Werkzeugschnittstellen

Verhalten von Werkzeugschnittstellen unter Torsionsbelastung

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Torsionsverhalten der Schnittstellen

Das Torsionsverhalten wird massgeblich durch die Reibverhältnisse an den Kontaktflächen der Werkzeugschnittstelle und die Einzugskraft Fein beeinflusst (Bild 4). Aus den Kennlinienverläufen wird ersichtlich, dass sowohl eine Erhöhung der Reibung als auch eine Erhöhung der Einzugskraft das Losbrechmoment ML zu höheren Beträgen verschieben. Der Einfluss beider Parameter auf den maximalen Verdrehwinkel ist beim PSC stärker ausgeprägt als beim HSK-A. Infolge der Erhöhung der Reibung oder der Einzugskraft steigt die Torsionssteifigkeit und es entstehen unter Belastung geringere Verdrehwinkel. Bild 5 zeigt die Torsionskennlinien der untersuchten Werkzeugschnittstellen bei deren jeweiliger Spannkraft nach Norm. Die Kontaktflächen werden vor den Versuchen mit Öl benetzt. Die Torsionskennlinie jeder Werkzeugschnittstelle weist einen charakteristischen Verlauf auf. Bei den Werkzeugschnittstellen mit Verdrehspiel (HSK-A, HSK-T, SK) weisen die Kurvenverläufe einen ausgeprägten Bereich des Rutschens auf, während die Werkzeugschnittstellen ohne Verdrehspiel (PSC, VDI, BMT) einen kontinuierlichen Übergang in den Bereich des Formschluss zeigen. Weiterhin unterscheiden sich die Werkzeugschnittstellen hinsichtlich des Verdrehwinkels bei Maximalbelastung. Die hauptsächlich in Fräsmaschinen eingesetzten Werkzeugschnittstellen HSK-A und SK zeigen höhere Verdrehungen als die auch in Drehmaschinen zum Einsatz kommenden Werkzeugschnittstellen PSC und HSK-T und die klassischen Drehschnittstellen VDI und BMT. Der BMT wird als einzige Werkzeugschnittstelle im gesamten Belastungsbereich im Bereich des Reibschlusses betrieben und zeigt deswegen deutlich geringere Verdrehwinkel als die anderen Werkzeugschnittstellen.

Das reibschlüssig übertragbare Moment von Werkzeugschnittstellen kann analytisch in Abhängigkeit von der Einzugskraft näherungsweise berechnet werden [5]. Hierzu werden die bekannten Zusammenhänge von Kegelpressverbindungen zugrunde gelegt und die reibschlüssig übertragbaren Momente an Kegel und Plananlage getrennt berechnet. Als zusätzliche Unbekannte gilt die Verteilung der Einzugskraft zwischen Plananlage und Kegel. Bei den Berechnungen des HSK wird von einer Verteilung FPlananlage, axial : FKegel, axial = 80 : 20 ausgegangen. Als reibungswirksamer Kegeldurchmesser wird beim HSK der Durchmesser D2 (DIN 69893, ISO 12164) und beim SK der Durchmesser auf halber Kegellänge angesetzt. Die wirksamen Reibdurchmesser an der Plananlage entsprechen beim HSK dem Nenndurchmesser D1 (DIN 69893, ISO 12164) und beim BMT dem Lochkreisdurchmesser der Anschraubbohrungen. Aus dem Berechnungsansatz für Kegelpressverbindungen ergibt sich, dass die axial auf den Kegel wirkende Kraft FK, ax über den Kegelwinkel eine zur Übertragung von Torsionsmomenten wirksame Kegelnormalkraft FK, N erzeugt wobei stets FK, N > FK, ax gilt. Bei gleichen wirksamen Reibdurchmessern können somit durch eine axiale Kraft an kegeligen Flächen höheren Torsionsmomente als an planen Flächen übertragen werden.

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Bild 6 zeigt Werte für die Baureihen des SK, HSK-A und HSK-T sowie BMT. Für den PSC und den VDI können durch die unbekannte Kraftverteilung infolge des zu Beginn bestehenden Formschlusses am Polygon (PSC) beziehungsweise dem Kühlmittel-Übergaberohr und der Verzahnung (VDI) keine Werte berechnet werden. Das reibschlüssig übertragbare Moment MR steigt linear mit der Einzugskraft und der Reibung, wobei die verschiedenen Systeme und Baugrössen sich hinsichtlich der Steigung der jeweiligen Kurvenzüge unterscheiden. Unter den untersuchten Werkzeugschnittstellen zeigt sich trotz der Berücksichtigung der unterschiedlichen Geometrien ein Zusammenhang zwischen dem Traganteil des Kegels und MR. (MR, SK > MR, HSK > MR, BMT). Innerhalb jedes Schnittstellensystems steigt MR zudem mit der Nenngrösse.

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