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May 16, 2023

Die Verbindung herstellen

Abbildung 1. Ein Werkzeughalter überträgt die Bewegung von der Werkzeugmaschine auf das Schneiden

Abbildung 1. Ein Werkzeughalter überträgt die Bewegung von der Werkzeugmaschine auf die Schneidkante selbst.

Werkzeughalter stellen die entscheidende Verbindung zwischen einer Maschinenspindel und dem Schneidwerkzeug her. Sie sind dafür verantwortlich, das Werkzeug bei extrem hohen Geschwindigkeiten sicher zu greifen, übermäßigen Rundlauf zu vermeiden und das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Canadian Metalworking sprach mit Jack Burley, Vizepräsident für Vertrieb und Technik bei Big Kaiser Precision Tooling Inc., über die Grundlagen von Werkzeughaltern, einschließlich gängiger Systeme. ein wenig Geschichte und was die Zukunft bringen könnte.

Burley verfügt über mehr als 30 Jahre Branchenerfahrung. Als Mitglied des Technischen Ausschusses der American Society of Mechanical Engineers (ASME) überprüft er jährlich empfohlene Werkzeughalterkonstruktionen, vorgeschlagene Verbesserungen und von Herstellern angeforderte Änderungen.

CM:Was ist die grundlegende Aufgabe eines Werkzeughalters?

Jack Burley: Ein Werkzeughalter überträgt die Bewegung von der Werkzeugmaschine auf die Schneide selbst. Es zieht die gesamte Baugruppe zusammen(siehe Abbildung 1).

Jede Maschine folgt einem anderen Werkzeughaltestandard, daher gibt es sie in Tausenden von Varianten und Anpassungen. Ein Hersteller muss wissen oder bewerten, welchen Standard eine Maschine für ihren automatischen Werkzeugwechsler und ihr Magazin hat.

CM:Was sind die häufigsten Arten von Werkzeughaltern?

Burley: Es gibt drei gängige Werkzeughalter mit Steilkegel. Steile Verjüngungen haben eine Verjüngungsrate von 7 bis 24, was bedeutet, dass auf alle 7 Zoll in Y 24 Zoll in X oder eine Verjüngung von 3-1/2 Zoll pro Fuß kommen.

In Nordamerika ist der CAT 40 und 50 der am weitesten verbreitete Stil(siehe Abbildung 2a) . Es basiert auf dem ASME B5.50-Standard, der seit Ende der 70er Jahre existiert. Der Standard wurde von Caterpillar Inc. entwickelt, einem bedeutenden Anwender von Werkzeugmaschinen mit automatischen Werkzeugwechslern. Das Unternehmen diktierte, wie die Werkzeughalter aussehen würden, wenn Werkzeugmaschinenhersteller sie verkaufen wollten. Sie wollten eine Standardisierung.

Bis dahin hatte jeder OEM eine andere Art, Werkzeuge zu halten. Es gab keine Austauschbarkeit. Mehrere Werkzeughalterfirmen und Werkzeugmaschinenbauer schlossen sich mit Caterpillar und einigen anderen Herstellern zusammen, verfeinerten das Design und machten es zu einem neuen Standard.

Japanische und asiatische Werkzeugmaschinenbauer entschieden sich für die BT(siehe Abbildung 2b) , ein japanischer Industriestandard (JIS), den es ungefähr so ​​lange gibt wie der CAT-Standard. Der Konus selbst, die Durchmesser und die Längen sind die gleichen wie beim CAT. CAT- und BT-Werkzeughalter passen in dieselbe Spindel, wenn sie von Hand beladen werden. Der Unterschied liegt im Werkzeugwechslermechanismus – der Art und Weise, wie der automatische Werkzeugwechsler den Werkzeughalter greift, um ihn vom Magazin in die Spindel zu wechseln.

Abbildung 2a. Der Hauptunterschied zwischen einem CAT- und einem BT-Werkzeughalter ist die V-Nut am Schaft. Siehe auch 2b.

Mit dem CAT-Design folgte die europäische DIN-Norm. Die Abmessungen des Werkzeughalters sind die gleichen wie beim CAT, die Messung erfolgt jedoch metrisch.

CM:Was ist bei HSK-Werkzeughaltern anders?

Burley: Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wurde in den 90er Jahren immer beliebter, vor allem in der Luft- und Raumfahrt, wo man begann, monolithische Teile wie Flügelstreben aus Knüppeln zu bearbeiten, anstatt Fertigungsverfahren einzusetzen. Um diese Teile schnell herzustellen, wurde viel Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt.

