DE10121743A1 - Spannfutter zum Einschrumpfen von Werkzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spannfutter zum Einschrumpfen von Werkzeugen (16) mit zylindrischem Werkzeugschaft (14). Das Spannfutter weist zu diesem Zweck eine einseitig offene Aufnahme (12) auf, die in eine öffnungsseitige Einführpartie (26) und eine koaxial an diese anschließende, thermisch aufweitbare Schrumpfpartie (28) zur Aufnahme des Werkzeugschafts im Schrumpfsitz unterteilt ist. Die Einführpartie (26) ist so bemessen, daß der Werkzeugschaft (14) bei Umgebungstemperatur in sie einsetzbar und in ihr vorzentrierbar ist. Um das Einführen des Werkzeugschafts (14) in die Einführpartie (26) zu erleichtern und dennoch eine hohe Zentriergenauigkeit zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Einführpartie (26) einen öffnungsseitigen Führungshals (30), eine daran axial anschließende Freizone (32) mit gegenüber dem Führungshals (30) größerem Innenquerschnitt sowie eine zwischen Freizone (32) und Schrumpfpartie (28) zugeordnete Zentrierzone (34) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannfutter zum Einschrumpfen von einen zylindri­ schen Werkzeugschaft aufweisenden Werkzeugen mit einer einseitig offe­ nen Aufnahme, die eine Öffnungsseitige Einführpartie und eine koaxial an diese anschließende, thermisch aufweitbare Schrumpfpartie zur Aufnahme des Werkzeugschafts im Schrumpfsitz aufweist, wobei die Einführpartie so bemessen ist, daß der Werkzeugschaft im nicht aufgeweiteten Zustand der Schrumpfpartie in sie einsetzbar und darin zentrierbar ist.

Spannfutter dieser Art sind dazu bestimmt, das beispielsweise als Fräser oder Bohrer ausgebildete Werkzeug mit seinem Schaft in die Aufnahme ein­ zuspannen oder aus dieser auszuspannen. Hierzu wird das Spannfutter bei­ spielsweise mit Hilfe einer Induktionsspule im Bereich der Aufnahme er­ wärmt. Das Werkzeug wird mit seinem Schaft in die durch die Erwärmung aufgeweitete Schrumpfpartie eingeführt. Beim anschließenden Abkühlen des Spannfutters wird der Werkzeugschaft in der durch die Abkühlung ge­ schrumpften Schrumpfpartie reibschlüssig gehalten. Die Durchmesser des Werkzeugschafts und der Schrumpfpartie sind dabei so gewählt, daß beim Abkühlen eine kraftschlüssige und verdrehfeste Verbindung entsteht. Zum Ausspannen wird das Spannfutter erneut durch die Induktionsspule erwärmt, bis das Werkzeug aus der Aufnahme herausgezogen werden kann. Um ein zuverlässiges Ein- und Ausschrumpfen zu ermöglichen, ist es bekannt (DE- A-199 15 412), eine als Ring- oder Zylinderspule ausgebildete Indukti­ onsspule zu verwenden, die an ihrer dem Öffnungsseitigen Ende der Auf­ nahme benachbarten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung für das Werkzeug aufweisenden Polschuh aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergriffen ist. Um eine halbautomati­ sche oder automatische Handhabung zu ermöglichen, wird zunächst das Spannfutter in einen Halter und das Werkzeug mit seinem Schaft in eine zy­ lindrische Vorweite des Spannfutters eingesetzt, bevor die Induktionsspule mit Polschuh von oben her über das überstehende Werkzeug und das Spannfutter aufgeschoben wird. Da die zentrale Durchtrittsöffnung des Pol­ schuhs nur wenig Übermaß gegenüber dem überstehenden Werkzeug auf­ weist, sollte das Werkzeug in der relativ kurzen Einführpartie konzentrisch zur Schrumpfpartie gehalten werden. Aus der EP-A-0830917 ist es bereits bekannt, eine zylindrische Einführpartie vorzusehen, mit dem Ziel, daß das von oben eingesetzte Werkzeug beim Aufheizen unter der Einwirkung der Schwerkraft selbsttätig von der Einführpartie aus in die Schrumpfpartie glei­ tet. Eine exakte Zentrierung ist damit jedoch nur möglich, wenn das Durch­ messerübermaß der Einführpartie gegenüber dem aufzunehmenden Werk­ zeugschaft sehr klein ist. Andererseits ist bei so kleinem Übermaß und bei den zu berücksichtigenden Toleranzen ein Einführen des Werkzeugschafts in die Einführpartie mit Schwierigkeiten verbunden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Spannfutter der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß das Werkzeug in der Einführpartie gut zentriert werden kann und den­ noch ein einfaches Einführen des Werkzeugschafts in die Einführpartie ge­ währleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprü­ chen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von der Erkenntnis aus, daß eine hohe Zentriergenauigkeit auch dann erreicht werden kann, wenn der Werkzeug­ schaft in der Einführpartie nur an zwei in axialem Abstand voneinander an­ geordneten Stellen gehalten wird und im Zwischenbereich eine das Einführen erleichternde Freizone vorhanden ist. Dementsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Einführpartie einen offenseitigen Füh­ rungshals, eine daran axial anschließende Freizone mit gegenüber dem Führungshals größerem Innenquerschnitt und eine zwischen Freizone und Schrumpfpartie angeordnete Zentrierzone aufweist. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß ein Einführen in die Einführpartie auch dann möglich ist, wenn der Werkzeugschaft gegenüber der Aufnahme leicht geneigt ist. Die eigentliche Zentrierung erfolgt erst unterhalb der Freizone im Bereich der Zentrierzone.

