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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeugspanneinsatz für feststehende oder umlaufende
Werkzeuge zur Verwendung in einem Werkzeugträger mit einer Spanneinsatzaufnahme,
die eine zumindest bereichsweise eng tolerierte innere Spannfläche aufweist.
Außerdem
bezieht sich die Erfindung auf eine Werkzeugspanneinrichtung mit
einem solchen Werkzeugspanneinsatz.
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Insbesondere
bei Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, eine sehr genaue Spannung
eines Werkzeuges bspw. eines Bohrers oder einer Bohrstange zu gewährleisten,
sind Spanneinsätze bekannt,
bei denen die Werkzeuge mit ihrem Schaft im Schrumpfsitz in einer
entsprechenden Werkzeugaufnahmebohrung eines Spanneinsatzkörpers gespannt
sind. In der Regel ist die Werkzeugaufnahmebohrung eine durchgehend
zylindrische Bohrung, deren Durchmesser bei nicht eingesetztem Werkzeugschaft
etwas kleiner ist als der Durchmesser des Werkzeugschaftes. Zum
Spannen des Werkzeugschaftes wird der Werkzeugeinsatz oder ein Teil
desselben durchweg unter Verwendung einer Induktionsspule induktiv
erwärmt,
so dass sich die Werkzeugaufnahme auf einen Durchmesser auf weitet, der
das Einstecken des Werkzeugschaftes erlaubt. Beim anschließenden Abkühlen schrumpft
der die Werkzeugaufnahmebohrung umgebende Teil des Spanneinsatzkörpers ein
bis sich die Innenwand der Werkzeugaufnahmebohrung an den Schaft
des Werkzeugs anlegt und mit diesem im Schrumpfsitz verspannt ist.
Durch entsprechende Bemessung des Durchmessers der Werkzeugaufnahmebohrung
können
dabei sehr große
Spannkräfte
erzielt werden, die ein entsprechend großes, von dem Werkzeugspanneinsatz
auf das Werkzeug übertragbares
Drehmoment ergeben. Diese Technik ist an sich bekannt, was in gleichem
Maße auch
für die
damit erzielbaren Vorteile gilt.
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Werkzeugspanneinsätze oder
-halter mit eingeschrumpften Werkzeugen finden in großem Umfang
bei Werkzeugmaschinen, z.B. CNC-Bearbeitungszentren Verwendung,
bei denen die Werkzeugspanneinsätze
in entsprechende Aufnahmen von Werkzeugträgern, bspw. Arbeitsspindeln
oder Werkzeughaltern eingesetzt sind. Dabei liegt die Schrumpfverbindung
zwischen dem Spanneinsatz und dem Werkzeugschaft in der Regel in
einem Bereich axial vor der Schnittstelle Werkzeugträger/-Spanneinsatz,
so dass eine vom Einschrumpfen des Werkzeugesschaftes herrührende Verformung, insbesondere
Aufweitung, des den Werkzeugschaft im Schrumpfsitz aufnehmenden
Teiles des Spanneinsatzes keinen Einfluss auf die Genauigkeit und Stabilität im Bereiche
der Schnittstelle hat. Beispiele für solche Spanneinsätze mit
im Schrumpfsitz eingesetzten Werk zeugen, bei denen die Schrumpfverbindung
vor der Schnittstelle der Werkzeugträger/-Werkzeugspanneinsatz liegt,
sind beschrieben in den US-PS 5,311,654; 6,371,705 B1 und 6,390,482
B1.
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Daneben
gibt es aber auch Ausführungen von
Werkzeugspanneinsätzen
mit im Schrumpfsitz gespanntem Werkzeug, bei denen die Schrumpfverbindung
zwischen Werkzeugschaft und Spanneinsatz im Bereiche der Schnittstelle
Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
liegt. Bei einem Werkzeugspanneinsatz, der einen kegelförmigen oder
zylindrischen Aufnahmezapfen zum Einsatz in eine entsprechend gestaltete
Spanneinsatzaufnahme des Werkzeugträgers aufweist, bedeutet dies,
dass die Werkzeugaufnahmebohrung sich in dem Werkzeugspanneinsatz
bis in den Aufnahmezapfen erstreckt und der Werkzeugschaft im Bereiche
des Aufnahmezapfens im Schrumpfsitz gespannt ist. Ein Vorteil dieser
Art von Werkzeugspanneinsätzen
liegt darin, dass sie in Axialrichtung besonders platzsparend sind,
so dass sie sich für
die Verwendung an Werkzeugrevolvern in CNC-Drehzentren oder Drehautomaten
besonders gut eignen. Beispiele für diese Bauart von Spanneinsätzen sind
in der US-PS 6,035,512 und der
DE 196 38 808 A1 beschrieben. Bei solchen
Werkzeugspanneinsätzen
besteht aber das grundsätzliche
Problem, dass der in die Werkzeugaufnahmebohrung eingeschrumpfte
Werkzeugschaft bei dem Einschrumpfvorgang maßliche Veränderungen an der Schnittstelle
Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
hervorruft, die insbesondere als unkontrollierte Durchmesser Vergrößerungen
oder Aufweitungen an dem Aufnahmezapfen des Werkzeugspanneinsatzes
in Erscheinung treten. Die Folgen dieser Veränderungen sind Ungenauigkeiten und
Stabilitätsverluste
im Bereiche der Schnittstelle Werkzeugträger/-Werkzeugspanneinsatz.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei Werkzeugspanneinsätzen der
erläuterten
Art und bei solche Spanneinsätze
aufweisenden Spaneinrichtungen eine Beeinträchtigung der Genauigkeit und
Stabilität
der Schnittstelle Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
ohne Nachbearbeitung irgendwelcher Teile zu vermeiden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist der Spaneinsatz erfindungsgemäß die Merkmale
des Patentanspruchs 1 auf, während
die erfindungsgemäße Spanneinrichtung
Gegenstand des Patentanspruchs 9 ist.
