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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Spannen und Entspannen von Werkzeugen in Schrumpffuttern.
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Die Schrumpftechnik ist ein bekanntes Verfahren zur Herstellung hochgeschwindigkeitstauglicher Werkzeuge für die materialabtragende Werkstückbearbeitung. Dabei werden sogenannte Schrumpffutter verwendet, die einen Werkzeugaufnahmeabschnitt mit einer mindestens abschnittsweise thermisch aufweitbaren Werkzeugaufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Werkzeugschaftes eines Werkzeuges sowie einen zur Aufnahme des Schrumpffutters in eine Maschinenspindel vorgesehenen Einspannabschnitt aufweisen, der beispielsweise nach Art eines Hohlschaftkegels oder eines Steilkegels ausgebildet sein kann. Typische Durchmesser der einzuschrumpfenden, beispielsweise als Bohr-, Fräs- oder Schleifwerkzeug ausgebildeten Werkzeuge können im Bereich von ca. 3 mm bis 6 mm bis ca. 30 mm bis 40 mm liegen. Zur Herstellung eines Werkzeuges wird mindestens ein Abschnitt des Werkzeugaufnahmeabschnittes so stark erwärmt, daß sich durch thermische Ausdehnung die Werkzeugaufnahmeöffnung so stark aufweitet, daß der Werkzeugschaft eines einzusetzenden Werkzeuges einführbar ist. Nach Einführen des Werkzeugschaftes wird der Abschnitt derart abgekühlt, daß das Werkzeug in der durch die Abkühlung geschrumpften Werkzeugaufnahmeöffnung reibschlüssig gehalten wird. Dadurch entstehen Werkzeuge fast wie aus einem Stück, wobei die Verbindung zwischen Schrumpffutter und eingesetztem Werkzeug jederzeit durch Ausschrumpfen wieder lösbar ist, indem der Werkzeugaufnahmeabschnitt so stark erwärmt wird, daß das eingesetzte Werkzeug aus der sich thermisch erweiternden Werkzeugaufnahmeöffnung wieder entnehmbar ist. In dieser Anmeldung wird in der Regel sowohl das einzusetzende Werkzeugteil, z. B. ein Fräser, als auch die durch Zusammensetzen von Werkzeugteil und Schrumpffutter entstehende Kombination als Werkzeug bezeichnet.
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Während das Einschrumpfen und insbesondere das Ausschrumpfen von Hartmetallwerkzeugen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkzeugmaterials und des Schrumpffuttermaterials in der Regel unproblematisch ist, können bei Werkzeugen mit HSS- und Stahlschäften insbesondere beim Ausschrumpfen Probleme auftreten, da in diesem Fall das Wärmeausdehnungsverhalten von Werkzeugmaterial und Futtermaterial ähnlich ist und bei langsamer Aufwärmung sich der Werkzeugschaft in der sich erweiternden Werkzeugaufnahmeöffnung ebenfalls so weit vergrößern kann, daß das Werkzeug durch die sich erweiternde Aufnahmeöffnung weiterhin festgehalten wird und nicht oder nur mit Gewalt entfernt werden kann.
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Zur Vermeidung dieser Probleme ist es schon vorgeschlagen worden, die Schrumpffutter beim thermischen Spannen und Entspannen induktiv zu erwärmen. Der Vorgang der Energieeinbringung mittels einer das Schrumpffutter umgebenden Induktionsspule kann dabei so schnell ablaufen, dass eine Temperaturerhöhung eingeschrumpfter Werkzeuge durch Wärmeleitung nur in geringem Umfang stattfinden kann. Dies ermöglicht neben dem Ausschrumpfen von Hartmetallwerkzeugen zuverlässig auch das Ausschrumpfen von Werkzeugen, die im wesentlichen das gleiche Temperaturausdehnungsverhalten zeigen wie das Material des typischerweise aus Stahl bestehenden Schrumpffutters.
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Um Streufelder zu vermeiden, mit denen eine unerwünschte Aufheizung des Werkzeugs bewirkt werden könnte, wird in der nicht vorveröffentlichten
DE 199 15 412 A1 vorgeschlagen, dass die Induktionsspule an der dem Schrumpffutter abgewandten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung für das Werkzeug aufweisenden Polschuh aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergriffen wird.
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Ein bekanntes, induktives Schrumpfgerät ist als Tischgerät konzipiert und hat ein auf einen Tisch aufstellbares, kastenförmiges Gehäuse, dessen Oberseite die Arbeitsfläche des Gerätes bildet. Über die Arbeitsfläche erhebt sich eine Säule mit Vertikalführungen für einen Spulenhalter, an dem eine Induktionsspule oberhalb der Arbeitsstation des Gerätes anbringbar ist. Ein integrierter Pneumatikzylinder bewegt die säulengeführte luftgekühlte Spule in Arbeitsposition nach unten bzw. zurück in die obere Grundposition. Der überwiegend interessierende Spannbereich von 6 mm bis 32 mm Werkzeugdurchmesser wird mit drei unterschiedlichen Spulen abgedeckt, die über einen Schnellverschluss auswechselbar am Spulenhalter anbringbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Schrumpfgerät zu schaffen, das sich durch einfache Handhabung auszeichnet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung hat die zum Erwärmen von Schrumpffuttern vorgesehene Induktionseinrichtung nur eine Induktionsspule und sie ist so ausgebildet, dass mit der Induktionsspule Werkzeuge aus einem weiten Durchmesserbereich zumindest von 6 mm bis 25 mm schrumpfbar sind. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, beim Wechsel zwischen Werkzeugen unterschiedlicher Durchmesser auch die Spule des Schrumpfgerätes auszuwechseln. Das Schrumpfgerät ist dadurch universell einsetzbar und bequem bedienbar. Da keine Arbeitszeit für Spulenwechsel aufgewendet werden muss, sind mit erfindungsgemässen Vorrichtungen höhere Durchsatzleistungen zu verarbeitender Schrumpffutter möglich. Ggf. können auch noch kleinere und grössere Durchmesser verarbeitbar sein, beispielsweise bis zu ca. 32 mm.