Um den Werkzeugschaft noch einfacher in die Einführpartie einführen zu können, weist der Führungshals einen Öffnungsseitigen Einführkonus auf. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Führungs­ hals eine in axialer Richtung scharfkantige, abgerundete oder flächige Quer­ schnittseinschnürung bildet. Er geht zweckmäßig über eine divergierende Stufen- oder Konusfläche in die Freizone über. Andererseits geht die Freizo­ ne zweckmäßig über eine die Zentrierfläche bildende divergierende Stufe oder Konusfläche in die Schrumpfpartie über. Eine Stufe ist nur dann ausrei­ chend, wenn der Werkzeugschaft einen stirnseitigen Zentrierkonus aufweist. Mit der als Konusfläche ausgebildeten Zentrierfläche wird sowohl bei stumpfem Werkzeugschaft als auch bei Vorhandensein eines Einführkonus­ ses unter der Einwirkung der Schwerkraft eine selbsttätige Zentrierung ge­ währleistet. Die Genauigkeit der Zentrierung hängt dabei wesentlich vom Durchmesserübermaß des Führungshalses ab. Dieses sollte zweckmäßig kleiner als 10 µm, vorzugsweise 2 bis 6 µm gegenüber dem aufzunehmen­ den Werkzeugschaft betragen. Andererseits kann die Freizone zur Erleichte­ rung der Einführung ein Durchmesserübermaß größer 15 µm, vorzugsweise 30 bis 50 µm gegenüber dem aufzunehmendem Werkzeugschaft aufweisen. Um einen ausreichenden Preßsitz in der Aufnahme zu gewährleisten, weist die Schrumpfpartie bei Umgebungstemperatur zweckmäßig ein Untermaß im Durchmessernennwert von größer 1 µm, vorzugsweise 2 bis 6 µm gegen­ über dem aufzunehmenden Werkzeugschaft auf.

Die Freizone kann beispielsweise überwiegend durch eine zylindrische oder eine ausgebauchte Begrenzungsfläche begrenzt werden. Im letzteren Falle weist die Freizone eine vom Führungshals aus in Richtung Schrumpfpartie zunächst weiter und anschließend enger werdende Querschnittsfläche auf. Die Freizone sollte dabei eine mindestens doppelt so große, vorzugsweise vier bis zehn mal so große Axialausdehnung wie der Führungshals aufwei­ sen.

Das erfindungsgemäße Spannfutter wird bevorzugt zur Herstellung eines Preßfittings verwendet, wobei es mit nach oben offener Aufnahme in einen Halter eingestellt, das Werkzeug mit seinem Schaft von oben her durch den Führungshals hindurch in die Einführpartie der Aufnahme eingesetzt und über die Zentrierzone koaxial zur Schrumpfpartie ausgerichtet wird, so daß die Induktionsspule mit ihrer Durchtrittsöffnung von oben her über das Werk­ zeug und das Spannfutter aufgeschoben werden kann. Anschließend wird das Spannfutter induktiv aufgeheizt, bis der Werkzeugschaft unter der Ein­ wirkung der Schwerkraft in die Schrumpfpartie gleitet und dort nach Abküh­ len des Spannfutters eingeschrumpft wird. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß das Werkzeug unter Ausführung einer durch einen Roboter unterstütz­ ten Einführbewegung in die Schrumpfpartie (38) gleitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Spannfutter mit Einführpartie und in die Einführpartie eingestelltem Werkzeug;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 1 mit aufgeschobener Indukti­ onsspule während des Aufheizvorgangs.