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Der
Spanneinsatz weist einen Spanneinsatzkörper auf, an dem ein Aufnahmezapfen
ausgebildet ist, mit dem er unter Ausbildung der Schnittstelle Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
in eine Spannzangenaufnahme des Werkzeugträgers einsetzbar ist. Der Aufnahmezapfen
trägt eine äußere Spanfläche mit
eng tolerierten Sollabmessungen, die bei in die Spanneinsatzaufnahme
eingesetztem Aufnahmezapfen an einer inneren Spannfläche der Spanneinsatzaufnahme
maßgenau
anliegt und gegen diese verspannbar ist. In dem Spanneinsatzkörper ist
eine von einer Werkzeugeinsteckseite ausgehende zu dem Aufnahmezapfen
koaxiale Werkzeugaufnahmebohrung ausgebildet, die sich über zumindest
einen Teil der axialen Länge
des Aufnahmezapfens in diesen hinein erstreckt und die zur Aufnahme eines
im Schrumpfsitz spannbaren Werkzeugschaftes eingerichtet ist.
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Die
Werkzeugaufnahmebohrung und die äußere Spannfläche des
Aufnahmezapfens sind vor dem Einschrumpfen des Werkzeugschaftes
in die Werkzeugaufnahmebohrung des Spanneinsatzkörpers zumindest über einen
Teil ihrer Axiallänge
mit einer über
den Verlauf ihrer axialen Länge
sich verändernden Innen-
bzw. Außendurchmesser
ausgebildet. Der Verlauf der Änderung
des Innendurchmessers der Werkzeugaufnahmebohrung und des Außendurchmessers
der äußeren Spannfläche des
Aufnahmezapfens sind über
die axiale Länge
der äußeren Spannfläche so bemessen,
dass eine bei in die Werkzeugaufnahmebohrung eingeschrumpften Werkzeug
auftretende, durch den Einschrumpfvorgang hervorgerufene maßliche Veränderung
der äußeren Spannfläche deren
Abmessungen innerhalb vorbestimmter Toleranzen auf die Sollabmessungen bringt.
Damit wird auch mit eingeschrumpftem Werkzeug wieder der gleiche
Toleranzbereich zum Werkzeugträger
an der Schnittstelle Werkzeugträger/Spanneinsatz
erreicht, wie er bei einem Spanneinsatz gegeben ist, der von vornherein
die Sollabmessungen seiner äußeren Spannfläche am Aufnahmezapfen
aufweist, wie dies bspw. bei einem Spanneinsatz mit Spannhülsenspannung
der Fall ist.
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Die äußere Spannfläche des
Aufnahmezapfens kann eine Kegelfläche sein, die in einer bevorzugten
Ausführungsform
auch zum Einsatz in eine Spannzangenaufnahme eines Werkzeugträgers bemessen
sein kann. Grundsätzlich
lässt sich
der erfindungsgemäße Gedanke
aber auch auf Spanneinsätze
anwenden, die bspw. einen zylindrischen oder polygonalen Aufnahmezapfen
aufweisen.
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Bei
einer Ausführungsform,
die für
besonders hohe Genauigkeitsanforderungen im Bereiche der Schnittstele
Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
bestimmt ist, ist die Anordnung derart getroffen, dass der Werkzeugspanneinsatz
eine rechtwinklig zu der Längsachse
des Aufnahmezapfens verlaufende, eng tolerierte erste Planfläche trägt, die
im Bereiche der äußeren Spannfläche des
Aufnahmezapfens angeordnet ist und sich von der äußeren Spannfläche aus
radial nach außen
erstreckt. Diese erste Planfläche
ist zweckmäßigerweise
an einem Flansch des Spanneinsatzkörpers, auf dessen dem Aufnahmezapfen
zugewandter Seite ausgebildet. Ein solcher Werkzeugspanneinsatz
wie er bspw. in der
DE 102
19 600 B4 beschrieben ist, zeichnet sich durch eine vorgespannte
Kegel- und Planflächenanlage
an am Werkzeugträger
an der Schnittstelle Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
aus, die eine große Stabilität und eine
hohe Genauigkeit sicherstellt. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
werden diese beiden Eigenschaften in vollem Umfang aufrecht erhalten,
auch wenn der Werkzeugspanneinsatz so gestaltet ist, dass er ein
Werkzeug im Schrumpfsitz spannt.