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Zur Beschleunigung der einzelnen Schrumpfzyklen und zur Sicherstellung, dass für jeden Typ von Schrumpffutter (grosser Spanndurchmesser bzw. kleiner Spanndurchmesser) eine für die Aufheizung geeignete Leistung induktiv übertragen werden kann, wird mittels einer automatischen Futtererkennungseinrichtung der Typ des auf zuheizenden Schrumpffutters automatisch erkannt und die Leistung der Induktionsspule wird in Abhängigkeit vom erkannten Typ angepasst bzw. gesteuert. Hierzu wird vorzugsweise die an der Induktionsspule anliegende Betriebsspannung jeweils ausgehend von der niedrigsten voreingestellten Spannung stufenweise so lange erhöht, bis anhand des vom Generator gezogenen Stromes erkennbar ist, dass eine ausreichende Heizleistung bereitgestellt wird.
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Da mit einer fest installierten Induktionsspule gearbeitet werden kann, lässt sich ohne Abdichtprobleme auch eine besonders wirksame Kühlung der Induktionsspule mit Kühlflüssigkeit erreichen, was besonders für den Dauerbetrieb vorteilhaft ist. Die Induktionsspule kann beispielsweise durch ein durchströmbares Kupferrohr o. dgl. gebildet sein.
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Weiterhin kann zur Optimierung der induktiven Wärmeeinbringung mittels einer vorzugsweise mechanischen, automatischen Positioniereinrichtung eine automatische axiale Positionierung der Induktionsspule beim Absenken auf das jeweilige Schrumpffutter durchgeführt werden. Dabei wird zweckmässig mittels eines verstellbaren Anschlages sichergestellt, dass die sich senkende Induktionsspule auf einem Höhenniveau anhält, bei dem das von der Induktionsspule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld optimal in den zur Werkzeugspannung genutzten Abschnitt der Werkzeugaufnahmeöffnung bzw. des Schrumpffutters einkoppelt.
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Dadurch wird ein weitgehend automatisierter Ablauf eines Schrumpfvorganges möglich, nachdem über ein Bedienfeld einige die Schrumpfpaarung charakterisierende Parameter, beispielsweise der Durchmesser bzw. Durchmesserbereich und das Material des einzuschrumpfenden Werkzeuges eingegeben sind. Ein mikroprozessorgesteuerter Zyklus kann dann eine motorische Absenkung der Induktionsspule, aus einer Grundstellung in Richtung Schrumpffutter, eine anschliessende automatische Positionierung zur Festlegung der richtigen Axialposition in Bezug auf das Schrumpffutter, eine automatische Erkennung des Schrumpffuttertypes über die vom Schrumpffutter abgezogene Leistung, eine über entsprechende vorprogrammierte Werte für Heizzeit und Leistung durchgeführte automatische Erwärmung des Schrumpffutters und ggf. nach Einführen und/oder Entfernen eines Werkzeuges ein automatisches Hochfahren der Induktionsspule zurück in die Grundposition umfassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schrägperspektivische, schematische Ansicht einer Ausführungsform einer induktiven Schrumpfvorrichtung mit drei Arbeitsstationen,
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2 eine perspektivische Darstellung von Teilen einer wasserkühlbaren Schrumpffutteraufnahme für eine Arbeitsstation der in 1 gezeigten Vorrichtung zusammen mit einem darin aufnehmbaren Schrumpffutter,
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3 eine perspektivische Ansicht von Teilen eines einer Arbeitsstation zugeordneten, wassergekühlten Kühladapters zusammen mit einem durch den Kühladapter kühlbaren Schrumpffutter,
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4 einen Vertikalschnitt durch die Induktionsspuleneinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Konfiguration, die für die Aufheizung von Schrumpffuttern für Werkzeuge mit großem Durchmesser geeignet ist, und
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5 einen Vertikalschnitt durch die Induktionsspuleneinheit der in 1 gezeigten Vorrichtung in einer Konfiguration, die für die Aufheizung von Schrumpffuttern für Werkzeuge mit kleinem Durchmesser geeignet ist.
