HSK-Hohlschaftkegel-System für manuelle und automatische Werkzeugspannung Positive Taper Lock System for manual and automatic tool clamping

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1 HSK-Hohlschaftkegel-System für manuelle und automatische Werkzeugspannung Positive Taper Lock System for manual and automatic tool clamping Die Aufgabe Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, Verringerung der Kosten und Übergang zu,,lean Production, bei gleichzeitiger weiterer Qualitätsoptimierung. So die heutigen Ansprüche an die moderne Fertigung. Um dieser Entwicklung Rechnung zu tragen, wurde der Hohlschaftkegel in Zusammenarbeit zwischen der Industrie und dem Werkzeuglabor der TH Aachen entwickelt und getestet. Der Hohlschaftkegel verbindet als Schnittstelle die Maschinenspindel mit dem Werkzeug. Die besonderen Anforderungen an ein modernes Werkzeug-Wechselsystem sind: extrem hohe Wechsel und Wiederholgenauigkeit sichere Übertragung von hohen Drehmomenten mit einer definierten, radialen Positionierung hohe statische und dynamische Biegesteifigkeit besondere Tauglichkeit zum Hochgeschwindigkeitseinsatz in Fräs-, Bohr- und Drehmaschinen gegenüber SK- Werkzeugen Verringerung von Gewicht und Baulänge gegenüber SK-Werkzeugen einfache Handhabung The task Increase of efficiency, reduction of cost and change to lean production, however, optimizing quality at the same time. These are the present demands to modern manufacturing. In order to account for this development, the positive taper lock system was developed and tested as a common project of the industry and the TH Aachen. The positive taper lock system is the connection between the machine spindle and the tool. The specific demands, an advanced tool change system must fulfil, are: particularly high changing accuracy and repeatability safe transmission of high torques with a defined, radial location high static and dynamic flexural strength particular suitability for high-speed operations in milling, drilling and turning machines reduction of weight and total length easy handling 8002

2 Hohlschaftkegel-System für manuelle und automatische Werkzeugspannung Positive Taper Lock System for manual and automatic tool clamping Kegelhohlschaft für automatischen Werkzeugwechsel Positive taper lock for automatic tool change Form A Kegelhohlschaft Form A Drehmomentübertragung am Kegel-Hohlschaft, kleiner Plananlagebund mit Greiferrille. Fräsmaschinen, hoher Drehzahlbereich, konventionelle Zerspanung, Drehmomentübertragung durch angefräste Mitnehmer innerhalb der Spindelaufnahme. Positive taper lock (version A) automatically-changeable tool adapter, torque transmission on positive taper lock, small square face with gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and milling machines), highspeed range, conventional material machining, torque transmission via milled driver within the spindle adapter. Form B Kegelhohlschaft Form B Drehmomentübertragung am Bund über Nuten, großer Plananlagenbund mit Greiferrille. Fräsmaschinen, mittlerer Drehzahlbereich, große Zerspanung, Drehmomentübertragung durch Mitnehmersteine, Verwendung bei größerer Zerspanung (Messerköpfe). Positive taper lock (version B) automatically-changeable tool adapter, torque transmission on collar via grooves, large square face with gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and milling machines), medium speed range, heavy-duty material machining, torque transmission via driver keys, suitable for heavy-duty material machining (cutter heads). Kegelhohlschaft für manuellen Werkzeugwechsel Positive taper lock for manual tool change Form C Kegelhohlschaft Form C manuell wechselbare Werkzeugaufnahme, Drehmomentübertragung am Kegel-Hohlschaft, kleiner Plananlagebund ohne Greiferrille. Fräsmaschinen, hoher Drehzahlbereich, konventionelle Zerspanung, Drehmomentübertragung durch angefräste Mitnehmer innerhalb der Spindelaufnahme. Form D Kegelhohlschaft Form D manuell wechselbare Werkzeugaufnahme, Drehmomentübertragung am Bund über Nuten, großer Plananlagebund ohne Greiferrille. Fräsmaschinen, mittlerer Drehzahlbereich, große Zerspanung, Drehmomentübertragung durch Mitnehmersteine, Verwendung bei größerer Zerspanung (Messerköpfe). Positive taper lock (version C) manually-changeable tool adapter, torque transmission on positive taper lock, small square face without gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and milling machines), high speed range, conventional material machining, torque transmission via milled driver within the spindle adapter. Positive taper lock (version D) manually-changeable tool adapter, torque transmission on collar via grooves, large square face without gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and milling machines), medium speed range, heavy-duty material machining, torque transmission via driver keys, suitable for heavy-duty material machining (cutter heads). Kegelhohlschaft für automatischen Werkzeugwechsel und höhere