Auskraglänge

Auskraglänge

Die Auskraglänge bezeichnet den frei überstehenden Bereich eines Werkzeugs oder Werkstücks zwischen seiner Einspannung und dem Punkt, an dem die Bearbeitungskraft wirkt. In der Zerspanung ist damit meistens der Abstand zwischen der Werkzeugaufnahme und der Schneide gemeint.

Eine möglichst kurze Auskraglänge erhöht die Stabilität des gesamten Bearbeitungssystems. Eine unnötig große Auskraglänge begünstigt dagegen Werkzeugdurchbiegung, Schwingungen, Maßabweichungen und eine schlechte Oberflächenqualität.

Was bedeutet Auskraglänge?

Ein Werkzeug ist nur innerhalb seiner Werkzeugaufnahme fest eingespannt. Der außerhalb der Aufnahme liegende Teil kann sich unter Belastung elastisch verformen.

Die Auskraglänge wird üblicherweise vom Ende der wirksamen Einspannung bis zur Werkzeugschneide gemessen.

Beispiele:

• Beim Schaftfräser reicht sie von der Spannzange beziehungsweise Werkzeugaufnahme bis zur äußersten Schneide.
• Beim Bohrer wird sie von der Aufnahme bis zur Bohrerspitze gemessen.
• Beim Ausdrehwerkzeug reicht sie von der Einspannung der Ausdrehstange bis zur Schneidkante.
• Beim Drehmeißel bezeichnet sie den freien Überstand des Halters aus dem Werkzeughalter.
• Beim Werkstück wird der Abstand zwischen der Einspannung und der Bearbeitungsstelle betrachtet.

Die Auskraglänge darf nicht mit der Einspannlänge verwechselt werden. Die Einspannlänge beschreibt den Bereich, der innerhalb der Aufnahme gespannt wird. Die Auskraglänge ist dagegen der frei herausragende Teil.

Einfluss auf die Werkzeugstabilität

Mit zunehmender Auskraglänge sinkt die Steifigkeit des Werkzeugs erheblich. Die Durchbiegung eines vereinfacht betrachteten, einseitig eingespannten Werkzeugs steigt ungefähr mit der dritten Potenz seiner freien Länge.

Vereinfacht gilt:

Durchbiegung proportional zu L³

Dabei steht L für die Auskraglänge.

Wird die Auskraglänge verdoppelt, kann sich die theoretische Durchbiegung unter vergleichbaren Bedingungen etwa um den Faktor acht erhöhen. Schon eine relativ kleine Verlängerung kann deshalb einen deutlich instabileren Bearbeitungsprozess verursachen.

Neben der Länge beeinflussen auch folgende Faktoren die Werkzeugsteifigkeit:

• Werkzeugdurchmesser
• Werkzeugwerkstoff
• Form und Querschnitt des Werkzeugs
• Stabilität der Werkzeugaufnahme
• Spannkraft
• Schnittkräfte
• Spindel- und Maschinensteifigkeit

Ein größerer Werkzeugdurchmesser erhöht die Steifigkeit deutlich und kann bei langen Auskragungen vorteilhaft sein.

Verhältnis von Länge zu Durchmesser

Die Stabilität eines Werkzeugs wird häufig anhand des Verhältnisses von Auskraglänge zu Werkzeugdurchmesser beurteilt. Dieses Verhältnis wird als L/D-Verhältnis bezeichnet.

Dabei gilt:

L/D = Auskraglänge ÷ Werkzeugdurchmesser

Beispiel:

Ein Fräser mit 10 mm Durchmesser besitzt eine Auskraglänge von 40 mm.

L/D = 40 ÷ 10 = 4

Das Werkzeug arbeitet somit mit einer Auskraglänge von viermal seinem Durchmesser.

Als grobe Orientierung gilt:

• bis etwa 3 × D: meist stabiler Werkzeugaufbau
• 3 bis 5 × D: erhöhte Aufmerksamkeit erforderlich
• über 5 × D: deutlich steigende Schwingungsgefahr
• sehr große L/D-Verhältnisse: besondere Werkzeuge oder Dämpfungssysteme erforderlich

Die tatsächlich mögliche Auskraglänge hängt jedoch stark vom Bearbeitungsverfahren, Werkzeugtyp, Werkstoff und den gewählten Schnittwerten ab.

