CN1487866A - 用于工具夹的感应加热的装置 - Google Patents

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Abstract

一种为更换工具之目的使感应线圈感应地加热工具夹(1)的装置，包括一个由可磁化材料制成的屏蔽凸缘(27)，它一方面将磁通会聚在以压配合将一个旋转工具杆柄(11)夹紧在工具夹(1)套筒部(5)里面，而另一方面屏蔽从套筒部(5)中突出来的工具杆柄(11)部分，以便易于从工具夹(1)中取下工具。所述屏蔽凸缘(27)在其轴向面对感应线圈(13)绕组(19)的一侧具有一个圆锥形离开套筒部(5)扩张的外表面(31)和一个至少1.5倍于工具杆柄(11)直径(d)的轴向高度(h)。该屏蔽凸缘(27)在各个侧面都与包围感应线圈(13)绕组(19)的、由可磁化材料制成的磁扼壳体(23)间隔距离地延伸。

Description

用于工具夹的感应加热的装置
本发明涉及一种感应加热装置，用于感应加热工具夹的套筒部，套筒部具有一个容纳旋转工具(刀具)如钻具或铣刀或研磨工具的杆柄的中心容纳孔，所述工具夹以压配合将在容纳孔中就位的工具杆柄夹紧，并在加热时松开。
众所周知，尤其对于高速旋转的工具，其杆柄热套装在一个工具夹的套筒部里面。为此，套筒部例如通过一个包围它的感应线圈加热，使工具杆柄可以插进通过加热变大的套筒部容纳孔里面。工具杆柄的外径略大于容纳孔的标称直径，使工具在套筒部冷却之后被以压配合抗扭转地夹紧在工具夹里面。
为了取出工具必需重新加热套筒部。因为在此存在工具杆柄也一起被加热的危险，所以可能会出现这样的问题：相对于同样热膨胀的工具杆柄，套筒部的热膨胀不够。
由DE 199 15 412 A1已知一种用于加热工具夹套筒部的感应加热装置。该装置具有一个可安装在工具夹套筒部上且在这里有径向间距地环形围绕套筒部的感应线圈，感应线圈由振荡器供给交流电。感应线圈的磁场在导电的、大多也可磁化的工具夹材料中感应出感应电流，这个感应电流直接加热套筒部。感应线圈在轴向至少在整个接合长度上延伸，工具杆柄以这个接合长度插入到容纳孔中，并且感应线圈以其绕组在轴向基本终止于套筒部的工具侧的端面处。感应线圈的内圆周在径向上与套筒部间隔距离，从而对于套筒部外径不同的工具夹能够利用同一个感应线圈。
在绕组的端面和其外圆周上，感应线圈的绕组被一个由可磁化材料即铁磁或铁氧材料制成的壳体所包围，壳体的与相对于空气的高导磁能力将磁通基本会聚到壳体上。与套筒部工具侧端部邻接的壳体部位由基本为盘片状的圆环件构成，该圆环件通过其内圆周顶靠在套筒部工具侧的端面上并在径向超出感应线圈绕组端面一直延伸到其外圆周。圆环件构成一个极靴，它能够将感应线圈的磁通会聚到套筒部上。
本发明的目的是，提供一种用于工具夹的感应加热的装置，所述工具夹以热压配合将工具夹紧，本发明的装置通过简单的措施能够可靠地使工具从工具夹中取下来。
本发明基于一种感应加热装置，用于感应加热工具夹的套筒部，套筒部具有一个容纳旋转工具的杆柄的中心容纳孔，所述工具夹以压配合将在容纳孔中就位的工具杆柄夹紧，并在加热时松开。这种装置包括：
-一个用于加热的、有径向间距地环形围绕工具夹套筒部的感应线圈，
-一个为感应线圈供以周期交变振幅电流的振荡器，
-一个在工具夹套筒部的工具侧的端部附近包围工具杆柄的、由会聚磁通的可磁化材料制成的圆环件，其中，所述圆环件在其最小直径处与套筒部工具侧的端部紧密邻接，尤其是顶靠在套筒部上。
上述目的按照本发明的第一方面由此实现，即，轴向面对感应线圈内部的圆环件表面，至少在套筒部工具侧端部的外圆周与感应线圈的内圆周之间的径向局部范围中，轴向离开套筒部的端部，径向向外倾斜地延伸。