Die damals verfügbaren Werkzeughaltesysteme waren für diese Art der Bearbeitung nicht so gut geeignet wie der deutsche Hohlschaftkegel (HSK), der einen flacheren Kegel im Verhältnis 1:10 aufweist(siehe Abbildung 3). Seitdem ist der HSK nach ISO-Spezifikationen (12164-1, -2) standardisiert. Es sind mehrere Größen von HSK-Werkzeughaltern in unterschiedlichen Formen erhältlich, die für kleine bis große Maschinen geeignet sind. Form A ist beispielsweise für die allgemeine Bearbeitung und Form E oder F für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vorgesehen. Die Formulare weisen je nach dem Standard, dem sie folgen, unterschiedliche Merkmale auf(siehe Abbildung 4).

Größtenteils hat sich der Markt auf die international gebräuchlichste HSK-Form A eingependelt. Es ist wirklich einer der wenigen weltweiten Werkzeughalterstandards. Es wurde in Japan, Nordamerika und Europa übernommen. Wir sehen es und verkaufen es hier, aber es ist nicht so verbreitet wie die CAT-Kegel-Werkzeughalter.

CM:Wie sieht es mit dem Schneidwerkzeuganschluss aus?

Burley: Was ich das zweite Ende des Werkzeughalters nenne, hält die Schneidwerkzeuge. Die Werkzeuge – Bohrer, Schaftfräser, Gewindebohrer, Reibahlen – sind typischerweise zylindrisch mit einem geraden Schaft.

Das Spannzangenfutter ist die gebräuchlichste Art, einen Bohrer zu halten und ist in Größen von sehr klein bis sehr groß erhältlich. Jede Spannzange kann verschiedene Werkzeuggrößen aufnehmen. Wenn die Mutter ein Werkzeug im Spannfutter festklemmt, besteht normalerweise eine Eindrückbarkeit des Werkzeughalters von etwa 0,020 Zoll.

Zum Beispiel ein 5/8-Zoll. Die Spannzange für ein Werkzeug mit 0,625 mm Durchmesser spannt weiterhin ein Werkzeug mit 0,620 mm Durchmesser. Der 0,625 ist der maximale Durchmesser, ein 0,605 wäre der minimale. Ein Spannzangenfutter ist sehr universell einsetzbar und kann viele Werkzeuge aufnehmen. Es gibt einen ER-Qualitätsstandard für Spannzangenfutter und es gibt proprietäre Systeme von Spannzangenherstellern, die leicht unterschiedliche Winkel haben, die für mehr Rundlaufgenauigkeit und Genauigkeit sorgen(siehe Abbildung 5).

Das Spannzangenfutter eignet sich für allgemeine Bearbeitungsbedingungen. Weitere Werkzeuge, die zum Schruppen von Schaftfräsern mit hoher Beanspruchung verwendet werden sollten.

Abbildung 2b. Der Winkel bzw. die Konizität der CAT- und BT-Werkzeughalter ist mit etwa 16 Grad gleich.

CM:Gibt es eine Alternative zum Spannzangenfutter?

Burley: Eine andere beliebte Möglichkeit, das Werkzeug zu halten, ist ein Schaftfräserhalter mit seitlicher Verriegelung. Eine Stellschraube greift in einen flachen Abschnitt eines Werkzeugs mit geradem Schaft ein, um es im Halter zu sichern. Es bietet viel Kontakt, aber jeder Halter passt nur für Werkzeuge einer Größe(siehe Abbildung 6).

Die Klemmung ist sehr sicher, Rundlauf und Steifigkeit sind jedoch nicht sehr gut. Dabei handelt es sich um eine relativ alte Technologie für das allgemeine Schaftfräsen, die jedoch weiterhin beliebt ist, da sie im Vergleich zu anderen Werkzeughaltesystemen kostengünstig ist.

CM:Wie passt Schrumpfpassung?

Burley: Die Schrumpftechnik sorgt für eine sehr stabile Verbindung zwischen Werkzeug und Werkzeughalter. Es ist in den letzten 20 Jahren ziemlich populär geworden.

Während des Verbindungsvorgangs wird die Werkzeugbohrung auf 1.000 Grad F erhitzt, sodass sie sich so weit ausdehnt, dass das Schneidwerkzeug hineinfallen kann. Wenn der Werkzeughalter auf Umgebungstemperatur abkühlt (einige Schrumpfsysteme verfügen über eine integrierte Kühlung), schrumpft er zurück auf seine ursprüngliche Größe und komprimiert sich um das Werkzeug herum(siehe Abbildung 7) . Durch diese Paarung ergibt sich ein äußerst geringer Rundlauffehler und eine sehr gute Greifkraft.

