325 1. Werkzeugsystematik Das richtige Werkzeugsystem für CNC-Werkzeugmaschinen muss universell und flexibel sein, muss alle anfallenden Zerspanungsaufgaben bewältigen können, muss hohe Steifigkeit aufweisen, eine hohe Spanleistung erbringen und trotzdem noch im akzeptablen Kostenrahmen bleiben. Gleichbedeutend ist die automatische Erfassung, Aktualisierung und durchgängige geschlossene Verwaltung der Werkzeugdaten. 1.1 Einführung Die roduktivität von CNC-Werkzeugmaschinen wird entscheidend von der Leistungsfähigkeit und der Zuverlässigkeit der eingesetzten Werkzeuge bestimmt. Die Leistungsfähigkeit wird z. B. durch die erzielbaren Schnittdaten wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub bzw. Vorschubgeschwindigkeit, Spanungsquerschnitt, Spanvolumen und Standzeit bzw. Standweg oder Standmenge beschrieben. Die Zuverlässigkeit von Werkzeugen hat einen technologischen und einen geometrischen Aspekt; beide sind Voraussetzung für die Wirtschaftlichkeit einer automatischen Bearbeitung von Werkstücken. Die technologische Zuverlässigkeit besagt, in welchem Maße die Leistungsdaten reproduzierbar sind. D. h. es muss vorherbestimmbar sein, bei welchen Schnittdaten kein Schneidenbruch auftreten wird und welche Standmenge ohne Qualitätseinbuße bis zum Schneidenwechsel zerspant werden kann. Die geometrische Zuverlässigkeit der Werkzeuge ist im System der numerisch gesteuerten Werkzeugbewegungen schon vom rinzip her unabdingbar: Die Werkzeug-Sollmaße werden von der CNC genauso verarbeitet wie die Werkstück-Sollmaße. Weichen die tatsächlichen Maße der Werkzeuge von den gespeicherten Sollmaßen ab, wird u. U. Ausschuss produziert. Deshalb muss ein Werkzeugsystem für CNC-Werkzeugmaschinen gewährleisten, dass die das Fertigmaß bestimmende osition der Schneide die vorhergesehene Lage während der Bearbeitung nicht verändert und nach einem Werkzeugwechsel auch wieder mit hoher Genauigkeit übernimmt. Die rechnerische Werkzeugkorrektur, die moderne Steuerungen ohne Schwierigkeiten ermöglichen, setzt immer ein Erfassen des Istmaßes eines Werkzeugs voraus; dies ist während der Bearbeitung aufwändig und zeitraubend und sollte deshalb auf wenige Fälle wie vor der Herstellung von assungen beschränkt bleiben. Neben den geometrischen und technologischen Zuverlässigkeiten hat für viele Betreiber von Bearbeitungszentren die Flexibilität eines Werkzeugsystems große Bedeutung. Ist doch häufig die Aufgabe gestellt (ganz typisch bei Lohnarbeitsbetrieben), von heute auf morgen neue Werkstücke zu bearbeiten und die hierfür notwendigen Sonderwerkzeuge bereit zu stellen. Die logische Antwort auf diese Aufgabenstellung sind die modular aufgebauten Werkzeugsysteme, mit denen aus Standardelementen der Aufgabe optimal angepasste Werkzeuge wie Bohrstangen komponiert werden können. Neben die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Werkzeuge tritt die Forderung nach leichter Handhabung des Werkzeugsystems,
326 Teil 4: Werkzeugsystematik für CNC-Maschinen um dem Vorzug der CNC-Technik, der schnellen Umrüstbarkeit auf wechselnde Bearbeitungsaufgaben, auch hier gerecht zu werden. In der Theorie werden Werkstück und Werkzeug als Wirkpaar einander gegenübergestellt. Auch in der raxis zeigt sich an der Werkzeugschneide, wie leistungsfähig und damit wirtschaftlich das System aus Werkzeugmaschine, Steuerung und Werkzeug am Werkstück arbeiten kann. 1.2 Werkzeugsysteme Werkzeugsysteme bilden das Bindeglied zwischen der Schneide, die den Span erzeugt, an der die Schnittkräfte wirken, und der Werkzeugmaschine, die die Kräfte aufnimmt und