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In 1 ist in schrägperspektivischer, schematischer Ansicht eine auch als Schrumpfgerät bezeichnete Vorrichtung 1 zum thermischen Spannen und Entspannen von Werkzeugen in Schrumpffuttern gezeigt, die es ermöglicht, im Dauerbetrieb eine große Anzahl von hochgeschwindigkeitstauglichen Bearbeitungswerkzeugen in kurzer Folge mittels Schrumpftechnik zu spannen oder zu entspannen, um beispielsweise einen vollwertigen Arbeitsplatz mit hohem Werkzeugdurchsatz zu schaffen. Die gezeigte Ausführungsform umfaßt einen geschlossenen Unterschrank 2, in dem später erläuterte Versorgungseinheiten für das Schrumpfgerät, wie ein Hochfrequenzgenerator zur Versorgung einer Induktionsspule, ein Kühlaggregat einer Wasserkühlungseinrichtung und eine mit einem Mikroprozessor ausgestattete elektronische Steuerung für das Schrumpfgerät untergebracht sind. Auf der etwa hüfthoch angeordneten Oberseite des Unterschrankes ist ein im wesentlichen tortenstückförmiges, geschlossenes Basisteil 3 mit einem aus Aluminiumguß hergestellten Gehäuse befestigt. Das Basisteil hat an seiner abgeschrägten Vorderseite ein Bedienfeld 4 mit einer Anzahl von Drucktasten und einem optischen Display zur Einstellung und Anzeige von für den Betrieb des Schrumpfgerätes vorgebbaren Betriebsparamtern. Auf der Oberseite des Basisteils sind drei auf einem Kreisbogen nebeneinander angeordnete Arbeitsstationen 5, 6, 7 vorgesehen, die jeweils sowohl für eine induktive Aufheizung von darin aufgenommenen Schrumpffuttern 8, 9, als auch für eine aktive Abkühlung der aufgeheizten Schrumpffutter mit Hilfe einer Wasserkühlung ausgelegt sind. Hierzu weist jede der Arbeitsstationen eine flüssigkeitskühlbare Schrumpffutteraufnahme 10, 11, 12 auf, deren Aufbau in Zusammenhang mit 2 noch näher erläutert wird. Jeder Arbeitsstation ist außerdem ein manuell bequem handhabbarer, auf ein Schrumpffutter von oben aufsetzbarer Kühladapter 13, 14, 15 zugeordnet, wobei die zu den einzelnen Arbeitsstationen gehörenden Kühladapter jeweils aus Bedienersicht vor der zugeordneten Arbeitsstation in einer kreisförmigen Ausnahmeöffnung an der Basisteiloberseite abgestellt sind. Aufbau und Funktion der Kühladapter werden in Zusammenhang mit 3 näher erläutert.
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Über dem Basisteil erhebt sich, aus Bedienersicht hinter den Arbeitsstationen, eine allseitig verkleidete Säule 16, von deren bedienerzugewandter Vorderseite eine Induktionsspuleneinheit 17 mit einer wassergekühlten Induktionsspule 18 (4, 5) horizontal so abragt, daß die vertikale Zentralachse 19 der Spule mit dem Kreisbogen 20 zusammenfällt, der die vertikalen Zentralachsen der Arbeitsstationen 5, 6, 7 verbindet. Die Säule 16 ist um eine vertikale Säulenschwenkachse 21 schwenkbar gelagert und kann mit Hilfe eines an der Vorderseite des Basisteiles herausragenden Bedienhebels 22 so verschwenkt werden, daß die Induktionsspule 18 wahlweise direkt oberhalb bzw. konzentrisch mit einer der Arbeitsstationen angeordnet werden kann, wobei sich mit Hilfe einer Rastung die zentrierte Position nach Loslassen des Bedienhebels 22 selbsttätig einstellt.
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Die als Erwärmungseinheit dienende Induktionsspuleneinheit 17 ist mit Hilfe eines durch die Steuerung des Schrumpfgerätes ansteuerbaren, innerhalb des Säulengehäuses untergebrachten Elektromotors 23 zwischen der gezeigten, oberen Grundposition und einer später im Zusammenhang mit 4 und 5 näher erläuterten unteren Arbeitsposition vertikal (Pfeil 24) verfahrbar. Hierzu ist ein vom Elektromotor 23 angetriebener, nicht gezeigter Spindeltrieb vorgesehen, der auf die an einer vertikalen Führungsstange 25 geführte Induktionsspuleneinheit wirkt. Die flexiblen Flüssigkeitsleitungen zur Wasserkühlung der Induktionsspule sowie die elektrischen Leitungen zur Verbindung der Spule mit dem im Unterschrank 2 untergebrachten Generator sind in einem flexiblen Kabelschlepp 26 geschützt geführt, der vom Inneren der Säule durch das Basisteil bis in den Unterschrank 2 führt.
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Neben dem Basisteil ist auf der oberen Arbeitsfläche des Unterschrankes in Reichweite des Bedieners 2 ein um eine vertikale Achse schwenkbares, schräggestelltes Magazin (27) mit sechzehn Aufnahmeeinrichtungen zur Aufnahme unterschiedlich dimensionierter Wechseleinsätze 28 für die Kühladapter vorgesehen, deren Aufbau und Funktion in Zusammenhang mit 3 näher erläutert wird. Eine seitliche Schublade 30 kann beispielsweise dazu genutzt werden, die im Zusammenhang mit 2 näher erläuterten Wechseleinsätze 30 für die Schrumpffutteraufnahmen der Arbeitsstationen 5, 6, 7 und/oder weitere beim Schrumpfen eventuell benötigte Teile, wie Werkzeuge o. dgl. aufzubewahren.