由感应线圈产生的磁通必需使套筒部在夹紧工具杆柄的全部轴向长度上尽可能均匀地加热。套筒部的工具侧的端部是关键，因为在传统的感应线圈中，相邻的感应线圈轴向端部不允许或只能略微地超过套筒部的轴向端部，以防止工由于在工具杆柄上感应的涡流而对具杆柄同步加热。在已知方法(DE 199 15 412 A1)中曾试图通过一个平面的、向着工具杆柄渐缩的、由可磁化材料制成的垫片形式的极靴使磁通会聚在套筒部工具侧的端部范围中。对于这种已知的极靴垫片，面对线圈内部的垫片表面垂直于工具夹的旋转轴线延伸。已经证实，如果面对线圈内部的、由可磁化材料制成的圆环件表面倾斜地或成锥形地离开套筒部的轴向端部径向向外延伸，则一方面能够改善屏蔽作用，另一方面能够改善磁通会聚作用。这种材料分布接近于感应线圈在空气介质中的磁力线分布，并易于使磁通会聚在可磁化的圆环件材料里面。通过改善会聚作用随之改善屏蔽作用。如果圆环件在其径向靠外的部位连接到感应线圈磁回路在空气中延伸的部分，即承受这种磁场回路的磁力线变化，而且如果使感应线圈的磁通在继续变化过程中在一个由可磁化材料制成的一体或多体磁扼壳体里面延伸-这个一体或多体磁扼壳体在感应线圈的外圆周上以及在感应线圈两个轴向端面的至少一个端面上搭接感应线圈，则上述形式的圆环件屏蔽端部尤其是有利的。
按照本发明的第二方面规定：圆环件设计成屏蔽凸缘，所述屏蔽凸缘在一个至少1.5倍于工具杆柄直径的轴向高度上轴向突出于套筒部工具侧的端部，其最大直径小于感应线圈的最大绕组直径。这种由屏蔽凸缘构成的圆环件不仅在套筒部工具侧的端部处磁屏蔽工具杆柄，而且由于其相对于工具杆柄直径而定的高度，故也能够会聚倾斜于旋转轴线延伸的磁通。当然，本发明的两个方面可以在同一个圆环件上实现。
对于上述的可磁化材料来说，应该理解为具有较高导磁能力的材料，例如铁磁材料、软铁层板或铁氧体材料，如纯铁体或类似材料。对于为感应线圈供电的振荡器，可以是一个交流振荡器或者一个直流脉冲振荡器。优选采用甚高频(hoeherfrequent)或高频(hochfrequent)电流振荡器。
在一个优选的结构设计中，圆环件不仅在其面对感应线圈内部的一侧具有一个轴向离开工具夹圆锥形地扩张的外表面，而且在其轴向背离工具夹的一侧也具有一个同样圆锥形地扩张的内表面。圆锥形内表面不仅易于插入或取出工具，而且还起到与工具杆柄间隔距离地会聚磁通的作用。内表面和外表面具有基本相同的圆锥角是适宜的。
圆环件在其外圆周处可以具有一个基本圆柱形的圆周面，它尤其可以由圆环凸肩构成，这个凸肩从圆环件开始在其外圆周处轴向离开工具夹。这种圆周面改善了圆环件的磁通会聚特性，尤其是当其最大直径小于感应线圈的最小绕组直径、并且圆环件在此会聚磁通的时候，圆环件使磁通到达磁回路的空气分量。
轴向面对感应线圈内部的、倾斜延伸的圆环件表面适宜地以10°至80°优选20°至70°之间的角度相对于工具杆柄的轴线倾斜地延伸。圆环件的轴向高度优选为至少两倍于工具杆柄直径。
圆环件可以一直延伸到靠近感应线圈绕组外径，但是宜采用一个小于感应线圈的最小绕组直径的最大直径。此外，感应线圈在其外圆周处或/和在其一个或两个端面上配有由会聚磁通的、可磁化材料制成的壳体，壳体在圆环件外部用于磁通会聚并且也可以使磁通向着圆环件偏转。
感应线圈的内径选择得稍大于工具夹套筒部的外径，从而可以使同一感应线圈用于不同套筒部直径的工具夹。为了使圆环件在这种情况下能够更好地适配于不同的工具杆柄直径，圆环件优选通过一个由非磁化材料尤其是塑料或陶瓷制成的垫片固定在一个包括感应线圈的结构部件上，而且适宜地可以根据工作情况进行更换。
