DE19860254C1 - Spannfutter - Google Patents
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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.
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