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Anhand von 2 wird nun ein typischer Aufbau eines Schrumpffutters 8 erläutert, das in dem Schrumpfgerät 1 verarbeitbar ist. Ein Schrumpffutter ist üblicherweise aus einem geeigneten Stahlwerkstoff hergestellt und hat einen im Beispiel kegelstumpfförmigen Werkzeugaufnahmeabschnitt 35, in dem zentrisch eine Werkzeugaufnahmeöffnung bzw. Werkzeugaufnahmebohrung 36 eingebracht ist, die zur Aufnahme eines Werkzeugschaftes eines in die Aufnahmebohrung einsetzbaren Werkzeuges (beispielsweise Werkzeuge 37 oder 38 in 4 bzw. 5) einführbar ist. Der Spanndurchmesser der Werkzeugaufnahmeöffnung ist zweckmäßig für eine Schafttoleranz h6 ausgelegt, um ein problemloses Ausschrumpfen und Einschrumpfen von Aufnahmeschäften zu gewährleisten, die ebenfalls eine Toleranz von h6 (Mittentoleranz) haben sollten. Der Durchmesser der Werkzeugaufnahmeöffnung ist dabei so dimensioniert, daß er im kalten Zustand des Schrumpffutters geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des einzuspannenden Werkzeugschaftes ist, jedoch bei Aufwärmung des Werkzeugaufnahmeabschnittes auf Temperaturen von beispielsweise 200° bis 300° sich durch Wärmeausdehnung so stark erweitert, daß ein Einführen eines (kalten bzw. kühleren) Werkzeugschaftes möglich ist. Die Außenkontur des Werkzeugaufnahmeabschnittes ist im an die vordere Mündung 40 der Werkzeugaufnahmeöffnung anschließenden Abschnitt kegelförmig mit einem Kegelwinkel von 4,5°, wobei jedoch der Durchmesser des Kegelstumpfabschnittes in Abhängigkeit vom Durchmesser des aufzunehmenden Werkzeuges variieren kann. Typische Werkzeugschaftdurchmesser liegen im Bereich zwischen ca. 6 mm und ca. 25 bis 30 mm.
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Am gegenüberliegenden Ende ist ein zur Aufnahme des Schrumpffutters in eine Maschinenspindel eines Bearbeitungswerkzeuges ausgebildeter Einspannabschnitt 39 vorgesehen, der im Beispiel als Hohlschaftkegel ausgebildet ist, bei anderen Ausführungsformen aber auch als Steilkegel oder Abschnitt mit anderen, beispielsweise zylindrischen Formen und Dimensionen ausgebildet sein kann.
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Das Schrumpfgerät 1 ist für eine besonders effektive Kühlung derartiger, ggf. unterschiedlich dimensionierter Schrumpffutter ausgelegt. Die integrierte Kühleinrichtung arbeitet mit flüssigem Kühlmittel, in der Regel Wasser mit Zusätzen, und dient sowohl der Kühlung der Schrumpffutteraufnahmen 10 bis 12, als auch der Kühladapter 13 bis 15 und auch der Induktionsspule 18, indem diese Teile an einen ggf. geschlossenen Kühlmittelkreislauf anschließbar sind. Eine flüssigkeitsgekühlte Schrumpffutteraufnahmeeinrichtung (2) umfaßt ein mit umlaufenden Kühlmittelkanälen ausgestattetes, hülsenförmiges Kühlaußenteil 45, das in eine kreisrunde Aufnahmeöffnung des Basisteiles 3 so einsetzbar ist, daß ein umlaufender Ringbund 46 auf der Basisteiloberseite aufsetzt. Die in der Hülsenwandung umlaufenden Kühlmittelkanäle sind über in 1 gestrichelt angedeutete Kühlmittelleitungen 47, beispielsweise in Form flexibler Schläuche, an eine in 1 schematisch angedeutete Wasserversorgung 48 angeschlossen. Das aus gut wärmeleitendem Metall, beispielsweise Aluminium, gefertigte Kühlaußenteil 45 hat an seiner Oberseite eine sich nach unten trichterförmig verjüngende, kegelstumpfförmige Aufnahmeöffnung 49, in die auswechselbare, ebenfalls aus Aluminium gefertigte Wechseleinsätze 30 paßgenau einsetzbar sind.
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Ein Wechseleinsatz 30 hat einen kegelstumpfförmigen Einführabschnitt 50, der unter Flächenpassung in die Aufnahmeöffnung 49 einführbar ist, sowie einen nach außen abragenden Ringbundabschnitt 51, der bei eingeführtem Wechseleinsatz auf der Oberseite des Kühlaußenteils 45 aufliegt und ggf. durch Schrauben auf diesem befestigbar ist. Im Wechseleinsatz 30 ist eine sich nach unten verjüngende Schrumpffutteraufnahmeöffnung 52 vorgesehen, deren Innendimensionen den Außendimensionen des Einspannabschnittes 39 so angepaßt sind, daß diese paßgenau in die Aufnahmeöffnung 52 einführbar ist. Durch den großflächigen Berührungskontakt der ineinanderschiebbaren Teile im Bereich der kegeligen Sitzflächen wird eine gute Wärmeleitung zwischen dem aktiv gekühlten Kühlaußenteil 45 und dem Einspannabschnitt 39 des Schrumpffutters möglich. Wenn Schrumpffutter mit anderem Einspannabschnitt, beispielsweise Steilkegel, verarbeitet werden sollen, so ist es lediglich erforderlich, den Wechseleinsatz 30 gegen einen anderen Wechseleinsatz auszutauschen, dessen Schrumpffutteraufnahmeöffnung den Außenkonturen des Steilkegels entsprechend angepaßt ist.
