DE19860254C1 - Spannfutter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spannfutter zum Spannen eines Schaftes, mit einer den Schaft aufnehmenden, elastischen Klemmhülse und mit einer die Klemmhülse bei geringem Spiel umgebenden Schrumpfmanschette aus einer Formgedächtnislegierung. Um die Schrumpfmanschette für einen raschen Teilewechsel möglichst schnell erwärmen zu können, ist sie erfindungsgemäß auf der Klemmhülse elektrisch isoliert aufgenommen; ihre beiden axial gegenüberliegenden Enden weisen frei zugängliche Kontaktflächen zum elektrischen Kontaktieren mit entsprechenden Kontaktelementen einer Stromzuführung auf. Dadurch kann die Schrumpfmanschette widerstandselektrisch, also sehr rasch erwärmt werden. Dabei kann die Schrumpfmanschette über den wesentlichen Mantelbereich hinweg als ein- oder mehrgängige Wendel ausgebildet sein, wobei die beiden Bereiche an den axial gegenüberliegenden Enden als in sich geschlossene, die Kontaktflächen tragenden Ringe ausgebildet sind. Hierbei müssen allerdings die beiden ringförmigen Endbereiche der Schrumpfmanschette gegen ein Verdrehen auf der Spannhülse formschlüssig gesichert sein. Auch eine Vollmantelausführung der Schrumpfmanschette ist denkbar.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannfutter nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 41 28 446 C1 als bekannt hervorgeht. Auch die DE 42 32 790 C1 kann in diesem Zusammenhang erwähnt werden.

Diese Druckschriften beschreiben eingehend einen Standardschaft für rotierende Bearbeitungswerkzeuge, mit dem diese in eine standardisierte Aufnahme in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine aufgenommen werden können. Bei einem solchen Standardschaft erfolgt ein Wechsel des darin aufgenommenen Werkzeuges relativ selten, nämlich nur dann, wenn das Bearbeitungswerkzeug irreparabel beschädigt oder abgenutzt ist, wenn das Werkzeug also das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Bei dem bekannten Anwendungsfall ist sogar ein einfacher Werkzeugwechsel aus dem bzw. in den Standardschaft unerwünscht. Die Werkzeuge werden bedarfsweise unter Beibehaltung ihres Standardschaftes nachgeschliffen, damit ein etwaiger Rundlauffehler in der Aufnahme des Werkzeuges in dem Standardschaft dadurch u. U. kompensiert werden kann. Zum Lösen des im Standardschaft aufgenommenen Werkzeuges aus der Einspannung wird die aus einer Formgedächtnislegierung bestehende Schrumpfmanschette aus dem austenitischen, im Spannzustand vorliegenden Gefügezustand durch Unterkühlen mit flüssigem Stickstoff oder mit sog. Trockeneis (festes Kohlendioxid) in den martensitischen Gefügezustand überführt, bei dem die Schrumpfmanschette einen größeren Durchmesser aufweist. Das alte Werkzeug kann in diesem stark unterkühlten Zustand ohne Schwierigkeit aus dem Spannfutter herausgezogen und ein neues Werkzeug eingesetzt werden. Durch Erwärmen des Werkzeuges an der Umgebungsluft auf Raumtemperatur stellt sich der austenitische Gefügezustand im Werkstoff der Schrumpfmanschette, also ihr reduzierter Durchmesser wieder her, so daß das neu eingewechselte Werkzeug fest eingespannt ist.

Diese Spanntechnik ist zum Spannen von Teilen, die häufig und rasch am Spannfutter gewechselt werden müssen, schlecht geeignet, weil das Erwärmen des unterkühlten Spannfutters lange Zeit in Anspruch nimmt, was sich unmittelbar auf die Produktivität ungünstig auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäß zugrundegelegte Spannfutter dahingehend zu verbessern, daß ein Teilewechsel möglichst schnell von statten gehen kann.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Spannfutters erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der elektrisch isolierten Aufnahme der Klemmhülse und den frei zugänglichen Kontaktflächen an den gegenüberliegenden Enden kann die Schrumpfmanschette widerstandselektrisch, also sehr rasch erwärmt werden.