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Bei
dem neuen Werkzeugspanneinsatz ist die Werkzeugaufnahmebohrung mit
Vorteil so gestaltet, dass sie bei nicht eingeschrumpften Werkzeugschaft
im Bereiche der Einsteckseite des Spanneinsatzkörpers einen Innendurchmesser
aufweist, der im Wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner
ist als der Durchmesser des Schaftes des einzuschrumpfenden Werkzeuges
und der größer ist
als ein Innendurchmesser der Werkzeugaufnahmebohrung im Bereiche
der äußeren Spannfläche des Spannzapfens.
Praktisch bedeutet dies, dass der Werkzeugschaft im Bereiche der Öffnung der
Werkzeugaufnahmebohrung an der Einsteckseite des Spanneinsatzkörpers nicht
oder nur mit geringer Spannung gespannt wird und dass die zur Drehmomentübertragung
erforderliche hohe Spannung erst in der Tiefe der am Werkzeugaufnahmebohrung, mehr
am Ende des Werkzeugschaftes erfolgt. Dies steht im Gegensatz zu
den in der US-A 6,390,482 geschilderten Verhältnissen bei einem Spanneinsatz, bei
dem der Durchmesser der Werkzeugaufnahmebohrung auf der Werkzeugeinsteckseite
wesentlich kleiner ist als der Bohrungsdurchmesser in der Tiefe der
Bohrung, d.h. im Bereiche des Werkzeugschaftendes.
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Der
Werkzeugspanneinsatz kann an seinem Aufnahmezapfen im Bereiche dessen äußerer Spannfläche eine
Greiferrille aufweisen, die eine Fixierung während des Schrumpfvorganges
sowie den Transport mit eine Zuführeinrichtung
beim Werkzeugwechsel ermöglicht.
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Schließlich kann
der Werkzeugspaneinsatz noch eine rechtwinklig zu der Längsachse
des Aufnahmezapfens verlaufende zweite Planfläche aufweisen, die auf der
Werkzeugeinsteckseite abgewandten Stirnseite des Aufnahmezapfens
angeordnet ist und die als Anlagefläche während des Schrumpfvorgangs
Verwendung finden kann, wobei sie in einer zweckmäßigen Ausführungsform
in einem genau bestimmten axialen Abstand zu der bereits erwähnten ersten
Planfläche
verläuft.
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Die
Ausbildung dieser zweiten Planfläche
an der Rückseite
des Werkzeugspanneinsatzes entfaltet ihre Vorteile insbesondere
beim Einsatz in einer Vorrichtung zum Einschrumpfen eines Werkzeugschaftes
in einen Werkzeugspanneinsatz der vorbeschriebenen Art, wie sie
gemäß weiterer
Erfindung Gegenstand des Patentanspruchs 14 ist.
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Bei
dieser Vorrichtung ist eine Induktionsspuleneinrichtung vorgesehen,
die an einer Führung relativ
zu einer den Werkzeugspanneinsatz aufnehmenden Halteeinrichtung
verfahrbar angeordnet ist, wobei die Induktionsspuleneinrichtung
Anschlagmittel aufweist, mit denen sie an einer Anschlagfläche bspw.
der erwähnten
ersten Planfläche
des in der Halteeinrichtung gespannten Werkzeugspanneinsatzes zur
Anlage bringbar ist. Die Halteeinrichtung weist eine maßgenaue
Auflagefläche
auf, auf der der Werkzeugspanneinsatz mit seiner zweiten Planfläche aufgenommen
ist. Damit ist eine maßgenaue Einstellung
der Wärmequelle
bezüglich
der axialen Erstreckungen des Spanneinsatzes beim Einschrumpfvorgang
gewährleistet,
die sicherstellt, dass die bei dem Einschrumpfvorgang auftretenden
maßlichen
Veränderungen
an dem Spanneinsatz keine Abweichungen von den Sollabmessungen ergeben, so
dass die einwandfreie Funktion und Genauigkeit der Schnittstelle
Werkzeugträger/Werkzeugspanneinsatz
gewährleistet
sind.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale des Werkzeugspanneinsatzes, der Werkzeugspanneinrichtung
und der Vorrichtung zum Einschrumpfen eines Werkzeugschaftes in
einen erfindungsgemäßen Werkzeugspanneinsatz
sind Gegensand von Unteransprüchen.
