DE10138107A1

DE10138107A1 - Schrumpfgerät mit Längeneinstellung

Info

Publication number: DE10138107A1
Application number: DE2001138107
Authority: DE
Inventors: Simon Pumr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: DE10138107B4

Abstract

Eine Werkzeugeinspannvorrichtung für Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen (1) mit einem Einspannelement (3), in der eine Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) einspannbar ist, und einer Heizvorrichtung (25), mit der die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) beheizbar ist, so dass im heißen Zustand der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) ein Einsatzwerkzeug (4) einbringbar ist, hat eine Stelleinrichtung (2) im Aufnahmeschacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) axial beweglich angeordnet ist, die von einem Stellantrieb antreibbar ist, der gemäß der von einem Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) ermittelbaren Position der Spitze des längs der Achse der Werkzeugaufnahme verschiebbar geführten Einsatzwerkzeugs (4) ansteuerbar ist, wobei die Stelleinrichtung (2) von einer eingefahrenen Ausgangsstellung (I) in eine ausgefahrene Position stufenlos verstellbar ist.

Description

Die folgende Erfindung betrifft eine Werkzeugeinspannvorrichtung für Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Einspannen von Einsatzwerkzeugen in Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
In der spanabhebenden Metallverarbeitung wird heute hauptsächlich auf Werkzeugmaschinen mit einem hohen Automatisierungsgrad gefertigt. Einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität von Werkstücken sowie auf die Effizienz der Fertigungsabläufe haben dabei die eingesetzten Spann- und Greifsysteme, in welche die Einsatzwerkzeuge eingespannt sind und die ihrerseits wiederum in entsprechenden Aufnahmen der Werkzeugmaschine, beispielsweise genormten Zylinderschaftaufnahmen oder HSK- (Hohlschaftkegel)-Zangen, gehalten sind.
Mit Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen lassen sich gegenüber herkömmlichen Spannmitteln wie beispielsweise Dreibackenfuttern oder Dehnfuttern eine erhöhte Steifigkeit der Werkzeug/Werkzeugaufnahme-Einheit und ein erhöhtes übertragbares Drehmoment erzielen. Somit können sowohl Oberflächenverbesserungen am Werkstück, eine Erhöhung der Fertigungspräzision und Standzeiterhöhungen des Werkzeugs erreicht werden, als auch Fertigungsverfahren mit extrem hohen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten realisiert werden, wie etwa beim sogenannten High-Speed-Cutting (HSC).
Marktübliche Geräte zum Einspannen von Einsatzwerkzeugen in gattungsgemässe Schrumpffutter sehen eine Heizung vor, beispielsweise mit Heissluft, mittels der eine Werkzeugaufnahme aufgeweitet wird, so dass das (noch kalte) Werkzeug in den Schacht der Werkzeugaufnahme eingebracht werden kann. Nach dem Abkühlen und dem damit einhergehenden Einschrumpfen der Werkzeug-Aufnahme ist das Werkzeug fest eingespannt. Auf diese Weise werden niedrige Paarungstoleranzen der Paarung Werkzeug - Werkzeugaufnahme und ein entsprechend fester Sitz des Werkzeugs erreicht.
Während auf derartigen Geräten also das Einsschrumpfen von Einsatzwerkzeugen in entsprechende Schrumpf-Aufnahmen vorgenommen werden kann, fehlt bisher eine Möglichkeit, die geforderte Länge des Werkzeugs während des Einsschrumpfvorgangs korrekt einzustellen.
Zwar sind Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen bekannt, die Längeneinstellschrauben aufweisen, die im Schacht des Futters höhenbeweglich verstellbar sind. Um aber die gewünschte Werkzeuglänge einzustellen muss entweder per Hand eine Messung der jeweiligen Werkzeuglänge vorgenommen werden und entsprechend die Einstellschraube nachgestellt werden oder das Koordinatensystem der entsprechenden Werkzeugmaschine nach einem Werkzeugwechsel neu abgenullt werden. Beide Möglichkeiten sind zeitaufwendig, schlecht automatisierbar und fehleranfällig.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung für Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen dermassen weiterzuentwickeln, dass eine Längeneinstellung des einzuschrumpfenden Einsatzwerkzeugs mit hoher Genauigkeit, automatisierbar und in einem Arbeitsgang mit dem Einschrumpfen vorgenommen werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines entsprechenden Einschrumpfungsverfahrens.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 12.

Erfindungsgemäss wird eine bekannte Vorrichtung zum Einspannen, bzw. Einschrumpfen von Einsatzwerkzeugen in Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen weiterentwickelt, indem in die Vorrichtung eine Längeneinstellung eingebaut wird. Die Längeneinstellung des Einsatzwerkzeugs wird dabei während einer Zeitspanne vorgenommen, in der sich die vorgeheizte Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme abkühlt und das kalte Werkzeug erwärmt. Trotz sich angleichender Temperaturen der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und des Einsatzwerkzeugs ist dabei noch genügend Spiel vorhanden, dass eine Längsbewegung des Einsatzwerkzeugs vorgenommen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemässen Vorrichtung gelingt, Einstellgenauigkeiten von ± 0,02 mm mit Leichtigkeit einzuhalten.

