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Die
Erfindung betrifft eine Induktionsspulen-Baueinheit zum Erwärmen eines
eine zentrische Aufnahmeöffnung
für einen
Schaft eines Rotationswerkzeugs enthaltenden, frei endenden Hülsenabschnitt
eines Werkzeughalters, der den gleichachsig zu einer Drehachse des
Werkzeughalters in der Aufnahmeöffnung
sitzenden Schaft des Werkzeugs im Presssitz hält und bei Erwärmung freigibt.
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Aus
WO 01/89758 A1 ist es bekannt, den Hülsenabschnitt mittels einer
den Hülsenabschnitt
im Wesentlichen gleichachsig umschließenden, ringförmigen Spulenanordnung
auf induktivem Wege zu erwärmen.
Die Spulenanordnung ist an einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerator
angeschlossen und induziert in dem metallischen Hülsenabschnitt
Wirbelströme,
die den Hülsenabschnitt
erwärmen.
An den Stirnseiten und am Außenumfang
der Spulenanordnung sind zur Vermeidung von Streuflüssen und zur
Konzentration des Magnetflusses Magnetfluss-Konzentratorelemente
aus weichmagnetischem, elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Material,
wie zum Beispiel Ferrit oder dergleichen angeordnet, die den von
der Spulenanordnung erzeugten Magnetfluss auf den Hülsenabschnitt
des Werkzeughalters, und insbesondere in den Bereich des freien
Endes des Hülsenabschnitts
lenken. Die dem freien Ende des Hülsenabschnitts benachbarten
Bereiche der Konzentrator-Anordnung sind durch radial bewegliche
Elemente gebildet. Die von diesen Elementen umschlossene Durchtrittsöffnung kann
auf diese Weise dem Durchmesser des Werkzeugschafts angepasst werden.
Die Elemente liegen im Betrieb auf der axialen Stirnfläche des
freien Stirnendes des Hülsenabschnitts
auf und legen damit im Erwärmungsbetrieb
die axiale Position der Spulenanordnung und der mit ihr ansonsten
zu einer Baueinheit verbundenen Konzentratoranordnung relativ zu dem
freien Ende des Hülsenabschnitts
fest. Auf diese Weise lässt
sich die Induktionsspulen-Baueinheit relativ zu dem Werkzeughalter
reproduzierbar axial positionieren.
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Aus
DE 101 57 432 A1 ist
eine ähnliche
Induktionsspulen-Baueinheit bekannt, bei der jedoch die den Hülsenabschnitt
im Erwärmungsbetrieb
umschließende,
ringförmige
Spulenanordnung zwei in einem festen axialen Abstand zueinander
angeordnete Wicklungsbereiche umfasst. Der Bereich axial zwischen
den beiden Wicklungsbereichen ist wicklungsfrei. Auf diese Weise
wird erreicht, dass sich der Hülsenabschnitt
in seinem mittleren Bereich weniger erwärmt als in seinen Endbereichen.
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Der
Hülsenabschnitt
des Werkzeughalters hat eine seinem Verwendungszweck angepasste
axiale Länge
und der Durchmesser des Hülsenabschnitts
ist entsprechend dem Durchmesser des Werkzeugschafts gewählt. Bei
herkömmlichen
Induktionsspulen-Baueinheiten kann allenfalls der durch die Magnetfluss-Konzentratoranordnung
bestimmte Durchmesser der Durchtrittsöffnung für den Werkzeugschaft dem zu
erwärmenden
Werkzeughalter angepasst werden. Da die Spulenanordnung eine festgelegte,
gleichbleibende axiale Länge
hat, muss entweder die Spulenanordnung ausgetauscht werden oder
aber es wird in Kauf genommen, dass ein für das Spannen des Werkzeugschafts
nicht benutzter Bereich des Werkzeughalters mit erwärmt wird.
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Aus
SU 1 556 861 A1 ist
eine Induktionsspulen-Baueinheit bekannt, mit deren Hilfe auf eine
Welle aufgeschrumpfte Lagerringe induktiv erwärmt und von der Welle abgezogen
werden können.
Die Baueinheit umfasst zwei relativ zueinander axial bewegliche
Spuleneinheiten, von denen jede an ihrem Umfang verteilt mehrere
winkelförmige
magnetische Leiter mit am Außenumfang
der Spuleneinheiten angeordneten, axial sich erstreckenden Schenkeln
und radialen Schenkeln auf der von der jeweils anderen Spuleneinheit
axial abgewandten Seite, trägt.