Das in der Zeichnung dargestellte Schrumpf-Spannfutter 10 weist an seinem einen Ende eine einseitig offene Aufnahme 12 zum Einschrumpfen des zy­ lindrischen Werkzeugschafts 14 eines bei dem gezeigten Ausführungsbei­ spiel als Spiralbohrer ausgebildeten Werkzeugs 16 auf. Das Spannfutter 10 ist als Adapter ausgebildet, der an seinem rückwärtigen Ende ein als Hohl­ schaft mit kegelförmiger Außenfläche ausgebildetes Kupplungselement 18 für den Anschluß an eine nicht dargestellte, schnell drehende Maschinen­ spindel aufweist. Der die Aufnahme 12 enthaltende Hülsenteil 20 des Spannfutters 10 weist eine kegelstumpfförmige Mantelfläche 22 auf und ist stirnseitig durch eine umlaufende Ringfläche 24 begrenzt. Die Aufnahme 12 des Hülsenteils 20 ist unterteilt in eine Öffnungsseitige Einführpartie 26 und eine koaxial an diese anschließende, thermisch aufweitbare Schrumpfpartie 28 zur Aufnahme des Werkzeugschafts im Schrumpfsitz. Der Durchmesser der Schrumpfpartie 20 weist bei Umgebungstemperatur gegenüber dem Werkzeugschaft 14 Untermaß auf. Das Ein- und Ausspannen des Werk­ zeugs 16 ist daher nur bei erhöhter Temperatur des Hülsenteils 20 bis ca. 450°C möglich. Die Einführpartie 26 ist dagegen so bemessen, daß der Werkzeugschaft im nicht aufgeweiteten Zustand der Schrumpfpartie 28 in sie von außen her einsetzbar und darin zentrierbar ist.

Um das Einführen des Werkzeugschafts 14 zu erleichtern, weist die Einführ­ partie 26 einen Öffnungsseitigen Führungshals 30, eine daran axial anschlie­ ßende Freizone 32 mit gegenüber dem Führungshals 30 größerem Innen­ querschnitt und eine zwischen Freizone 32 und Schrumpfpartie 28 angeord­ nete Zentrierzone 34 auf. Der Führungshals 30 bildet eine in axialer Rich­ tung scharfkantige (Fig. 2a) abgerundete (Fig. 2b) oder flächige (Fig. 3c) Einschnürung, die auf der Öffnungsseite einen Einführkonus 36 aufweist und über eine divergierende Stufen- oder Konusfläche 38 in die Freizone 32 übergeht. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2c ist die Freizone 32 überwiegend durch eine zylindrische Begrenzungsfläche 40 begrenzt, wäh­ rend im Falle der Fig. 2a und b die Begrenzungsfllächen 40 konisch divergie­ rend oder konvergierend verlaufen. Eine weitere Gestaltungsvariante besteht darin, daß die Freizone vom Führungshals 30 aus in Richtung Schrumpfzone eine zunächst weiter und anschließend enger werdende Querschnittsfläche unter Bildung einer in axialer Richtung konkav gekrümmten Begrenzungsflä­ che aufweist. Wie aus den Fig. 2a bis c zu ersehen ist, ist die axiale Aus­ dehnung der Freizone 32 um ein mehrfaches größer als die des Führungs­ halses. Die Freizone 32 geht über eine die Zentrierzone 34 bildende diver­ gierende Stufe oder Konusfläche in die Schrumpfpartie 28 über. Sofern das stirnseitige Ende 42 des Werkzeugschafts konisch angefast ist (vgl. Fig. 2a und 2b) trägt auch dieses zur Zentrierung des Werkzeugs 16 in der Zentrier­ zone 34 bei.