Eine derartige Vorrichtung weist ein Einspannelement auf, in das die mit dem Einsatzwerkzeug zu bestückende Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme eingespannt wird. Um marktüblichen Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen gerecht zu werden, sollte es sich dabei um eine Aufnahme nach ISO-Norm handeln, insbesondere HSK-Schnittstellen sind bei heutigen Werkzeugmaschinen stark verbreitet. Es sind aber selbstverständlich für Werkzeugmaschinen mit anderen Schnittstellen auch anders geformte Schrumpffutter- Werkzeugaufnahmen denkbar.

Anschliessend wird die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme mit einer untenstehend näher beschriebenen Heizeinrichtung so lange erhitzt, bis sich der Schacht des Futters so geweitet hat, dass sich ein kaltes und damit nicht gedehntes Einsatzwerkzeug einlegen lässt.

Für besonders festsitzende Presspasssungen wäre es dabei auch möglich, das aufzunehmende Einsatzwerkzeug vorzukühlen, um so ein reibungsloses Einbringen des Einsatzwerkzeugs in die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme vorzunehmen. In den meisten Fällen wird jedoch ein Erhitzen der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme ausreichen.

Die Eindringtiefe des Werkzeugs wird dabei von einer im Schacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme axial beweglich angeordneten Stelleinrichtung bestimmt, die für das Werkzeug einen Anschlag bildet. Vorzugsweise befindet sich die Stelleinrichtung zum Zeitpunkt des Einbringens des Einsatzwerkzeugs in oder nahe einer eingefahrenen, bzw. eingezogenen Ausgangsstellung. Das Einsatzwerkzeug wird bis zu dieser Stelleinrichtung eingeschoben. Die Stelleinrichtung ist dabei von einem Antrieb in Längsrichtung der Mittelachse des Schachts der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme antreibbar.

Nachdem das Einsatzwerkzeug eingesetzt wurde, wird die Stelleinrichtung - und damit auch das Einsatzwerkzeug - von einem Antrieb in Richtung der freien Stirnplanfläche bewegt, so dass sich das Einsatzwerkzeug in Richtung aus dem Schacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme heraus auf eine Soll-Endstellung zu bewegt.

Alternativ dazu kann die Stelleinrichtung aber auch mit der Bewegung des Einsatzwerkzeugs eingangs eine Bewegung in den Schacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme hinein ausführen, um einen Aufschlag des Einsatzwerkzeugs auf der Stellvorrichtung abzudämpfen und erst daran anschliessend eine entgegengesetzte Bewegung auf die Soll-Endstellung des Einsatzwerkzeugs zu vollziehen.

Die Position der Spitze des Werkzeugs wird dabei von einem Wegaufnahmesystem überwacht, das den Antrieb steuert.

Auf diese Weise kann bei Erreichen einer voreingestellten, gewünschten Position ein Signal an den Antrieb der Stelleinrichtung gesendet werden und dieser damit abgeschaltet werden.

Alternativ dazu kann auch eine interaktive Lösung implementiert sein, bei der ein Benutzer auf ein Signal des Wegaufnahmesystems hin (z. B. Tonsignal, Warnleuchte, Ampelleuchte) den Antrieb abschaltet. Auch eine durchgängige Antriebssteuerung oder Regelung ist möglich.

In dieser gewünschten Soll-Endstellung, aber natürlich auch schon während der vorausgegangen Verfahrensschritte erkaltet jetzt das Schrumpffutter und zieht sich infolge dessen zusammen. Es erwärmt gleichzeitig über die abgestrahlte, bzw. konvektiv oder teilweise konduktiv übertragene Wärme das Einsatzwerkzeug, das sich infolge dessen ausdehnt. Auf diese Weise wird das Einsatzwerkzeug eingespannt. Aufgrund der kontinuierlich verlaufenden Wärmeausdehnungs-, bzw. -Schrumpfungsprozesse lässt sich eine hohe Paarungsgenauigkeit erreichen.

Es hat sich gezeigt, dass während dieser Bewegung auf die Soll-Endstellung zu das Einsatzwerkzeug zumindest noch so kalt bleibt, bzw. die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme noch nicht so weit abgekühlt ist, dass diese gewünschte Endstellung zumindest in sehr guter Näherung schnell genug erreicht wird.

