Untersuchung von Werkzeugschnittstellen für Fräsmaschinen unter Betriebsbedingungen

Die Werkzeugschnittstelle einer Fräsmaschine liegt stets im direkten Kraftfluss zwischen dem Werkzeug und der Maschinenspindel und muss somit die Zerspankräfte aus dem Prozess in die Spindel übertragen. Dabei erfährt sie unterschiedlichste Lastkollektive, unter denen sie weiterhin ihre Funktionen sicher erfüllen muss. Um die verfügbaren Werkzeugschnittstellen vergleichen zu können, wurden verschiedene Untersuchungsmethoden entwickelt und mechanische Kennwerte definiert, welche bisher allerdings weitgehend im Stillstand ermittelt wurden. Diese Arbeit widmet sich zunächst der Auswirkung der Rotation auf die statischen Biegeeigenschaften, der fliehkraftbasierten Effekte auf die inneren Kontaktverhältnisse bei hohen Drehzahlen und schlussendlich dem Einfluss der Werkzeugschnittstelle auf die Gesamtsteifigkeit und den Bearbeitungsprozess.
Um das Biegeverhalten von Werkzeugschnittstellen unter Rotation untersuchen zu können, ist eine Erweiterung bekannter Untersuchungsmethoden erfolgt und ein geeigneter Prüfstand gebaut worden. Bei den ersten Untersuchungen zeigen sich grundlegende Effekte, durch die sich das statische Verhalten in der Rotation vom Stillstand unterscheidet. Die darauf aufbauenden vergleichenden Untersuchungen genormter Werkzeugschnittstellen und einer maximal steifen monolithischen Werkzeugschnittstelle geben einen Überblick über das Biegeverhalten bei verschiedenen Drehzahlen.
Der Kontaktverlust der HSK-Kegelverbindung unter hohen Drehzahlen konnte bisher nicht praktisch nachgewiesen werden. Um den Nachweis zu führen, wurde ein Versuchswerkzeug entwickelt, welches durch Flüssigkeitsaustritt die Bildung von Spalten in der Kegelverbindung anzeigt. Die simulativen Untersuchungen und die praktischen Versuche an Maschinenspindeln zeigen das bereichsweise Abheben, sodass die anschließende Diskussion der Auswirkung auf die Maschinensicherheit notwendig wird.
Abschließend wird der Einfluss der Werkzeugschnittstelle auf die Steifigkeit der Gesamtmaschine durch ein Ersatzmodell und Messungen an verschiedenen Maschinen eingeordnet. Sensitivitätskennlinien zeigen, welches Restpotenzial in der Maschinensteifigkeit welcher notwendigen Schnittstellensteifigkeitsänderung gegenübersteht. Die Abdrängung im Fräsprozess veranschaulicht diese Einordnung anhand praktischer Versuchsergebnisse, die sich mit den Untersuchungen zum dynamischen Prozessverhalten vergleichen lassen.