Werkzeugaufnahmen und Rundlauf: ER-Spannzange, Schrumpffutter, Hydrodehnfutter und Wuchten

Die Katalogleistung eines Zerspanungswerkzeugs lässt sich erst dann messen, wenn die Kette, die es hält, fehlerfrei ist. Diese Kette beginnt am Spindelkegel und führt über die Werkzeugschnittstelle und das Spannsystem bis zum Werkzeugschaft. Dieser Ratgeber vergleicht Spannzangen-, Schrumpf-, Hydrodehn- und Fräsfuttersysteme hinsichtlich Spannkraft, Rundlauffehler (Runout) und Wuchtgüte; außerdem werden die Schnittstellennormen und die Wartungsanforderungen zusammengefasst.

1. Die Glieder der Kette

Ein Werkzeugspannsystem besteht aus zwei getrennten Verbindungen. Die erste ist die Schnittstelle Spindel–Aufnahme, die zweite die Verbindung Aufnahme–Werkzeugschaft. Beide Verbindungen bringen ihren eigenen Rundlauffehler, ihre eigene Steifigkeit und ihre eigene Unwucht in das System ein. Der an der Werkzeugspitze gemessene Gesamtrundlauffehler ist die Summe dieser Beiträge; die Genauigkeit einer einzelnen Komponente bestimmt das Ergebnis nicht allein.

Deshalb ist die Wahl der Werkzeugaufnahme nicht nur die Frage, welches System genauer ist. Auch Zugänglichkeit (Durchmesser und Länge des Grundkörpers), Spanabfuhr, innere Kühlmittelzufuhr zum Werkzeug, Wiederholgenauigkeit und die Werkzeugvoreinstellung des Betriebs gehen in die Entscheidung ein.

2. Schnittstellennormen

Die Schnittstelle Spindel–Aufnahme lässt sich in drei Hauptfamilien einteilen. Die folgende Tabelle fasst die Normnummern und die grundlegende Unterscheidung zusammen.

Bei SK- und BT-Aufnahmen mit Steilkegel 7:24 erfolgt die Zentrierung allein über die Kegelfläche. Mit steigender Drehzahl weitet die Fliehkraft den Spindelkegel auf, die Aufnahme wandert axial nach innen und in der Z-Achse entsteht eine Lageverschiebung. Bei HSK- und PSC-Schnittstellen begrenzt die Planfläche diese Verschiebung; dadurch, dass sich der hohle Schaft elastisch an die Kegelfläche anlegt, bleibt die radiale Spannung erhalten.

In der HSK-Familie sind die Formen A, C, E und F am weitesten verbreitet. Form A enthält Mitnahmenuten und eine Greifernut für den automatischen Werkzeugwechsel; bei Form E entfallen diese unsymmetrischen Details, was die Unwuchtquelle bei hoher Drehzahl verringert, zugleich aber das übertragbare Drehmoment begrenzt.

3. Spannsysteme

ER-Spannzange

ER-Spannzangenfutter sind nach DIN 6499 / ISO 15488 genormt und stellen das im Markt am weitesten verbreitete System dar. Die geschlitzte Spannzange verringert beim Anziehen im Kegelsitz ihren Durchmesser und umschließt so den Schaft. Der Standard-Spannbereich einer Spannzange beträgt 1 mm; eine Spannzange ER32-16 hält also Schäfte von 15–16 mm (bei ER11 ist dieser Bereich auf 0,5 mm reduziert). Diese Flexibilität verkleinert den Aufnahmebestand deutlich.

Der Preis dafür ist die Genauigkeit. Der Rundlauffehler hängt zugleich von der Qualität der Spannzange, vom Zustand der Überwurfmutter, von der Sauberkeit des Kegelsitzes und vom Anzugsdrehmoment ab. Spannzangen nach DIN 6499 werden in verschiedenen Genauigkeitsklassen gefertigt; über der Standardklasse liegen Präzisions- und Hochpräzisionsklassen, und die zulässige Konzentrizitätsabweichung verengt sich mit steigender Klasse. Da der zahlenmäßige Grenzwert von Spannzangenklasse und Hersteller abhängt, wird er dem Produktdatenblatt entnommen. Eine verschlissene Spannzange oder Mutter zerstört den von der Klasse zugesicherten Wert rasch.