Mit dem vorgestellten Verfahren, bzw. der Einspannvorrichtung lässt sich - nicht nur eine bei Schrumpffutter-systemen übliche hohe Paarungstoleranz erreichen, sondern auch die Werkzeuglänge mit sehr guter Einstellgenauigkeit und innerhalb enger Toleranzwerte (es sei hier auf die oben erwähnte Einstellgenauigkeit von 0,02 mm verwiesen). Die Zielgrösse, die Länge zwischen der Stirnfläche der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und der Einsatzwerkzeugspitze muss deshalb weder in einem nachgelagerten Arbeitsgang nachgemessen noch an einem entsprechenden Koordinatennullpunkt einer (CNC-)Maschine abgenullt werden. Auch eine vor dem Schrumpfvorgang vorzunehmende Einstellung der Stelleinrichtung auf ein Mass gemäss der (zu messenden) Werkzeuglänge kann entfallen.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäss Anspruch 2 wird die Stelleinrichtung von einer Stellschraube im Fuss der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme gebildet, die in eine dort vorgesehene Gewindebohrung eingeschraubt ist. Derartige Stellschrauben sind häufig in marktüblichen Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen schon vorhanden, so dass keine weitere Nachrüstung für die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung nötig ist. Solche Stellschrauben können mit einem Steckschlüssel von der der Werkzeugaufnahmeseite gegenüberliegenden Seite aus betätigt werden. Erfindungsgemäss wird ein solcher Steckschlüssel mit dem Antrieb verbunden, der die Schraube betätigt. Es könnten jedoch auch andere Stelleinrichtungen, wie Hydraulikzylinder oder über ein eigenes Getriebe bewegbare Stössel vorgesehen sein.

Die an der Werkzeugeinspannvorrichtung vorgesehene Heizeinrichtung kann dabei von einer Heissluft-, bzw Gasgebläseheizung gebildet werden. Bevorzugt zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist aber gemäss Anspruch 3 eine induktive Heizung, da auf diese Weise die Heizenergie effizienter und genauer dosiert zugeführt werden kann. So ist es auf diese Art möglich, nicht nur die Öffnung der Werkzeugaufnahme anzublasen, was zu einer ungleichmässigen Erwärmung führen würde, sondern ein Durchheizen der Werkzeugaufnahme über ihre gesamte Länge.

Wenn die Heizung gemäss Anspruch 4 von einer Induktionsspule gebildet wird, in die die Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme als Kern aufgenehmbar ist, ist auch eine gleichmässige Durchwärmung der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme über ihren gesamten Umfang gewährleistet.

Dabei zeigt sich, dass sich sowohl die Werkzeugaufnahme besonders einfach in die vorgesehene Einspannvorrichtung einlegen und anschliessend die als Heizung vorgesehene Ringspule überstülpen lässt, als auch das Werkzeug einsetzen lässt, wenn die Werkzeugeinspannvorrichtung gemäss Anspruch 5 so aufgebaut ist, dass die Achse des Aufnahmeschachts der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme in senkrechter Richtung verläuft. Neben der guten Zugänglichkeit kommt es auf diese Weise auch weder zu einer ungleichmässigen Wärmeverteilung über den Umfang der Werkzeugaufnahme aufgrund freier Konvektion, noch zu Ausrichtungsfehlern der Werkzeugaufnahme oder des in ihr befindlichen Einsatzwerkzeugs aufgrund Schwerkraftablenkung.

Gemäss Anspruch 6 weist die Werkzeugeinspannvorrichtung einen Messarm auf, der längs der Bewegungsrichtung des Einsatzwerkzeugs beweglich geführt ist. Die Führung kann dabei beispielsweise über eine Schiene erfolgen, die parallel zur Achse des Aufnahmeschachts der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme verläuft. Er lässt sich auf die Spitze des Einsatzwerkzeugs auflegen und kann somit den Weg, den diese zurücklegt als Ausgangsgrösse abgeben. In Verbindung mit einem geeigneten Längenstandard, einer entsprechenden Massverkörperung oder einem Längenmessgerät, kann so die jeweilige Position der Werkzeugspitze in ein entsprechendes Ausgangssignal umgewandelt werden, mit dem wiederum der Antrieb der Stelleinrichtung angesteuert werden kann.

Diese Anordnung des Messarms dient zusätzlich als Einschubhhilfe beim Einschieben des Einsatzwerkzeugs in die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme. Wenn das Werkzeug auf die Aufnahmeöffnung aufgesetzt wird und die Heizung eingeschaltet ist, drückt das Gewicht des Messarms das Einsatzwerkzeug in den Aufnahmeschacht der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme.

Zusätzlich kann der Messarm von einer pneumatisch arbeitende Vorrichtung angetrieben werden, beispielsweise einem Druckluftkompressor, so dass zusätzlich zum Gewicht des Messarms eine weitere unterstützende Wirkung beim Einschub des Einsatzwerkzeugs in den Aufnahmeschacht erfolgt. Dies ist besonders im Hinblick auf eine Anordnung der Einspannvorrichtung nützlich, bei der das Einsatzwerkzeug von der Seite in den (waagrecht verlaufenden) Aufnahmeschacht geschoben wird. Auch ein zusätzliches Einsaugen des Werkzeugs von unten wäre denkbar, beispielsweise durch eine entsprechend unterhalb der Einspannvorrichtung angeordnete Ansaugpumpe. Alternativ dazu sind weitere Einschubhilfen denkbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Bevorzugt lässt sich auch die Heizung an der Führung des Messarms anbringen. Auf diese Weise kann die Heizung leicht an- und abgefahren werden.