In jeden Schrumpfwerkzeughalter passt nur ein Werkzeug einer Größe. Es handelt sich um ein sehr praktisches System zum Schaftfräsen, bei dem alle Werkzeugschäfte eine Einheitsgröße haben.

CM:Erzählen Sie uns von hydraulischen Spannfuttern.

Burley: In einem hydraulischen Spannfutter befindet sich eine Hydraulikkammer. Wenn der Kolben zusammengedrückt wird, wird die Hydraulikflüssigkeit um die Werkzeughalterbohrung herum komprimiert, um eine sehr starke Spannkraft zu erzeugen. Eine Sechskantschraube klemmt und löst das Werkzeug(siehe Abbildung 8).

CM:Welches Spannfutter scheint das beliebteste zu sein?

Abbildung 3a. HSK-Werkzeughalter haben einen flacheren Konus als CAT- oder BT-Typen.

Burley:Das Fräsfutter(siehe Abbildung 9) . Es funktioniert mit einem Roll-Lock-Lagersystem. Wenn die Mutter festgeklemmt wird, komprimiert sie die Bohrung des Werkzeughalters und sorgt so für eine sehr hohe Steifigkeit. Diese Art von Werkzeughalter übertrifft andere typischerweise um den Faktor zwei. Es ist etwas teurer, ermöglicht aber die Verwendung von Spannzangen. Zur Sicherung des Werkzeugs genügt ein Spannschlüssel.

Die Fräsfutter haben eine höhere Produktivität als alles andere auf dem Markt, wenn es um Schaftfräserhalter zum Schruppen, Schlitzfräser oder sogar die Verwendung mit Planfräsern geht. Für den Einsatz mit Bohrmaschinen ist es nicht die erste Wahl.

CM:Gibt es andere Werkzeughalter, über die wir sprechen sollten?

Burley: Neben Werkzeughaltern mit zylindrischem Schaft gibt es Systeme wie Aufsteckfräserhalter, die für Planfräser Standard sind. Zum Anziehen werden je nach Herstellerangabe Fräs- oder Innensechskantschrauben verwendet.

Mit neueren Technologien wie mehrachsigen Maschinen zum Drehen und Fräsen wurden dann Werkzeughalter eingeführt, die mit beiden Schneidverfahren arbeiten können(siehe Abbildung 10).

CM:Wie wählen Sie aus?

Burley: Insbesondere bei Technologien, die höhere Materialabtragsraten und bessere Oberflächengüten ermöglichen, kommt es auf die Leistungsqualität je nach Aufwand an. Erwarten Sie von den günstigeren Systemen nicht viel Leistung. Höhere Investitionen sorgen für ein leistungsstärkeres System und eine längere Werkzeuglebensdauer aufgrund der geringeren Unrundheit.

Ich würde gerne sagen, dass sich die Standzeit des Werkzeugs für jede Unrundheit von 0,0001 Zoll entweder um 20 Prozent verlängert oder verringert. Wenn ich zum Beispiel einen 3/8-Zoll einbaue. Bohren Sie in ein Spannzangenfutter und achten Sie vor der Verwendung auf einen Rundlauffehler von 0,0005 Zoll. Wenn der Rundlauf jedoch auf 0,0004 Zoll reduziert wird, erhöht sich die Standzeit des Werkzeugs um 20 Prozent. Wenn der Wert umgekehrt von 0,0005 Zoll auf 0,0006 Zoll steigt, verringert sich die Werkzeugstandzeit um 20 Prozent.

Schneidwerkzeuge können teuer sein, und wenn sie weggeworfen werden, bevor sie ihre volle Lebensdauer erreichen, summieren sich die Kosten. Wenn Sie für einen hochpräzisen Werkzeughalter etwas mehr bezahlen, erzielen Sie einen guten ROI und zahlen sich dann aus.

CM:Was kommt als nächstes?

Abbildung 3b. Ein HSK-F-Typ ohne Schlitze oder Löcher eignet sich besser für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung auf kleineren Maschinen.

Burley: Die große Frage ist, wie der nächste Standard auf den sich weiterentwickelnden Werkzeugmaschinen basieren wird. Wie wird sich die Werkzeughalterschnittstelle ändern? Wird es eine wesentliche Änderung oder eine Verbesserung eines aktuellen Systems sein?

Zu diesem Zeitpunkt sehe ich nichts Monumentales am Horizont.

Big Kaiser Precision Tooling Inc., 888-866-5776, www.us.bigkaiser.com