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Die Kühleinrichtung dient auch der aktiven Wasserkühlung der zum Abkühlen der Werzeugaufnahmeabschnitte von Schrumpffuttern vorgesehene Kühladapter (3). Ein Kühladapter hat ein im wesentlichen hülsenförmiges Kühlaußenteil 55, in dessen Wandung Kühlmittelkanäle verlaufen, die über in 1 gestrichelt angedeutete Kühlmittelleitungen 56 in Form flexibler Kunststoffschläuche an die Wasserversorgung 48 angeschlossen sind. Eine sich nach unten kegelförmig erweiternde Aufnahmeöffnung 57 im Inneren des Kühlaußenteiles dient der Aufnahme auswechselbarer Wechseleinsätze 28, die von unten in das Kühlaußenteil einführbar sind und eine generell konische Außenfläche haben, die mit flächigem Berührungskontakt an die Innenseite der Aufnahmeöffnung 57 anpreßbar ist. Am oberen Ende des in Form einer geschlitzten Kegelstumpfhülse ausgebildeten Wechseleinsatzes ist eine umlaufende Ringnut 58 vorgesehen, in die bei in das Kühlaußenteil eingesetztem Wechseleinsatz ein am Kühlaußenteil 55 vorgesehenes Verriegelungsglied einrastet, das durch Betätigung eines am Außenumfang des Kühlaußenteiles vorgesehenen Schiebers 59 zur Freigabe des Wechseleinsatzes aus dem Kühlaußenteil betätigbar ist.
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Im Wechseleinsatz 28 ist eine sich nach unten erweiternde, konische Aufnahmeöffnung 60 ausgebildet, deren Konuswinkel von ca. 4,5° im wesentlichen dem Konuswinkel des Werkzeugaufnahmeabschnittes des Schrumpffutters entspricht, auf den der Kühladapter bzw. der Wechseleinsatz von oben aufsetzbar ist. Durch die Längsschlitze entstehen am Wechseleinsatz zwischen den Längsschlitzen sechs federelastische Zungen 61, die im Bereich der Ringnut fest miteinander verbunden sind und nach unten gerichtete freie Enden haben, so daß die von den Federzungen eingeschlossene bzw. begrenzte Aufnahmeöffnung 60 geringfügig elastisch aufweitbar ist.
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Beim Einsetzen eines Wechseleinsatzes 28 in das Kühlaußenteil rastet die Verriegelungseinrichtung ein und hält den Wechseleinsatz im Kühlaußenteil fest, wobei jedoch ein geringfügiges Bewegungsspiel möglich ist. Wird nun der Kühladapter auf ein Schrumpffutter aufgesetzt, so stülpt sich zunächst die noch geringfügig bewegliche Hülse über den Werkzeugaufnahmeabschnitt, bis die Innenseiten der Zungen 61 großflächig auf der äußeren Konusfläche des Werkzeugaufnahmeabschnitts aufsitzen. Bei weiterer Absenkung des Kühlaußenteils relativ zum Wechseleinsatz werden die Zungen 61 nach Art eines Spannfutters durch den Kühlaußenteil in festen Berührungskontakt mit dem Schrumpffutter gepreßt, so daß der Kühladapter fest auf dem Schrumpffutter aufsitzt und eine gute Wärmeleitung zwischen Werkzeugaufnahmeabschnitt und dem aktiv gekühlten Kühlaußenteil 45 durch die aus gut wärmeleitendem Metall, beispielsweise Aluminium bestehende Wechselhülse 28 besteht. Nach erfolgter Abkühlung wird der Kühladapter vom Schrumpffutter abgehoben, wobei sich zunächst das Kühlaußenteil geringfügig nach oben vom Wechseleinsatz abhebt und dadurch die Federzungen 61 vom Außendruck entlastet, so daß sich die Aufnahmeöffnung 60 erweitern kann und ein problemloses Abheben des Kühladapters vom Schrumpffutter möglich ist. Ohne diese zweckmäßige Aufweitung der Aufnahmeöffnung 60 könnte es bei den spitzkegeligen Werkzeugaufnahmeabschnitten aufgrund von Selbsthemmung dazu kommen, daß ein mit flächigem Paßkontakt aufgesetzter Kühladapter nicht oder nur mit Hilfe größerer Zugkräfte vom Schrumpffutter abziehbar ist.
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Anhand der 4 und 5 wird nun die Induktionsspuleneinheit 17 näher erläutert. Bei dieser ist in einem aus elektrisch nicht leitendem Werkstoff bestehenden Gehäuse 65 ein Erwärmerteil untergebracht, das für die Erwärmung eines einzelnen Schrumpffutters mit maximalem Außendurchmesser von ca. 53 mm ausgelegt ist. Es umfaßt im wesentlichen die Induktionsspule bzw. den Induktor 18 sowie einen Schwingkreiskondensator, die über durch den Kabelschlepp 26 geführte Leitungen an dem im Unterschrank untergebrachten Hochfrequenzgenerator bzw. an die Wasserversorgung angeschlossen sind und zusammen einen Parallel-Schwingkreis bilden. Der Induktor besteht aus einer wassergekühlten Spule 17 aus Kupferrohr, die zur elektrischen Isolierung mit Trafolack beschichtet ist, einen lichten Innendurchmesser von ca. 65 mm und eine axiale Spulenlänge von ca. 50 mm hat. Der Induktor ist mit dem wassergekühlten Schwingkreiskondensator zu einer Einheit zusammengeschraubt, die mit einem Kühlwasservorlauf und -rücklauf versehen ist.