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des
Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Werkzeugspanneinrichtung gemäß der Erfindung
mit einem erfindungsgemäßen Werkzeugspanneinsatz,
im axialen Schnitt in einer Seitenansicht, unter Veranschaulichung
der Verhältnisse
bei in den Werkzeugspanneinsatz eingeschrumpftem Werkzeug,
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2 den
Werkzeugspanneinsatz der Einrichtung nach 1, in dem
Zustand vor dem Einschrumpfen des Werkzeuges, im axialen Schnitt
in einer Seitenansicht, unter Veranschaulichung des von dem Werkzeugspanneinsatz
getrennten Werkzeugs,
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3 die
Spanneinrichtung nach 1, in einer abgewandelten Ausführungsform
und in einer entsprechenden Darstellung,
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4 die
Einrichtung nach 3, geschnitten längs der
Linie IV-IV in einer Draufsicht und
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5 eine
Werkzeugeinschrumpfvorrichtung gemäß der Erfindung im axialen
Schnitt in einer Seitenansicht und in einer schematischen Darstellung.
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Die
in 1 dargestellte Werkzeugspanneinrichtung für feste
und umlaufende Werkzeuge weist einen bei 1 schematisch
angedeuteten Werkzeugträger
bspw. in Gestalt einer nur im Ausschnitt veranschaulichten Arbeitsspindel
auf, der eine Spanneinsatzaufnahme aufweist, die bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
als Spannzangenaufnahme 2 mit einer kegeligen Spannzangenaufnahmebohrung 3 ausgebildet
ist. Spannzangenaufnahmen und die zugehörigen Spannzangen sind nach
DIN 6499, April 2002, Seite 1 bis 8 genormt. In der Spannzangenaufnahme 2 kann
eine (nicht dargestellte) Spannzange mittels einer Spannmutter,
die in ein Innengewinde 4 eingeschraubt wird, gespannt
werden, wie dies an sich bekannt ist. Die Spannzangenaufnahme 2 weist
eine zugeordnete, rechtwinklig zu ihrer Längsmittelachse 5 verlaufende
erste Planfläche 6 auf,
die an dem Werkzeugträger 1 ausgebildet
ist.
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Die
Spannzangenaufnahme 2 dient im vorliegenden Falle zur Aufnahme
eines Werkzeugspanneinsatzes 7, der einen Spanneinsatzkörper 8 und
einen an diesen angeformten, koaxialen Aufnahmezapfen 9 aufweist,
welcher eine kegelige äußere Spannfläche 10 trägt. Die äußere Spannfläche 10 ist entsprechend
der eine innere Spannfläche
bildenden Innenfläche 3 der
Spannzangenaufnahme 2 gestaltet, derart, dass sich bei
in die Spannzangenaufnahme 2 eingesetztem Aufnahmezapfen 9 eine
satte Kegelanlage zwischen den beiden Flächen 3, 10 ergibt.
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Anschließend an
den Aufnahmezapfen 9 ist an dem Spanneinsatzkörper 8 ein
Ringflansch 11 ausgebildet, der auf seiner, der äußeren Spannfläche 10 des
Aufnahmezapfens 9 zugewandten Seite eine zweite Planfläche 12 trägt, die
rechtwinklig zu der Längsmittelachse 5 des
Werkzeugspanneinsatzes 7 und der Spannzangenaufnahme 2 verläuft und
die radial über
die äußere Spanfläche 10 vorragt.
Bei in die Spannzangenaufnahme 2 eingesetztem Aufnahmezapfen 9 liegt
die zweite Planfläche 12 an
der ersten Planfläche 6 des
Werkzeugträgers 1 an,
ebenso wie auch die beiden kegeligen Spannflächen 3, 10 unter elastischer
Verformung aneinander anliegen, so dass sich eine gleichzeitige
Kegel- und Plananlage des in die Spannzangenaufnahme 2 eingesetzten
Werkzeugspanneinsatzes 7 ergibt, die eine hohe Rundlaufgenauigkeit
und Stabilität
an der Schnittstelle Werkzeugträger 1/Werkzeugspanneinsatz 7 gewährleistet.
Im eingesetzten Zustand des Werkzeugspanneinsatzes 7 ist
dieser gegen den Werkzeugträger 1 durch
in 1 nicht dargestellte Spannschrauben axial verspannt,
die in dem Ringflansch 11 in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt
angeordnete Bohrungen 13 durchqueren und in entsprechende
Gewindelöcher 14 ( 4)
eingeschraubt sind, die im Bereiche der ersten Planfläche 6 in
der Stirnseite des Werkzeugträgers 1 ausgebildet
sind. Am Rande des Ringflansches 11 vorgesehen Nuten 15 dienen
zum Ansatz eines Hakenschlüssels,
um den Werkzeugspanneinsatz 8 bei der Montage zu drehen.