Zusätzlich wäre auch für das Einsatzwerkzeug eine auf dem Messarm oder auf der Führung, bzw. Führungsschiene des Messarms gleitende Aufnahme denkbar, die das Einsatzwerkzeug während des Einschubs abstützt, und so eine radiale Abweichung von der gewünschten, auf der Achse des Aufnahmeschachts verlaufenden Bahn verhindert.

Im Wegaufnahmesystem können dabei verschiedene Weg-, bzw. Längenmesser eingesetzt werden. Für eine einfache Steuerung des Motors wird dabei ein System einer mit dem Messarm verbundenen Messlatte - Lichtschranke ausreichen, bei dem eine Eichung so erfolgt ist, dass das bei Erreichen der gewünschten Soll-Endstellung der Werkzeugspitze ein Signal abgegeben wird.

Es können allerdings auch Längenmessgeräte wie ohmsche Aufnehmer (Potentiometer), induktive Aufnehmer, wie beispielsweise Differential-Tauchankergeber oder Differential-Transformatoren oder kapazitive Aufnehmer eingesetzt werden. Bei Differential-Transformatoren o. ä. wäre sogar eine Nutzung der Heizspule denkbar.

Das Wegaufnahmesystem weist gemäss Anspruch 8 vorteilhaft einen elektrischen Signalausgang auf, so dass das Ausgangssignal leicht weiterverarbeitet werden kann zu einem Steuersignal des Motors.

Bei derartigen Wegaufnehmern wären auch entsprechende Messbrückenschaltungen denkbar, so dass das Messergebnis entsprechend genauer und unter Vermeidung von Messfehlern ermittelt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäss Anspruch 9 wird aber ein Längenmasstab verwendet, der inkremental oder absolut mit Hell-Dunkel-Feldern kodiert ist. Optoelektrisch, beispielsweise mit einem optoelektrischen Impulsmessgeber, wird abgetastet, wieviele Felder von der Messlatte des Messarms überstrichen wurden. Dabei kann der Massstab an einem Gestell angebracht sein, an dem auch die Führung des Messarms befestigt ist. Alternativ dazu kann er auch oberhalb des Messarms und fluchtend mit dem Werkzeug angebracht sein, um Ablesefehler erster Ordnung zu vermeiden.

Die auf diese Weise in eine Spannung übersetzte Länge eignet sich neben der analogen Signalverarbeitung besonders auch zur digitalen Weiterverarbeitung (mit einem Zähler).

Vorteilhaft werden zur weitergehenden Fehlervermeidung zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung vorgenommen: So wird es gemäss Anspruch 13 bevorzugt, wenn beim Ausschieben des Einsatzwerkzeugs die Soll-Endstellung der Einsatzwerkzeugspitze erreicht wird, bevor die anfängliche Spielpassung in eine Übergangs- oder gar Presspassung übergeht. Auf diese Weise lässt sich das Einsatzwerkzeug besonders einfach bewegen.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn gemäss Anspruch 14 der gesamte Einspannvorgang so schnell abläuft, dass zumindest der untere Teil des Werkzeugs und die Stelleinrichtung während des Anfahrens der Endstellung noch kalt bleiben.

Die Ist-Position der Werkzeugspitze nach dem Anfahren der Soll-Endstellung und einem anschliessenden Abkühlen der nunmehr miteinander verspannten Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme/Einsatzwerkzeug-Einheit weicht in diesem Fall weniger stark von der angestrebten (und gemessenen) Soll-Endstellung ab. Die gewünschte Soll-Endstellung, d. h. die Länge des Einsatzwerkzeugs und damit die Position der Werkzeugspitze wird nämlich im heissen Zustand gemessen, für die Genauigkeit der Werkzeuglänge ist jedoch die Ist- Endstellung der Werkzeugspitze im wieder erkalteten Zustand entscheidend.