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Die Spule 18 sitzt in einem nach unten offenen Innenraum des Gehäuses 65, der nach oben mittels einer wegnehmbare Abdeckplatte 66 abgeschlossen ist, die koaxial mit der Zentralachse 19 der Spule eine sich nach oben konisch erweiternde Werkzeugdurchführöffnung 67 aufweist. Unterhalb der oberen Gehäuseabdeckung 66 ragt ein Flachschieber 68 in den Bereich oberhalb der Induktionsspule 18. Der senkrecht zur Spulenachse verschiebbare Schieber aus elektrisch nicht leitendem Material hat im Bereich der Spulenachse 19 eine stufenzylindrische Aufnahmeöffnung 69, in die auswechselbare Scheiben 70 einlegbar sind. Eine Einlegescheibe 70 hat einen Zylinderrohrabschnitt 71 mit einem Innendurchmesser, der geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des größten ein- bzw. auszuspannenden Werkzeuges sowie einen nach außen abragenden Ringbundabschnitt 72, mit dem die Scheibe in der stufenzylindrischen Aufnahmeöffnung 69 so aufliegt, daß die Oberseite der Scheibe an der Unterseite der oberen Abdeckung 66 anliegt.
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Der Flachschieber 68 und die von ihm getragene auswechselbare Scheibe 70 sind wesentliche Elemente einer automatischen Positioniereinrichtung, durch die auf vollmechanischem Wege sichergestellt wird, daß unabhängig vom Schrumpffutterdurchmesser ein Einspannabschnitt des Schrumpffutters bei Absenken der Induktionseinheit in Richtung Arbeitsposition in einer optimalen Axialposition bzgl. der Induktionsspule liegt, wobei in der optimalen Arbeitsposition ein mündungsnaher Abschnitt des Werkzeugaufnahmeabschnittes auf Höhe der axialen Spulenmitte liegt bzw. die Mündungs-Stirnseite 73 des Schrumpffutters geringfügig oberhalb der Spulenmitte liegt. Dies wird durch mechanischen Anschlag der Mündungsstirnseite eines Schrumpffutters an die als Anschlagscheibe dienende Scheibe 70 gewährleistet. Diese wird mittels des Schiebers 68 bei Wekrzeugen mit großem Durchmesser (4) in eine zentrische Position gestellt, so daß die die Werkzeugaufnahmeöffnung umgebende Stirnseite des Schrumpffutters ringförmig an die Unterseite des Zylinderabschnittes 71 der Anschlagscheibe 70 trifft. Ist dagegen der Schrumpffutterdurchmesser im Bereich der Mündungsstirnseite 73 kleiner als der Innendurchmesser der Anschlagscheibe 70, so würde bei zentrischer Position der Anschlagscheibe das Schrumpffutter teilweise von unten in die Anschlagscheibe eindringen und dadurch in Bezug auf die Induktionsspule höher liegen als bei der optimalen Arbeitsposition. Daher wird bei Schrumpffuttern mit kleinerem Durchmesser die Anschlagscheibe 70 mittels des Schiebers 68 in die in 5 gezeigte exzentrische Position verschoben, so daß nur noch ein Teilringabschnitt der Scheibe 70 als Axialanschlag für das Schrumpffutter dient.
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Die Anschlagscheibe 70 ist zweckmäßig aus einem elektrisch nicht leitenden, wärmefesten und anschlagsdämpfenden Material gefertigt, beispielsweise aus einem asbestfreien, durch Kautschuk und Spezialharz gebundenen Reibmaterial ohne Metallbeimischung, wie es auch für Brems- und Kupplungsbeläge verwendbar ist. Durch das metallfreie Material wird auch der Feldverlauf des von der Spule erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes nicht beeinflußt.
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In Fällen, bei denen eine Beeinflussung des Induktionsfeldverlaufes erwünscht ist, beispielsweise beim Schrumpfen von HSS- oder Stahlwerkzeugen mit einem Schaftdurchmesser von weniger als 16 mm, kann anstatt der nichtleitenden Scheibe 70 auch ein das Induktionsfeld beeinflussendes, aus elektrisch leitendem und/oder magnetisierbarem Material bestehendes Element, beispielsweise aus Ferrit, eingesetzt werden, das die Funktion eines Feldkonzentrators übernimmt, um die induktiv eingebrachte Heizleistung auf den Werkzeugaufnahmeabschnitt des Schrumpffutters zu konzentrieren.