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Der
Spanneinsatzkörper 8 des
Werkzeugspanneinsatzes 7 weist eine zu der Längsmittelachse 5 koaxiale
Werkzeugaufnahmebohrung 16 auf, die sich, ausgehend von
einer vorderen Werkzeugeinsteckseite 17 des Spaneinsatzkörpers 8,
durch diesen und den Aufnahmezapfen 9 hindurch erstreckt. In
die Werkzeugaufnahmebohrung 16 ist der zylindrische Schaft 18 eines
bei 19 dargestellten Werkzeugs, im vorliegenden Falle eines
Fräsers,
im Schrumpfsitz gespannt.
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Der
Aufnahmezapfen 9 ist im Bereich der äußeren Spannfläche 10 mit
einer umlaufenden Greiferrille 20 ausgebildet. Außerdem weist
der Werkzeugspanneinsatz auf der der vorderen Werkzeugeinsteckseite 17 gegenüberliegenden
Stirnseite des Aufnahmezapfens 9 eine zweite, rechtwinklig
zu der Längsmittelachse 5 verlaufende
feinbearbeitete Planfläche 21 auf,
die in einem genau festgelegten Abstand 22 (2)
zu der ersten Planfläche 12 in
paralleler Zuordnung verläuft.
Der Spanneinsatzkörper 8 ist
auf seiner Werkzeugeinsteckseite 17 mit einer ebenfalls
rechtwinklig zu der Längsmittelachse 5 verlaufenden
dritten Planfläche 23 ausgebildet,
die einen ebenfalls genau definierten axialen Abstand 24 von
der zweiten Planfläche 12 und
damit von der zwischen dieser und der ersten Planfläche 6 verlaufenden
Schnittstelle 25 aufweist. Im Bereiche der dritten Planfläche 23 ist
eine von dieser ausgehende, zu der Längsmittellinie 5 koaxiale
und radial gegen diese versetzte Zentrierbohrung 26 vorgesehen,
deren Bedeutung im Einzelnen noch erläutert werden wird.
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In 2 ist
der beschriebene Werkzeugspanneinsatz 7 in seinem Zustand
nach der Fertigung, d.h. vor dem erstmaligen Einschrumpfen eines Werkzeugschaftes 8 dargestellt.
Die Figur zeigt, dass die Werkzeugaufnahmebohrung 16 über ihre
axiale Länge
nicht vollständig
zylindrisch ausgebildet ist, sondern eine Durchmesserveränderung
aufweist, die zur Verdeutlichung in der Figur stark übertrieben
dargestellt ist. Auch die äußere Spannfläche 10 auf
dem Aufnahmezapfen 9 weist nicht die in 1 dargestellte,
durch die Innenflä che 3 der
Spannzangenaufnahme 2 vorgegebene Sollgestalt 27 auf,
sondern ist gegenüber
dieser leicht modifiziert, wie dies zur Verdeutlichung ebenfalls
stark übertrieben,
angedeutet ist.
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Ausgehend
von der Werkzeugseinsteckseite 17 ist die Werkzeugaufnahmebohrung 16 in
einem ersten Bereich 28, der sich axial etwa bis zum Rand der
kegeligen äußeren Spannfläche 10 erstreckt,
im Wesentlichen zylindrisch, mit einem Durchmesser D1 ausgebildet,
der im Wesentlichen gleich oder geringfügig kleiner ist als der Schaftdurchmesser
D3 des Werkzeugschaftes 18. In Achsrichtung an den Bereich 28 anschließend verjüngt sich
die Werkzeugaufnahmebohrung 16 im Bereiche der äußeren Spannfläche 10 auf
einen kleineren Durchmesser D2, der somit kleiner als der Durchmesser
D1 und kleiner als der Durchmesser D3 ist, wie dies ein Vergleich
mit dem in 2 bei 29 gestrichelt
angedeuteten Verlauf der Fortsetzung des den Durchmesser D1 aufweisenden
Bohrungsabschnitts 28 augenfällig zeigt. Bei der dargestellten
Ausführungsform
erfolgt der Übergang
von dem Bohrungsabschnitt 28 mit dem Durchmesser D1 über einen
stetigen Übergangsbereich 30 in
einen Bohrungsbereich 31 mit dem Durchmesser D2 stetig.
Grundsätzlich
sind aber auch Ausführungsformen
denkbar, bei denen der Übergangsbereich 30 durch
eine Schulter ersetzt ist oder die Aufnahmebohrung 16 als
Stufenbohrung mit mehreren Stufen ausgebildet ist. Die axiale Länge der
Bohrungsabschnitte 28, 30, 31 und damit
der Verlauf der Durchmesseränderung über die
Längserstreckung
der Werkzeugaufnahmebohrung 16 hängen von den Einsatzbedingungen
des Werkzeugsspanneinsatzes und von dessen Größe und Massenverteilung ab.