In zweckmäßiger Ausgestaltung kann die Schrumpfmanschette über den wesentlichen Mantelbereich hinweg als ein- oder mehrgängige Wendel ausgebildet sein, wobei die beiden Bereiche an den axial gegenüberliegenden Enden als in sich geschlossene, die frei zugänglichen Kontaktflächen tragenden Ringe ausgebildet sind. Hierbei müssen allerdings die beiden ringförmigen Endbereiche der Schrumpfmanschette gegen ein Verdrehen auf der Spannhülse fomschlüssig gesichert sein. Auch eine Vollmantelausbildung der Schrumpfmanschette ist denkbar.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mit einem in Außenansicht dargestellten Spannfutter nach der Erfindung einschließlich der Betätigungseinrichtungen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Spannfutter nach Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit III aus Fig. 2 und

Fig. 4 eine Einzeldarstellung einer Vollmantelausführung einer Schrumpfmanschette für ein erfindungsgemäßes Spannfutter.

In Fig. 1 ist eine Werkzeugmaschnine 1 mit einer das zu bearbeitende Werkstück aufnehmenden Arbeitsspindel 2 angedeutet. Diese trägt ein Spannfutter 3, welches das Werkstück über einen querschnittskonstanten Schaft 14 aufnimmt. Das Spannfutter weist eine in Grenzen reversibel dehn- und komprimierbare Klemmhülse 4 nach Art einer Spannzange auf, in die eine dem Querschnitt des Schaftes 14 entsprechende Öffnung 5 eingearbeitet ist. Beispielsweise kann die Dehnbarkeit der Klemmhülse durch axial in ihrer Wandung verlaufende Dehnschlitze gegeben sein. Die Klemmhülse 4 ist bei geringem Spiel von der Schrumpfmanschette 6 bzw. 6' aus einer Formgedächtnislegierung umgeben. Durch thermisch induzierte, reversible Gefügeumwandlung des Werkstoffes der Schrumpfmanschette zwischen austenitischem und martensitischen Gefüge kann eine Klemmkraft auf die Klemmhülse 4 ausgeübt - austenitisch - werden bzw. diese auch wieder gelockert werden - martensitisch. Diese Art der Klemmung ist beispielsweise durch die DE 41 28 446 C1 oder durch die DE 42 32 790 C1, die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehen, bekannt und dort am Beispiel einer Werkzeugeinspannung eingehend beschrieben. Auf diese Druckschriften wird hier ausdrücklich bezug genommen und ihr Inhalt mit zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung gemacht.

Um einen Teilewechsel in sehr kurzer Zeit zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß die Schrumpfmanschette 6, 6' elektrisch isoliert, also unter Zwischenfügung einer Isolierschicht 7 auf der Klemmhülse 4 aufgenommen. Die Isolationsschicht kann beispielsweise als eine Keramiklage ausgebildet sein, die zunächst im Plasmaspritzverfahren aufgetragen und anschließend überschliffen wird. Die beiden axial gegenüberliegenden Enden 8, 8' der Schrumpfmanschette tragen im übrigen frei zugängliche Kontaktflächen 9, 9'. An ihnen können entsprechende Kontaktelemente 15, 15' von außen angesetzt und elektrisch mit den Kontaktflächen kontaktiert werden. Die Kontaktelemente 15, 15' sind über Stromkabel 18 mit einer Stromquelle 19 hoher Strombelastbarkeit verbunden. Dadurch kann die Schrumpfmanschette widerstandselektrisch, also sehr rasch erwärmt, eine Gefügeumwandlung in den austenitischen Zustand herbeigeführt und demgemäß ein neu eingewechselter Schaft 14 rasch gespannt werden.

Bevor der Vorgang eines Werkstückwechsels beschrieben wird, seien zunächst noch die zum Lösen der Klemmung erforderlichen Komponenten anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. In unmittelbarer Nähe des Spannfutters 3 ist eine Flachdüse 20 zur Zufuhr stark unterkühlter Luft - beispielsweise minus 50°C und kälter - angeordnet, mit der die frei liegende Schrumpfmanschette bedarfsweise bedüst und so rasch auf -30°C abgekühlt werden kann. Die stark unterkühlte Luft wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel durch Mischen von trockener Luft aus einer Druckquelle 21 und von flüssiger Luft aus einem Speicher 22 in einer Mischkammer 23 erzeugt. Durch Schaltventile 24 können die Medien bedarfsweise kurzfristig freigeschaltet oder auch wieder abgeschaltet werden. Über wärmeisolierte Leitungen - angedeutet durch die Strichlinien an den Leitungen, der Mischkammer und den Ventilen - gelangen die stark unterkühlten Medien zu der Flachdüse 20.