zugleich die Bewegungen zwischen Werkzeugschneide und Werkstück führt. Die Gestaltung der Werkzeugsysteme ist vorrangig dem Bearbeitungsverfahren, z. B. Bohren, Fräsen oder Drehen, und den konstruktiven Merkmalen der entsprechenden Werkzeugmaschine angepasst. Werkzeugsysteme zum Bohren und Fräsen Aus dem klassischen Bohr- und Fräswerk entwickelte sich in Verbindung mit der numerischen Steuerung das CNC-Bearbeitungszentrum. Sein Merkmal ist, dass auch der Werkzeugwechsel automatisch erfolgt. Auch wenn im Einzelfall, z. B. aus wirtschaftlichen Gründen, an einer Bohr- und Fräsmaschine Werkzeuge von Hand gewechselt werden, sollten die Elemente dennoch auch für den späteren Ausbau zur vollautomatischen Handhabung geeignet sein. Die wesentlichen Elemente sind: Die Werkzeugaufnahme zum Einsetzen des Werkzeugs in die Arbeitsspindel Das Werkzeug selbst, das mit der Aufnahme außerhalb der Maschine verbunden und vermessen wird Das Werkzeugmagazin, in dem die für die Bearbeitung benötigten verschiedenen Werkzeuge gespeichert sind Eine Werkzeugwechselvorrichtung, die die Werkzeuge einschließlich ihrer Aufnahmen zwischen Arbeitsposition und Magazinplatz wechselt. Im Kapitel CNC-Werkzeugmaschinen sind u. a. Werkzeugsysteme an CNC-Bearbeitungszentren dargestellt. Die Werkzeugaufnahme ist das wichtigste Element eines Werkzeugsystems. Trotz internationaler Bemühungen um Standardisierung gibt es hier verschiedene Systeme, insbesondere bei den Greiferrillen für einen automatischen Werkzeugwechsel sowie bei der Einzugsvorrichtung der Werkzeuge in die Spindel. Als Einzugselement gibt es die Schraubspindel und die Spannzange. Genormt ist der Steilkegel, beispielsweise mit den Nenngrößen 40, 45, 50 und 60. Das Ende des Steilkegels ist je nach Einzugssystem unterschiedlich ausgebildet und häufig auch auswechselbar. Bild 1.1 zeigt eine Reihe von Aufnahmen, wie sie für Bearbeitungszentren verschiedener Hersteller verwendet werden. Für den schnellen, sicheren Austausch von Schneidwerkzeugen an einem bestimmten Bearbeitungszentrum sind für jedes Werkzeug gleiche Werkzeugaufnahmen erforderlich. Deren Ausführung richtet sich im Wesentlichen nach a) dem Kegel in der aufnehmenden Maschinenspindel, b) den Greiferrillen für den automatischen Werkzeugwechsler incl. Referenzmarke zur Werkzeug-Orientierung und c) der Art des Spannsystems mit dem die Werkzeugaufnahme in der Bearbeitungsspindel kraftschlüssig festgehalten wird, um die Zerspanungskräfte sicher übertragen zu können.
1. Werkzeugsystematik 327 Um beim Einsatz mehrerer unterschiedlicher Bearbeitungszentren die Kosten für diese Werkzeugaufnahmen gering zu halten, sollten diese für alle Maschinen einheitlich sein. Bei Werkzeugsystemen für Bearbeitungszentren hat sich der Steilkegel nach DIN 69871 (ISO 7388) durchgesetzt. Bild 1.2 zeigt Aufnahmen mit Hohlschaft (vorne) und mit Steilkegel. Das Bestreben, eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen, die auch den Forderungen nach hoher Steifigkeit und Genauigkeit entspricht und auch geeignet ist für hohe Drehzahlen, ist erfolgreich mit der Normung der HSK-Schnittstelle in DIN 69893 abgeschlossen worden. Seit 2001 ist auch die internationale Norm ISO 12164 verabschiedet. Werkzeugsysteme für CNC-Drehmaschinen Auf CNC-Drehmaschinen werden zwei im Werkzeugträger grundsätzlich verschiedene Werkzeugsysteme eingesetzt: Indexierende Werkzeugrevolver Werkzeugmagazine in Verbindung mit einer Wechselvorrichtung. Beide Systeme haben ihre Vorteile: Werkzeugrevolver ermöglichen durch kurze Schaltzeiten einen schnellen Werkzeugwechsel Werkzeugmagazine