Drehzahlen (HSC) Positive taper lock for automatic tool change and for high speeds (HSC) Form E Kegelhohlschaft Form E Drehmomentübertragung über Bund und Kegelfläche, kleiner Plananlagebund mit Greiferrille. Schleifmaschinen, sehr hoher Drehzahlbereich (Größenabhängig vom ), Schleifarbeiten, Holzbearbeitung, HSC tauglich, Verwendung bei geringerer Zerspanungsarbeit. Form F Kegelhohlschaft Form F Drehmomentübertragung über Bund und Kegelfläche, großer Plananlagebund mit Greiferrille. > Schleifmaschinen, sehr hoher Drehzahlbereich (Größenabhängig vom ), Schleifarbeiten, Holzbearbeitung, HSC tauglich, Verwendung bei geringerer Zerspanungsarbeit. Positive taper lock (version E) automatically-changeable tool adapter, torque transmission via collar and spherical surface, small square face with gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and grinding machines), extremely high speed range (depending on diameter size), grinding work, wood machining, suitable for HSC, utilised for minimal material removal. Positive taper lock (version F) automatically-changeable tool adapter, torque transmission via collar and spherical surface, large square face with gripping channel. Machine tools (e.g. lathes, drilling and grinding machines), extremely high speed range (depending on diameter size), grinding work, wood machining, suitable for HSC, utilised for minimal material removal. 8003

3 HSK-Spannsysteme für manuelle Werkzeugspannung Positive Taper Lock Clamping System for manual tool clamping Das Röhm-Spannsystem wurde speziell für die Hohlschaftkegel-Spannung entwickelt. Die Notwendigkeiten der manuellen Werkzeugspannung wurden besonders berücksichtigt: überzeugende, stabile Konstruktion kompakter Kraftfluß keine Spannbohrung im Kegelmantel notwendig, Verschmutzung beim Betätigen nicht möglich abgedichtete, zentrale Kühlmittelzuführung gleichmäßige Spannkraft über vier symmetrisch angebrachte Spannflächen automatisches Drücken des Werkzeuges beim Lösen ideal für den Einbau in die Spindel Die Vorteile der Hohlschaftkegel-Spannung liegen in der Kombination der Planflächen, mit dem beim Spannvorgang dehnbaren Hohlschaft. Durch die exakte Abstimmung der Kegelnenndurchmesser entsteht eine, für die Qualität des HSK-Systemes wichtige Vorspannung, welche an der Größe des Planspieles meßbar ist. Zum Spannen werden die Spannbacken durch Rechtsdrehen der Stellschraube auseinandergeführt. Ein Drehmomentschlüssel ist zu empfehlen. Die durch die symmetrischen Spannschrägen erzeugten Axialkräfte F A und Radialkräfte F R bringen die notwendige Spannkraft für die Vorspannung des Hohlschaftkegels an der gesamten Kegelfläche und Plananlage. Zwei Nutensteine, die am Schaftende der Werkzeugaufnahme in das Werkzeug greifen, sorgen für eine formschlüssige, nicht verwechselbare, radiale Positionierung. Beim Lösen der Spannbacken wird das Werkzeug automatisch aus der Aufnahme ausgedrückt. Ein kompakter Kraftfluß ist wichtig für die Steifigkeit des Spannsystems und trägt zur Erhöhung der Wechselgenauigkeit bei. Hohlschaftkegel-System für manuelle Werkzeugspannung Positive Taper Lock System for manual tool clamping Fügeposition mit Anlageflächen joining position with locating surface Werkzeugaufnahme Werkzeug tool Planspiel - axial play The Röhm-clamping system was specially designed for the positive taper lock clamping taking particulary into account the necessity of manual clamping: convincing strong design compact power flow no clamping bore required in the taper, no dirt penetration possible during operation sealed central coolant supply steady clamping force due to four symmetric clamping surfaces automatic ejection of the tool during release perfectly suitable to be built into the spindle Spannsituation mit Anlageflächen clamping situation Werkzeugaufnahme Werkzeug tool 8004 The advantage of the positive taper lock clamping system originates in the combination of the plane surfaces, together with the expansion of the taper during the clamping operation. The precise adjustment of the nominal diameter of the taper creates an initial tension important for the quality of the HSK-system and can be measured by means of the axial play. For the clamping operation the clamping jaws are expanded by turning the adjusting screw. The axial forces F A and radial forces F R generated by the symmetric gripping slope built-up the necessary clamping force for the initial tension of the taper lock system over the entire taper surface and locating surface. Two T-nuts, gripping the tool at the end of the shank of the tool mounting, guarantee a positive radial location. When the jaws are released, the tool is ejected automatically. A compact power flow is important for the rigidity of the clamping system and improves the changing accuracy. Spannsituation mit kompaktem Kraftfluß clamping situation with compact power flow Werkzeugaufnahme Werkzeug tool