Bei dem so ausgestatteten Ausführungsbeispiel einer Werkzeugmaschnine wird für einen Werkstückwechsel die Schrumpfmanschette des Spannfutters 3 durch Zufuhr von unterkühlter Luft bei langsam rotierender Arbeitsspindel gleichmäßig auf etwa -30°C abgekühlt und dadurch das Gefüge der Schrumpfmanschette 6 in den martensitischen Zustand überführt, in welchem die Schrumpfmanschette einen leicht größeren Durchmesser aufweist als im austenitischen Gefügezustand. Aufgrund der geringen Durchmesseraufweitung wird die Klemmung im Spannfutter gelöst. Nach Stillsetzen der Arbeitsspindel 2 kann der bisher gespannte Schaft 14 axial ohne Widerstand aus der Öffnung 5 der Klemmhülse 4 herausgezogen und der Schaft eines neuen Werkstückes in das Spannfutter einsetzt werden. Zur Sicherung einer reproduziergenauen Einstecktiefe des Schaftes 14 in dem Spannfutter ist ein einstellbarer Tiefenanschlag in Form einer Einstellschraube im Inneren des Spannfutters vorgesehen.

Um den neu eingewechselten Schaft nun möglichst rasch klemmen und die Bearbeitung des neuen Teile beginnen zu können, muß die Schrumpfmanschette 6 rasch auf mindestens +70°C angewärmt und so der austenitische Gefügezustand in der Schrumpfmanschette herbeigeführt werden. Zu diesem Zweck wird der die beiden an ihrer Kontaktseite bogenförmig ausgebildeten Kontaktelemente 15, 15' tragende Kontaktschuh 16 mittel einer Führungsstange 17, beispielsweise der Kolbenstange eines Betätigungszylinders, radial an den Umfang der stillstehenden Schrumpfmanschette angedrückt und so ein Stromkreis, der die Stromquelle 19 und die Schrumpfmanschette als ohm'scher Verbraucher enthält, bei geringem Kontaktwiderstand geschlossen. Die beiden Kontaktelemente 15, 15' sind an ihrer Kontaktseite bogenförmig entsprechend der Form der manschettenseitigen Kontaktflächen 9, 9' ausgebildet, damit sie diese Kontaktflächen großflächig berühren und die Kontaktstelle hoch belastbar ist. Nach dem Kontaktieren fließt unmittelbar ein sehr hoher Strom; selbstverständlich müssen die Kabel 18 und die Stromquelle auf eine entsprechende Strombelastung ausgelegt sein. Aufgrund des Stromflusses kommt es zu einer raschen widerstandselektrischen Erwärmung der Schrumpfmanschette auf die erforderliche Umwandlungstemperatur und somit zu einer Gefügeumwandlung in den austenitischen Zustand. In diesem Zustand ist der Durchmesser der Schrumpfmanschette leicht reduziert im Vergleich zum anderen Gefügezustand, so daß die Klemmhülse 4 mit dem in ihr aufgenommenen Schaft 14 dadurch festgespannt werden. Dieses Erwärmen geht in wenigen Sekunden oder - je nach Größe der Schrumpfmanschette, des Spannfutters und ihrer Warmespeicherkapazität - sogar in weniger als einer Sekunde vonstatten. Durch radiales Zurückziehen der Kontaktelemente von der Schrumpfmanschette wird die Stromzufuhr beendet und das Spannfutter für einen neuen Bearbeitungsvorgang freigegeben.