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Der im Unterschrank 2 untergebrachte, für eine feste Nennleistung von 8 kW bei Arbeitsfrequenzen bis maximal ca. 60 kHz ausgelegte, wassergekühlte Hochfrequenzgenerator hat eingangsseitig einen Netzfilter und arbeitet im Leistungsteil mit einem Gleichrichter und einem anschließenden Wechselrichter, die beide wassergekühlt sind, wobei der Kühlwasserdurchfluß mittels eines Durchflußtrichters und die Temperatur der Teile mit einem Temperaturwächter überwacht werden. Zwischen Leistungsteil und Generatorausgang ist ein mittels Ventilator luftgekühlter Ferritkern-Übertrager vorgesehen. Die mit den Bedienfeldelementen verbundene, elektronische Steuerung des Generators umfaßt einen Mikroprozessor, der auch sämtliche Steuerfunktionen des Schrumpfgerätes übernimmt. Die Bedienung erfolgt über Bedientasten des Bedienfeldes 4, wobei die mit den Tasten eingestellten Funktionen auf dem Display angezeigt werden. In der Steuereinheit sind verschiedene, voreingestellte Programmabläufe gespeichert, die die optimalen Geräteeinstellungen zum Einschrumpfen bzw. Ausschrumpfen bei verschiedenen Werkzeug- und Spannfutterdurchmessern umfassen. Eine z. B. durch zweifaches kurzzeitiges Drücken einer Taste einleitbare Nachheizfunktion kann dazu genutzt werden, im Bedarfsfalle nochmals über eine fest einprogrammierte Zeit von z. B. 2 bis 4 Sekunden nachzuerwärmen, um beispielsweise ein Spannfutter für die Entnahme eines Werkzeuges noch zu erweitern.
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Die Generatorsteuerung erlaubt eine automatische Erkennung des Typs eines in den Wirkbereich der Induktionsspule gelangenden Schrumpffutters und eine davon abhängige automatische Anpassung des Generatorbetriebes derart, daß eine optimale Einkopplung der induktiven Heizenergie in das Schrumpffutter gegeben ist. Hierzu ist vorgesehen, daß die Genertorelektronik mit mehreren, beispielsweise zwei oder drei unterschiedlichen, fest voreingestellten Ausgangsspannungen arbeiten kann. Dadurch wird es möglich, daß für alle im vorgesehenen Durchmesserbereich vorkommenden Futterdurchmesser bzw. Werkzeugdurchmesser mit einer einzigen Induktionsspule gearbeitet werden kann. Ein Induktorwechsel ist dadurch entbehrlich. Die Elektronik erkennt als Antwort auf eine entsprechende Ankopplung zwischen Induktor und Schrumpffutter, ob sich ein Futterdurchmesser unterhalb eines vorgegebenen Durchmessers im Induktor befindet und bewirkt ggf. eine vollautomatische Umschaltung auf eine höhere Ausgangsspannung, mit welcher die Leistung wieder auf die Nennleistung angehoben werden kann. Diese automatische Anpassung macht das Ein- und Ausschrumpfen von kleineren Futterdurchmessern erheblich schneller und ist besonders vorteilhaft für das Ausschrumpfen von Stahlwerkzeugen mit kleineren Durchmessern.
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Mit Hilfe des erläuterten Mehrstationen-Schrumpfgerätes können im Dauerbetrieb große Stückzahlen von Werkzeugen ein- bzw. ausgespannt werden, wobei pro Schrumpfvorgang typische Zykluszeiten zwischen ca. einer halben und einer Minute erreichbar sind. Dabei kann wie folgt verfahren werden. Zunächst wird ein Schrumpffutter, beispielsweise Schrumpffutter 8, in eine mit einem entsprechend angepaßten Wechseleinsatz 30 versehene Schrumpffutteraufnahme 10 einer Arbeitsstation 5 von oben eingesetzt. Vorher oder nachher wird die spulentragende Säule 16 mit Hilfe des Bedienhebels 22 so verschwenkt und eingerastet, daß die Induktionsspule in oberer Grundstellung über dem Schrumpffutter sitzt. Anschließend werden über entsprechende Tasten des Bedienfeldes 4 der Werkstofftyp des einzuspannenden Werkzeuges (z. B. HSS oder Hartmetall) sowie der zugehörige Werkzeugdurchmesser bzw. Durchmesserbereich (z. B. kleiner als ein Durchmessergrenzwert oder größer als ein Durchmessergrenzwert) eingegeben. In Abhängigkeit von dieser Eingabe wird der Schieber 68 der Positioniereinrichtung automatisch so eingestellt, daß die Anschlagscheibe 70 entweder zentrisch zur Spulenachse (bei großen Durchmessern, 4) oder exzentrisch zur Spulenachse (bei kleinen Werkzeug- bzw. Schrumpffutterdurchmessern, 5) angeordnet ist.
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Nach Drücken einer Starttaste senkt sich die Induktionseinheit 17, über den Elektromotor 23 angetrieben, auf das zu erwärmende Schrumpffutter ab, bis die Anschlagsscheibe 70 auf der Mündungsstirnseite 73 des Schrumpffutters aufsitzt, wodurch der Absenkantrieb automatisch abgeschaltet wird. Dann beginnt automatisch der Heizbetrieb, bei dem die Induktionsspule zunächst bei der niedrigsten der voreingestellten Spannungsstufen und fester Frequenz mit Strom beaufschlagt wird. Die vom Schrumpffutter aufgenommene Leistung wird über den Generatorstrom überwacht. Liegt die abgezapfte Leistung unter einem Schwellenwert, so wird automatisch in die nächst höhere Spannung geschaltet, bis eine Ausgangsspannung erreicht ist, die eine optimale Leistungsabnahme sicherstellt. Der Aufheizvorgang ist auf diese Weise nach typischerweise drei bis sechs Sekunden so weit fortgeschritten, daß durch die Werkzeugdurchführöffnung 67 und den Anschlagring 70 ein Werkzeug in die thermisch erweiterte Werkzeugaufnahmeöffnung des Schrumpffutters einführbar ist. Sobald das Werkzeug eingeführt ist, wird der Heizvorgang automatisch beendet und die Induktionsspule fährt automatisch in die obere Grundstellung zurück.