4 HSK-Spannsystem für automatische Werkzeugspannung von Hohlschaftkegel-Werkzeugen HSK nach DIN Positive Taper Lock System for automatic tool clamping system of positive taper lock tools HSK to DIN Das automatische Röhm HSK-Spannsystem wurde speziell als Ergänzung zur manuellen HSK-Spannung entwickelt. Es wurden folgende Punkte besonders berücksichtigt: gleichmäßige Spannkraft über die symmetrischen Spannflächen der Segmentspannzange kompakter Kraftfluß, dadurch hohe statische und dynamische Steifigkeit der Werkzeugschnittstelle hohe Kraftverstärkung durch Übersetzung im Spannsatz Selbsthemmung über Spannbolzen im Spannsatz zwangsgesteuertes Öffnen der Spannzange durch Kegelhülse beim Werkzeugwechsel automatischer Werkzeugausstoß beim Lösen durch den Spannbolzen abgedichtetes System für zentrale Kühlmittelzuführung ideal für den Einbau in Werkzeugspindeln von Bearbeitungszentren und Werkzeugmaschinen Die Vorteile der Hohlschaftkegel-Spannung liegen in der Kombination von definiert radial vorgespanntem Kegelschaft und Werkzeugplanlage. Durch die elastische Verformung des Kegels, wird eine spielfreie Verbindung der Werkzeugschnittstelle mit sicherer Drehmomentübertragung erreicht. Die hohe Wiederhol- und Wechselgenauigkeit der Hohlschaftkegelverbindung führt zu gesteigerten Fertigungsqualitäten beim Zerspanungsprozeß, gegenüber der konventionellen Fertigung. Der Spannvorgang wird über Federn auf die Zugstange in Richtung F Z auf den Spannsatz eingeleitet. Über den Spannbolzen werden die Spannsegemente der Zange radial nach außen gedrückt und die Spannkraft durch die Funktion der Winkelflächen vielfach verstärkt. Die erzeugten Axialkräfte F A und Radialkräfte F R, bewirken eine Vorspannung des Hohlschaftkegels auf der gesamten Kegelfläche und der Plananlage. Da der Anteil der Spannkraft auf die Plananlage mehr als 80 % beträgt, ist die Größe der Planfläche ausschlaggebend für die Grenzbelastung und Steifigkeit der Kegel-Hohlschaft-Verbindung. Siehe DIN Hohlschaftkegel Form B, D und F. Beim Hohlschaftkegel Form A und C sorgen zusätzlich zwei Mitnehmeranfräsungen, die am Kegelschaftende in die Werkzeugaufnahme eingreifen, für eine formschlüssige, nicht verwechselbare, radiale Positionierung. Beim Lösevorgang wird, durch den Spannbolzen und die Kegelhülse, die Spannzange zwangsentriegelt und das Werkzeug automatisch aus der Spindelaufnahme gedrückt. Fügeposition mit Anlageflächen von kegel und Plananlage joining position with locating surface Spindel-Werkzeugaufnahme Spindle HSK Werkzeug Spannsituation mit Anlageflächen von Kegel und Plananlage clamping situation with locating surface Spindel-Werkzeugaufnahme Spindle HSK Werkzeug Spannsituation mit kompaktem Kraftfluß über Kegel und Plananlage clamping situation with compact power flow Spindel-Werkzeugaufnahme Spindle HSK Werkzeug 8010 The automatic Röhm positiv taper lock system was specially designed as complement for the manual positiv taper lock clamping. Following items were taken particularly into account: steady clamping force due the symmetric clamping surfaces of the clamping segments compact power flow resulting in high static and dynamic rigidity of the tool joint high power amplification by transmission of the clamping set automatic lock by collet actuator in the clamping set forced controlled release of the collet by taper sleeve during the tool exchange automatic ejection of the tool by the collet actuator during release sealed central coolant supply system perfect suitable to be built into the spindles of machine tools and machining centers The advantages of the positive taper lock system originates in the combination of defined radial pretensioned taper and tool face stop. A safe transmission of the torque is archieved by the elastic deformation of the taper resulting in a gap-free connection with the tool. High interchanging and repeating accuracy is leading to increased production quality during the machining compared with the traditional machining. The clamping process is started by the spings and the movement is transmitted by the draw bar to the clamping set in direction F Z.The clamping segments of the collet are pushed to the outside by the collet actuator. The clamping forces are multiple amplified by the angled arrangement of the contact areas. The produced axial forces F A and radial forces F R result in a pre tensioned status of the positive taper on the entire taper area and the axial contact area. The proportion of the axial contact force is over 80 % of the total clamping force. This explains the importance of the size of the axial contact area concerning the critical load and rigidity of the taper and hollow shank joint. See also DIN Hollow taper shanks type B, D and F. Hollow taper shanks type A and C have two additional positive drive grooves at the end of the taper which interlock with the and produce a form-locking, orientated radial positioning. During the release the tool will be positive unlocked and ejected from the tool spindle by the collet actuator and taper sleeve.

