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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von
Werkzeugen, die in einer Hülsenpartie
einer Werkzeugaufnahme reibschlüssig gehalten
werden, der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Gattung.
Eine solche Vorrichtung ist bekannt (
DE 3925641 C1 ).
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Vorrichtungen
dieser Art sind dazu bestimmt, das beispielsweise als Fräser oder
Bohrer ausgebildete Werkzeug in die Werkzeugaufnahme einzuspannen
oder aus dieser auszuspannen. Hierzu wird die Werkzeugaufnahme mit
Hilfe der Induktionsspule im Bereich der Hülsenpartie erwärmt, so
dass sich die Bohrung der Hülsenpartie
vergrößert. Das
Werkzeug wird mit seinem Schaft in die durch die Erwärmung vergrößerte Aufnahme
eingeführt.
Beim anschließenden
Abkühlen
der Hülsenpartie
wird der Werkzeugschaft in der durch die Abkühlung geschrumpften Bohrung
der Hülsenpartie
reibschlüssig gehalten.
Die Durchmesser des Werkzeugschafts und der Hülsenpartie sind dabei so gewählt, dass beim
Abkühlen
eine kraftschlüssige
und verdrehfeste Verbindung entsteht, die beim schnellen Drehen
aufgrund der Fliehkräfte
nicht gelöst
wird. Zum Ausspannen wird die Hülsenpartie
erneut durch die Induktionsspule erwärmt, bis das Werkzeug aus der
Aufnahme herausgezogen werden kann. Das Ausspannen ist nur deshalb
möglich,
weil die Erwärmung
sich von außen
nach innen ausbreitet, so dass zunächst die Hülsenpartie erwärmt wird,
bevor die Wärme
auf den eingespannten Werkzeugschaft gelangt. Dadurch wird erreicht,
dass sich zunächst
der Hülsenabschnitt
dehnt, so dass das noch kältere
Werkzeug beim Ausspannen aus der Aufnahme gelöst werden kann. Dies funktioniert
jedoch nur dann, wenn Werkzeuge mit geringer thermischer Ausdehnung und/oder
mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit,
beispielsweise aus Hartmetall oder Keramik verwendet werden. Bei
der Verwendung von Einsteckwerkzeugen aus Werk zeugstahl kommt es
dagegen immer wieder zu Problemen beim Ausspannvorgang.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung
der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass auch Werkzeuge
mit größerer thermischer
Ausdehnung und/oder aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe der
Induktionsheizung zuverlässig
ein- und ausgespannt werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe werden gemäß der Erfindung
die in den Patentansprüchen
1 und 3 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Material
durch den nicht unerheblichen Streuanteil der herkömmlichen
Induktionsspulen im Bereich ihrer Einspannstelle so schnell aufgeheizt werden,
dass das Ausspannen erschwert oder unmöglich gemacht wird. Um dies
zu verhindern, wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, die elektromagnetischen Streufelder im Bereich des
freien Endes der Hülsenpartie
soweit herabzusetzen, dass eine Aufheizung des in der Werkzeugaufnahme
befindlichen Werkzeugs vermieden wird. Dies kann dadurch erreicht
werden, dass die magnetischen Feldlinien an der betreffenden Stirnseite
der Induktionsspule in einem Polschuh konzentriert werden, so dass
der über die
Werkzeugaufnahme überstehende
Teil des Werkzeugs wirksam gegenüber
elektromagnetischen Streufeldern abgeschirmt ist.
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Gemäß der Erfindung
wird hierzu außerdem vorgeschlagen,
dass auf der dem freien Ende der Hülsenpartie benachbarten Stirnseite
der Induktionsspule ein Polschuh aus magnetisch leitendem Werkstoff
mit elektrisch isolierenden Eigenschaften angeordnet ist, der eine
zentrale Durchtrittsöffnung
für das Werkzeug
aufweist. Damit wird im Sinne der Erfindung erreicht, dass der über die
Werkzeugaufnahme überstehende
Teil des Werkzeugs im Bereich des freien Endes der Hülsenpartie
gegenüber
elektromagnetischen Streufeldern der Induktionsspule abgeschirmt
ist.
