[0001] Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für Werkzeugmaschinen, mit einer Werkzeugaufnahme und mit Mitteln zur Beeinflussung seines Schwingungsverhaltens und seinen zugeordneten Resonanzschwingungen.
[0002] Werkzeughalter dienen zur Aufnahme von Schneidwerkzeugen, insbesondere Bohr-, Fräs-, Reib- oder auch Schleifwerkzeugen und sind maschinenseitig mit Mitteln zur Kopplung mit der Maschinenspindel versehen. Derartige Werkzeughalter weisen in der Regel eine gewisse axiale Länge auf, was die Entstehung von unerwünschten Schwingungen oder Vibrationen begünstigt. Die Schwingungen werden am Schneidwerkzeug beim schlagartigen Eindringen der Schneiden ins Werkstück erzeugt. Ihre Frequenz ergibt sich aus der Schneidenzahl des Schneidwerkzeuges und der Drehzahl der Spindel.
[0003] Die Schwingungen haben mehrere negative Auswirkungen sowohl auf die Qualität der bearbeiteten Oberflächen, als auch auf die Beanspruchung der Werkzeuge und der Werkzeugmaschinen. Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu vermeiden, besteht in der Begrenzung der Abtragraten (Vorschub, Schnitttiefe, Schnittbreite). Diese Begrenzung zu überwinden ist eine seit Jahrzehnten bestehende Herausforderung an die einschlägige Fachwelt.
[0004] Es wurden bereits verschiedenartigste Möglichkeiten vorgeschlagen, um die auftretenden Schwingungen zu dämpfen oder idealerweise zu kompensieren. In der DE-A-10 2004 019 869 (Haimer) wird vorgeschlagen, die Federsteifigkeit des Werkzeughalters zu verändern, um das Resonanz- bzw. Schwingungsverhalten positiv zu beeinflussen. Dies wird dadurch bewirkt, dass durch zusätzliche Hülsen oder dergl. in einem bestimmten axialen Bereich des Werkzeughalters eine axiale Zug- oder Druckspannung erzeugt wird. Zusätzlich werden zwischen den Hülsen und dem Halter bestehende Hohlräume mit viskosen Flüssigkeiten oder elastischen Materialien aufgefüllt.
[0005] Gemäss CH-A-659 025 (Studer) besteht ein anderer Vorschlag darin, mehrere ineinander geschobene Hülsen aus verschiedenen Materialien zu verspannen. Die verschiedenen Materialien und deren unterschiedliche Schwingverhalten sollen zur besseren Schwingungsdämpfung beitragen.
[0006] Andere Vorschläge bestehen darin, ein axial verstellbares Pendelgewicht an einem innenliegenden Zylinder einzusetzen, oder die Schwingungsdämpfung mittels Ölkammer- oder Ölfilmsystemen zu erreichen. Vorschläge, die hier nicht im Einzelnen kommentiert werden sollen, finden sich in US-A-3 859 699, US-A-6 180 126, US-A-3 641 378, WO-A-03 093 696, US-A-4 998 851, US-A-4 871 286.
[0007] Die Vielzahl der Lösungsvorschläge auch aus der jüngsten Zeit zeigt, dass das Problem bisher nicht zufriedenstellend gelöst ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Schwingungsverhalten von Werkzeughaltern so zu beeinflussen, dass die vibrationsbedingten Nachteile möglichst weitgehend vermieden werden.
[0008] Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Mittel zur Beeinflussung des Schwingungsverhaltens aus zwei koaxialen Teilen bestehen, deren innerer Teil teleskopartig axial verschiebbar im äusseren Teil angeordnet ist, wobei der innere Teil mit der Werkzeugaufnahme und der äussere Teil mit Mitteln zum axialen Festlegen des inneren Teils versehen ist.
[0009] Vorzugsweise ist der äussere Teil mit einem Aufnahmekonus zum Einspannen des inneren Teils mit einer Spannzange oder einem Spannfutter versehen. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwischen dem inneren und dem äusseren Teil Dämpfungselemente angeordnet.
[0010] Im Folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine axiale Schnittdarstellung durch einen Werkzeughalter nach der Erfindung
<tb>Fig. 2<sep>den Werkzeughalter von Fig. 1dem inneren Teil in ausgezogener Position
<tb>Fig. 3<sep>einen axialen Schnitt durch eine zusätzlich mit Dämpfungselementen versehene Ausführungsform
<tb>Fig. 4<sep>einen Schnitt durch den inneren Teil mit einer alternativen Anordnung der Dämpfungselemente
<tb>Fig. 5<sep>zwei Querschnitte mit unterschiedlich angeordneten Dämpfungselementen
[0011] Der in den Fig. 1 und 2 im Schnitt gezeigte Werkzeughalter besteht aus einem äusseren Teil 1 und einem inneren Teil 2. Der äussere Teil 1 hat die von bekannten Werkzeughaltern geläufige Form mit einem maschinenseitigen Konus 3 für die Einführung in die Aufnahme einer Maschinenspindel, einem Flansch 4 für das Ansetzen einer Wechselvorrichtung, einem Aufnahmekonus 5 für eine Spannzange 7 und einem Gewinde 6 für das Aufschrauben einer Spannmutter 8. Für die Kopplung mit der Maschinenspindel sind die verschiedenen bekannten Kopplungssysteme geeignet, wie TC-Aufnahme, BT-Aufnahme, CAT-Aufnahme, HSK-Aufnahme usw.