Kraftspannzange und Fräsfutter

Kraftspannzangen- (Power Collet) und Fräsfuttersysteme arbeiten mit einer nadelgelagerten Überwurfmutter in einem dickwandigen Grundkörper. In Herstellerveröffentlichungen wird diese Gruppe als das System mit der höchsten Spannkraft und guter Schwingungsdämpfung beschrieben; Ursache dafür sind der dicke Grundkörper und die große Anlagefläche. Genau deshalb wird sie beim Schruppen, beim schweren Nutfräsen und bei Werkzeugen großen Durchmessers bevorzugt. Da vergleichende Spannkraftwerte je nach Hersteller und Messverfahren deutlich schwanken, ist eine Bewertung über die Rangfolge statt über absolute Zahlen richtig.

Im Gegenzug ist der Durchmesser des Grundkörpers groß; in engen Taschen und bei tiefen Ausräumungen entstehen Zugangsprobleme. Der Rundlauffehler erreicht in der Regel nicht das Niveau von Schrumpf- und Hydrodehnfutter.

Schrumpffutter (Shrink Fit)

Bei Schrumpffuttern ist die Aufnahmebohrung um ein geringes Maß kleiner als der Schaftdurchmesser gefertigt. Durch induktive Erwärmung wird die Mündung der Aufnahme auf mehrere hundert Grad Celsius gebracht, die Bohrung dehnt sich, das Werkzeug wird eingesetzt und beim Abkühlen wird der Schaft über 360° gespannt. Während der Erwärmungszyklus Sekunden dauert, nimmt das Abkühlen Minuten in Anspruch. Da Temperatur und Dauer vom Aufnahmedurchmesser abhängen, ist die Zyklustabelle des Geräts einzuhalten; eine Überhitzung schädigt die Mündung der Aufnahme dauerhaft.

Die Vorzüge sind deutlich: dank symmetrischem und schlankem Grundkörper der beste Zugang, geringer Rundlauffehler, hohe Biegesteifigkeit und von Natur aus gute Wuchtgüte. Ebenso klar sind die Grenzen. Für jeden Durchmesser ist eine eigene Aufnahme erforderlich, die Investition in ein Schrumpfgerät ist zwingend, und das System arbeitet nur mit Schäften passender Toleranz. Da sich HSS-Schäfte im Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Aufnahmestahl annähern und das Entnehmen dadurch problematisch wird, kommt das Schrumpffutter vorrangig mit Hartmetallschäften zum Einsatz.

Hydrodehnfutter

Bei Hydrodehnspannfuttern wird eine im Grundkörper geschlossene Kammer über eine Schraube unter Druck gesetzt, und eine dünne Membran umschließt den Schaft vollflächig. Das Spannen erfolgt mit einem einzigen Schlüssel und ohne Erwärmungstechnik und bleibt über Tausende von Zyklen wiederholgenau.

Das kennzeichnendste Merkmal ist die Schwingungsdämpfung. Die unter Druck stehende Flüssigkeitsschicht schluckt einen Teil der beim Zerspanen entstehenden hochfrequenten Schwingungen. Deshalb kommt dieses System beim Schlichtfräsen, beim Reiben und beim Feinbohren besonders zur Geltung; auch bei instabilem Schnitt und bei Rattern zählt es zu den zuerst herangezogenen Lösungen. Das Thema wird zudem im Ratgeber zu Schwingungen und Rattern behandelt.

Vergleich

4. Wirkung des Rundlauffehlers auf die Standzeit

Die Wirkung des Rundlauffehlers ist nicht abstrakt, sondern unmittelbar arithmetisch. Bei einem Werkzeug, das um den Gesamtrundlauffehler (TIR) außermittig läuft, zerspanen die Schneiden nicht gleich viel. Bei einem zweischneidigen Werkzeug nimmt eine Schneide einen Span der Dicke fz + TIR ab, die andere einen der Dicke fz − TIR.

Konkretes Beispiel: Bei fz = 0,05 mm und TIR = 0,02 mm zerspant eine Schneide 0,07 mm, die andere 0,03 mm. Rund zwei Drittel der Last liegen auf einer einzigen Schneide. Ist der TIR-Wert gleich fz oder größer, schneidet die zweite Schneide überhaupt nicht mehr; das Werkzeug arbeitet faktisch einschneidig, die Vorschubrechnung wird ungültig und die Standzeit halbiert sich.