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Eine
besonders wirksame Abschirmung wird dadurch erzielt, dass der Polschuh
das freie Ende der Hülsenpartie
teilweise übergreift
und gegen das freie Ende der Hülsenpartie
axial und/oder radial anliegt. Die Durchtrittsöffnung im Polschuh weist gegenüber dem
Werkzeugdurchmesser Übermaß auf, so
dass zum Werkzeug hin ein Luftspalt mit hohem magnetischen Widerstand
entsteht. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch
erzielt, dass der Polschuh einen zur Durchtrittsöffnung hin partiell verjüngenden
Querschnitt aufweist.
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Der
Polschuh kann als Ringscheibe ausgebildet sein, die eine zur Durchtrittsöffnung konzentrische
konische Eindrehung aufweisen kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass
der Polschuh durch mehrere, speichenartig angeordnete Radialstege
gebildet ist.
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Um
bei möglichst
geringer elektrischer Leistung eine rasche Erwärmung der Hülsenpartie zu erzielen, wird
gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
dass die Induktionsspule an ihrer dem Polschuh gegenüberliegenden
Stirnseite und/oder an ihrer äußeren Mantelfläche zusätzlich eine
magnetische Abschirmung aus magnetisch leitendem und elektrisch
nicht leitendem Werkstoff trägt.
Die stirnseitige magnetische Abschirmung kann dabei als Ringscheibe
mit einer Durchtrittsöffnung
für die
Hülsenpartie
der Werkzeugaufnahme ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die stirnseitige
magnetische Abschirmung auch durch mehrere speichenartig angeordnete
Radialstege gebildet sein. Die mantelseitige Abschirmung ist zweckmäßig als
Zylinderkäfig
ausgebildet, der entweder in Umfangsrichtung geschlossen ist oder
aus mehreren in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten
achsparallelen Stegen gebildet sein kann.
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Zur
besseren Zentrierung der Induktionsspule gegenüber der Hülsenpartie ist es von Vorteil, wenn
der Polschuh einen zur Durchtrittsöffnung konzentrischen, ringförmigen Zentrieransatz
zur Aufnahme des freien Endes der Hülsenpartie und/oder zur Abstützung in
der Ringöffnung
der Induktionsspule aufweist.
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Um
bei gegebener Heizleistung die Stromstärke möglichst klein zu halten, wird
gemäß einer weiteren
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die
Induktionsspule eine vorzugsweise mehrlagig gewickelte Spulenwicklung
aus einer Hochfrequenz-Litze aufweist. Es hat sich gezeigt, dass
in diesem Falle die sonst übliche
Wasserkühlung
der Spulenwicklung entbehrlich ist. Da der Aufheizvorgang nur wenige
Sekunden erfordert, reicht gegebenenfalls eine Konvektionskühlung über die
Umgebungsluft aus. Bei höheren
Leistungsanforderungen kann die Spulenwicklung erforderlichenfalls
mit Luft zwangsgekühlt
werden.
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Die
Induktionsspule weist zweckmäßig einen Spulenkörper aus
keramischem Material auf, der zugleich als Träger für den Polschuh und/oder die
magnetischen Abschirmungen verwendet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird gemäß der Erfindung
zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen aus elektrisch leitfähigem Material
in eine bzw. aus einer Hülsenpartie
einer metallischen Werkzeugaufnahme verwendet. Die Werkzeuge bestehen
dabei zweckmäßig aus
Werkzeugstahl.
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Weiter
bezieht sich die Erfindung auf eine Werkzeugaufnahme mit einer Hülsenpartie
aus Metall zur reibschlüssigen
Aufnahme von Werkzeugen, die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen aus elektrisch leitfähigem Material
induktiv aufheizbar ist. Dementsprechend ist die Werkzeugaufnahme
mit einer Hülsenpartie
aus Metall zur reibschlüssigen
Aufnahme von Werkzeugen dazu ausgebildet, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen aus elektrisch leitfähigem Material
induktiv aufgeheizt zu werden. Vorzugsweise werden dazu Werkzeuge
aus Werkzeugstahl eingesetzt.