[0012] Der äussere Teil ist ferner mit einer axialen Bohrung 9 versehen, die sich vom inneren Ende des Aufnahmekonus 5 bis etwa zur Hälfte des maschinenseitigen Konus 3 erstreckt.
[0013] Der innere Teil 2 hat die Form einer langgestreckten Hülse 10 deren Aussendurchmesser maschinenseitig dem Innendurchmesser der Bohrung 9 entspricht und sich werkzeugseitig geringfügig verjüngt. Der Aussendurchmesser des inneren Teils 2 und der Innendurchmesser der Bohrung 9 sind so gearbeitet, dass sich ein spielfreier Gleitsitz der beiden Teile ergibt.
[0014] Der innere Teil 2 kann gegenüber dem äusseren axial verschoben werden, und zwar ungefähr zwischen den beiden in Fig. 1 und 2gezeigten Positionen. In jeder gewünschten Position kann der innere Teil mittels der Spannzange 7 festgelegt werden.
[0015] Der innere Teil 2 besitzt an seinem werkzeugseitigen Ende eine Werkzeugaufnahme 11, die im vorliegenden Beispiel einen flachen Innenkonus 12 und eine in diesen einsetzbare Hülse 13 umfasst. Letztere wird mit dem eingesetzten Werkzeug 14 in den flachen Innenkonus gepresst (powRgrip<(R)>).
[0016] Selbstverständlich können anstelle der Spannzange 7 zum Einspannen des inneren Teils 2 und auch des Spannfutters 12, 13 andere Spannsysteme eingesetzt werden. Grundsätzlich eignen sich an beiden Stellen die bekannten Spannsysteme, wie ER-Spannsystem, powRgrip-Spannsystem, Weldon-Spannsystem, Hydrodehnspannsystem, thermisches Schrumpfen etc. Wichtig ist für das Festlegen des inneren Teils im äusseren, dass für die Ermittlung der optimalen Resonanzlänge die Längeneinstellung leicht vorgenommen werden kann.
[0017] Zur Optimierung des Schwingungsverhaltens werden bei unterschiedlichen Ausziehlängen des inneren Teils 2 gezielt Schwingungen erzeugt und gemessen. Aufgrund der Messergebnisse wird die Halterlänge auf die erforderliche optimale Schwingresonanz eingestellt. Auf diese Weise werden einerseits durch die Reduzierung der Resonanz und andererseits durch die Längenanpassung an die nicht eliminierbaren Restschwingungen Vibrationen des Werkzeugs weitestgehend vermieden.
[0018] Die Vorteile liegen auf der Hand: Es sind grössere Abtragraten (Vorschub, Schnitttiefe, Schnittbreite) möglich; die Schneidwerkzeuge haben längere Standzeiten, wodurch grosse Kosteneinsparung möglich wird; es sind feinere Oberflächen herstellbar; das gesamte System: Schneidwerkzeug, Werkzeughalterung, Werkzeugmaschine wird geschont.
[0019] In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist der innere Teil in der Nähe seines maschinenseitigen Endes mit gleichmässig über den Umfang verteilten achsparallelen Längsnuten versehen, in denen zylindrische Dämpfungselemente 15 aus einem Elastomer angeordnet sind. Diese können auch, wie in Fig. 4gezeigt, in zwei oder mehr Gruppen über den Umfang verteilt sein. Gemäss den beiden Varianten gemäss Fig. 5a und b kann eine verschiedene Zahl von beispielsweise vier oder acht Dämpfungselementen über den Umfang verteilt sein. Schliesslich sind anstelle der in Fig. 3-5 gezeigten auch in umlaufenden Nuten angeordnete Dämpfungselemente 16, beispielsweise O-Ringe oder dergl. Verwendbar, und zwar auch mehrere in axialen Abständen.
The invention relates to a tool holder for machine tools, with a tool holder and means for influencing its vibration behavior and its associated resonant vibrations.
Tool holders are used to hold cutting tools, in particular drilling, milling, grinding or grinding tools and are provided on the machine side with means for coupling with the machine spindle. Such tool holders usually have a certain axial length, which promotes the formation of undesirable vibrations or vibrations. The vibrations are generated on the cutting tool during the sudden penetration of the cutting into the workpiece. Their frequency is determined by the number of cutting edges of the cutting tool and the spindle speed.
The vibrations have several negative effects both on the quality of the machined surfaces, as well as on the stress of the tools and the machine tools. One way to avoid these disadvantages is to limit the removal rates (feed, cutting depth, cutting width). Overcoming this limitation is a challenge that has existed for decades in the relevant specialist world.
