Schrumpffutter: Spannprinzip, Schafttoleranz und Rundlauf

Thema: Werkzeuge & Schneidstoffe

Ein Schrumpffutter gilt oft als Werkzeugaufnahme, die von sich aus Präzision liefert. Das Spannprinzip ist tatsächlich einfach, denn es gibt keine beweglichen Spannteile. Ob die Vorteile am Werkstück ankommen, entscheiden jedoch Schaftmaß, Dauer der Erwärmung, Einstelllänge und die Schnittstelle zur Spindel.

Wie ein Schrumpffutter spannt

Laut Kennametal wird die Bohrung eines Schrumpffutters etwas kleiner gefertigt als der Werkzeugschaft. Eine schnelle, gezielte Wärmequelle erwärmt das spannende Ende, die Bohrung weitet sich, und der Schaft lässt sich einschieben. Beim Abkühlen zieht sich die Bohrung mit gleichmäßigem Druck zusammen und umschließt den Schaft über 360°. Das Drehmoment wird reibschlüssig über die Kontaktfläche übertragen.

Als Wärmequelle dienen meist Induktionsgeräte; ein Hoffmann-Datenblatt nennt außerdem Kontakt- und Heißluftgeräte als geeignet. Entscheidend ist die Dauer: HAIMER fordert eine Erwärmung innerhalb von Sekunden ohne Überhitzen, Kennametal nennt unter 10 s und für sein Gerät kontrollierte Schrumpftemperaturen von 300 bis 340 °C. Abgekühlt wird mit Kühlkörpern oder Lüftern; HAIMER nennt etwa 30 s Kühlzeit, laut Kennametal lässt sich das Futter nach 30 bis 40 s anfassen.

Schaft: Toleranz, Form und Werkstoff

Weil das Übermaß nur im Bereich von Hundertstelmillimetern liegt, muss der Schaft eng toleriert sein. Bilz fordert für Ø 3 und 4 mm das Toleranzfeld h4, für Ø 5 mm h5 und ab Ø 6 mm h6. Kennametal nennt dieselben Toleranzfelder mit folgenden Grenzmaßen:

Liegt ein Schaft unter dem Kleinstmaß, sinkt das Übermaß und mit ihm die Haltekraft. Bilz nennt Zylinderschäfte nach DIN 1835 Form A, B und E sowie DIN 6535 Form HA, HB und HE als spannbar; laut Kennametal liefern glatte Schäfte ohne Flächen und Kerben die besten Ergebnisse. Die formschlüssige Spannung über eine seitliche Fläche beschreibt der Beitrag zur Weldon-Aufnahme.

Hartmetall- und HSS-Schäfte lassen sich schrumpfen, HSS laut Bilz ab 6 mm Durchmesser. Hartmetall dehnt sich laut Hyperion etwa halb so stark aus wie ferritische und martensitische Stähle; zwischen HSS-Schaft und Stahlfutter fehlt dieser Unterschied weitgehend. Dass es trotzdem funktioniert, begründet Kennametal mit kurzer, örtlich begrenzter Erwärmung, bei der sich das Werkzeug kaum miterwärmt.

Eigenes Rechenbeispiel: Übermaß und Erwärmung

Wir nehmen einen Hartmetallschaft mit 10 mm Nennmaß an, laut Kennametal-Tabelle bei h6 also 9,991 bis 10,000 mm. Ein Hoffmann-Datenblatt für ein Futter mit 10 mm Spanndurchmesser nennt für den Aufnahmedurchmesser die Abmaße −0,018 und −0,023 mm; als Bohrungsmaß gelesen sind das 9,977 bis 9,982 mm. Das Übermaß liegt damit zwischen 0,009 mm (dünnster Schaft, weiteste Bohrung) und 0,023 mm.

Für den Futterstahl nehmen wir einen Ausdehnungskoeffizienten von 11 × 10⁻⁶ 1/K an; der genaue Wert steht im Werkstoffdatenblatt. Je 100 K Erwärmung wächst die Bohrung dann um 10 mm × 11 × 10⁻⁶ 1/K × 100 K = 0,011 mm. Um das größte Übermaß aufzuheben, sind rund 210 K nötig. Bei 300 °C, also 280 K über 20 °C Raumtemperatur, weitet sich die Bohrung um etwa 0,031 mm, und es bleiben 0,008 bis 0,022 mm Spiel zum Einführen.