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Untersuchungen
haben gezeigt, dass die Hülsenpartie
in der Nähe
ihres freien Endes weniger schnell aufgeheizt wird, als im mittleren
Bereich. Um Fügeprobleme
zu vermeiden, ist es deshalb von Vorteil, wenn die Hülsenpartie
eine Paßbohrung
zur Aufnahme des Werkzeugschafts aufweist, an die sich zum freien
Ende hin ein Abschnitt größeren Durchmessers
anschließt.
Die Hülsenpartie
kann dabei eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Außenfläche aufweisen.
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Die
Werkzeugaufnahme kann entweder unmittelbar an einer schnelldrehenden
Maschinenspindel angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Werkzeugaufnahme
ein die Hülsenpartie
tragendes, mit einer schnelldrehenden Maschinenspindel verbindbares
Kupplungselement aufweisen.
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Die
Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule werden nur zum Zwecke des
Ein- und Ausspannens in die eingangs beschriebene Lage zueinander
gebracht. Um eine einfache Handhabung zu ermöglichen, ist es von Vorteil,
wenn die Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule relativ zueinander bewegbar
sind.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer
Weise dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die einzige
Figur zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen
eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme mit einer als Induktionsspule
ausgebildeten Heizvorrichtung.
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Die
in der Zeichnung dargestellte Werkzeugaufnahme 10 weist
eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie 12 zur
reibschlüssigen
Aufnahme des Werkzeugschafts 14 eines als Spiralbohrer
ausgebildeten Werkzeugs 16 auf. Die Werkzeugaufnahme 10 ist
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Adapter ausgebildet, der an seinem rückwärtigen Ende ein als Hohlschaft
mit kegelförmiger
Außenfläche ausgebildetes
Kupplungselement 18 für
den Anschluß an eine
nicht dargestellte, schnelldrehende Maschinenspindel aufweist. Die
Hülsenpartie 12 weist
eine in der Paßbohrung 20 für den zylindrischen
Werkzeugschaft 14 sowie eine kegelstumpfförmige Mantelfläche 22 auf.
Stirnseitig ist die Hülsenpartie 12 durch eine
umlaufende Ringfläche 24 begrenzt.
Der Durchmesser der Paßbohrung
weist bei Umgebungstemperatur gegenüber dem Werkzeugschaft 14 Untermaß auf. Das
Ein- und Ausspannen des Werkzeugs 16 ist daher nur bei
erhöhter
Temperatur der Hülsenpartie 12 bis
ca. 450°C
möglich.
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Die
Erwärmung
der Hülsenpartie 12 erfolgt mit
Hilfe einer Induktionsspule 26, die mit einem hochfrequenten
Wechselstrom beaufschlagbar ist. Die Hülsenpartie 12 besteht
zu diesem Zweck aus einem elektrisch leitenden Material, in das
die Feldlinien 28 der Induktionsspule 26 im Mantelbereich
eindringen und durch Erzeugung von Wirbelströmen zu einer Erwärmung führen. Die
Werkzeugaufnahme wird zu diesem Zweck mit ihrer Hülsenpartie 12 in
die zentrale Öffnung 30 der
als Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule 26 eingeführt. Die
Induktionsspule enthält
einen aus keramischem Material bestehenden Spulenkörper 32.