Eine der Spuleneinheiten ist an einem axial beweglichen Schlitten
befestigt, der mittels eines Pneumatikzylinders zum freien Ende
der Welle hin axial verschiebbar ist. Die radialen Schenkel der
magnetischen Leiter dieser Spuleneinheit sind mit Hilfe weiterer
Pneumatikzylinder in eine die Stirn des abzuziehenden Lagerrings
hintergreifende Stellung radial bewegbar. Die radialen Schenkel
der magnetischen Leiter der anderen Spuleneinheit sind feststehend
an dieser Spuleneinheit angebracht und hintergreifen die andere
axiale Stirn des Lagerrings. Diese andere Spuleneinheit ist relativ
zu der am Schlitten gehaltenen Spuleneinheit axial bewegbar. Zugfedern
spannen die beiden Spuleneinheiten axial aufeinander zu.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Induktionsspulen-Baueinheit zu schaffen,
mit deren Hilfe Werkzeughalter trotz unterschiedlicher axialer Länge des
zu erwärmenden
Bereichs des Hülsenabschnitts gleichmäßig erwärmt werden
können.
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Die
Erfindung geht von einer Induktionsspulen-Baueinheit aus, die umfasst:
- – eine
im Erwärmungsbetrieb
den Hülsenabschnitt
im Wesentlichen gleichachsig umschließende, ringförmige Spulenanordnung,
- – eine
zumindest in die Nähe
des freien Endes des Hülsenabschnitts
des Werkzeughalters reichende Magnetfluss-Konzentratoranordnung
aus weichmagnetischem, elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden
Material auf der dem freien Ende des Hülsenabschnitts benachbarten
Seite der Spulenanordnung,
- – mit
dem Werkzeughalter zusammenwirkende Anschlagmittel, die im Erwärmungsbetrieb
die axiale Position der Spulenanordnung und der Konzentratoranordnung
relativ zu dem freien Ende des Hülsenabschnitts
festlegen.
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Die
vorstehend angegebene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
die Spulenanordnung zwei zueinander gleichachsig, jedoch mit betriebsmäßig änderbarem
axialen Abstand voneinander angeordnete Spuleneinheiten aufweist oder/und
dass eine zweite Magnetfluss-Konzentratoranordnung aus weichmagnetischem,
elektrisch im Wesentlichen nicht leitenden Material auf der dem freien
Ende des Hülsenabschnitts
fernen Seite der Spulenanordnung vorgesehen ist, deren axialer Abstand
zur erstgenannten Konzentratoranordnung betriebsmäßig änderbar
ist und dass Einstellmittel vorgesehen sind, die es erlauben, die
axiale Position der beiden Spuleneinheiten oder/und der beiden Konzentratoranordnungen
relativ zueinander, sowie die axiale Position zumindest einer der
beiden Spuleneinheiten oder/und zumindest einer der beiden Konzentratoranordnungen
relativ zu den Anschlagmitteln wählbar
einzustellen.
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Durch
diese Maßnahme
kann der Bereich, in welchem der von der Spulenanordnung erzeugte
Magnetfluss in dem Hülsenabschnitt
Wirbelströme
erzeugt, die den Hülsenabschnitt
erwärmen,
mit Bezug auf das freie Ende des Hülsenabschnitts definiert gewählt und
positioniert werden. Die Induktionsspulen-Baueinheit kann damit
an Werkzeughalter mit unterschiedlich langem Spannbereich des Hülsenabschnitts
gezielt angepasst werden.