Das Beispiel zeigt auch, warum kurz erwärmt wird. Erreichte der Hartmetallschaft dieselbe Temperatur, dehnte er sich mit halbem Koeffizienten um rund 0,015 mm; bei der engsten Paarung bliebe kein Spiel. Ein Stahlschaft machte die Aufweitung fast vollständig mit. Das Lehrbeispiel vernachlässigt die Temperaturverteilung und ist keine Gerätevorgabe; maßgeblich sind die Angaben des Geräteherstellers.

Rundlauf, Wuchten und Einstelllänge

HAIMER garantiert für seine Futter eine Rundlaufgenauigkeit unter 3 µm bei 3 × D Auskragung; Bilz und Hoffmann nennen ebenfalls 3 µm, ohne Messlänge im ausgewerteten Text. Am Werkzeug kommen Spindelrundlauf, der Sitz der Schnittstelle wie HSK oder Steilkegel und die Lage der Schneiden zum Schaft hinzu. Wie eine exzentrische Schneide den schneidenden Durchmesser vergrößert, zeigt der Beitrag zum Flugkreis beim Fräser. Ob der eigene Aufbau die Katalogangabe erreicht, zeigt erst eine Rundlaufprüfung an der Schneide.

Die symmetrische Form erleichtert das Wuchten: HAIMER und Bilz geben G 2,5 bei 25.000 min⁻¹ an, Bilz für Futter unter 1 kg eine Restunwucht unter 1 g·mm. Das gilt für das Futter, nicht für den Aufbau mit Werkzeug.

Die Werkzeuglänge wird beim Schrumpfen festgelegt und ist danach nicht mehr verschiebbar. Kennametal stellt sie vorher mit einer axialen Einstelllehre ein, HAIMER bietet Geräte mit Höhenanschlag zur Längeneinstellung an. Den tatsächlichen Wert bestimmt anschließend ein Werkzeug-Einstellgerät oder die Längenmessung an der Maschine.

Typische Fehler und Grenzen

Zu langes Erwärmen kann laut Kennametal das Gefüge des Futters schädigen; zugleich fließt Wärme in den Schaft, was das Ausspannen erschwert. Grate und Druckstellen am Schaft, etwa von einer früheren Klemmschraube, sowie Späne in der Bohrung stören die Anlage und damit den Rundlauf.

Futterkopf und Kühlkörper sind nach dem Schrumpfen heiß. Trotz abgeschirmter heißer Stellen gehören an das Schrumpfgerät hitzebeständige Schutzhandschuhe, an die laufende Spindel dagegen nicht. Kennametal nennt für Futter ab 6 mm Bohrung bei richtiger Anwendung bis zu 5.000 Schrumpfzyklen.

Grenzen liegen auch im System: Jedes Futter spannt nur einen Schaftdurchmesser, und ohne Schrumpfgerät gibt es keinen Werkzeugwechsel. An einer Spindel mit fest eingebauter Aufnahme für eine ER-Spannzange ist ein Schrumpffutter nicht direkt einsetzbar. Lange, schlanke Futter erreichen tiefe Konturen, vergrößern aber die Auskragung; bei Schwingungen ist sie ein erster Prüfpunkt, siehe Rattermarken beim Fräsen.

Prüfliste vor dem Schrumpfen

• Schaftdurchmesser und Toleranzfeld nach Herstellerangabe prüfen, bei HSS auch den Mindestdurchmesser.
• Schaft und Bohrung auf Späne, Grate und Druckstellen sichten.
• Spule oder Programm passend zur Futtergröße wählen, nicht länger heizen als vorgesehen.
• Einstelllänge vorher festlegen, Werkzeug zügig einschieben.
• Mit dem vorgesehenen Kühlsystem abkühlen, Futter erst handwarm anfassen.
• Länge messen, Rundlauf an der Schneide prüfen, Werte dokumentieren.