下面借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中：
图1为用于对工具夹感应加热的感应线圈纵向剖面图，
图2-5为感应线圈变型方案的纵向剖面图。
图1示出一个在这里为一体的、但是也可能为多体的工具夹1，它由至少是导电的、但在这里也可磁化的材料如钢材制成，工具夹在其轴向上的一个端部具有一个标准连接体，例如一个斜锥体3，而在其轴向上的另一端具有一个套筒部5。该套筒部5包括一个与工具夹轴线7同心的容纳孔9，以在下面还要详细描述的方式将一个未详细示出的旋转工具例如钻具、铣刀或研磨工具通过其杆柄11插进所述容纳孔9中。杆柄11的外径比容纳孔9的自由标称直径大一些，因此杆柄11以压配合插进套筒部5中，用于传递工作转矩。
为了能够将工具杆柄11装进工具夹1中或者从工具夹中取出来，套筒部5通过加热扩张。加热是通过一个安装在套筒部5上的感应线圈13产生的，这个感应线圈以其内径与套筒部5外圆周径向间隔距离地同心包围着套筒部，所述感应线圈借助一个以15表示的感应热套装仪器的固定体轴向平行于轴线7可移动地固定，并由一个电流振荡器17供以交流电或例如频率为10至50kHz的脉冲直流电。由接近圆柱形的绕组19产生的磁通在套筒部5上感应出涡流，涡流在较短的时间里加热套筒部5并因此具有足够大的容纳孔9，用于推入或拔出工具杆柄11。
感应线圈13具有一个内置的由耐温塑料或陶瓷制成的线圈架21，在线圈架上安装多层的绕组19。绕组19的外圆周和轴向背离工具的端面通过一个一体的、也可能是多体的磁扼壳体23覆盖，磁扼壳体由可磁化的、不导电材料制成，这个材料将绕组19周围的磁通会聚到磁扼壳体23。磁扼壳体23例如可以由铁磁材料或者陶瓷或塑料基体上的磁复合材料制成，例如纯铁体。
配有磁扼壳体23的绕组19基本在整个用于容纳工具杆柄11的确定的容纳孔9或者说套筒部5的长度上延伸。绕组19以其邻接套筒部5工具侧端面25的端面轴向一直延伸到套筒部5端面25的高度。
为了使磁通从在这一侧基本轴向悬在绕组19上的磁扼壳体23最佳地偏转到套筒部5端面25，同时屏蔽突出于套筒部5的工具杆柄11部分并使其不受感应加热，在这个端面25上设置一个近似圆锥碗状的屏蔽凸缘27。屏蔽凸缘27在各个侧面都与磁扼壳体23间隔距离，在所示实施例中磁扼壳体的延伸不超过绕组19工具侧的端面，而是仅仅略突出于这个端面。在所示实施例中，绕组19工具侧的端面通过一个由非磁材料例如耐温塑料制成的垫片29覆盖。在一个变型方案中，这个垫片，以其内圆周终止于与屏蔽凸缘27间隔一定距离处，可以同样由磁扼壳体23的磁性材料制成，也就是说，是磁扼壳体23的组成部分。
屏蔽凸缘27在套筒部5外圆周与绕组19内圆周之间区域的轴向指向绕组19的一侧具有一个圆锥形或截锥形的外表面31，该外表面与旋转轴线7形成约60°的倾斜角α。轴向背离绕组19的、同样为圆锥形的内表面33具有相对于外表面31基本平行的母线。屏蔽凸缘27轴向面对套筒部5具有一个垂直轴线延伸的平坦顶靠面35，通过该顶靠面凸缘平面地顶靠在套筒部5的端面25上。在屏蔽凸缘27圆锥部位的外圆周上，这个凸缘配有一个与套筒部5轴向离开的具有环柱形外表面39的圆环凸肩37。圆环凸肩37的外径、从而即屏蔽凸缘27的外径小于绕组19的内径。屏蔽凸缘27的轴向总高度h大于两倍的直接在套筒部5外部的工具杆柄11杆径d，屏蔽凸缘27以这个总高度轴向高出于端面25。在所示情况下高度h大约三倍于直径d。