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Die
beiden Spuleneinheiten bzw. Konzentrator-Anordnungen sind zweckmäßigerweise
relativ zueinander oder gegebenenfalls zu einem Gehäuse oder
einer Halterung der Induktionsspulen-Baueinheit arretierbar, so
dass der axiale Abstand der Spuleneinheiten bzw. Konzentrator-Anordnungen
sich auf Grund der Magnetkräfte
nicht ändern
kann. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die axiale Position beider
Spuleneinheiten oder/und beider Konzentratoranordnungen relativ
zu den Anschlagmitteln arretierbar verändert werden kann. In einer
bevorzugten Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass eine der beiden
Spuleneinheiten oder/und eine der beiden Konzentratoranordnungen
eine feststehende axiale Position relativ zu den Anschlagmitteln
hat, und dass mittels der Einstellmittel die axiale Position der
anderen der beiden Spuleneinheiten bzw. der anderen der beiden Konzentratoranordnungen
relativ zu den Anschlagmitteln wählbar
einstellbar ist. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau der Induktionsspulen-Baueinheit und vereinfacht
auch deren Handhabung im Betrieb, weil die mit den Anschlagmitteln
axial fixiert verbundene Spuleneinheit bzw. Konzentratoranordnung
im Betrieb in gleichbleibender axialer Position zum freien Ende
des Hülsenabschnitts
des Werkzeughalters angeordnet werden kann, was sich für eine gleichförmige Erwärmung des
Hülsenabschnitts als
vorteilhaft erwiesen hat. Vorzugsweise sind die Einstellmittel so
ausgebildet, dass sie vorbestimmte axiale Positionen relativ zu
den Anschlagmitteln definieren. Eine solche Indexierung erleichtert
die Handhabung.
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Die
beiden Spuleneinheiten bzw. die beiden Konzentratoranordnungen können relativ
zueinander axial verschiebbar geführt sein. Um auf relativ geringe
Abstandsunterschiede reproduzierbar und einfach handhabbar einstellen
zu können,
erfolgt die Antriebsbewegung zweckmäßigerweise über ein Weguntersetzungsgetriebe,
welches einen vergleichsweise großen Weg eines zum Beispiel
manuell zu bedienenden Handhabungsorgans in einem vergleichsweise
kleinen axialen Positionierhub der beiden Spuleneinheiten bzw. der
beiden Konzentratoranordnungen relativ zueinander umsetzt. In einer
besonders einfachen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die beiden
Spuleneinheiten oder/und die beiden Konzentratoranordnungen relativ
zueinander axial beweglich geführt
sind und über
wenigstens eine um die Drehachse herumführende, schraubenlinienartige
Steuerfläche
axial aneinander abgestützt
sind. Der Außenumfang
der Spuleneinheiten bzw. Konzentratoranordnungen ist relativ groß, so dass
sich eine hinreichend große
Untersetzung der Bewegung des Außenumfangs relativ zum axialen
Hub ergibt. Die Steuerfläche
ist zweckmäßigerweise
axial beiderseits begrenzt, beispielsweise als schraubenartiger
Schlitz ausgebildet, so dass die Steuerfläche in axial beiden Richtungen
wirksam ist. Bevorzugt sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere
derartiger Steuerflächen vorgesehen,
um zum Verkanten führende
Radialkräfte
zu symmetrieren. Es versteht sich, dass die Steuerbewegung gegebenenfalls
auch von einem Stellmotor angetrieben werden kann.
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Wie
bereits erläutert,
können
im Betrieb zwischen den beiden Spuleneinheiten bzw. Konzentratoranordnungen
Axialkräfte
auf Grund des Magnetflusses auftreten, die durch eine Arretierung
aufgefangen werden müssen.
Dies lässt
sich in sehr einfacher Weise dadurch erreichen, dass die wenigstens eine
Steuerfläche
in vorbestimmten axialen Positionen der beiden Spuleneinheiten bzw.
der beiden Konzentratoranordnungen relativ zueinander in achsnormalen
Ebenen verlaufende Steuerflächenabschnitte
aufweisen, die die Spuleneinheiten bzw. die Konzentratoranordnungen
axial arretieren. Die achsnormalen Steuerflächenabschnitte wirken selbsthemmend.
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Jede
Spuleneinheit ist bevorzugt mit der auf ihrer Seite angeordneten
Konzentratoranordnung axial fest verbunden. Die Konzentratoranordnungen sind
hierbei bevorzugt so ausgebildet, dass sie das Magnetfeld der Spulenanordnung
nach außen
weitgehend abschirmen. Wenigstens eine der beiden Konzentratoranordnungen
umfasst deshalb radial außerhalb
der Spulenanordnung einen axial zur anderen Konzentratoranordnung
vorstehenden Bereich, der mit der anderen Konzentratoranordnung
im Wesentlichen im gesamten Bereich der axial änderbaren Positionen axial überlappt.
Zweckmäßigerweise
haben beide Konzentratoranordnungen aufeinander zu vorstehende Hülsenbereiche,
die koaxial teleskopierbar ineinander greifen. Es versteht sich,
dass die ineinander greifenden Bereiche auch durch ineinander greifende
Fingerstrukturen realisiert sein können.
