Was spannt die Werkzeugschraube eigentlich: Platte und Halter

Werkzeugschrauben sind Befestiger, die speziell für die Zerspanungs-Industrie entwickelt wurden. Ihr Kern-Einsatz ist die hochfeste Befestigung auf CNC-Werkzeughaltern, Aufnahmen und Wendeschneidplatten. Man unterscheidet zwei Familien: die Spannschraube für Wendeschneidplatten (Centerlock Screw) einerseits, und die größeren Halteschrauben für Werkzeug-Aufnahme oder Werkzeug-Scheibe andererseits. Am Beispiel der SFS-Baureihe: Die Spannschrauben für Platten reichen von SIC020037A über SIC022063 bis SIC060120, Nenngrößen M2–M6, Längen 3–20 mm, passend für ISO- und GB-Wendeschneidplatten wie CNMG, WNMG, APKT. YF Zhichengjia reicht mit dem Senkkopf-Programm von M1,6 bis M8 und deckt damit die gesamte Mikro-Spannschrauben-Palette ab.

Anders als normale Montage-Schrauben laufen Werkzeugschrauben unter hohen Drehzahlen (bis über 20.000 U/min), starken Schnittstößen und Hochfrequenz-Schwingungen. Und die Anlagefläche der Wendeschneidplatte wird von genau dieser einen Schraube gepresst. Jede Lockerung oder jeder Bruch führt direkt zu Ausschuss-Teilen, ausgebrochenen Schneiden und unter Umständen zu Schäden an der Spindel. Das Auslegungsziel lautet also nicht „man kann anziehen", sondern „die Spannkraft über zehntausende Schnittzyklen konstant halten, nie durchrutschen, nie im Loch abbrechen".

Antrieb: Warum Torx und Torx Plus unersetzlich sind

Werkzeugschrauben verwenden so gut wie keinen Innensechskant und kein Kreuz. Der Grund ist direkt: Der Bauraum für die Mikro-Schraube ist winzig, das Anzugsmoment muss aber ausreichend und reproduzierbar sein. Torx (6-lappig) und Torx Plus (verstärkt 6-lappig) übertragen das Drehmoment über sechs oder acht radiale Eingriffs-Lappen. Die Kontaktfläche ist deutlich größer als beim Innensechskant, es gibt fast kein Cam-out-Rutschen, der Wirkungsgrad liegt um etwa 30 % über herkömmlichen Profilen. Damit wird von Grund auf vermieden, dass „mitten im Anziehen die Tasche ausbricht und der Schraubenkopf durchrutscht".

Gewinde und Kopf: Feingewinde, Senkwinkel, Anlagefläche

Werkzeugschrauben verwenden überwiegend Feingewinde: Im Katalog häufig M2×0,25, M3×0,35/0,5, M4×0,5/0,7, M5×0,8, M6×1,0. Die kleine Steigung und der kleine Steigungswinkel geben bei gleicher Vorspannung eine gleichmäßigere Verspannung und besseren Schwingungsschutz – genau passend zum Spannfall „einspannen und schwingungsfest". Die Köpfe werden nach der Aufnahme-Bohrung der Wendeschneidplatte gestaltet: Senkkopf, Zylinderkopf, Kugelkopf usw. Der Senkkopf sitzt dort, wo die Platten-Oberfläche bündig aufliegen soll. Die Winkel betragen 60°, 55°, 90° sowie 25° und 40° – sie müssen exakt zum Senkwinkel der Platte passen, damit die Positionierung zuverlässig sitzt.

• Gewinde-Genauigkeit: Im Katalog finden sich die Toleranzfelder 4h / 6g, abgestimmt auf das Innengewinde im Präzisions-Halter, damit der Eindrehvorgang reproduzierbar ist.
• Anlagefläche: Einige Köpfe bringen eine Bund- oder Kegelfläche mit, die auf Halter beziehungsweise Platten-Positionierung aufliegt und nach dem Spannen nicht leicht auspendelt.
• Teilgewinde / Abstech-Rillen / Linksgewinde: Lange Ausführungen werden als Teilgewinde ausgeführt, damit der Spann-Abschnitt steif bleibt. Abstech-Rillen werden für druckplatten-artige Konstruktionen genutzt. Linksgewinde wird für rotierend gegenläufige Aufnahmen verwendet, damit sich die Schraube nicht von selbst löst.

Werkstoff und Wärmebehandlung: Festigkeitsklasse 12.9, HRC 40–48

Der Grundwerkstoff von Werkzeugschrauben ist überwiegend hochfester legierter Stahl (Festigkeitsklasse 12.9), höhergekohlter Stahl und 420-Edelstahl, in einigen Fällen Titan-Legierung TC4. Die Zugfestigkeit liegt bei mindestens 1050 MPa. Die Wärmebehandlung ist Vollhärten + Anlassen bei niedriger Temperatur, die Härte wird im Bereich HRC 40–48 eingestellt. Diese Härte-Spanne gibt hohe Zug- und Torsions-Festigkeit und lässt zugleich genug Zähigkeit, damit die Schraube nicht bei der ersten Schwingung spröde bricht.

Hinweis: 12.9 und höher ist hochfester Stahl und damit empfindlich gegenüber Wasserstoffversprödung. Wenn die Werkzeugschraube durch Galvanik (Verzinken) korrosionsgeschützt wird, muss nach dem Beschichten unbedingt der Wasserstoff eingebrannt werden – sonst bricht die Schraube unter Spannung mit Verzögerung.

Oberflächen-Beschichtung: TiN, TiAlN, DLC im Einsatz

Die Beschichtung ist bei Werkzeugschrauben nicht nur eine Dekorfarbe, sondern eine Funktionsschicht: TiN (Titannitrid, gold) bietet allgemeinen Verschleiß- und Korrosionsschutz. TiAlN (Titanaluminiumnitrid, violett-schwarz) ist hoch temperaturebeständig und wenig neigend zum Aufbauschneiden, ideal für die Hochgeschwindigkeits-Zerspanung. DLC (Diamond-like Carbon, schwarz) hat einen extrem niedrigen Reibwert und ist selbstschmierend – dadurch bleibt das Anzugsmoment stabiler und Fressen wird reduziert. Die Beschichtung zusammen mit Feingewinde, Torx Plus und Bund-Anlagefläche bildet ein System aus „vierfacher Sicherung + hohem Verschleißschutz", das die 2- bis 3-fache Standzeit einer normalen Schraube erreichen kann.

Auswahl und Montage: Drehmoment, Werkzeug, Tagesprüfung

Bei der Auswahl sind zuerst vier Dinge an der Platten-/Halter-Bohrung zu klären: Durchmesser, Länge, Steigung, Kopf-Form, danach wird die Kompatibilität mit dem Platten-Hersteller (Sandvik, Kennametal, Mitsubishi usw.) bestätigt. Bei der Montage wird das der Größe entsprechende Soll-Drehmoment aufgebracht, zum Beispiel M3 mit etwa 1,2–1,5 N·m. Zu fest bricht der Kopf, zu locker lockert sich die Platte – am besten nimmt man einen einstellbaren Drehmomentschlüssel. Schließlich die Tagesprüfung: In der schwingenden Zerspanung ist die Spannung pro Schicht oder pro Tag zu kontrollieren. Lässt die Tasche nach oder sinkt die Klemmkraft, ist nachzuziehen oder auszutauschen.