Sie werden in der Regel empirisch bspw. mittels eines Prüfdorns ermittelt.
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Die
Außendimensionen
des Aufnahmezapfens 9 im Bereiche dessen äußerer Spannfläche 10 sind
so modifiziert, dass der Durchmesser der Spannfläche 10, ausgehend
von dem Solldurchmesser im Bereiche der zweiten Planfläche 12,
d.h. am vorderen Rand der Spannfläche 10, sich zu der
hinteren Planfläche 21 hin
auf einen Wert D4 verjüngt, der
kleiner ist als der bei 27 in 2 gestrichelt
angedeutete Solldurchmesser der Spannfläche 10 an dieser Stelle.
Mit anderen Worten, die kegelige äußere Spannfläche 10 wird
so mit einem Mindermaß hergestellt,
dass sie sich gegenüber
den Sollabmessungen zu der hinteren Planfläche 21 hin zunehmend verjüngt.
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Beim
Einschrumpfen des Werkzeugs 19 in die Werkzeugaufnahmebohrung 16 wird
der Werkzeugspanneinsatz induktiv erwärmt. Die Erwärmung erfolgt
unter Verwendung einer Induktionsspule 32, die in 5 bei
einer noch zu erläuternden Schrumpfvorrichtung
veranschaulicht ist. Bei der Erwärmung
umschließt
die Induktionsspule 32 den Aufnahmezapfen 9 des
Werkzeugspanneinsatzes 7 mit radialem Abstand mit der Folge,
dass Wärme
in dem Aufnahmezapfen 9 erzeugt wird. Da der Aufnahmezapfen 9 einen
von seiner hinteren dritten Planfläche 21 zu seiner vorderen
zweiten Planfläche 12 zunehmenden
Durchmesser aufweist und näherungsweise davon
ausgegangen werden kann, dass in dem Aufnahmezapfen 9 eine
Wärmeströmung in
Richtung zu den beiden Planflächen 21, 15 erfolgt,
wird der Werkzeugspanneinsatz bei der bei der Induktionserwärmung stattfindenden
kurzzeitigen Wärmeeinbringung im
Bereiche seines Ringflansches 11 auf eine geringere Temperatur
erwärmt
wird als dies in zunehmenden Maße
in Richtung auf die hintere Planfläche 21 zu erfolgt.
Demgemäß wird der
Aufnahmezapfen 9 in dem Bohrungsbereich 31 wesentlich
stärker
auf geweitet als dies in dem vorderen Bohrungsbereich 28 der
Fall ist, wo die Aufweitung sehr gering oder gar vernachläs sigbar
ist.
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Sobald
der hintere Bohrungsabschnitt 31 bei der Erwärmung den
Durchmesser D3 erreicht hat, wird der Werkzeugschaft 18 bis
zum Erreichen der Stellung nach 1 in die
aufgeweitete Werkzeugaufnahmebohrung 16 eingeschoben, was
keine Schwierigkeiten bereitet, weil die Höchsttemperatur an der Planfläche 21 wesentlich
höher ist
als die Höchsttemperatur
an der vorderen Planfläche 23.
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Nach
dem Einschieben des Werkzeugschaftes 18 und der Abschaltung
der Wärmezufuhr
kühlt der
Werkzeugspanneinsatz 7 ab. Dabei schrumpft der Aufnahmezapfen 9 in
Radialrichtung so weit zusammen bis er in den Bohrungsbereichen 30, 31 mit der
Innenwand der Werkzeugaufnahmebohrung 16 satt an dem Werkzeugschaft 18 anliegt
und diesen im Schrumpfsitz unter elastischer Vorspannung festspannt.
An diesem Einschrumpfvorgang nimmt auch die äußere Spannfläche 10 des
Aufnahmezapfehs 9 teil, die aus einem aufgeweiteten Zustand
innerhalb enger vorgegebener Toleranzen in den bei 27 in 2 angedeuteten
Sollabmessungszustand zurückgeht.
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Damit
weist die äußere Spannfläche 10 bei eingeschrumpftem
Werkzeugschaft 18 genau die Sollabmessungen auf, die für eine stabile
lagegenaue Verspannung mit einwandfreier Kegel- und Plananlage in
der Spannzangenaufnahme 2 erforderlich sind.
