High-Performance-Zerspanung: Warum Werkzeughalter den Unterschied machen

Zwischen Hartmetallmaterialien, hohen Drehzahlen und Vorschüben – und Werkzeugauswuchten – sind Werkzeughalter für Ihren Fertigungserfolg an einer High-Performance-Maschine weit wichtiger, als Sie vielleicht ahnen. Erfahren Sie, warum.

Ihre Werkstatt hat gerade ein neues High-Performance-Bearbeitungszentrum (HPMC) angeschafft. Es beeindruckt mit Spezifikationen wie 20.000 min⁻¹ Spindeldrehzahl, Eilgang von 2.400 ipm (ca. 60 m/min) und passenden Vorschüben. Es ist bei Weitem die schnellste Maschine im Haus. Alle genießen das staccatoartige Geräusch der Späne am Blech und das tiefe Brummen des Spindelmotors tief im Schnitt.

Es gibt nur ein Problem: Bei diesen neuen, höheren Spindeldrehzahlen hat das Rattern alle nach Ohrstöpseln greifen lassen. Die Standzeit verschlechtert sich. Beim Zerspanen der 17-4 PH- und Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-Titan-Luftfahrtbauteile, die der Chef neuerdings hereinschafft, war Werkzeugausziehen ein großes Problem. Das Ergebnis? Die Teileberge, die täglich von der HPMC-Investition erwartet wurden, bleiben aus.

Der Fairness halber: Sie könnten diese Beschwerden auch an den älteren, weniger leistungsfähigen Bearbeitungszentren haben. Tatsächlich war das vielleicht einer der Treiber für die neue Maschine. Tut mir leid, Ihnen das zu sagen, aber das Problem liegt höchstwahrscheinlich darin, dass die seit Jahrzehnten verwendeten Seitenklemm-Weldon-Aufnahmen und ER-Spannzangenfutter nicht für moderne Zerspanungstechnologie geeignet sind.

„Sie haben die Werkzeugmaschine, die hohe Drehzahlen und Vorschübe fährt, das Schneidwerkzeug mit den neuesten Geometrien und Beschichtungen, und der Werkzeughalter als Schnittstelle zwischen beiden – warum an der falschen Stelle sparen?“, sagt Ronald West, Senior Global Product Manager bei Kennametal. „Bei heutigen Werkzeugmaschinen, die höhere Drehzahlen und Vorschübe ermöglichen, ist die Werkzeugaufnahme wichtiger denn je, um die Fähigkeiten von High-Performance-Schneidwerkzeugen auszuschöpfen.“

Einige Hersteller investieren in die Maschine und die neueste Werkzeug- und Schneidtechnologie, aber es ist nicht unüblich, dass viele Firmen ein Standard-Werkzeughalter verwenden, der nicht zum Job passt. Doch er ist eines der wichtigsten Elemente in heutigen High-Performance-Umgebungen – besonders in der Luftfahrt, wo Sie mit fortschrittlichen Materialien arbeiten, erklärt West.

„Seitenklemmhalter sind in der Branche immer noch weit verbreitet, aber sie tun der Investition in Hartmetall-Schneidwerkzeuge, die Unternehmen heute kaufen, wirklich unrecht“, sagt West. „Der Werkzeughalter muss zu der Art von High-Performance-Maschine passen, die heute eingesetzt wird.“

Werkzeugbewegung stoppen, Ausschuss vermeiden, Standzeit retten

Betrachten Sie Werkzeugausziehen. Die Bearbeitung von Titan und anderen hitzebeständigen Superlegierungen erzeugt hohe Schneidkräfte nicht nur in axialer und radialer Richtung, sondern auch in axialer Richtung, was zu Werkzeugausziehen führen kann. Es ist noch wichtiger, die richtige Art von Werkzeughaltern zu verwenden, um Werkzeugbruch und Teileausschuss zu verhindern. Es mag nicht viel sein – vielleicht nur wenige Tausendstel Zoll pro Mal, aber die Chancen stehen gut, dass es ausreicht, um sehr teure Teile zu verschrotten. Schleifen Sie so viele Nuten und Flächen auf den Werkzeugschaft, wie Sie wollen – er wird sich noch bewegen, höchstwahrscheinlich genau dann, wenn Sie es am wenigsten erwarten.

Die beste Lösung ist ein Werkzeughalter, der speziell entwickelt wurde, um Ausziehen zu eliminieren. Viele Anbieter lizenzieren Haimers patentierte Safe-Lock-Technologie. Alle schlagen einen herkömmlichen Seitenklemmhalter bei Weitem und verbessern auch die Rundlaufeigenschaften. Hier eine kleine Auswahl verfügbarer Lösungen:

• Sandvik Coromants CoroChuck 930 Hydraulik-Schaftfräseraufnahme nutzt einen „Fulcrum“-Zweipunkt-Mechanismus, um Bewegung zu verhindern.
• Kennametals HydroForce™ Hydraulikspannfutter für Schwerzerspanung beansprucht außergewöhnlichen Rundlauf und Genauigkeit – und eine optionale SAFE-LOCK-Hülse hilft, Ausziehen bei schwer zerspanbaren Materialien (wie in Luftfahrt und Energieindustrie) zu vermeiden.
• Der Mega Perfect von Big Kaiser nimmt Weldon-Schaftfräser auf, soll aber Schlupf und Ausziehen eliminieren.