尽管在磁扼壳体23与屏蔽凸缘27之间保留环缝使感应线圈13磁通回路中的磁阻增加，但是因此这个在空气中延伸的磁回路部分与圆柱形屏蔽凸缘27相结合允许一个在工具杆柄11范围中大量无散射场的磁通会聚到套筒部5。通过这种方法使套筒部5感应加热并因此扩张，而没有对工具杆柄11进行过多的加热，这将使工具杆柄11易于从工具夹1中取下来。此外，屏蔽凸缘27在套筒部5中轴向相邻的部位与工具杆柄11有径向间距，形成一环缝36。
屏蔽凸缘27固定在由耐温塑料或由陶瓷制成的圆环垫片41上，并与固定体15或一个固定在固定体15上的感应线圈13壳体43可更换地连接成一个结构单元。为了实现可更换的连接，圆环垫片41与壳体43例如按照插接连接的方式相互锁定。屏蔽凸缘27以这种方式不仅起到使感应线圈13相对于套筒部5轴向定位的作用，而且可以进行更换，以使一个同样的感应线圈13适配于具有不同直径的容纳孔9或套筒部5的工具夹1。
下面介绍图1所述装置的变型方案。功能相同的部件以图1中的附图标记表示，为了区别，另配有字母。对于结构和工作方式的解释以上述且尤其以对图1的描述为基础。下面所述的实施例其不同主要在于感应线圈屏蔽凸缘的结构。也还是具有振荡器17，尽管图中未示出。
图2中的屏蔽凸缘27a与图1中的屏蔽凸缘27的主要不同在于，角度α选择得较小，在这里为约45°，而轴向高度h大约为工具杆柄11a直径d的5倍。屏蔽凸缘27a的最大外径仍然选择得略小于绕组19a的最小内径。因为内圆锥表面33a的母线比外圆锥表面31a以略大的角度相对于旋转轴线7a倾斜，因此使屏蔽凸缘27a向外逐渐变细。圆锥表面31a和33a一直延伸到屏蔽凸缘27a的径向外端，并且相应地使这个屏蔽凸缘没有与图1中的凸肩37类似的圆环凸肩。
图3中所示的屏蔽凸缘27b与图1中的屏蔽凸缘27的主要不同仅仅在于，内表面33b的母线比外表面31b的母线以较小的角度相对于旋转轴线7b倾斜，此外还在轴向一直直线延伸到背离顶靠面35的端棱。因此尽管屏蔽凸缘27b具有一个圆柱形的圆周面39b，但是不构成与图1中的圆环凸肩37类似的圆环凸肩。角度α以及轴向高度h相对于工具杆柄直径d的尺寸大小对应于图1中的方案。
在图4中所示的屏蔽凸缘27c实施例与图2中的屏蔽凸缘27a的主要不同首先在于，外圆锥表面31c的母线的倾斜角度α小于图2中的变型方案并且在数值上为约15°。内圆锥表面33c的母线基本平行于外圆锥表面31c的母线延伸。屏蔽凸缘27c的轴向高度仍然基本为工具杆柄11c直径d的5倍。
在图5中所示的屏蔽凸缘27d变型方案与上述变型方案的不同在于，垂直于轴线的顶靠面35d基本一直延伸到圆柱形外圆周39d，即不存在图1中以31表示的外圆锥表面，通过上述顶靠面35d使屏蔽凸缘27d顶靠在套筒部5d的端面25d上。屏蔽凸缘27d的轴向高度h也是数倍于-在所示实施例中为5倍于-工具杆柄11d的直径d。以这种方式构成的圆环的内圆周配有一个从套筒部5d轴向离开的径向向外扩张的内圆锥表面33d，它使工具杆柄11d易于握取。如虚线45所示，内圆锥表面33d配有一个圆槽，它在屏蔽凸缘27d上构成一圆环凸肩37d。

Claims (15)

1.感应加热装置，用于感应加热工具夹(1)的套筒部(5)，套筒部具有容纳旋转工具的杆柄(11)的中心容纳孔(9)，所述工具夹以压配合将在容纳孔(9)中就位的工具杆柄(11)夹紧，并在加热时松开，所述装置包括
-一个用于加热的、有径向间距地环形围绕工具夹(1)套筒部(5)的感应线圈(13)，
-一个为感应线圈(13)供以周期交变振幅电流的振荡器(17)，
-一个在工具夹(1)套筒部(5)的工具侧的端部附近包围工具杆柄(11)的、由会聚磁通的可磁化材料制成的圆环件(27)，其中，所述圆环件(27)在其最小直径处与套筒部(5)工具侧的端部紧密邻接，尤其是顶靠在套筒部(5)上。