Auskraglänge beim Fräsen

Beim Fräsen führt eine große Auskraglänge häufig zu wechselnder Werkzeugdurchbiegung. Da die einzelnen Schneiden nacheinander in das Werkstück eintreten, entstehen periodisch schwankende Schnittkräfte.

Mögliche Folgen sind:

• Rattern
• wellige Oberflächen
• Maßabweichungen
• erhöhte Schneidkantenbelastung
• Ausbrüche am Fräser
• verkürzte Werkzeugstandzeit
• Geräuschentwicklung
• Überlastung der Werkzeugaufnahme

Besonders kritisch sind lange, schlanke Fräser bei großen radialen Eingriffsbreiten und hohen Zustellungen.

Wenn eine große Bearbeitungstiefe erreicht werden muss, sollte nicht automatisch ein Werkzeug mit maximaler Schneidenlänge gewählt werden. Häufig ist ein Fräser mit kurzer Schneidenlänge und verstärktem Hals stabiler.

Auskraglänge beim Bohren

Bei langen Bohrern kann eine große Auskraglänge dazu führen, dass das Werkzeug beim Eintritt verläuft. Dies beeinträchtigt die Position, Geradheit und Rundheit der Bohrung.

Zur Verbesserung der Stabilität können folgende Maßnahmen eingesetzt werden:

• möglichst kurze Bohrer verwenden
• Werkstückoberfläche anbohren
• Pilotbohrung herstellen
• Bohrer beim Eintritt führen
• Schnittwerte anpassen
• geeignete Tiefbohrwerkzeuge verwenden
• Kühlmittelzufuhr sicherstellen

Ein langer Bohrer sollte nur so weit aus der Aufnahme herausragen, wie es die benötigte Bohrungstiefe tatsächlich erfordert.

Auskraglänge beim Ausdrehen

Ausdrehstangen reagieren besonders empfindlich auf große Auskraglängen. Die Schneide befindet sich seitlich zur Werkzeugachse, wodurch hohe Biegekräfte entstehen können.

Für Ausdrehstangen gelten abhängig vom Werkstoff grobe Richtwerte:

• Stahl-Ausdrehstange: häufig bis ungefähr 4 × D
• Hartmetall-Ausdrehstange: häufig bis ungefähr 6 × D
• schwingungsgedämpfte Ausdrehstange: je nach System deutlich größere Werte möglich

Diese Werte sind lediglich Orientierungen. Die Angaben des Werkzeugherstellers müssen berücksichtigt werden.

Bei zu großer Auskraglänge entstehen häufig Rattermarken, konische Bohrungen und schwankende Durchmesser.

Auskraglänge beim Drehen

Auch Drehmeißel sollten möglichst kurz im Werkzeughalter gespannt werden. Ein großer Überstand verringert die Steifigkeit und erhöht die Gefahr von Vibrationen.

Als grobe Grundregel sollte ein Drehmeißel nur so weit herausragen, dass Werkstück, Spannmittel und Maschinenbauteile sicher freigefahren werden können.

Bei der Innenbearbeitung ist die Auskraglänge der Bohrstange besonders wichtig. Ein größerer Stangendurchmesser verbessert die Stabilität, sofern der vorhandene Bohrungsdurchmesser dies zulässt.

Auskraglänge des Werkstücks

Nicht nur Werkzeuge, sondern auch Werkstücke können auskragen. Beim Drehen betrifft dies beispielsweise lange Werkstücke, die weit aus dem Spannfutter herausragen.

Eine zu große Werkstückauskragung kann verursachen:

• Werkstückdurchbiegung
• Rattern
• konische Bearbeitung
• schlechte Oberflächen
• Maßabweichungen
• Herausschleudern des Werkstücks
• Beschädigung von Werkzeug und Maschine

Lange Werkstücke können durch einen Reitstock, eine mitlaufende Spitze, eine feste Lünette oder eine mitlaufende Lünette abgestützt werden.

Beim Fräsen sollten Werkstücke möglichst nah an der Bearbeitungsstelle gespannt oder unterbaut werden.

Auswirkungen auf Maß und Oberfläche

Während der Bearbeitung wird ein auskragendes Werkzeug durch die Schnittkraft aus seiner theoretischen Position gedrückt. Nach dem Austritt aus dem Werkstück federt es wieder zurück.

