kritischer Keilwinkel
Englisch: critical taper
Ein Gleichgewichtswinkel an der fernen Seite eines keilförmigen Materials, das von der nahen Seite aus vorgeschoben wird.
kritischer Kegel: der Winkel, bei dem ein Keil nicht mehr rutscht
Ein kritischer Kegel ist der Neigungswinkel, bei dem ein keilförmiger oder konischer Körper ins Gleichgewicht zwischen der Triebkraft an einem Ende und der Reibung, die ihn an Ort und Stelle hält, kommt. Unterhalb dieses Winkels kann die Reibung allein die Last tragen; darüber hinaus rutscht der Keil unter Last zurück oder löst sich plötzlich, wenn die Kraft wegfällt. Der Winkel wird durch den Reibungskoeffizienten zwischen Kegel und Auflagefläche bestimmt und liegt in praktischen Werkzeugmaschinenanwendungen typischerweise zwischen 3 und 15 Grad.
Werkzeugmaschinenkegel wie in Bohrfuttern, Fräsmaschinen-Spindeln und Dreh-Körnern werden je nach Anwendung über oder unter dem kritischen Winkel ausgeführt. Ein Kegel über dem kritischen Winkel ist selbsthaltend: Sitzt er einmal, widersteht er der Herausnahme auch unter Vibration oder Seitenlast. Morse-Kegel und Brown-and-Sharpe-Kegel fallen in diese Kategorie. Ein Kegel unter dem kritischen Winkel benötigt einen Haltemechanismus, normalerweise eine Zugstange, um das Werkzeug zu halten; er wird nicht in der Spindel festsitzen.
Selbsthaltend gegen nicht-haltend
Diese Unterscheidung ist im Betrieb entscheidend. Selbsthaltende Kegel greifen automatisch nach dem Einsetzen und Sitzen, weshalb ein Morse-Kegel-Arbor von Hand durch einen Schlag von der gegenüberliegenden Seite herausgezogen werden kann. Ein flacher Kegel mit Zugstange verhindert, dass Werkzeuge in der Spindel festsitzen, was Werkzeugwechsel in hochfrequenten Anwendungen wie CNC-Fräsen beschleunigt. Der kritische Winkel selbst hängt von Oberflächengüte und Materialpaaarung ab; eine rauere, trockene Oberfläche hat einen höheren Reibungskoeffizienten und damit einen steileren kritischen Winkel als eine polierte oder geschmierte.
Probleme entstehen, wenn Kegel dem kritischen Winkel zu nahe kommen. Kleine Änderungen in der Reibung, Verschmutzung oder Verschleiß können das Verhalten von selbsthaltend zu rutschig umschlagen. Wenn ein selbsthaltender Kegel durch Verschmutzung rutschig wird, fallen Werkzeuge unter Last heraus. Wenn ein vermeintlich nicht-haltender Kegel durch Verschleiß oder Belagbildung in selbsthaltend übergeht, wird die Herausnahme schwierig und kann Wärmeanwendung oder Schlagwerkzeuge erfordern.
Der Begriff stammt aus der mathematischen Beziehung zwischen Keilwinkel und Reibungskoeffizient: tan(Winkel) gleicht dem Koeffizienten der Haftreibung im kritischen Punkt. Dies kam aus der klassischen Mechanik und Keiltheorie, die Maschinenkonstrukteure bei der Standardisierung von Kegelgeometrien im späten 19. Jahrhundert übernahmen.