Im einfachsten Fall ist die in Fig. 4 als Einzelteil gezeigte Schrumpfmanschette 6' über ihren Mantelbereich hinweg als geschlossene Büchse ausgebildet. Dies ist nicht nur fertigungsgünstig, sondern erlaubt auch hohe Klemmkräfte. Nachteilig an diesen Vollmantel-Manschetten ist allerdings, daß eine gleichmäßige widerstandselektrische Erwärmung über dem Umfang hinweg nur schwierig bewerkstelligt werden kann. In jedem Fall müßte die Kontaktierung mit der Stromquelle 19 über ringförmig schließbare und entsprechend gestaltete Kontaktelemente gleichmäßig über den Umfang der manschettenseitigen Kontaktflächen 9 und 9' erfolgen. Eine gleichmäßigere Verteilung der Stromdichte über den Umfang des Vollmantels 10' der Schrumpfmanschette 6' hinweg kann auch durch eine Querschnittsvergrößerung oder Verbreiterung der die Kontaktflächen 9, 9' tragenden Endbereiche bewirkt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Vollmantelmanschette 6' nach Fig. 4 liegt jedoch darin, daß sie bei der radialen Kontraktion unter dem Widerstand der eingeschlossenen Klemmhülse und des Schaftes 14 keiner Eigenverformung unterliegt. Die Vollmantelmanschette braucht also nicht gesondert auf der Klemmhülse fixiert zu werden.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schrumpfmanschette 6 ist diese über den wesentlichen Mantelbereich hinweg als eingängige Wendel 10 ausgebildet. Allerdings sind die beiden Bereiche an den axial gegenüberliegenden Enden 8, 8' als in sich geschlossene, frei zugängliche Ringe 11, 11' ausgebildet, die außenseitig die Kontaktflächen 9, 9' tragen und die unmittelbar in die Wendel übergehen. Bei einer solchen Wendelmanschette - wobei auch mehrere Wendeln parallel nebeneinander vorgesehen sein können - kann eine gleichmäßige widerstandselektrische Erwärmung des Mantelbereiches der Manschette einfach gewährleistet werden, auch wenn die Kontaktflächen an beliebiger Umfangsstelle kontaktiert werden. Der Strom muß in jedem Fall durch die Wendel(n) hindurch fließen und die Stromdichte und somit auch die Erwärmung ist über die gesamte Länge der Wendel und somit über den gesamten Manschettenumfang hinweg gleichmäßig. Allerdings besteht bei einer sich gegen einen inneren Widerstand kontrahierenden Wendelmanschette die Gefahr, daß die Wendel sich entsprechend dem Maß der Kontraktion aufwendelt, die beiden Enden 8 und 8' sich also gegenseitig verdrehen. Um ein Verdrehen auf der Spannhülse 4 zu verhindern, sind die beiden endseitigen Ringe 11, 11' der Schrumpfmanschette 6 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles fomschlüssig mittels einer Verstiftung 12 auf der Klemmhülse 4 gesichert. Durch die Verstiftung darf jedoch die Isolation der Schrumpfmanschette gegenüber der Klemmhülse nicht aufgehoben werden. Es sollten also wärmebeständige, elekrtrisch nichtleitende Stifte, z. B. aus Keramik verwendet werden. Auch eine formschlüssige Verdrehsicherung beider Bücksenenden auf der Klemmhülse durch eine Kerbverzahnung ist denkbar. Dies würde allerdings voraussetzen, daß die Kerbverzahnungen des einen innenliegenden Ringbereiches 8' auf eine größeren Durchmesser und die Kerbverzahnungen des anderen außen liegenden Ringbereiches 8' auf einen kleineren Durchmesser als der Außenumfang der Klemmhülse 4 liegt, damit die Schrumpfmanschette montierbar ist.

Claims (6)

1. Spannfutter für einen querschnittskonstanten Schaft eines in dem Spannfutter aufzunehmenden Teiles, mit einer den Schaft aufnehmenden, in Grenzen reversibel dehn- und komprimierbaren Klemmhülse, in die eine dem Querschnitt des Schaftes entsprechende Öffnung eingearbeitet ist und mit einer die Klemmhülse bei geringem Spiel umgebenden Schrumpfmanschette aus einer Formgedächtnislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrumpfmanschette (6, 6') elektrisch isoliert (Isolierschicht 7) auf der Klemmhülse (4) aufgenommen ist und ihre beiden axial gegenüberliegenden Enden (8, 8') frei zugängliche Kontaktflächen (9, 9') zum elektrischen Kontaktieren von mit entsprechenden Kontaktelementen (15, 15') versehenen Stromkabeln (18) aufweist, die zu einer Stromquelle (19) führen.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrumpfmanschette (6) über den wesentlichen Mantelbereich hinweg als ein- oder mehrgängige Wendel (10) ausgebildet ist, wobei die beiden Bereiche an den axial gegenüberliegenden Enden (8, 8') als in sich geschlossene, die frei zugänglichen Kontaktflächen (9, 9') tragende Ringe (11, 11') ausgebildet sind.

3. Spannfutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringe (11, 11') an den Enden der Schrumpfmanschette (6) gegen ein Verdrehen auf der Spannhülse (4) fomschlüssig (Verstiftung 12) gesichert sind.

4. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrumpfmanschette (6') über ihren Mantelbereich hinweg als geschlossene Büchse ausgebildet ist, so daß die Enden (8, 8') an einem gegenseitigen Verdrehen des einen gegenüber dem anderen gehindert sind.

5. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse (4) außenseitig mit einer Isolationsschicht (7) versehen ist.

6. Spannfutter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (7) als eine Keramiklage ausgebildet ist.