Dadurch können unterschiedliche Fehler entstehen:

• falscher Durchmesser
• konische Flächen
• Maßabweichungen an Konturen
• sichtbare Übergänge
• Rattermarken
• ungleichmäßige Rauheit
• Formabweichungen

Beim Schruppen können solche Abweichungen teilweise durch ein ausreichendes Schlichtaufmaß ausgeglichen werden. Beim Schlichten muss der Werkzeugaufbau jedoch ausreichend stabil sein, damit die geforderte Genauigkeit erreicht wird.

Möglichkeiten zur Verringerung der Auskraglänge

Die Auskraglänge sollte bereits bei der Arbeitsvorbereitung berücksichtigt werden. Mögliche Maßnahmen sind:

• kürzeres Werkzeug einsetzen
• Werkzeug tiefer einspannen
• kürzere Werkzeugaufnahme verwenden
• Werkstück näher an der Bearbeitungsstelle spannen
• Aufspannung verändern
• größeren Werkzeugdurchmesser wählen
• Bauteil von mehreren Seiten bearbeiten
• zusätzliche Abstützung einsetzen
• schwingungsgedämpfte Werkzeughalter verwenden
• Bearbeitungsreihenfolge optimieren

Das Werkzeug darf jedoch nicht so tief eingespannt werden, dass Schneiden, Spannuten oder Freischliffe von der Aufnahme geklemmt werden.

Anpassung der Schnittwerte

Kann die Auskraglänge konstruktiv nicht verkürzt werden, müssen die Bearbeitungsbedingungen angepasst werden.

Mögliche Maßnahmen sind:

• Schnitttiefe reduzieren
• radialen Eingriff verringern
• Vorschub anpassen
• Drehzahl verändern
• scharfe Schneiden verwenden
• Werkzeug mit positiver Geometrie einsetzen
• Gleichlauf bevorzugen
• Werkzeugwege gleichmäßig gestalten
• plötzliche Lastwechsel vermeiden

Eine Verringerung der Drehzahl kann bei auftretendem Rattern helfen. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, einen kritischen Drehzahlbereich gezielt zu verlassen, statt die Drehzahl nur geringfügig zu verändern.

Typische Fehler in der Praxis

Häufige Fehler im Zusammenhang mit der Auskraglänge sind:

• unnötig langes Werkzeug gewählt
• Werkzeug nur teilweise eingespannt
• ungeeignete Verlängerung verwendet
• Werkstück zu weit aus dem Spannmittel gespannt
• Werkzeugdurchmesser zu klein gewählt
• Schnittwerte nicht an die Auskragung angepasst
• instabile Werkzeugaufnahme verwendet
• fehlende Werkstückunterstützung
• Kollisionen durch zu knappe Planung der Freiräume

Eine große Auskraglänge sollte nicht als Ersatz für eine durchdachte Werkzeug- und Aufspannplanung verwendet werden.

Auskraglänge und Kollisionsschutz

Eine kurze Auskraglänge verbessert die Stabilität, kann aber den Freiraum zwischen Werkzeugaufnahme und Werkstück verringern. Deshalb muss ein Kompromiss zwischen Steifigkeit und Kollisionsfreiheit gefunden werden.

Bei der Programmierung sind insbesondere zu prüfen:

• Störkonturen des Werkstücks
• Spannmittel
• Werkzeugaufnahme
• Spindelnase
• Schwenkbewegungen
• Anfahr- und Rückzugswege

Die optimale Auskraglänge ist deshalb die kürzeste Länge, mit der alle erforderlichen Bearbeitungsstellen kollisionsfrei erreicht werden können.

Bedeutung in der CNC-Fertigung

Die Auskraglänge ist ein entscheidender Faktor für die Stabilität eines Zerspanungsprozesses. Sie beeinflusst Werkzeugdurchbiegung, Schwingungsverhalten, Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit.

Eine möglichst kurze und dennoch kollisionsfreie Auskraglänge verbessert die Prozesssicherheit und ermöglicht höhere Zerspanungsleistungen. Sie sollte deshalb bei jeder Werkzeugauswahl, Aufspannung und CNC-Programmierung bewusst festgelegt werden.

Kurz erklärt

Die Auskraglänge ist der frei überstehende Bereich zwischen der Einspannung eines Werkzeugs oder Werkstücks und dem Punkt der Bearbeitung. Je größer die Auskraglänge ist, desto stärker können Durchbiegung und Schwingungen auftreten.