Zur Vermeidung von durch Trägheit des Antriebs induzierten Abweichungen (Antrieb reagiert zu langsam auf das Abschaltsignal und wird daher zu spät gestoppt, so dass die Werkzeugspitze zu weit herausgefahren wird) der Ist- Endstellung der Werkzeugspitze von der gewünschten Soll- Endstellung, bzw. vom Soll-Endabmass Schrumpffutterstirnseite bis Einsatzwerkzeugspitze ist darüberhinaus in einer bevorzugten Ausführungsform eine zwei- oder mehrstufige Ansteuerung des Antriebs, bzw. Motors vorgesehen. Der Motor schaltet dabei also beispielsweise bei Erreichen einer ersten Längenmarke auf eine niedrigere Antriebsgeschwindigkeit und erst bei Erreichen der Soll- Endstellung ganz ab.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäss Anspruch 16 wird zur Fehlerkompensation ausserdem eine Offset-Konstante verwendet, in die alle systematischen Fehlerquellen (Wärmeausdehnung, Trägheit des Antriebs oder der Steuerung etc.) eingehen können, so dass nicht direkt eine Soll- Endstellung angesteuert wird, sondern eine Position, die so gewählt ist, dass die Ist-Endstellung nach dem Abkühlen mit der Soll-Endstellung möglichst übereinstimmt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei gemäss Anspruch 10 erwiesen, wenn das Wegaufnahmesystem, der Stellantrieb und die Stelleinrichtung zu einem geschlossenen Regelkreis geschalten sind. Auf diese Weise kann die Lage der Einsatzwerkzeugspitze durch kontinuierliche Rückführung der Wegmarke, an der sich die Spitze des Einsatzwerkzeugs momentan befindet (Ist- Stellung), nachkompensiert werden, so dass ein weiterer, fehlervermindernder Effekt zu erzielen ist. In einem solchen Verfahren greift der Wegaufnehmer die Position der Spitze des Einsatz-Werkzeugs ständig ab und sendet sie als Ansteuersignal an den Antrieb der Stelleinrichtung.

Auch die vorstehend beschriebene zwei- oder mehrstufige Ansteuerung des Antriebs kann auf diese Weise zu einer adaptiven Regelung zur Erzielung noch geringerer Längenabweichungen erweitert werden.

Ebenso denkbar wäre es, den Antrieb der Stelleinrichtung nicht nur nach der Position der Spitze des Einsatzwerkzeugs zu regeln, sondern ergänzend nach der Temperatur des Einsatzwerkzeugs, um so schnell gemäss der ermittelten Position der Spitze des Werkzeugs auf die ungefähre Endposition zu fahren und die anschliessende Feineinstellung gemäss der Temperatur vorzunehmen. Die Temperaturmessung könnte dabei beispielsweise über Leitwiderstandsmessungen vorgenommen werden.

Darüber hinaus könnte auch die Heizdauer in das Gesamtregelungskonzept einfliessen, so dass die Heizung beispielsweise erst bei Erreichen der Endstellung der Werkzeugspitze abgeschaltet wird.

In vorteilhafter, weil kostengünstiger und leicht modifizierbarer Weise lassen sich erfindungsgemässe Steuerungen oder Regelungen digital verwirklichen. Auf diese Weise lassen sich die Steuer-, bzw. Regelalgorithmen beispielsweise auf einem handelsüblichen Rechner, bestehend zumindest aus einer CPU und einem Arbeits- und Datenspeicher, oder auf sogenannten "Embedded Computern" ("System-on-a-Chip") implementieren. Steuerungsmerkmale, wie beispielsweise die Grösse der Offset-Konstante können auf diese Weise sehr leicht eingestellt werden.

Die einzelnen Merkmale der Ausführungsformen gemäss den Ansprüchen lassen sich, soweit es sinnvoll erscheint, beliebig kombinieren.

Nachfolgend werden anhand schematischer Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine skizzierte- Schnittansicht auf die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung mit einer eingespannter Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und einem Bohrer;

Fig. 2 eine skizzierte Schnittansicht auf die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung mit einer eingespannter Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und einem Bohrer in einer ersten Phase des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 3 eine skizzierte Schnittansicht auf die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung mit einer eingespannter Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und einem Bohrer in einer zweiten Phase des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 4 eine skizzierte Schnittansicht auf die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung mit einer eingespannter Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und einem Bohrer in einer dritten Phase des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 5 eine skizzierte Schnittansicht auf die erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung mit einer eingespannter Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme und einem Bohrer in einer vierten Phase des erfindungsgemässen Verfahrens;

Fig. 6 eine schematische, trigonometrische Ansicht der erfindungsgemässen Werkzeugeinspannvorrichtung ohne eingespannte Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme;