Der Führungshals 30 weist ein Durchmesserübermaß kleiner 10 µm, vor­ zugsweise 2 bis 6 µm auf, während das Durchmesserübermaß im Bereich der Freizone 32 mit 15 µm bis 50 µm erheblich größer ist. Unter zusätzlicher Berücksichtigung des Einführkonus 36 wird mit diesen Maßnahmen erreicht, daß das Einführen des Werkzeugschafts 14 in die Einführpartie 26 auch un­ ter einer gewissen Neigung gegenüber der Aufnahmeachse möglich ist und daß dennoch beim Auftreffen des Schaftendes 42 auf die Zentrierzone 34 eine selbsttätige Parallel-Ausrichtung des Werkzeugschafts in der Einführ­ partie 36 gewährleistet ist.

Zur Herstellung eines Preßfittings zwischen dem Spannfutter 10 und dem Werkzeug 16 wird das Spannfutter mit nach oben offener Aufnahme 12 in einen nicht dargestellten Halter eingestellt, das Werkzeug 16 mit seinem Schaft 14 von oben her durch den Führungshals 30 hindurch in die Einführ­ partie 26 der Aufnahme 12 eingesetzt und über die Zentrierzone 34 koaxial zur Schrumpfpartie 28 ausgerichtet. Sodann wird der Hülsenteil 20 des Spannfutters 10 mit einer von oben über das Werkzeug 16 und den Hülsen­ teil 20 aufgeschobenen Induktionsspule 44 aufgeheizt (Fig. 3). Der Hülsen­ teil 20 besteht zu diesem Zweck aus einem elektrisch leitenden Material in das die Feldlinien 49 der Induktionsspule 44 im Mantelbereich eindringen können und durch Erzeugung von Wirbelströmen zu einer Erwärmung füh­ ren. Die Induktionsspule 44 enthält einen aus keramischem Material beste­ henden Spulenkörper 46. Auf dem Spulenkörper befindet sich eine mehrla­ gige Wicklung 48 aus Hochfrequenzlitze, die mit hochfrequentem Wechsel­ strom beaufschlagt wird. Die Induktionsspule 44 ist an ihrem dem freien En­ de 24 des Hülsenteils 20 benachbarten Ende durch einen auf den Spulen­ körper 46 aufgelegten Polschuh 50 abgeschlossen, der aus einem magne­ tisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Material besteht und der eine Zentralöffnung 52 für den Durchtritt des Werkzeugs 16 aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Polschuh 50 als Ringscheibe ausge­ bildet, die die Ringfläche 24 des Hülsenteils 20 partiell von außen her über­ greift und die zur Zentralöffnung 52 hin eine konische Eindrehung 54 auf­ weist. Der Polschuh 50 liegt auf der Ringfläche 24 auf und begrenzt zum Werkzeugschaft 14 hin einen den magnetischen Widerstand erhöhenden ringförmigen Luftspalt 56. Der über die Ringfläche 24 des Hülsenteils 20 überstehende Teil des Werkzeugs 16 wird auf diese Weise wirksam gegen­ über dem elektromagnetischen Streufeld abgeschirmt. Dadurch wird erreicht, daß auch Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Werkzeugstahl, verwendet werden können, ohne von den elektromagneti­ schen Streufeldern aufgeheizt zu werden. Letzteres ist notwendig, um ein zuverlässiges Ausspannen zu ermöglichen.

Das Spannfutter wird in wenigen Sekunden im Bereich der Schrumpfpartie 28 so weit aufgeheizt, daß der Werkzeugschaft 14 unter der Einwirkung der Schwerkraft in die Schrumpfpartie 28 gleitet. Sodann wird das Spannfutter 10 unter Einschrumpfen des Werkzeugschafts auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Um den Einspannvorgang zu beschleunigen, ist dazu zweckmä­ ßig eine nicht dargestellte Abkühlstation vorgesehen.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf ein Spannfutter zum Einschrumpfen von Werkzeugen 16 mit zylindrischem Werkzeugschaft 14. Das Spannfutter weist zu diesem Zweck eine einseitig offene Aufnahme 12 auf, die in eine Öffnungsseitige Einführpartie 26 und eine koaxial an diese anschließende, thermisch aufweitbare Schrumpfpartie 28 zur Aufnahme des Werkzeugschafts im Schrumpfsitz unterteilt ist. Die Einführpartie 26 ist so bemessen, daß der Werkzeugschaft 14 bei Umge­ bungstemperatur in sie einsetzbar und in ihr vorzentrierbar ist. Um das Ein­ führen des Werkzeugschafts 14 in die Einführpartie 26 zu erleichtern und dennoch eine hohe Zentriergenauigkeit zu gewährleisten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Einführpartie 26 einen Öffnungsseitigen Führungshals 30, eine daran axial anschließende Freizone 32 mit gegenüber dem Führungshals 30 größerem Innenquerschnitt sowie eine zwischen Frei­ zone 32 und Schrumpfpartie 28 angeordnete Zentrierzone 34 aufweist.

