Analyse der Bohrwerkzeugspannzange: Der Schlüssel zur Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit von Innenbohrungen

Kleinklammern mit wendbaren Einsätzen werden in der Zerspanungstechnik bereits seit vielen Jahren eingesetzt. In modernen Fertigungsumgebungen haben sich Kleinklammern für Bohr-, Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeuge etabliert. Es gibt zahlreiche Gründe, warum Kleinklammern in der Werkstatt so verbreitet sind:

• Wenn eine präzisere Einsetzposition erforderlich ist, ermöglicht die Kleinmesserhalterung eine justierbare Ausrichtung des Werkzeugs. Als eigenständiges Bauteil kann die Kleinmesserhalterung unabhängig von den übrigen Schneideelementen des Werkzeugs präzise bewegt werden, um Fertigungsunvollkommenheiten auszugleichen.
• Die Spannzange schützt den teuren Werkzeughalter. Kollisionen sind ein häufiges Ausfallmodell bei Zerspanungsoperationen. Selbst in modernen, durch verbesserte Validierungsprozesse in CAD/CAM-Systemen sowie durch den Einsatz von Werkzeugüberwachungssystemen ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen dem Schneidteil des Werkzeugs und dem Werkstück nach wie vor hoch. Die präzise Positionierung der Spannzange verhindert jeglichen „Missbrauch“ und schützt den Werkzeughalter vor schweren Beschädigungen.
• Das Messerklemmsystem verwendet standardisierte Komponenten, die von mehreren Anbietern auf dem freien Markt hergestellt werden, wodurch die Werkzeugkosten gesenkt werden.
• Die Kleinstahlzange besteht aus hochwertigem legiertem Stahl, der einer geeigneten Wärmebehandlung unterzogen wurde, wodurch das Material des Zangenkörpers weicher und leichter wird und somit die Qualität des Werkzeugs erhöht wird.
• Der Kleinstschneider ermöglicht es dem Anwender, mehrere Bearbeitungsstationen an einem einzigen Werkzeug zu integrieren, sodass zahlreiche unterschiedliche Bearbeitungsschritte in einem einzigen Bearbeitungsdurchlauf kombiniert werden können. Diese Fähigkeit trägt maßgeblich zur Steigerung der Materialabtragsrate bei, insbesondere in der Massenproduktion.

Abbildung 1: Typisches Design eines kleinen Messerklemmmechanismus gemäß der ISO-Norm 5611

Das typische Design der ISO-5611-Kassette (siehe Abbildung 1) umfasst:

1. Massiver Körper aus wärmebehandeltem legiertem Stahl; 2. Schneideinsätze aus Hartmetall, Keramik oder ultraharten Schneidstoffen wie PCD oder CBN; 3. Einsatthalteschrauben; 4. Schrauben ohne Kopf; 5. Axialverstellschrauben; 6. Kassettenspannschrauben; 7. Unterlegscheiben; 8. Optional: Gewindehaltungselemente oder Spiralfedern.

Die Norm legt zwar nicht das Magazin-Design fest, sondern lediglich die Hauptabmessungen fest. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch verschiedene Hersteller zusammengeschlossen, um ein einheitliches Grunddesign zu entwickeln – weshalb heute alle Magazine gleich aussehen.

In den vergangenen dreißig Jahren haben die Hersteller das Design und die Leistung von Werkzeugmaschinen erheblich verbessert. Die Spindeln sind schneller und steifer geworden; die Genauigkeit hat sich erhöht; Kommunikations- und Datenerfassungssysteme haben die Effizienz und die Ausbringung der Maschinen gesteigert. Auch bei der Entwicklung neuer Hartmetall- und ultraharter Schneidwerkstoffe wurden zahlreiche ähnliche Durchbrüche erzielt. Doch das Design von Schneidwerkzeugen – insbesondere solcher, die mit ISO-Kleinspannzylindern eingesetzt werden – hinkt in anderen Bereichen der Branche diesem Fortschritt hinterher.