Fig. 7 eine schematische, trigonometrische Ansicht der erfindungsgemässen Werkzeugeinspannvorrichtung beim Einschrumpfvorgang.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Werkzeugeinspannvorrichtung. In ein Einspannelement 3, ist eine Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 6 eingespannt. Sie weist einen kegeligen Schaft auf, mit dem sie im Einspannelement 3 fixiert ist. Dabei ist die Lagefixierung ähnlich stabil und weist ähnlich geringe Toleranzwerte auf wie bei der Einspannung der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 6 in einer Werkzeugmaschine, da das Einspannelement speziell auf die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 6 abgestimmt ist. Die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 6 weist eine Stellschraube 2 auf, die am Fuss des Werkzeugaufnahmeschachts in einer mittigen Gewindebohrung eingeschraubt ist.
Die Stellschraube 2 sitzt auf einem Steckschlüssel 6, mit dem sie höhenverstellbar ist. Am anderen Ende des Steckschlüssel 6 sitzt ein Antrieb (nicht gezeigt), mit dem der Steckschlüssel drehangetrieben werden kann.
Oberhalb und vertikal auf der Achse des Aufnahmeschachts der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 6 ist ein Bohrer 4 gezeigt. Darüber ist ein Messarm 5 skizziert, der mit einem Wegaufnahmesystem 7 verbunden ist, bzw. ein Teil davon ist.
Anhand der Fig. 2 bis 5 sollen jetzt die einzelnen Schritte des Einschrumpfungsverfahrens beschrieben werden.
In einer in Fig. 2 dargestellten ersten Phase ist das Schrumpffutter 1 noch kalt. Der Bohrer 4 wird an die Öffnung des Aufnahmeschachts angesetzt. Es ist zu erkennen, das sich der Bohrer 2 auch im kalten Zustand schon soweit einführen lässt, dass ein Fang gegeben ist, um den Bohrer 2 beim Hineingleiten oder Hineinschieben in den Aufnahmeschacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 1 zu führen, bzw. um ein Abgleiten beim Ansetzen des Bohrers 2 zu verhindern. Der Bohrer 2 wird in dieser Stellung von Hand gehalten. Auf seine Spitze ist der vertikal beweglich geführte Messarm 5 aufgelegt, der den Bohrer zusätzlich nach unten drückt. Der Messarm 5 und das zugehörige Gestell, bzw. Gehäuse soll später anhand Fig. 6 und 7 beschrieben werden, ebenso wie die zur Vorrichtung gehörende Heizung und die Bedienelemente der Steuerung. Nun wird vom Benutzer die Heizung eingeschaltet und damit die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 1 erwärmt. Gleichzeitig mit dem Einschalten der Heizung wird ein Steuerbefehl an den nicht dargestellten Antrieb der Stellschraube 2 gesendet und diese nach unten bis zu ihrem Anschlag am Boden des Aufnahmeschachts der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme 1 gedreht (Ausgangsstellung I).
Nachdem sich die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 1 infolge der Erwärmung genügend ausgedehnt hat, wird der Bohrer 4 bis zum Anschlag in den Aufnahmeschacht geschoben, bzw. gleitet durch das Gewicht des vertikal beweglichen, auf ihn abgestützten Messarms 5 hinein. Fig. 3 zeigt den Bohrer 3 in dieses Stellung.
Im nächsten Schritt wird die Stellschraube 2 nach oben geschraubt. Der Antrieb der Stellschraube 2 wird dazu entweder durch ein vom Benutzer eingegebenes Kommando angesteuert oder beispielsweise durch einen Sensor am Boden des Aufnahmeschachts. Dies kann bei bekannten Wärmeleitfähigkeiten, bzw. Wärmeausdehnungsleistungen der Heizung und des Schrumpffutters auch Zeit- oder temperaturgesteuert erfolgen.
Gleichzeitig wird die Heizung abgeschaltet. Mit der Stellschraube 2 hebt sich der Bohrer und der auf ihm ruhende Messarm 5. Wenn die Bohrerspitze in der vorgegebenen Soll-Endstellung II angelangt ist, sendet das mit dem Messarm 5 interoperierende Wegaufnahmesystem 7 einen Steuerbefehl zum Abschalten des Antriebs. Während dieses Vorgangs beginnt die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 1 zu erkalten und zu schrumpfen. Andererseits nimmt der Bohrer Wärme auf und dehnt sich somit aus. Der Einschrumpfungsprozess läuft damit an.
Der gesamte Ablauf vom Start der Schraubenbewegung nach oben bis zum Erreichen der Soll-Endstellung spielt sich innerhalb von 2-3 Sekunden ab, so dass die Stellschraube 2, bzw. der Bohrer 4 zumindest an seinem unteren Abschnitt noch kalt ist. Die gesamte Ausdehnung des Bohrers 4 bleibt somit klein. Der Messfehler aufgrund dessen, das die Position der Bohrerspitze (Soll-Endstellung) bei ausgedehntem Bohrer 4 gemessen wurde, aber eigentlich die Endstellung der Bohrerspitze (Ist-Endstellung) erfasst werden soll, bleibt somit gering.
Anschliessend befindet sich der Bohrer 4 in der gewünschten Lage (Soll-Endstellung II), wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Der Messarm 5 wird abgehoben und die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme 1 mit eingeschrumpftem Bohrer 4 steht nach dem vollständigen Erkalten zur Entnahme aus dem Einspannelement 3 bereit. (Fig. 5).