Die Folgen dieser Ungleichheit setzen sich kettenartig fort:

• An der belasteten Schneide beschleunigen sich Freiflächenverschleiß (Flank Wear) und Kolkbildung; die Verschleißmechanismen werden in einem eigenen Ratgeber behandelt.
• Da die Schnittkraft bei jeder Umdrehung schwankt, entstehen erzwungene Schwingungen und die Oberflächenqualität leidet. Die Oberflächenkriterien sind im Rauheitsratgeber definiert.
• Im dicker werdenden Span steigt die Schnitttemperatur, die Beschichtung löst sich früher ab.
• Bei Werkzeugen kleinen Durchmessers ist fz ohnehin sehr klein, weshalb derselbe absolute Rundlauffehler anteilig weit zerstörerischer wirkt; die Bruchgefahr steigt deutlich.

Wie die Toleranz zu lesen ist: Die Rundlauftoleranz wird nicht als absoluter mm-Wert, sondern als Anteil am Zahnvorschub bewertet. Derselbe Rundlauffehler von 0,01 mm ist bei einem Werkzeug mit 16 mm, das mit fz = 0,10 mm arbeitet, hinnehmbar, bei einem Werkzeug mit 2 mm, das mit fz = 0,01 mm arbeitet, dagegen nicht.

5. Wuchtgüte und Drehzahlgrenze

Fällt der Schwerpunkt einer rotierenden Masse nicht mit der Drehachse zusammen, entsteht eine Fliehkraft. Die Unwuchtkraft wächst nach F = U × ω², also mit dem Quadrat der Drehzahl. Eine Verdopplung der Drehzahl vervierfacht bei gleicher Unwucht die Kraft.

Nach ISO 21940-11 (früher ISO 1940-1) wird die Wuchtgüte in G-Klassen angegeben. Der G-Wert ist die Umfangsgeschwindigkeit des Schwerpunkts während der Rotation (mm/s). Die zulässige spezifische Restunwucht wird mit folgender Beziehung berechnet:

e [g·mm/kg] = 9.549 × G / n

Dabei ist n in min⁻¹ einzusetzen. Für die Klasse G2,5 verengen sich die Werte rasch:

Bei einer ein Kilogramm schweren Werkzeuggruppe entspricht 1 g·mm/kg einem Schwerpunktversatz von lediglich 1 µm gegenüber der Achse. In dieser Größenordnung erzeugen selbst eine Einstellschraube an der Aufnahme, eine unsymmetrische Nut oder ein aufgeklebtes Etikett eine messbare Unwucht.

In der Praxis ergeben sich daraus zwei Schlussfolgerungen. Erstens ist bei hochtourig laufenden Aufnahmen eine symmetrische Geometrie (Schrumpffutter, HSK-E) ein natürlicher Vorteil. Zweitens ist die G-Klasse allein kein ausreichendes Kriterium: ISO 16084 definiert die zulässige Unwucht für rotierende Werkzeuge und Werkzeugsysteme unmittelbar in g·mm und in Abhängigkeit von der dynamischen Tragfähigkeit der Spindellager. Die Norm legt zugrunde, dass die aus der Unwucht entstehende Lagerbelastung 1 % der dynamischen Tragfähigkeit des Lagers nicht überschreitet.

6. Verhältnis Länge/Durchmesser und Auskraglänge

Bei einem als einseitig eingespannter Kragbalken modellierten Werkzeug ändert sich die Abdrängung an der Spitze nach δ ∝ L³ / D⁴. Die Auskraglänge wirkt mit der dritten, der Durchmesser mit der vierten Potenz.

Die praktische Entsprechung ist hart: eine Verdopplung der Auskraglänge verachtfacht die Abdrängung. Umgekehrt verringert eine Reduzierung der Länge von 4×D auf 3×D die Abdrängung um mehr als die Hälfte. Genau deshalb wird der Zugänglichkeit bei der Wahl der Werkzeugaufnahme so viel Gewicht beigemessen. Ein schlankes Schrumpffutter verschafft schon allein dadurch Steifigkeit, dass es eine kürzere Einspannung des Werkzeugs zulässt.