Wollen Sie das Maximum aus Ihren Metallbearbeitungsbemühungen herausholen? Lesen Sie „Wie Sie Maschinenproduktivität mit Werkzeughaltern maximieren.“

Schwingungen, Rattern und Spindel beherrschen

Sie drehen Werkzeuge schneller als je zuvor, und der Rundlauf, den Sie jahrelang toleriert haben, wird selbst den besten Fräser schnell ruinieren. Als ob schlechte Standzeit nicht genug wäre, erzeugen die höheren Drehzahlen die Harmonischen, die zu Rattern führen, möglicherweise gefolgt von Spindelschäden durch Unwucht.

Sie haben mehrere Optionen, um diese höheren Drehzahlen, Vorschub-Rattern und Harmonischen-Probleme zu managen, darunter: Schrumpffutter, Hydraulikspannfutter und mechanische Frässpannfutter. Sie sollten jedes davon selbst testen, die Ergebnisse dokumentieren und Ihre Entscheidung auf der Leistung an Ihren Maschinen basieren, nicht auf dem Preis.

Schrumpffutter

Sie werden eine Schrumpfmaschine brauchen und bei jedem Werkzeugwechsel eine oder zwei Minuten extra für Erhitzen und Abkühlen des Halters aufwenden, aber viele Werkstätten schwören auf die extreme Genauigkeit und inhärente Auswuchtung von Schrumpfaufnahmen. Haimer sagt, es dauert insgesamt weniger als 40 Sekunden.

Hydraulische Werkzeughalter und Spannfutter

Hydraulikspannfutter sind präzise, einfach zu bedienen und bieten robuste Spannfähigkeiten. Kennametals HydroForce™ ist eines, das für Schwerzerspanung verwendet wird und die dreifache Spannkraft konventioneller Hydraulikspannfuttersysteme beansprucht – und nichts weiter als einen Inbusschlüssel zum Bedienen benötigt. HydroForce-Spannfutter haben eine Dämpfungsfähigkeit, die die Standzeit verbessert, besonders beim Zerspanen von Titan und anderen Hochtemperaturlegierungen.

Mechanische Frässpannfutter

Schunk, Iscar, Guhring und andere vermarkten mechanische Frässpannfutter, die für 20.000 min⁻¹ und Rundlauf von 0,0002 Zoll (ca. 5 µm) oder besser ausgelegt sind (genauso wie Sandvik Coromant, Big Kaiser und andere). Auch hier ist die Bedienung einfach, mit Steifigkeit und Spannkräften, die weit über dem 100 Jahre alten Weldon-Flach liegen.

Apropos Legacy-Werkzeugaufnahme: Hoffentlich kam Ihre neue Maschine mit HSK, Capto, KM4X oder einer vergleichbaren Spindelschnittstelle. CAT und BT-Kegel sind für weniger anspruchsvolle Arbeit völlig in Ordnung, aber beim Pflügen durch HRSA-Materialien oder beim Schlichten einer Formkavität bei hohen Spindeldrehzahlen verlangt es nach einer modernen Spindelschnittstelle.

Bei diesen Maschinenraten brauchen Sie Werkzeugauswuchtung

Die meisten Werkzeug-Experten sagen, dass ausgewuchtete Werkzeughalter-Montagen für Spindeldrehzahlen von 20.000 min⁻¹ oder höher ein Muss sind, während andere die Latte niedriger ansetzen.

„Wenn Sie Werkzeugmaschinen so schnell fahren, usually über 12.000 min⁻¹, wird empfohlen, das komplette System immer auszuwuchten (also Werkzeughalter mit dem Schneidwerkzeug)“, sagt West. „Das erhöht nur die Standzeit und verringert Spindelverschleiß … Es ist etwas schwieriger mit einem Spannzangenfutter oder einer Schaftfräseraufnahme, die Balance zu halten aufgrund ihres Designs und der benötigten Hardware, aber typischerweise sind Hydraulikspannfutter und Schrumpfaufnahmen viel einfoder für Hochgeschwindigkeitsanwendungen feinauszuwuchten.“

Bei 6.000 min⁻¹ werden Sie die Unwucht nicht so stark bemerken, merkt West an, aber bei den höheren Drehzahlen ist Werkzeugbalance entscheidend – und etwas, das bei Werkzeughaltern missverstanden werden kann.

Zur Unterstützung wird eine spezielle Auswuchtmaschine benötigt, ebenso wie zusätzlicher Aufwand beim Werkzeugvoreinstellen. Stellen Sie sicher, dass Sie voreinstellen. Vorgewuchtete Werkzeughalter reichen nicht aus, da die gesamte Montage einschließlich Schneidwerkzeug und Spannmutter (bei CAT- und BT-Maschinen) als ein Stück ausgewuchtet werden muss. Wenn Sie diesen Empfehlungen folgen und routinemäßige Wartung zur Verlängerung der Standzeit durchführen, reduzieren Sie Stillstandszeiten und fertigen bessere Teile.

„Sie können Werkstückleistungsverbesserungen mit den richtigen Werkzeughaltern zeigen“, sagt West. „Das ist etwas, das leicht übersehen wird, aber einen riesigen Unterschied macht.“

Haben Sie den Unterschied bemerkt, den ein Werkzeughalter in einem High-Performance-Bearbeitungszentrum machen kann? Teilen Sie Ihre Erfahrungen.