其特征在于，轴向面对感应线圈(13)内部的圆环件(27)表面(31)，至少在套筒部(5)工具侧端部的外圆周与感应线圈(13)的内圆周之间的径向局部范围中，轴向离开套筒部(5)的端部，径向向外倾斜地延伸。
2.如权利要求1或权利要求1前序部分所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)做成屏蔽凸缘，这个屏蔽凸缘在一个至少1.5倍于工具杆柄(11)直径(d)的轴向高度(h)上轴向突出于套筒部(5)工具侧的端部，其最大直径小于感应线圈(13)的最大绕组直径。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在至少两倍于杆柄直径(d)的轴向高度(h)上轴向突出于套筒部(5)工具侧的端面。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在套筒部(5)与感应线圈(13)之间的径向范围中在其轴向面对工具夹(1)的一侧具有一个轴向离开工具夹(1)圆锥形地扩张的外表面(31)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在其轴向背离工具夹(1)的一侧具有一个轴向离开工具夹(1)圆锥形地扩张的内表面(33)。
6.如权利要求5所述的平滑装置，其特征在于，所述外表面(31)和所述内表面(33)具有基本相同的圆锥角。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在其外圆周处具有一个基本圆柱形的圆周面(39)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在其外圆周处具有一个轴向离开工具夹(1)伸出的圆环凸肩(37)。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，轴向面对感应线圈(13)内部的、倾斜延伸的圆环件(27)表面(31)以10°至80°之间，尤其是20°至70°之间，的角度相对于工具杆柄(11)的轴线(7)倾斜地延伸。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)邻接于工具夹(1)套筒部(5)具有一个垂直于工具杆柄(11)轴线(7)延伸的平坦端面(35)，用于平面地顶靠在套筒部(5)的平坦端面(25)上。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)的最大直径小于感应线圈(13)的最小绕组直径。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述感应线圈(13)在其外圆周处或/和在其一个或两个端面上具有一个由会聚磁通的、可磁化的材料制成的壳体(23)。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)在各个侧面都与所述壳体(23)间隔距离地延伸。
14.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)通过一个由非磁化材料尤其是塑料或陶瓷材料制成的垫片(41)固定在一个包括感应线圈(13)的结构单元上。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述圆环件(27)牢固安装在垫片(41)上，而垫片(41)根据工作情况可更换地固定在所述结构单元上。
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