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Wie
bereits erwähnt,
kann der Betrag der Verkleinerung der Abmessungen der äußeren Spannfläche 10 nach
dem Einschrumpfen des Werkzeugschaftes 11 oder eines entsprechenden
Prüfdorns
mit einem Durchmesser D3 abzüglich
dessen halber Durchmesser Toleranz ermittelt werden. In jedem Fall
kann der axiale Verlauf der Durchmesserveränderung der Werkzeugaufnahmebohrung 16 und
der äußeren Spannfläche 10 so
gewählt
werden, dass wieder ein Toleranzbereich zu der Spannzangenaufnahme 2 des
Werkzeugträgers 1 erreicht
wird, mit dem über
die elastische Verformung der flanschartigen Befestigung des Werkzeugspanneinsatzes 7 eine
Kegel- und Plananlage am Werkzeugträger gesichert ist. Der Aufnahmezapfen 9 wird
beim Erwärmen
auf ca. 350°C
während
eine kurzen Zeitspanne von einigen Sekunden (ca. 2 bis 10 s) aufgeheizt.
In dem axialen Mittelbereich des Aufnahmedorns 9 erfolgt
dabei eine Durchmessererweiterung des Innendurchmessers der Werkzeugaufnahmebohrung 16 von
D1-D2 ca. 0,06 mm bei einem Werkzeugschaftdurchmesser D3 (und damit
D1) von 22 mm.
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Durch
die Modifizierung des axialen Verlaufes der Werkzeugaufnahmebohrung 14 und
der Außenabmessungen
der äußeren Spannfläche 10 entsprechend
des Wärmedehnungsverlaufs
bei der Erwärmung
wird außerdem
eine einwandfreie Verbindung des eingeschrumpften Werkzeugschaftes 18 mit
dem Spanneinsatzkörper 8 erzielt,
deren das Drehmoment übertragende
Hauptspannbereich im Wesentlichen in dem hinteren, von der Werkzeugeinsteckseite 17 axial
weiter beabstandeten Abschnitt 31 der Werkzeugaufnahmebohrung 16 liegt, über dessen
Axialerstreckung eine im Wesentlichen gleichmäßige Spannwirkung erzielt werden
kann. In dem vorderen Bohrungsabschnitt 28, etwa über die Länge 24 in 1,
ist dem gegenüber
die Spannwirkung gering oder nicht vorhanden. Er dient vorzugsweise
als Führung
des Werkzeugs.
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In
den 3, 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform
der Spanneinrichtung nach 1 veranschaulicht.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht
nochmals erläutert.
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Abweichend
von der Ausführungsform
nach 1 ist nunmehr ein Werkzeug 19a in Gestalt
eine Bohrstange im Schrumpfsitz in der Werkzeugaufnahmebohrung 16 gespannt.
Auf die im Wesentlichen zylindrische Bohrstange 19a wurde
ein Kupplungsring 33 vor dem Einschrumpfen der Bohrstange
in den Spanneinsatz 7 aufgeschoben. Der mit enge Passung
aufgeschobene Kupplungsring 33 ist auf der Bohrstange 19a durch
radiale Druckschrauben 34 fixiert. Er ist auf seiner dem
Werkzeugspanneinsatz 7 zugewandten Seite mit einer rechtwinklig
zu der Längsmittelachse 5 verlaufenden
Planfläche 35 versehen,
mit der er passgenau auf der vorderen Planfläche 23 des Spanneinsatzkörpers 8 aufsitzt.
Im Bereiche der Planfläche 35 ist
in den Kupplungsring 33 ein achsparalleler Sicherungsstift 36 eingesetzt,
der in die Fixierbohrung 26 des Werkzeugspanneinsatzes 7 eingreift.
Der Sicherungsstift 36 ist in eine entsprechende Bohrung
in dem Kupplungsring 33 eingepresst und ist in seinem vorragenden
Teil mit seinem Außendurchmesser
Toleranz ausgleichend kleiner als der Innendurchmesser der Fixierbohrung 26 ausgebildet.
Die Anordnung könnte
auch umgekehrt getroffen sein, d.h. der Sicherungsstift 36 könnte auch
in dem Spanneinsatzkörper 9 sitzen
oder durch eine andere gleichwirkende Einrichtung ersetzt sein. Durch
den Kupplungsring 33 wird eine exakte axiale und radiale
Ausrichtung der Bohrstange 19a an der vorderen Planfläche 23 des
Werkzeugspanneinsatze 7 beim Einschrumpfen der Bohrstange 19a in
die Werkzeugaufnahmebohrung 16 des Werkzeugspanneinsatzes 7 gewährleistet,
so dass auch die Lage des als Wendeschneidplatte dargestellten Werkzeugs 19b bezüglich der
Schnittstelle 25 exakt bestimmt ist.
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Alternativ
könnte
der Kupplungsring 33 auch zweiteilig ausgebildet sein,
so dass er nach dem Schrumpfvorgang wieder abgenommen werden kann.