In Fig. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung gezeigt. Auf einer Grundplatte 10 sitzt das Einspannelement 3. Mittig in der Öffnung des Einspannelements 3 ist ein Sechskant- Steckschlüssel, bzw. eine Sechskant-Welle zu erkennen, auf die die Stellschraube der einzusetzenden Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme aufzusetzen ist.
Hinter der Einspannöffnung 3 ist ein Gestell 20 auf der Grundplatte 10 angeordnet. Es ist u-förmig ausgebildet und trägt eine Schiene 22. In einer nicht näher gezeigten Führung an den beiden Schenkelenden des Us läuft ein Schlitten 26, an dem der Messarm 5 befestigt ist. Die Schiene 22 trägt eine Aufnahme 24 zur Befestigung einer Induktionsspule 25 (siehe Fig. 7), mit der die einzuspannende Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme erwärmt werden kann. Ebenso wie der Messarm ist die Spule damit vertikal geführt und kann somit einfach an- und abgefahren werden. Die Spule kann somit ausser ihrer Heizfunktion noch als eine axiale Führung der in die Einspannung 3 einzusetzenden Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme dienen, wenn zuerst die Spule als Führungsring aufgesetzt wird und erst dann die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme.
Weiterhin ist in Fig. 6 ein Längenmassstab 30 zu erkennen. Am Messarm 5 sitzt ein optoelektrischer Impulsmessgeber 32. Der Längenmassstab 30 weist einen Längen-Kodex auf, der optoelektrisch abgetastet wird. Somit kann der Weg, den der Messarm zurücklegt, und damit die momentane Position der Einsatzwerkzeugspitze (Ist-Position) bestimmt werden.
Fig. 7 zeigt eine leicht modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemässen Werkzeugeinspannvorrichtung als geschlossenes Gerät, mit einem Gehäuse 100, in dem sowohl die Steuerung der Vorrichtung als auch der Antrieb der Stellschraube untergebracht sind. Auf der Vorderseite des Gehäuses ist eine Bedieneinheit 7 mit einem Display und Bedienelementen angeordnet, mit denen das An-/Abschalten der Heizung vorgenommen werden kann, die gewünschte Soll- Endstellung eingegeben und Steuerparameter, wie beispielsweise eine Offset-Konstante oder eine mehrstufige Geschwindigkeit beim Ausschub des Einsatzwerkzeugs auf Soll- Endstellung wie oben beschrieben eingestellt werden können. Die Regelung des Antriebs der Stellschraube ist dabei als geschlossener Regelkreis ausgeführt, so dass gemäss eines kontinuierlichen Abgleichs Soll-Endstellung - momentane Ist-Stellung der Einsatzwerkzeugspitze der Antrieb angesteuert wird. Ist die Differenz Ist/Soll gross, wird entsprechend schnell angefahren, ist sie klein, entsprechend langsamer, um auf diese Weise eine adaptive und damit zwar schnelle, aber doch gut gedämpfte Regelung zu realisieren.
Auf dem Gehäuse 100 ist ein Gestell 20a angebracht, das als geschlossenes Gehäuse ausgeführt ist und in dem die gesamte, in Fig. 6 gezeigte Messtechnik, sowie die Führung für den Messarm 5 und die Spule 25 untergebracht sind.
Die Spule 25 umschliesst die Einheit Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme 1/Einsatzwerkzeug 4 ringförmig und wird über eine Stromzufuhr 23 betätigt.
Selbstverständlich sind Abweichungen von den gezeigten Varianten möglich, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
So könnte zur Bestimmung des Überstands des Bohrers auch ein beliebiger Punkt am Bohrer als Referenzpunkt genommen werden, wenn dieser mit einer bestimmten Markierung versehen wird, beispielsweise einem Reflektor, der Licht einer Lichtquelle hinter einem Massstab mit Hell- Dunkel-Feldern zurücksendet, so dass die Längsbewegung des Bohrers von einem optoelektrischen Impulsmessgeber aufgenommen werden könnte.
Darüberhinaus wäre auch eine Schaltung denkbar, die die Steuerung erst dann anschaltet, wenn der Messarm von oben kommend an einer bestimmten Markierung vorbei auf den Einsatzwerkzeugkopf geführt wird.
Weiterhin könnte die Wegaufnahmevorrichtung auch als Schalter der Stromzufuhr eines E-Motors ausgeführt sein, so dass der E-Motor abgeschaltet wird, wenn der Messarm oder ein entsprechend an ihm angebrachter Schalter auf die Höhe der erwünschten Soll-Endstellung gelangt. Aber auch andere Antriebsarten wären mit diesem Signal ansteuerbar.
Es wäre auch ein (Potentiometer)-Schleifkontakt denkbar, mit dem dem E-Motor proportional zum zurückgelegten Weg der Bohrerspitze entsprechend weniger Strom zugeführt wird, so dass der Antrieb anfangs schnell, dann langsamer werdend angefahren werden. Dies kann durch mehrere Widerstände, die jeweils über den Schleifkontakt vor den Spannungsabgriff des E-Motors geschalten werden; sowohl ein kontinuierlich als auch ein mehrstufiger Spannungsabfall kann so erreicht werden.
Schliesslich kommen für extrem genaue oder berührungslose Messungen noch optische Messverfahren in Betracht, wie z. B. Interferometrie oder ähnliches.