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Zumindest
die dem freien Ende des Hülsenabschnitts
des Werkzeughalters axial benachbarte, erste Konzentratoranordnung,
vorzugsweise aber auch die zweite Konzentratoranordnung kann in
Umfangsrichtung um die Drehachse herum mehrere radial über den
Innenumfang der Induktionsspulenanordnung nach innen vorstehende,
relativ zueinander bewegliche Konzentratorelemente aus dem weichmagnetischen,
elektrisch im Wesentlichen nicht leitende Material aufweisen, deren
radialer Überstand zur
Drehachse hin über
den Innenumfang der Induktionsspulenanordnung betriebsmäßig änderbar
ist. Bei einer solchen Induktionsspulen-Baueinheit lässt sich
nicht nur die axiale Wirkungslänge
der Wirbelstromerwärmung
einstellen, sondern auch der Magnetfluss gezielt dem freien Ende
des Hülsenabschnitts
zuführen.
Streufelder im Bereich des freien Endes des Hülsen abschnitts, die zu einer
Miterwärmung
des Werkzeugschafts führen
können
und damit das Ausspannen des Werkzeugs erschweren können, werden
auf diese Weise sicher vermieden. Geeignete Gestaltungen der Konzentratorelemente
sind in WO 01/89758 A1 beschrieben. Als besonders geeignet haben
sich Konzentratorelemente erwiesen, die um parallel zur Drehachse
verlaufende Schwenkachsen relativ zur Induktionsspulenanordnung schwenkbar
sind, da Schwenkführungen
weniger zum Verklemmen neigen als Schiebeführungen. Insbesondere geeignet
sind Konzentratorelemente, die angenähert die Form von Scheiben
haben, die mit einem ersten Rand unter Bildung einer Durchtrittsöffnung für den Hülsenabschnitt
des Werkzeughalters der Drehachse gegenüberliegen und sich mit einem schräg zu dem
ersten Rand verlaufenden zweiten Rand entlang des ersten Rands eines
in Umfangsrichtung benachbarten Konzentratorelements erstrecken.
Auf diese Weise verbleiben in Umfangsrichtung zwischen benachbarten
Konzentratorelementen keine oder nur sehr schmale Spalte, selbst
wenn sich die Konzentratorelemente nicht überlappen und die Schwenkbewegung
der Konzentratorelemente um ihre Schwenkachsen lässt sich relativ leichtgängig steuern.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung, die auch selbständige erfinderische Bedeutung
hat, also auch bei anderen als den vorstehend erläuterten
Induktionsspulen-Baueinheiten eingesetzt werden kann, ist vorgesehen,
dass die Scheiben der Konzentratorelemente achsnormal zu ihren Schwenkachsen im
Wesentlichen fluchten und sich der erste und der zweite Rand benachbarter
Konzentratorelemente zumindest auf einem Teil ihrer Länge in Umfangsrichtung überlappen,
insbesondere verschränkt überlappen,
und dass die Konzentratoranordnung zwei Gruppen in Umfangsrichtung
einander abwechselnder Konzentratorelemente umfasst, wobei die Anordnung
so getroffen ist, dass der radiale Überstand der Konzentratorelemente
der ersten Gruppe über
den Innenumfang der Induktionsspulenanordnung bei gleicher Winkelstellung
größer ist
als der radiale Überstand
der Konzentratorelemente der zweiten Gruppe. In dieser Ausgestaltung
können
nur die Konzentratorelemente der ersten Gruppe an den Umfang des Hülsenabschnitts
angelegt werden, während
die Konzentratorelemente der zweiten Gruppe mit ihrem ersten Rand
nach radial außen
versetzt sind, ohne den maximalen Durchmesser der von den Konzentratorelementen
der ersten Gruppe begrenzten Durchtrittsöffnung zu verringern, kann
auf diese Weise der minimale Durchmesser kleiner bemessen werden,
und dementsprechend können
mittels der Induktionsspulen-Baueinheit auch Hülsenabschnitte mit vergleichsweise
kleinem Durchmesser erwärmt werden.