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Die
innere Spannfläche 3 der
Spannzangenaufnahme 2 braucht sich im Übrigen nicht über die gesamte
axiale Länge
der Spannzangenaufnahme 2, d.h. bis zu der ersten Planfläche 6 zu
erstrecken. Wie bspw. in 1 veranschaulicht, ist zwischen
der Planfläche 6 und
der kegeligen Innenfläche 3 ein
im Wesentlichen zylindrischer Bereich vorgesehen, in dem das Innengewinde 4 angeordnet
ist und der nicht zum Spannen des Aufnahmezapfens 3 beiträgt.
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Das
Einschrumpfen des Werkzeugs 19 bzw. 19a in den
Werkzeugspaneinsatz 7 in der beschriebenen Weise kann,
wie bereits erwähnt,
mit der in 5 dargestellten Schrumpfvorrichtung
durchgeführt
werden. Die in vertikaler Betriebslage dargestellte Vorrichtung
kann sowohl zum Ein- als auch zum Ausschrumpfen eines Werkzeuges
eingesetzt werden. Sie weist die bereits erwähnte, als Ringspule ausgebildete
Induktionsspule 32 auf, die mit einer nicht dargestellten
Stromquelle verbunden werden kann. Die Induktionsspule 32 ist über ein
Halterungs- und Führungsteil 37 an
einer vertikalen Längsführung 38 höhenverstellbar
gelagert und liegt an ihrer oberen Stirnseite an einer ringförmigen Anschlagelement 39 an,
das eine eine Passflächen
enthaltende Ringnut 40 trägt, die nach oben zu offen
ist.
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Koaxial
zu der Induktionsspule 32 ist eine Halteinrichtung 41 für einen
Werkzeugspanneinsatz 7 angeordnet, die ein an einem Sockelteil 42 einseitig verankertes,
vertikales Führungsrohr 43 trägt, auf das
ein koaxiales Auflagestück 44 aufgesetzt
ist, das eine ebene, horizontale Auflagefläche 45 aufweist, auf
die der Werkzeugspanneinsatz 7 mit seiner hinteren Planfläche 21 maßgenau auf
setzbar ist.
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Durch
das Führungsrohr 43 verläuft eine
koaxiale Stange 46, die auf die Werkzeugaufnahmebohrung 16 des
auf die Auflagefläche 45 aufgesetzten
Werkzeugspanneinsatzes 7 ausgerichtet ist und einen Tiefenanschlag
für das
Werkzeug 19 beim Einsetzen in den erwärmten Werkzeugspanneinsatz 7 bildet.
Dieser Tiefenanschlag ist axial verstellbar. Dazu ist die Stange 46 mit
einem skalierten Verstellmechanismus 47 verbunden, der
an dem Sockelteil 42 gelagert ist und ein entsprechendes
Stellgewinde für
die Stange 46 aufweist.
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Auf
der Außenseite
des Führungsrohrs 43 sind
spannzangenartige Greifmittel gelagert, die mit endseitig angeordneten
Pratzen 49 in die Greiferrille 20 des Werkzeugspanneinsatzes 7 eingreifen
und diesen genau lagerichtig auf der Aufnahmefläche 45 verspannen.
Zur Betätigung
der Greifermittel 48 dient eine Betätigungseinrichtung, die bei 50 angedeutet ist.
Die ganze Schrumpfvorrichtung ist mittels eines Halters 51 an
einem Gestellteil befestigt, das auch die vertikale Führungseinrichtung 38 trägt. Sie
kann zur Anpassung der Halteeinrichtung an verschiedene Werkzeugspanneinsätze ganz
oder teilweise ausgetauscht werden.
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Beim
Einschrumpfen eines Werkzeugs 19 in den Werkzeugspanneinsatz 7 wird
dieser auf die Auflagefläche 45 aufgesetzt
und von den in die Greiferrille 20 eingreifenden Greifermitteln 48 lagerichtig
gespannt. Die Induktionsspule 32 wird nach oben verstellt
bis sie mit der Planfläche
in ihrer Ringnut 41 an der Planfläche 12 des Werkzeugspanneinsatzes 7 anliegt.
Da der Axialabstand 24 zwischen den beiden Planflächen 12 und 21 des
Werkzeugspanneinsatzes 7 genau definiert ist, ist auch
die Lage der Induktionsspule 32 zu dem Aufnahmezapfen 9 des
Spanneinsatzes 7 genau bestimmt. Damit ist auch der bei
der kurzzeitigen Erwärmung
auftretende Temperaturverlauf in dem Werkzeugspanneinsatz 7 definiert,
so dass sich genau wiederholbare Änderungen der Abmessungen des
Werkzeugspanneinsatzes und dessen Werkzeugaufnahmebohrung bei dem
Einschrumpfvorgang ergeben.
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Nach
der Erwärmung
des Spanneinsatzes 7 kann die Induktionsspule 32 in
die in 5 gestrichelt dargestellte Stellung abgesenkt
werden, in der sie ein freies unbehindertes Entnehmen und Einsetzen
eines Spanneinsatzes 7 ermöglicht.