Die Hauptnorm ISO 5611 für Typen und Abmessungen von Fräseraufnahmen (Fräseraufnahme, Typ A, indexierbare Einsätze – Abmessungen) wurde im Jahr 2015 umfassend aktualisiert und umfasst nun 12 Teilnormen, von ISO 5611-1:2015 bis ISO 5611-12:2015. Sie geht auf die deutsche Norm DIN 4985 zurück.

Abbildung 2: Kleines Messerfutter, das gemäß der ISO-Norm 5611 üblicherweise montiert wird.

Einige Faktoren sind besonders veraltet (siehe Abbildung 2) und schmälern die Leistungen der Werkzeugmaschine:

• Die Verwendung von Standardsteckschrauben mit großem Gewindeabstand führt zu einer Einstellauflösung, die unter den modernen Anforderungen liegt. Beispielsweise beträgt bei der Kassette 10CA (wobei 10 den Abstand zur Schneidkante in Millimetern angibt, C für Kassette und A für Ausführung A) der Gewindedurchmesser M4 und der Gewindeabstand 0,7 mm. Das bedeutet, dass sich die Kassette bei einer vollständigen Umdrehung der Schraube radial um 0,7 mm bewegt.
• Das Verhältnis L/l>>1 verringert die Lösungsrate der Anpassung weiter.
• Aufgrund der Steifigkeit des Zylindermantels kann die Einstellung ausschließlich über die Spannschraube 6 erfolgen (siehe Abbildung 1). In der praktischen Anwendung wirken die kleinere Schraube 4 und die größere Schraube 6 gegeneinander (siehe Abbildung 2).
• Aufgrund des Spalts zwischen dem Hülsenkörper und der Hülsenbodenplatte verfügt der Hülsenkörper unter Einwirkung der Schnittkräfte über keine stabile Abstützung.

Diese Nachteile führen zu einem aufwändigen Einstellprozess, der mehrfach wiederholt werden muss. Zur Einstellung übt der Bediener in der Regel eine verringerte Drehmomentbelastung auf die Klemmschraube 6 aus (siehe Abbildung 1). Anschließend betätigt er oder sie die Einstellschraube 4 und stellt die Klemmschraube 6 auf die erforderlichen Spezifikationen ein. Während dieses Vorgangs verformt sich das Schusskörperteil leicht, wodurch sich die Sollposition des Einsatzes ändert. Von diesem Punkt an hängt alles von der Erfahrung des Bedieners ab. Einige Bediener beginnen neu, indem sie die Klemmschraube wieder lockern, während andere mit Hilfe der Radialschraube die Position der Schneidkante feinjustieren. Es lässt sich nicht vorhersagen, in welchem Maße die Radialverstellschraube im Klemmgewinde feststeckt. Zudem sind die Abmessungen des Sechskant- oder Drehmomentschlüssels für den Antriebsschraubenkopf häufig so klein, dass er möglicherweise nicht ausreicht, um die Reibung zu überwinden.

Abbildung 3: Das neue Konzept der feinen Einstellung des kleinen Messerklemmmechanismus ist detailliert beschrieben. (Fr steht für die radiale Schnittkraft.) Das Bild zeigt einen Pfeil, der durch einen Stein dringt.

Um die Mängel herkömmlicher Konstruktionen zu beheben, hat die Firma Jianchuanshi ein Kassettenkonzept entwickelt (siehe Abbildung 3), bei dem die neue Kassette mit hochentwickelten Technologien aus dem Maschinenbau neu kombiniert wurde.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird diese neue Kassettenbauform auf der flexiblen Trägerplatte 1 aufgebaut. Das Einschubteil 2 wird durch die Schraube 3 an der Vorderseite der Kassette fixiert. Die Klemmschraube 6 mit Unterlegscheibe 7 und Gewindesicherung 8 entspricht im Wesentlichen dem ursprünglichen Design. Die Änderung der Spielregeln besteht in der Integration einer Differentialschraube 4 und eines Druckpolsters 9. Die Gewinde der Differentialschraube weisen denselben Steigungswinkel auf, jedoch unterschiedliche Steigungen: So kann beispielsweise das eine Gewinde M4 mm betragen, während das andere M4,25 mm beträgt. Dadurch ergibt sich eine Steigung von 0,25 mm – ein deutlich geringerer Wert als bei herkömmlichen Konstruktionen (0,7 mm).