Die Symbole der Werkzeugbemaßung und die Maßdefinitionen sind im Ratgeber zu den Abmessungen erläutert; für Entscheidungen zu Schneidenzahl und Geometrie lässt sich der Auswahlratgeber heranziehen.

7. Anzugsdrehmoment, Sauberkeit und Kegelpflege

Die Leistungsfähigkeit einer präzisen Werkzeugaufnahme wird durch Pflege erhalten. Die folgenden Punkte gelten unabhängig vom System.

Anzugsdrehmoment. Überwurfmuttern von ER-Spannzangen werden ausnahmslos mit dem Drehmomentschlüssel und mit dem vom Hersteller angegebenen Wert angezogen. Ein zu geringes Anzugsmoment führt zum Rutschen des Werkzeugs, ein zu hohes zur bleibenden Verformung von Spannzange und Mutternkegel; in beiden Fällen steigt der Rundlauffehler. Vorzugsweise wird außerhalb der Werkzeugmaschine, in einem fest eingespannten Spannblock, angezogen.

Sauberkeit. Ein einzelner trockener Spanrest auf der Kegelfläche verlagert die Aufnahme aus der Achse und erzeugt einen messbaren Rundlauffehler. Spindelkegel und Aufnahmekegel werden bei jedem Wechsel gereinigt; dafür werden der Kegelgeometrie angepasste Reinigungswerkzeuge oder fusselfreie Tücher verwendet. Metallschaber, die die Oberfläche beschädigen können, sind zu meiden.

Zustand der Kegelfläche. Eine Kegelfläche mit Kratzern, Druckstellen oder Korrosionsflecken verkleinert die Anlagefläche und verschlechtert sowohl Rundlauf als auch Steifigkeit. Eine beschädigte Aufnahme wird nicht nachgearbeitet, sondern ausgesondert. Werkzeugaufnahmen werden nicht offen auf oder neben der Werkzeugmaschine abgelegt; sie werden in korrosionsgeschützten Behältern aufbewahrt.

Standzeit der Spannzange. Geschlitzte Spannzangen sind Verbrauchsmaterial. Eine Spannzange mit Spänen in den Schlitzen, mit trichterförmig aufgeweiteter Mündung oder mit beginnender Korrosion an der Oberfläche wird ersetzt. Die Lebensdauer eines Spannzangensatzes ist deutlich kürzer als die der Aufnahme.

Messung. Der Rundlauffehler wird nach dem Einspannen des Werkzeugs getrennt am Schaft und an der Schneide mit der Messuhr gemessen. Die Differenz beider Messungen zeigt, ob der Rundlauffehler vom Werkzeug oder von der Aufnahme herrührt.

Da Unwuchtkräfte bei hochtourig laufenden Werkzeugmaschinen auch die Spindellager beanspruchen, ist die Pflege der Werkzeugaufnahme für die Lebensdauer der Maschine ebenso bestimmend wie für die Standzeit. Hartmetall-Schaftfräser, die sich mit einer passenden Aufnahme kombinieren lassen, sind in der Kategorie Schaftfräser aufgeführt.

Quellen

• ISO 7388-1:2007 — Tool shanks with 7/24 taper for automatic tool changers — Part 1: Dimensions and designation of shanks of form A
• ISO 7388-2:2007 — Tool shanks with 7/24 taper for automatic tool changers — Part 2: Dimensions and designation of shanks of form J (Typ BT)
• ISO 7388-3:2007 — Tool shanks with 7/24 taper for automatic tool changers — Part 3: Retention knobs (Anzugsbolzen)
• ISO 12164-1 — Hollow taper interface with flange contact surface — Part 1: Shanks — Dimensions; nationale Entsprechung DIN 69893-1 (Hohlschaftkegel mit Plananlage — Form A)
• ISO 26623-1 — Polygonal taper interface with flange contact surface — Part 1: Shanks
• ISO 15488 / DIN 6499 — Collet chucks with 8 degree taper for tool shanks — Collets, nuts and fitting dimensions
• ISO 16084:2017 — Balancing of rotating tools and tool systems
• ISO 21940-11:2016 — Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour
• Sandvik Coromant — technische Leitfäden Tool balancing and RPM und Chuck selection — sandvik.coromant.com
• Kennametal — technische Veröffentlichungen Choose the Right Toolholder for Your Operations und Shrink Fit System — Thermal Induction — kennametal.com