Auf dem Spulenkörper
befindet sich eine mehrlagige Wicklung 33 aus Hochfrequenzlitze,
die mit dem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt wird. Die Induktionsspule 26 ist an
ihrem dem freien Ende der Hülsenpartie 12 benachbarten
Ende durch einen auf den Spulenkörper 32 aufgelegten
Polschuh 34 abgeschlossen, der aus einem magnetisch leitenden
und elektrisch nicht leitenden Material besteht und der eine Zentralöffnung 36 für den Durchtritt
des Werkzeugs 16 aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Polschuh 34 als Ringscheibe ausgebildet, die die
Ringfläche 24 der
Hülsenpartie 12 partiell
von außen
her übergreift und
die zur Zentralöffnung 36 hin
eine konische Eindrehung 38 aufweist. Der Polschuh 34 liegt
auf der Ringfläche 24 auf
und begrenzt zum Werkzeugschaft 14 hin einen den magnetischen
Widerstand erhöhenden
ringförmigen
Luftspalt 40. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, dass
die von der Spulenwicklung 33 kommenden Feldlinien 28 im
Polschuh 34 konzentriert und unmittelbar über die
Ringfläche 24 in
die Hülsenpartie 12 eingeleitet
werden. Der über
die Ringfläche 24 der
Hülsenpartie 12 überstehende
Teil des Werkzeugs 16 wird auf diese Weise wirksam gegenüber dem
elektromagnetischen Streufeld abgeschirmt. Dadurch wird erreicht,
dass auch Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus
Werkzeugstahl, verwendet werden können, ohne von den elektromagnetischen
Streufeldern aufgeheizt zu werden. Letzteres ist notwendig, um ein
zuverlässiges
Ausspannen zu ermöglichen.
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Zur
weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads ist die Induktionsspule 26 an
ihrer dem Polschuh 34 gegenüberliegenden Stirnseite und
an ihrer zylindrischen Mantelfläche
mit je einer magnetischen Abschirmung 42, 44 aus
magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff versehen.
Die stirnseitige magnetische Abschirmung 42 ist dabei als
Ringscheibe mit einer Durchtrittsöffnung 46 für die Innenwand 48 des
Spulenkörpers 32 versehen, während die
mantelseitige Abschirmung 44 als Zylinderkäfig ausgebildet
ist. In den Abschirmungen 42, 44 werden die Feldlinien 28 konzentriert,
so dass die Streufeldverluste minimiert werden. Der Polschuh 34 und
die Abschirmungen 42, 44 bestehen aus einem weichmagnetischen,
insbesondere aus weichferritischem, oxidkeramischem Werkstoff, in
welchem wegen der elektrisch isolierenden Eigenschaften geringe
oder keine Wirbelstromverluste auftreten.
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Die
Werkzeugaufnahme 10 und die Induktionsspule 26 sind
zum Zwecke des Ein- und Ausspannens des Werkzeugs relativ zueinander
bewegbar. Neben der die Induktionsspule 26 umfassenden
Aufheizstation ist zweckmäßig eine
nicht dargestellte Abkühlstation
vorgesehen, in welcher der Einspannvorgang beschleunigt werden kann.
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Zusammenfassend
ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen 16,
die in einer Hülsenpartie 12 einer
Werkzeugaufnahme 10 reibschlüssig gehalten werden. Das Ein-
und Ausspannen erfolgt dadurch, dass die Werkzeugaufnahme 10 mittels
einer die Hülsenpartie 12 umfassenden,
mit Wechselstrom beaufschlagten Induktionsspule 26 unter
Aufweitung ihrer Bohrung 20 induktiv erwärmt, das
Werkzeug 16 mit seinem Schaft 14 in die aufgeweitete
Bohrung eingeführt
oder aus dieser herausgezogen und die Werkzeugaufnahme 10 anschließend wieder
abgekühlt
wird. Um auch Werkzeuge mit größerer thermischer
Ausdehnung und/oder aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe der
Induktionsheizung zuverlässig
ein- und ausspannen zu können,
wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, dass die an der dem freien Ende der Hülsenpartie
benachbarten Stirnseite der Induktionsspule 26 austretenden
magnetischen Feldlinien in einem Polschuh 34 konzentriert
und unter Abschirmung des über
die Werkzeugaufnahme 10 überstehenden Teils des Werkzeugs 16 in
die Hülsenpartie 12 eingeleitet werden.