Claims

1. Werkzeugeinspannvorrichtung für Schrumpffutter- Werkzeugaufnahmen (1) mit einem Einspannelement (3), in der eine Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) einspannbar ist, und einer Heizvorrichtung (25), mit der die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) beheizbar ist, so dass im heissen Zustand der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) ein Einsatzwerkzeug (4) einbringbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass
eine Stelleinrichtung (2) im Aufnahmeschacht der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) axial beweglich angeordnet ist, die von
einem Stellantrieb antreibbar ist, der gemäss der von
einem Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) ermittelbaren Position der Spitze des längs der Achse der Werkzeugaufnahme verschiebbar geführten Einsatzwerkzeugs (4) ansteuerbar ist, wobei die Stelleinrichtung (2) von einer eingefahrenen Ausgangsstellung (I) in eine ausgefahrene Position stufenlos verstellbar ist.

2. Werkzeugeinspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (2) von einer Stellschraube (2) gebildet wird.

3. Werkzeugeinspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (25) von einer induktiven Heizung (25) gebildet wird.

4. Werkzeugeinspannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die induktive Heizung (25) von einer ringförmigen Induktionsspule (25) gebildet wird, deren Achse koaxial zur Achse des Aufnahmeschachts der in das Einspannelement (3) eingespannten Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme (1) so angeordnet ist, dass die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) in ihr als Kern aufnehmbar ist.

5. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse des Aufnahmeschachts der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme (1) in senkrechter Richtung verläuft.

6. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) einen längs der Einschub- und Ausschubrichtung des Einsatzwerkzeugs (4) geführten Messarm (5) aufweist, der auf die Spitze des Einsatzwerkzeugs (4) auflegbar ist und einen Längenstandard (30), an dem die Position des Messarms (5) abgelesen werden kann.

7. Werkzeugeinspannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (25) auf der Führung des Messarms geführt ist und so an-, bzw. abgefahren werden kann.

8. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) einen elektrischen Signalausgang aufweist.

9. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) einen Längenmassstab (30) mit optoelektrisch abgetasteten Hell-Dunkel-Feldern aufweist.

10. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32), der Stellantrieb und die Stelleinrichtung (2) zu einem geschlossenen Regelkreis geschalten sind.

11. Werkzeugeinspannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung, bzw. Regelung digital ist.

12. Verfahren zum längenbestimmten Einspannen von Einsatzwerkzeugen (4) in Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen (I) mit den folgenden Schritten:

a) Einspannen einer kalten Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme (1) in ein Einspannelement (3);

b) koaxiales Ansetzen eines Einsatzwerkzeugs (4) an die freie Stirnseite der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1);

c) Einstellen einer in der Schrumpffutter- Werkzeugaufnahme (1) befindlichen Stelleinrichtung (2) auf eine eingezogene Ausgangsstellung (I);

d) Erwärmen der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1);

e) Einbringen des Einsatzwerkzeugs (4) in die Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) bis zur in der eingezogenen Ausgangsstellung (I) befindlichen Stelleinrichtung (2);

f) Bewegen der Stelleinrichtung (2) in Richtung der freien Stirnseite der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1), bis die Spitze des Einsatzwerkzeugs (4) eine Soll- Endstellung (II) erreicht hat, die von einem Wegaufnahmesystem (5, 7; 30, 32) bestimmt und signalisiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verfahrensschritte e) und f) in einer Zeitspanne (Ts) ablaufen, die kurz genug ist, dass das Einsatzwerkzeug (4) die Soll-Endstellung (II) erreicht, bevor eine Temperaturangleichung seitens Einsatzwerkzeug (4) und Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) zu einer Beseitigung der anfänglichen Spielpassung führt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Verfahrensschritte e) und f) in einer Zeitspanne (Tss) ablaufen, die kurz genug ist, dass zumindest der untere Teil des Werkzeugs und die Stelleinrichtung bis zum Erreichen der Soll-Endstellung (II) noch kalt bleiben.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Einspannen der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen (1) in ein Einspannelement (3) so erfolgt, dass die Achse der Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme (1) in senkrechter Richtung verläuft.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei zu der von der Einsatzwerkzeugspitze zu erreichenden Soll- Endstellung (II) eine Offset-Konstante hinzuaddiert wird, so dass das Erreichen der Soll-Endstellung (II) erst signalisiert wird, wenn eine Ist-Weglänge, bestehend aus einer Summe von Soll-Endstellung (II) und Offset-Konstante, erreicht wird.