5 Neu- und Weiterentwicklungen für Werkzeugspannungen New and further development Spannsatz mit geführter Segmentspannzange clamping set with guided segment collet Vorteil: kompakte Führung durch Segmente, dadurch geringere Unwucht des Spannsatzes Advantage: compact guide through segments, which means less imbalance of the clamping set Neu: mit standardisierter Röhm-Drehdurchführung für Drehzahlen bis min -1 with standardised Röhm turning performance for speeds up to rpm mit Haltezange, für schnellen und einfachen Werkzeugwechsel mit HSK-Aufnahme with retaining collet, for quick and easy tool change mit Steilkegelaufnahme with positive taper lock mounting with steep taper mounting 8011

6 Der Aufbau des HSK-Spannsystems Bauelemente und Baugruppen The design of the HSK-clamping system Components and construction groups für Drehzahlen bis min - 1 for speeds up to rpm Spanneinheit SEH -- Baugruppe III 01. Drehdurchführung für Kühlschmiermittel oder Luftzuführung 02. Drehdurchführung für Hydraulik zum Lösen 03. Lösekolben 04. Hubkontrollring 05. Federpaket 06. Zugstange Zugstangenverlängerung -- Baugruppe II 07. Zugstangenverlängerung Spannsatz -- Baugruppe I 08. Zwischenscheibe 09. Konterschraube 10. Druckstück 11. Segmentspannzange 12. Spindel 13. Hohlschaftkegelwerkzeug Clamping unit -- Construction group III 01. Non-rotating distributor for coolant lubricant or air 02. Non-rotating distributor for hydraulic unclamping 03. Unclamping piston 04. Strike control ring 05. Spring package 06. Draw bar Draw bar extension -- Construction group II 07. Draw bar extension Clamping set -- Construction group I 08. Opening taper sleeve 09. Counter nut 10. Collet actuator 11. Collet 12. Spindle 13. Positive Taper Lock - tool HSK für Drehzahlen bis min - 1 for speeds up to rpm Stationäre Löseeinheit -- Baugruppe VI 01. Drehdurchführung für Kühlschmiermittel 02. Anschlüsse für Betätigung, Blasluft 03. Gehäuse, feststehend 04. Lösekolben 05. Gehäuse, axial beweglich 06. Spindelentlastung Spanneinheit SEH -- Baugruppe III 07. Spannkolben 08. Anschluß für Hubkontrolle 09. Federpaket 10. Zugstange Zugstangenverlängerung -- Baugruppe II 11. Zugstangenverlängerung Spannsatz -- Baugruppe I 12. Zwischenscheibe 13. Druckstück 14. Konterschraube 15. Segmentspannzange 16. Spindel 17. Hohlschaftkegelwerkzeug Stationary opening unit -- Construction group VI 01. Non-rotating distributor for coolant lubricant 02. Connections for actuation, air blast 03. Non-rotating housing 04. Unclamping piston 05. Housing, axial movable 06. Spindle relief coupling Clamping unit -- Construction group III 07. Clamping piston 08. Connection for stroke control 09. Spring package 10. Draw bar Draw bar extension -- Construction group II 11. Draw bar extension Clamping set -- Construction group I 12. Opening taper sleeve 13. Collet actuator 14. Counter nut 15. Collet 16. Spindle 17. Positive Taper Lock - tool HSK 8012