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Vorzugsweise
tragen die Konzentratorelemente der ersten Gruppe an ihrem ersten
Rand die Anschlagmittel bildende Anschlagelemente für die axiale
Positionierung der Konzentratoranordnung und der mit ihr verbundenen
Induktonsspulenanordnung relativ zu dem Werkzeughalter. Auch hier
sind die Anschlagmittel selbst dann noch wirksam, wenn der Durchmesser
des Hülsenabschnitts
vergleichsweise klein ist.
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Die
Konzentatorelemente sind zweckmäßigerweise
mittels eines gemeinsamen, gleichachsig zur Induktionsspulenanordnung
drehbaren Steuerelements, das über
Steuerflächen-Nockenfolger-Anordnungen
mit den Konzentratorelementen gekuppelt ist, verstellbar.
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Als
besonders günstig
hat es sich erwiesen, wenn das Steuerelement mit einer der beiden
Spuleneinheiten, insbesondere der dem freien Ende des Hülsenabschnitts
benachbarten Spuleneinheit drehfest verbunden ist. Auf diese Weise
kann mit ein und demselben Steuerelement sowohl die axiale Positionierung
der beiden Spuleneinheiten bzw. Konzentratoranordnungen als auch
die Größe der Durchtrittsöffnung für den Werkzeugschaft
eingestellt werden. Auch hier kann das Steuerelement manuell betätigbar sein
oder mittels eines Stellmotors antreibbar sein.
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Die
Spulenanordnung wird aus einem vorzugsweise hochfrequenten Strom
liefernden Wechselstromgenerator gespeist. Die Stromstärke oder/und
die Frequenz oder/und die Spannung wie gegebenenfalls auch die Zeitspanne, in
welcher die Spulenanordnung erregt wird, wird in an sich bekannter
Weise durch eine Steuerung des Wechselstromgenerators vorgegeben,
und zwar abhängig
von der Größe bzw.
Art des Werkzeughalters, um Überhitzungsschäden an dem
Werkzeughalter zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist den Spuleneinheiten oder/und den Konzentratoranordnungen wenigstens
ein Positionssensor zugeordnet, der ein dem axialen Abstand der
Spuleneinheiten oder/und der Konzentratoranordnungen oder/und dem
radialen Überstand
wenigstens der ersten Konzentratoranordnung über den Innenumfang der Spulenanordnung
repräsentierendes
Signal erzeugt, wobei der Wechselstromgenerator abhängig von
diesem Signal steuerbar ist. Bereits die gegebenenfalls manuelle Einstellung
der Induktionsspulen-Baueinheit auf die Größe des Werkzeughalters legt
damit selbsttätig
die aus dem Wechselstromgenerator für die Erwärmung dieses Werkzeughalters
zuzuführende
elektrische Energie fest. Die Bedienung wird auf diese Weise vereinfacht.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass der axiale Abstand der Spuleneinheiten
oder/und der Konzentratoranordnungen oder/und der radiale Überstand
wenigstens der ersten Konzentratoranordnung mittels wenigstens eines
Positionierantriebs einstellbar ist, der abhängig von der Einstellung des Wechselstromgenerators
von diesem aus gesteuert wird. Die an dem Wechselstromgenerator
für den
zu erwärmenden
Werkzeughalter eingestellte Stromstärke oder/und Stromeinschaltdauer
oder/und Spannung bestimmen auf diese Weise auch die Positionierung
der Spuleneinheiten bzw. Konzentratoranordnung. Auch in diesem Fall
vereinfacht sich die Bedienung. Bei dem Positionierantrieb handelt
es sich bevorzugt um einen Schrittmotor-Positionierantrieb, dessen
Schrittfolge ein Maß für die axialen
Positionen der Spuleneinheiten bzw. Konzentratoranordnungen ist.
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Es
ist bekannt, die Erwärmung
des Werkzeughalters mittels eines Temperatursensors zu überwachen.
Das temperaturabhängige
Signal des Temperatursensors kann zur Anzeige der tatsächlichen
Temperatur des Hülsenabschnitts
des Werkzeughalters oder aber zur schwellwertabhängigen Erzeugung eines Warnsignals
oder der schwellwertabhängigen
Abschaltung des Wechselstromgenerators genutzt werden. Bei herkömmlichen
Induktionsspulen-Baueinheiten ist jedoch der Hülsenabschnitt für eine Temperaturmessung
nur bedingt zugänglich. In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
axial zwischen den Spuleneinheiten ein die Temperatur des Hülsenabschnitts
des Werkzeughalters erfassender Temperatursensor angeordnet ist.