ermöglichen das Speichern einer größeren Anzahl von Werkzeugen, ohne dass sie eine Kollisionsgefahr im Arbeitsraum der CNC-Drehmaschine bilden. In beiden Fällen werden die Werkzeugschäfte überwiegend in Kassetten gespannt, die in indexierten ositionen am Werkzeugträger gehalten werden. Diese Kassetten entsprechen den Werkzeugaufnahmen bei Bearbeitungszentren und sind wiederum in zwei Bauarten standardisiert: mit Zylinderschaft mit rismenanlage. Für CNC-Drehmaschinen ist zwar die Schnittstelle zwischen Werkzeugträger und Werkzeug in DIN 69880 genormt. Die Trennstelle zwischen austauschbarem Schneidkopf und Grundhalter hat in den letzten Jahren jedoch eine vielfältige Entwicklungen genommen. Es sind in der Vergangenheit mehrere firmenspezifische Systeme eingesetzt worden, u. a. von Hertel, Sandvik und Widia. Diese Systeme haben sich allerdings nur bedingt durchsetzen können. Zu den auf dem Markt heute etablierten Systemen zählen z. B. Coromant Capto, Kennametal Widia, Komet und ISCAR, zumal es sich um Systeme handelt, die sowohl für rotierende, als auch für stehende Werkzeuge geeignet sind (Bild 1.3 und 1.4). Für den Anwender ergibt sich jedoch eine optimale Situation durch die genormte Schnittstelle HSK. Er ist jetzt erstmalig in der Lage, die Fertigung mit einem einheitlichen Werkzeugsystem auszurüsten und zwar BAZ und Drehmaschinen. Durch die Normung ist der Anwender lieferantenunabhängig. Bauarten von Werkzeugrevolvern (Bild 1.5) Neben bestimmten Standardbauformen von Werkzeugrevolvern, die auch von verschiedenen Zulieferfirmen hergestellt werden, haben viele CNC-Drehmaschinen-Hersteller Systeme entwickelt, die besonders auf den Arbeitsraum und das Gesamtkonzept der Maschine abgestimmt sind. Zu den Standardbauformen gehören: Sternrevolver Scheibenrevolver Trommelrevolver. Aber auch die meisten maschinenspezifischen Werkzeugrevolver-Konstruktionen lassen sich auf eines dieser rinzipien der Werkzeuganordnung zurückführen (Bild 1.6).
328 Teil 4: Werkzeugsystematik für CNC-Maschinen HSK Aufnahmen HSK Aufnahmen n DIN 69871 AD/B Spannfutter ABS Fräseraufnahme FA / FAM Leichtbau-Adapter ABS Kombi- Aufsteckfräsdorn FAK schwingungsoptimiert Exzenter- Verstelleinrichtung ABS Morsekegel Exzenter- Verstelleinrichtung ABS Torsions- Schwingungsdämpfer ABS Spannfutter NCB Torsions- Schwingungsdämpfer ABS Spannfutter Whistle Notch FWD Gewindeschneidfutter GWF Spannfutter Weldon HWD rüfdorn Hydrodehnspannfutter Spannzangenfutter SZV Verlängerung mit KomLoc HSK-Spanntechnik TM Hydrodehnspannfutter Reduzierung mit KomLoc HSK-Spanntechnik Halbfertigkopf Bild 1.1: Übersicht, Werkzeugaufnahmen für Bohr- und Fräswerkzeuge
1. Werkzeugsystematik 329 n DIN 69871 AD n JIS B 6339 (MAS 403 BT) ABS Flanschaufnahmen Vorsatzflansch Vorsatzflansch schwingungsoptimiert DIN 69871 A Exzenter- Verstelleinrichtung ABS HSK Vorsatzflansch mit KomLoc Spannsystem DIN 2080 A HSK Einbauflansch mit KomLoc Spannsystem DIN 2080 B Hydrodehnspannfutter TM
330 Teil 4: Werkzeugsystematik für CNC-Maschinen Bild 1.2: Werkzeugaufnahme nach DIN 69871, Teil 1 Werkzeugmagazine an CNC-Drehmaschinen Werkzeugmagazine sind an CNC-Drehmaschinen seltener als Revolver, da die Wechselvorrichtung meist aufwändiger als ein Schaltmechanismus beim Revolver ist. Es ist daher überwiegend die geringere Kollisionsgefahr in Verbindung mit der Möglichkeit, eine größere Anzahl von Werkzeugen ohne manuellen Eingriff automatisch einsetzen zu können, die für eine Magazinlösung sprechen kann. Einen neuen Impuls erhielt das Magazin-rinzip an CNC-Drehmaschinen durch