Darüber hinaus befindet sich die radiale Einstellschraube 4 in einem Winkel a von 60 Grad, um die Feineinstellung mit noch höherer Auflösung zu ermöglichen. Die tatsächliche Einstellauflösung des Magazins 10CA beträgt 0,019 Millimeter (0,0007 Zoll) pro 90-Grad-Drehung der Einstellschraube. In der praktischen Anwendung kann der Bediener die Position der Schneidkante zuverlässig einstellen, und zwar mit einer Genauigkeit von bis zu 0,001 Millimeter (0,00004 Zoll).

Ein weiterer Vorteil der Druckauflage besteht darin, dass sie in dem Bereich, in dem der radiale Vektor der Schnittkraft (Fr) die größte Wirkung entfaltet, eine starke Stützkraft bereitstellt und gleichzeitig das Verhältnis L/l verringert (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Normale Montage der verbesserten Messerklemme.

Ein typisches Merkmal dieser Konstruktion ist die Flexibilität des Magazinkörpers, die durch die Nut 10 erzeugt wird (siehe Abbildung 3). Sie sorgt dafür und ermöglicht zugleich, dass zwischen dem Magazinkörper und dem Hauptwerkzeug stets eine konstante Vorspannung aufrechterhalten wird. Ein positiver Effekt hieraus ist eine differentialgekoppelte Rückprallfreiheit, wodurch sich die Einstellungen in vertikaler Richtung sowohl nach oben als auch nach unten reibungslos vornehmen lassen. Bei diesen Einstellungen muss zudem die Magazinschraube nicht gelöst werden. Dies verkürzt die Wartungszeit erheblich und macht das Werkzeug benutzerfreundlicher.

Abbildung 5: Die Von-Mises-Spannung wird in den Bereichen mit der maximalen Verformung im Kerbgebiet angezeigt.

Bei der Berechnung der Nennvorspannung des Magazinkörpers berücksichtigt Arrow-Pier-Stone folgende Faktoren:

• Die zusätzliche maximale Verformung beträgt 0,2 mm (0,008 Zoll), um den Verschleiß der Schneidkante auszugleichen.
• Einfluss der Zentrifugalkraft auf Hochgeschwindigkeitsanwendungen – beispielsweise beim Bearbeiten von Aluminium mit PCD-Einsätzen.
• Die maximale Spannung an der kritischen Querschnittsfläche des Körpers (siehe Abbildung 5).

Während des gesamten Betriebs ist es erforderlich, die Verformung im vorderen Bereich der Einsätze maximal zu erhöhen, um den dimensionsmäßigen Verschleiß der Schneidkante auszugleichen. Ziel des Designs ist es, die Einsätze innerhalb des linearen Verformungsbereichs zu halten und damit Ermüdungsversagen zu verhindern. Nach dem Indexieren der verschlissenen Einsätze und deren Anpassung auf die Nennmaße verringert sich die Spannung automatisch auf den Nennwert.

Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird der vordere Teil des Zylinders gemäß Gleichung (1) unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft bearbeitet:

Fc = 0,01097 m r nrpm2 (1) 2465

Wo ist es?

m=Masse (Kilogramm)

r = Radius der Massenmitte (in Metern)

nrpm = Umdrehungen pro Minute

Typische Bohrwerkzeuge für die Bearbeitung mehrerer Flächen sind in Abbildung 6 dargestellt: Das vordere Einsatzteil führt den Grobbearbeitungsvorgang aus, während die übrigen Einsätze die Feinbearbeitung und das Fasen fertigstellen.