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Während des gesamten Aufheizvorganges bleibt der fest in der wassergekühlten Schrumpffutteraufnahme sitzende Einspann-Normkegel des Schrumpffutters im wesentlichen bei der typischerweise im Bereich zwischen 15°C und 20°C liegenden Temperatur der Schrumpffutteraufnahme. Zur schnellen Abkühlung des konischen Wekrzeugaufnahmeabschnittes wird der am Ende flexibler Schlauchleitungen 56 angebrachte und damit begrenzt frei bewegliche Kühladapter 13 per Hand auf das Schrumpffutter aufgesetzt, wobei die geschlitzte Innenhülse durch das gegenüber dieser bewegliche Kühlaußenteil zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Kühladapter und Schrumpffutter fest auf dem Werkzeugaufnahmeabschnitt aufgepreßt wird.
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Während nun das fertig gestellte Werkzeug in der ersten Arbeitsstation 5 bis auf eine für eine manuelle Handhabung des Schrumpffutters geeignete Temperatur wassergekühlt abkühlt, kann schon in der danebenliegenden zweiten Arbeitsstation 6 ein entsprechender Schrumpfvorgang eingeleitet und durchgeführt werden. Falls hierzu anders dimensionierte Schrumpffutteraufnahmen und/oder Kühladapter erforderlich sind, können diese Teile durch entsprechende Auswechslung der Wechseleinsätze an die Form des zu verarbeitenden Schrumpffutters angepaßt werden. Da die induktive Erwärmung des in der zweiten Arbeitsstation aufgenommenen Schrumpffutters durchführbar ist, während das in der ersten Arbeitsstation aufgenommene Futter abkühlt, können Schrumpfzyklen (Erwärmen, Werkzeugeinführung bzw. Entnahme, Abkühlung) bei dieser Schrumpfvorrichtung einander überlappend durchgeführt werden, wobei in keinem Fall ein noch heißes Schrumpffutter vom Bediener bewegt werden muß. Es ist also ein sehr bedienerfreundlich und ergonomisch aufgebauter Schrumpfarbeitsplatz geschaffen, dessen Teile sich auch im Dauerbetrieb bei hohem Werkzeugdurchsatz nicht erwärmen, da alle in Wärmeleitungskontakt mit den Schrumpffuttern kommenden Teile wassergekühlt sind. Dabei ist nur eine einzige Induktionsspule 18 für alle Schrumpfdurchmesser im Bereich von beispielsweise zwischen 6 mm und 25 mm bis ca. 32 mm Durchmesser notwendig, wobei diese Spule durch Verschwenkung des Induktionsturmes jeweils zur nächsten Arbeitsstation gebracht werden kann, so daß eine Bewegung heißer Schrumpffutter nicht erforderlich ist.
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Ein nicht bildlich dargestelltes Schrumpfgerät mit einfacherem Aufbau verzichtet auf die motorische Vertikalverschiebung der Induktionsspuleneinheit. Stattdessen ist ein mit der Induktionsspuleneinheit verbundener, nach vorne ragender Handgriff vorgesehen, an dem sich ein Druckknopf befindet, der auf eine Halteeinrichtung wirkt, mit der die Induktionsspuleneinheit auf beliebigen Höhen der Vertikalführung 25 festklemmbar ist. Beim Drücken des Knopfes wird die Spuleneinheit zur Vertikalverschiebung freigegeben und hält bei Freigabe des Knopfes in der eingestellten Höhenposition fest. Durch ein mit der Induktionsspuleneinheit über ein rollengeführtes Seil gekoppeltes Gegengewicht ist eine leichte Vertikalverschiebung ohne besonderen Kraftaufwand möglich. Es ist auch möglich, anstatt der gezeigten drei Arbeitsstationen mehr als drei oder weniger als drei, beispielsweise zwei oder auch nur eine Arbeitsstation vorzusehen. Bei einfachen Geräten kann ggf. auch auf eine Wasserkühlung der Schrumpffutteraufnahme einer Arbeitsstation verzichtet werden. Wenn schnelle Abkühlzeiten nicht erforderlich sind, kann ggf. auf die gesamte den Arbeitsstationen zugeordnete Kühleinrichtung inklusive der Kühladapter 13, 14, 15 verzichtet werden.
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Es ist auch möglich, anstatt der beschriebenen integrierten Kühleinrichtung eine separate Kühleinrichtung vorzusehen, bei der z. B. die ggf. mit einem Kühlaggregat ausgestattete Wasserversorgung 48 in einem eigenen Gehäuse untergebracht ist, wobei an die Wasserversorgung ein oder mehrere Kühladapter der beschriebenen Art mittels flexibler Schlauchleitungen o. dgl. angeschlossen sind. Eine derartige, gesonderte Kühleinrichtung kann neben einem Schrumpfgerät ohne Kühleinrichtung aufgestellt werden, um mit Hilfe der gut handhabbaren, flüssigkeitsgekühlten Kühladapter die mittels des Schrumpfgerätes induktiv oder auf andere Weise, beispielsweise mittels Heißluft, aufgeheizten Schrumpffutter schnell und wirksam abzukühlen. Zu der separaten Kühleinrichtung können ggf. auch an einem beliebigen Schrumpfgerät anbringbare, wassergekühlte Schrumpffutteraufnahmen gehören, wie sie anhand der 1 und 2 hier beispielhaft beschrieben wurden.