Werkzeugsystem- Entwicklungen, bei denen nicht die gesamten Kassetten, sondern nur der Kopf des Werkzeugs mit der Schneide gewechselt wird. Durch derartige Konstruktionen lassen sich eine größere Anzahl von Werkzeugschneiden auf einem relativ kleinen Raum speichern und bei entsprechenden automatischen Wechseleinrichtungen auch für einen längeren Bearbeitungszeitraum bereithalten. Angetriebene Werkzeuge für CNC-Dreh- Fräszentren Viele Drehteile erfordern eine Nachbearbeitung, die normalerweise nicht auf Drehmaschinen durchgeführt werden kann. Dabei handelt es sich z. B. um exzentrische, axiale oder radiale Bohr- und Fräsbearbeitungen, wie z. B. Fräsen einer Längsnut am Außendurchmesser oder einer Quernut an der Stirnseite, axiale oder radiale Bohrungen mit bzw. ohne Gewinde, Fräsen eines Mehrkantprofiles an der Stirnseite des Werkstückes. Für diese Aufgaben können moderne CNC- Drehmaschinen eingesetzt werden, sofern sie
1. Werkzeugsystematik 331 ositionierstift E4 Kegelschraube F 2 Kühlmittelrohr 2 F A F A F A Spannschraube endelbolzen Dichtscheibe F 1 Bild 1.3: ABS-Kupplung der Firma KOMET, ein modulares Kupplungssystem für alle Werkzeuge, d. h. sowohl für rotierende, als auch für stehende. Sind die Werkzeugaufnahmen mit dem ABS-System versehen, dann lassen sich Werkzeuge, Verlängerungen oder Adapter einsetzen. E Bild 1.4: Systeme für Drehwerkzeuge mit tauschbaren Schneidenträgern A) Block Tools (Sandvik Coromant), B) Multiflex (Krupp Widia), C) FTX (Hertel), D) ABS-System (Komet), E) HSK (mit KomLoc von KOMET).
332 Teil 4: Werkzeugsystematik für CNC-Maschinen a) b) Bild 1.5: Werkzeugrevolver für NC-Drehmaschinen a) Scheibenrevolver b) Sternrevolver (Universalrevolver). über eine numerisch gesteuerte Hauptspindel (C-Achse) und angetriebene Werkzeuge im Revolverkopf verfügen. Je nach Werkzeugbestückung kann mit einem derartigen Drehzentrum gedreht, gebohrt, gerieben, gesenkt, gefräst oder Gewinde gebohrt werden. Für diesen Aufgabenbereich bieten mehrere Werkzeughersteller axiale und radiale Werkzeugköpfe an, die über eine spezielle Kupplung zum Antrieb im Werkzeugrevolver verfügen. Bezüglich der CNC genügt es nicht, eine dritte Achse für die Spindel vorzusehen. Es ist auch eine spezielle rogrammierung erforderlich. Für Bohroperationen sollte die Spindel nach Grad/Minuten programmierbar sei, Fräsoperationen dagegen erfordern eine rogrammierung wie auf einer Fräsmaschine in rechtwinkligen Koordinaten: Z/C für Arbeiten am Umfang X/C für Arbeiten an der Stirnseite. Die komplexe Interpolation der Achsbewegungen in Abhängigkeit vom Durchmesser erfolgt durch die spezielle Software der CNC. Werkzeugauswahl Für die Werkstückbearbeitung eröffnen numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen neue Möglichkeiten des Bearbeitungsablaufs. Beispielsweise wird man eine Komplettbearbeitung auf einer Maschine anstreben und dies in weniger Spannungen als bei konventioneller Fertigung. Darauf muss auch die Werkzeugauswahl abgestimmt sein: An einer CNC-Maschine müssen Werkzeuge für vielfältige Operationen zusammengefasst sein. Das würde zu einer Erhöhung der Anzahl von Werkzeugen je Arbeitsstation und Werkstückspektrum führen. Gleichzeitig ermöglicht die numerische Steuerung jedoch, verschiedenste Werkstückkonturen durch bahngeführte Bewegungen von Standardwerkzeugen zu erzeugen; es werden also keine rofilwerkzeuge mehr benötigt. Dadurch verringert sich wiederum die erforderliche Anzahl von Werkzeugen. Es sind nicht einzelne Konturelemente oder Werkstücke, sondern das gesamte Teilespektrum, das die Auswahl der richtigen CNC-Werk-