Claims (13)

1. Spannfutter zum Einschrumpfen von einen vorzugsweise zylindrischen Werkzeugschaft (14) aufweisenden Werkzeugen (16), mit einer einsei­ tig offenen Aufnahme (12), die eine Öffnungsseitige Einführpartie (26) und eine koaxial an diese anschließende, thermisch aufweitbare Schrumpfpartie aufweist, wobei die Einführpartie (26) so bemessen ist, daß der Werkzeugschaft im nicht aufgeweiteten Zustand der Schrumpfpartie (28) in sie einsetzbar und darin zentrierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführpartie (26) einen Öffnungsseitigen Führungshals (30), eine daran axial anschließende Freizone (32) mit gegenüber dem Führungshals (30) größerem Innenquerschnitt sowie eine zwischen Freizone (32) und Schrumpfpartie (28) angeordnete Zentrierzone (34) aufweist.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füh­ rungshals (30) einen Öffnungsseitigen Einführkonus (36) aufweist.

3. Spannfutter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungshals (30) eine in axialer Richtung scharfkantige oder ab­ gerundete oder flächige Querschnittseinschnürung bildet.

4. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Führungshals (30) über eine divergierende Stufen- oder Konusfläche (38) in die Freizone (32) übergeht.

5. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Freizone (32) über eine die Zentrierzone (34) bilden­ de divergierende Stufe oder Konusfläche in die Schrumpfpartie (28) übergeht.

6. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Freizone (32) überwiegend durch eine zylindrische Begrenzungsfläche (40) begrenzt ist.

7. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Freizone (32) eine vom Führungshals (30) aus in Richtung Schrumpfpartie (28) zunächst weiter und anschließend enger werdende Querschnittsfläche aufweist.

8. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Freizone (32) eine mindestens doppelt so große, vorzugsweise vier bis zehn mal so große Axialausdehnung wie der Führungshals (30) aufweist.

9. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Führungshals (30) ein Durchmesserübermaß kleiner 10 µm, vorzugsweise 2 bis 6 µm gegenüber dem aufzunehmenden Werkzeugschaft (14) aufweist.

10. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Freizone ein Durchmesserübermaß größer 15 µm, vorzugsweise 30 bis 50 µm gegenüber dem aufzunehmenden Werk­ zeugschaft (14) aufweist.

11. Spannfutter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schrumpfpartie (28) bei Umgebungstemperatur ein Untermaß im Durchmessernennwert von mindestens 1 µm, vorzugs­ weise 2 bis 6 µm gegenüber dem aufzunehmenden Werkzeugschaft aufweist.

12. Verwendung des Spannfutters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Preßfittings, wobei es mit nach oben offener Auf­ nahme (10) in einen Halter eingestellt, das Werkzeug (16) mit seinem Schaft (14) von oben her durch den Führungshals (30) hindurch in die Einführpartie (26) der Aufnahme (12) eingesetzt und über die Zentrier­ zone (34) koaxial zur Schrumpfpartie (28) ausgerichtet wird, und wobei das Spannfutter anschließend vorzugsweise induktiv aufgeheizt wird, bis der Werkzeugschaft (14) unter der Einwirkung der Schwerkraft in die Schrumpfpartie (28) gleitet und sodann unter Einschrumpfen des Werkzeugschafts abgekühlt wird.

13. Verwendung des Spannfutters nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines Preßfittings, wobei das Werkzeug (16) mit seinem Schaft (14) durch den Führungshals (30) hindurch in die Einführpartie (26) der Aufnahme (16) eingesetzt und über die Zentrierzone (34) koa­ xial zur Schrumpfpartie (28) ausgerichtet wird, und wobei das Spann­ futter anschließend vorzugsweise induktiv aufgeheizt wird, bis der Werkzeugschaft (14) unter Ausführung einer vorzugsweise durch einen Roboter unterstützten Einführbewegung in die Schrumpfpartie (28) gleitet und sodann unter Einschrumpfen des Werkzeugschafts abge­ kühlt wird.