There have already been proposed various ways to dampen the vibrations occurring or ideally compensate. In DE-A-10 2004 019 869 (Haimer) it is proposed to change the spring stiffness of the tool holder in order to positively influence the resonance or vibration behavior. This is effected by an axial tensile or compressive stress is generated by additional sleeves or the like. In a certain axial region of the tool holder. In addition, existing voids between the sleeves and the holder are filled with viscous liquids or elastic materials.
According to CH-A-659 025 (Studer), another proposal is to clamp several telescoped sleeves made of different materials. The different materials and their different vibration behavior should contribute to better vibration damping.
Other proposals are to use an axially adjustable pendulum weight on an inner cylinder, or to achieve the vibration damping means Ölkammer- or oil film systems. Suggestions, which are not to be commented upon in detail here, can be found in US Pat. No. 3,859,699, US Pat. No. 6,180,126, US Pat. No. 3,641,378, WO-A-03 093 696, US Pat. 4,998,851, US-A-4,871,286.
The variety of proposed solutions also from recent times shows that the problem has not been solved satisfactorily. The invention is therefore based on the object to influence the vibration behavior of tool holders so that the vibration-related disadvantages are avoided as much as possible.
According to the invention, this is achieved in that the means for influencing the vibration behavior consist of two coaxial parts, the inner part is arranged telescopically axially displaceable in the outer part, wherein the inner part with the tool holder and the outer part with means for axial fixing of the inner part is provided.
Preferably, the outer part is provided with a receiving cone for clamping the inner part with a collet or a chuck. According to a further advantageous embodiment, damping elements are arranged between the inner and the outer part.
In the following, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> is an axial sectional view through a tool holder according to the invention
<Tb> FIG. 2 <sep> the tool holder of Fig. 1, the inner part in the extended position
<Tb> FIG. 3 <sep> an axial section through an additionally provided with damping elements embodiment
<Tb> FIG. 4 <sep> a section through the inner part with an alternative arrangement of the damping elements
<Tb> FIG. 5 <sep> two cross sections with differently arranged damping elements
The tool holder shown in Figs. 1 and 2 in section consists of an outer part 1 and an inner part 2. The outer part 1 has the familiar from known tool holders shape with a machine-side cone 3 for the introduction into the recording of a Machine spindle, a flange 4 for the attachment of a changing device, a receiving cone 5 for a collet 7 and a thread 6 for screwing a clamping nut 8. For coupling with the machine spindle, the various known coupling systems are suitable, such as TC-recording, BT recording , CAT recording, HSK recording, etc.
The outer part is further provided with an axial bore 9 which extends from the inner end of the receiving cone 5 to about half of the machine-side cone 3.
The inner part 2 has the shape of an elongated sleeve 10 whose outer diameter machine side corresponds to the inner diameter of the bore 9 and tapers slightly on the tool side. The outer diameter of the inner part 2 and the inner diameter of the bore 9 are worked so that there is a play-free sliding fit of the two parts.
The inner part 2 can be moved axially relative to the outer, approximately between the two shown in Figs. 1 and 2 positions. In any desired position, the inner part can be fixed by means of the collet 7.
The inner part 2 has at its tool-side end a tool holder 11, which in the present example comprises a flat inner cone 12 and a usable in this sleeve 13. The latter is pressed with the inserted tool 14 into the flat inner cone (powRgrip <(R)>).
Of course, instead of the collet 7 for clamping the inner part 2 and also of the chuck 12, 13 other clamping systems can be used. Basically, the known clamping systems, such as ER clamping system, powRgrip clamping system, Weldon clamping system, hydraulic tensioning system, thermal shrinking, etc., are suitable in both places. It is important for the determination of the inner part on the outside that the length adjustment is easy to determine the optimum resonance length can be made.
In order to optimize the vibration behavior, vibrations are selectively generated and measured at different extension lengths of the inner part 2. Based on the measurement results, the holder length is set to the required optimum resonant resonance. In this way, vibrations of the tool are largely avoided on the one hand by the reduction of the resonance and on the other hand by the length adjustment to the non-eliminable residual vibrations.
The advantages are obvious: There are larger Abtragraten (feed, cutting depth, cutting width) possible; The cutting tools have longer lives, making large cost savings possible; it can be produced finer surfaces; the entire system: cutting tool, tool holder, machine tool is spared.
In the embodiment shown in Fig. 3, the inner part is provided in the vicinity of its machine-side end with uniformly distributed over the circumference axially parallel longitudinal grooves in which cylindrical damping elements 15 are arranged of an elastomer. These may also, as shown in Fig. 4, be distributed in two or more groups around the circumference. According to the two variants according to FIGS. 5a and b, a different number of, for example, four or eight damping elements can be distributed over the circumference. Finally, damping elements 16, for example O-rings or the like, which are also provided in circumferential grooves and shown in FIGS. 3-5, can be used, and indeed several at axial intervals.