrequenzen. Häufig hat die Spindel selber eine ausgeprägte Resonanzfrequenz. Diese und das Niveau der statischen Nachgiebigkeit wird durch die Steifigkeit der Aufnahme und des Werkzeuges bezüglich der Amplitude erheblich beeinflusst. Die Spindelresonanzfrequenz ist aber auch am Werkzeug deutlich zu erkennen.

Untersuchungsergebnisse

Bei den vergleichenden Untersuchungen der unterschiedlichen Aufnahmen wurden insgesamt über 50 Aufnahmen getestet. Dabei wurden drei unterschiedliche Werkzeugdurchmesser (10, 12 und 16 mm) sowie drei unterschiedliche Auskraglängen (25, 55 und 80 mm bei Durchmesser 12 mm, 30, 60 und 90 mm bei Durchmesser 16 mm untersucht. Damit konnten Aussagen bei unterschiedlichen Nachgiebigkeitsverhältnissen zwischen Aufnahme und Werkzeug ermittelt werden.

Bei den Messungen war der Beschleunigungsaufnehmer und der Anregungspunkt jeweils an der Werkzeugspitze. Zur Erfassung des Masseeinflusses des Aufnehmers auf die Eigenfrequenz wurden Untersuchungen mit Beschleunigungssensor an der Aufnahme und Anregung an der Werkzeugspitze sowie Anregung auch an der Aufnahme durchgeführt. Die Masse des Beschleunigungsaufnehmer führt zu einer Reduzierung der Resonanzfrequenz. Die Auskraglänge des Werkzeugs beeinflusst die statische und dynamische Nachgiebigkeit sowie die Resonanzfrequenzen deutlich. Für alle Versuche wurde dieselbe Schrumpfaufnahme mit einer Aufnahmelänge von 95 mm und einem Werkzeugdurchmesser von 16 mm verwendet. Die statische Gesamtnachgiebigkeit beträgt etwa 0,5 µm/N bei 90 mm Auskraglänge, 0,1 µm/N bei 55 mm und 0,02 µm/N bei 30 mm. Die maximale dynamische Nachgiebigkeit beträgt 6,2 µm/N (90 mm), 0,89 µm/N (55 mm) und 0,12 µm/N (30 mm). Auch die höherfrequenten Resonanzfrequenzen (Biegeschwingung der Aufnahme und des auskragenden Werkzeugteils) werden durch die Auskraglänge deutlich beeinflusst.

Aufgrund des Aufbaus der Aufnahmen gab es geringe Unterschiede der Aufnahmelänge und der Auskragung. Diese führen zu Abweichungen der unterschiedlichen Ergebnisse. Die Aufnahme der Spannzangen ist etwas länger (100 statt 95 mm). Die Auskraglänge der Hydrodehnaufnahme ist jeweils etwas kürzer (88/52 mm) als die der Schrumpfaufnahme (90/54 mm) und der Spannzangenaufnahme (93/57 mm). Dadurch ergibt sich geometrisch für die Spannzangenaufnahme die nachgiebigste und die Hydrodehnaufnahme die steifste Konstellation. Bei den Messungen ergab sich aber bei den Hydrodehnaufnahmen jeweils die höchste und bei den Spannzangenaufnahmen die geringste Nachgiebigkeit bei der ersten Resonanzfrequenz.

Die erste Resonanz entspricht der Biegeeigenfrequenz der Spindel, Aufnahme und Werkzeug schwingen dabei gleichphasig mit. Dies entspricht auch der Verformung der statischen Biegelinie. Ein einfaches Ersatzmodell berücksichtigt die Verformungsanteile Spindelbiegung und Lagereinfederung. Über alle Schwingungsformen hinweg bleiben diese Anteile erhalten, dynamisch dominiert die Biegung, Starrkörperschwingungen sind selten. An der Werkzeugspitze setzt sich diese Schwingungsform durch gleichphasige Anteile der Aufnahme und des Werkzeugs fort. In Abhängigkeit der Steifigkeit der Aufnahme und des Werkzeuges (Länge und Durchmesser dieser Komponenten) treten deren Eigenfrequenzen und Schwingungsformen bei anderen Frequenzen auf. Diese liegen bei gedrungenen Bauteilen (kleines Längen-Durchmesser-Verhältnis) bei teilweise deutlich höheren Eigenfrequenzen.

Während Schrumpffutter und Spannzangen das Werkzeug auf der gesamten Spannlänge flächig gegenüber der Aufnahme abstützen, zentriert die hydraulische Spannhülse bei einer Hydrodehnaufnahme das Werkzeug zwar, stellt aber radial keine Steifigkeit dar. Dadurch kann der Werkzeugschaft im Bereich der Spannung radial ausweichen. Der modellmäßig unten dargestellte Vergleich zeigt eine deutlich längere (weichere) Biegelinie des Werkzeuges. Dadurch sinkt die statische (und auch dynamische) Steifigkeit des Gesamtsystems. Die Dämpfung der Ölbuchse macht diesen Steifigkeitsverlust der Spannung nicht weg. Beim Vergleich der Schrumpf- und Spannzangenaufnahme besitzt die erste Resonanzfrequenz der Schrumpfaufnahme jeweils eine höhere Nachgiebigkeitsamplitude. Dieser ist auf die geringere Dämpfung aufgrund nur einer Fügestelle zurückzuführen. Die dynamischen Schnittkraftanteile führen bei den Spannzangenaufnahmen durch Mikrobewegungen in den Fügestellen zwischen Werkzeug, Spannzange und Aufnahme zu Dämpfung. Diese erhöht die dynamische Stabilität bei der Bearbeitung, was sich auch in Bearbeitungstests bestätigte.

Zusammenfassung

Die Untersuchungen dienten der systematischen Analyse der statischen und dynamischen Eigenschaften von Schrumpf-, Hydrodehn- und Spannzangenaufnahmen von Schaftwerkzeugen. Dabei wurden Aufnahmen und Werkzeuge mit unterschiedlichen Längen und Durchmessern hinsichtlich ihres Resonanz- und Dämpfungsverhaltens während der Bearbeitung vergleichend untersucht. Zur Herstellung der Vergleichbarkeit kamen Aufnahmen und Werkzeug mit möglichst gleichen Abmaßen zum Einsatz.

Die Ergebnisse zeigen systematische Einflüsse der geometrischen Dimensionen sowie der Prinzipien. Grundsätzlich zeigen die Spannzangenaufnahmen die besten dynamischen Eigenschaften. Sowohl statisch als auch dynamisch sind die Hydrodehnaufnahmen weicher. Bei den steifen Schrumpfaufnahmen ist die Dämpfung geringer, so dass die dynamischen Eigenschaften etwas unter denen der Spannzangen mit vergleichbarer Außengeometrie liegen. Schrumpfaufnahmen eignen sich aber aufgrund der fehlenden Spannzangen insbesondere für die dynamisch kritischen Bearbeitungsfälle bei langen Aufnahmen zur Bearbeitung tiefer Kavitäten. Die instrumentellen Testergebnisse konnten auch während der Bearbeitung verifiziert werden. Eine Verschlechterung der Steifigkeit durch Erhöhung der Dämpfung führt zu schlechteren dynamischen Eigenschaften. Auch wenn die Werkzeugaufnahmen und Werkzeuge hohe Nachgiebigkeit besitzen, müssen auch die Resonanzfrequenzen der Maschine berücksichtigt werden. Weitere Untersuchungen werden die Effekte der Dämpfung und der dynamischen Haltekräfte der Aufnahmen noch näher betrachten.