Abbildung 6: Ein Eine gewöhnliche Mehrspindel-Bohrmaschine mit einem umfassenden Innenkühlsystem und einer Feineinstellbox.

Die Drehzahl nrpm, ausgedrückt als Zweierpotenz, verdeutlicht die Bedeutung der Berücksichtigung der Einflüsse der Zentrifugalkraft auf die nominelle Vorspannung des Magazins. Einerseits verringert die Zentrifugalkraft die Vorspannung, indem sie versucht, den vorderen Teil des Magazins aus der Halterung „hochzuheben“. Andererseits erhöht sie die Spannungen in kritischen Bereichen. Beispielsweise beträgt bei einer Drehzahl von nrpm = 8 und einer Rotationsgeschwindigkeit von 000 U/min des Messerklemmmechanismus die Zentrifugalkraft bei einer Stillstandsposition (0 U/min) mit einer vorderen Massenanteil von m = 0,0199 kg ganze 489 N (110 Pfund).

Auf der Grundlage einer fundierten ingenieurtechnischen Analyse hat Jianchuan Shi die geometrischen Randbedingungen für die neue Mini-Spannzange festgelegt – und dabei gleichzeitig die Anforderungen der ISO-Norm 5611 eingehalten. Das neue Design ist vollständig austauschbar mit dem Original und wurde bereits in der Praxis erfolgreich getestet.

Die Anwendungsanalyse des Unternehmens Arrow Through Stone zeigt, dass in einer 10-CA-Werkzeughalterung mit einer Länge von L = 50 mm, einer Höhe von F = 14 mm und einem Abstand zur Schneidkante von H = 10 mm 75 % der Feinbearbeitungsoperationen durchgeführt werden können. Darüber hinaus hat das Unternehmen drei Haupttypen von universellen Werkzeughaltern identifiziert, die die Anforderungen der meisten Anwendungen erfüllen. Zusätzlich stehen auch weitere Typen und Größen von Werkzeughaltern gemäß ISO 5611 zur Auswahl.

Arrow Through Stone empfiehlt, Zwischenstücke nach Möglichkeit wärmebehandelt auf 60 HRC zu verwenden. Dies erhöht die Standzeit des Werkzeugs erheblich, indem es jede plastische Verformung im Kontaktbereich zwischen der Bodenfläche der Vertiefung und dem Schubblock 9 verhindert (siehe Abbildung 3).

Ein weiterer Vorteil von Abstandspads besteht darin, dass ihre Dicke geschliffen werden kann, um die Kassette an unterschiedliche Bohrungsdurchmesser anzupassen, sowie in der Möglichkeit, leichtere und weichere Werkstoffe wie Aluminium, Magnesium und Kohlefaser für den Werkzeughalter zu verwenden. Während des Schneidvorgangs absorbieren die Abstandspads hohen Druck und schützen das Schneidwerkzeug. Um einen freien Kühlmittelfluss zu gewährleisten, verfügen die Abstandspads über einen Pufferbereich.

Die wichtigsten Vorteile der neu patentierten, präzise einstellbaren Messerklemme lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die Messerklemme erfüllt die Anforderungen der ISO-Norm 5611 und bietet eine hochauflösende Einstellung mit einer Genauigkeit von 0,001 mm; im Einstellsystem tritt kein Nachschwingen auf; während des Einstellvorgangs muss die Messerklemme nicht gelöst werden; ein ausreichender Einstellbereich von 0,2 mm ermöglicht den Ausgleich des Verschleißes der Schneidkante; zudem weist die unter der Schneidkante angeordnete Stützklemme eine hohe Stabilität auf.

Diese neue Konstruktion hebt das Produkt auf das technische Niveau moderner Werkzeugmaschinen; der Einsatz neuer, kompakter Werkzeughalter in bestehenden Betriebsabläufen kann die Standzeit der Werkzeuge um mehr als das Doppelte verlängern und das Nutzererlebnis für Endanwender deutlich verbessern.