Bei dieser Ausgestaltung wird ohnehin vorhandener Bauraum in einem
für die
Temperaturmessung des Hülsenabschnitts
günstigen
Bereich genutzt. Insbesondere kann der Temperatursensor gegebenenfalls
auch in direktem Anlagekontakt zu der Oberfläche des Hülsenabschnitts gebracht werden,
was die Messgenauigkeit erhöht.
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Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 einen
Axiallängsschnitt
durch eine zum Erwärmen
eines Werkzeughalters bestimmte Induktionsspulen-Baueinheit;
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2a eine
Axialansicht auf eine Konzentratoranordnung der Baueinheit in maximal
geöffneter Position;
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2b eine
Axialansicht eines Steuerelements der Konzentratoranordnung in einer
der Position der 2a zugeordneten Drehstellung;
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3a eine
Draufsicht auf die Konzentratoranordnung in minimal geöffneter
Position,
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3b eine
Draufsicht auf die Steuerscheibe in der Position der 3a;
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4 eine
teilweise aufgebrochene Radialansicht einer den Abstand von Spuleneinheiten
der Baueinheit steuernden Einstellanordnung;
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5 einen
Axiallängsschnitt
durch eine Variante der Induktionsspulen-Baueinheit und
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6 einen
Axiallängsschnitt
durch eine weitere Variante der Baueinheit.
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Die 1 bis 4 zeigen
eine Induktionsspulen-Baueinheit 1 zum Erwärmen eines
Hülsenabschnitts 3 eines
Werkzeughalters 5, der mittels eines Kupplungsabschnitts 7 für den um
seine Drehachse 9 rotierenden Arbeitsbetrieb mit einer
nicht näher
dargestellten Antriebsspindel einer Werkzeugmaschine oder dergleichen
kuppelbar ist. Bei der Kupplung 7 kann es sich um eine
herkömmliche,
genormte Kupplung, wie zum Beispiel eine Steilkegelkupplung oder wie
im dargestellten Ausführungsbeispiel
um eine Hohlschaftkupplung handeln.
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Der
Hülsenabschnitt 3 hat
zentrisch zur Drehachse 9 eine Aufnahmeöffnung 11, die im
Arbeitsbetrieb einen Schaft 13 eines Rotationswerkzeugs,
beispielsweise eines Bohrers oder Fräsers im Presssitz hält. Der
Presssitz-Spannbereich
der Aufnahmeöffnung 11 erstreckt
sich in axialer Richtung nur über
einen Teil der axialen Tiefe der Aufnahmeöffnung 11, und zwar über einen
Bereich, der die Übertragung
des erforderlichen Drehmoments und die erforderliche axiale Fixierung
des Werkzeugschafts 13 sicherstellt. Dem freien Ende 15 des
Hülsenabschnitts
axial abgewandt schließt
sich an den Spannbereich eine, wenn auch im Einzelfall nur geringfügige Durchmessererweiterung 17 an.
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Der
Spannbereich des Hülsenabschnitts 3 kann
mittels der Induktionsspulen-Baueinheit 1 so weit erwärmt werden,
dass die Aufnahmeöffnung 11 Übermaß gegenüber dem
Werkzeugschaft 13 hat, der Werkzeugschaft 13 also
lose in die Aufnahmeöffnung 11 eingesteckt
oder aus dieser entnommen werden kann. Die Induktionsspulen-Baueinheit 1 ist hierzu
an einen Wechselstromgenerator 19 angeschlossen, der ihr
Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise 10 kHz oder mehr
zuführt.
Der von der Baueinheit 1 erzeugte, den Hülsenabschnitt 3 axial
durchflutende Magnetfluss erzeugt in dem Hülsenabschnitt 3 Wirbelströme, die
den Hülsenabschnitt 3 erwärmen und
damit aufweiten. Nach dem Erkalten schrumpft der Hülsenabschnitt 3 auf
ein den Werkzeugschaft 13 im Presssitz haltendes Maß zurück.
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Um
den Werkzeugschaft 13 aus dem Werkzeughalter 5 ausspannen
zu können,
kommt es darauf an, dass sich der Hülsenabschnitt 3 in
hinreichend kurzer Zeit so weit und so gleichmäßig dehnt, dass die Aufnahmeöffnung 11 axial überall Übermaß relativ
zu dem sich unter Umständen
gleichfalls geringfügig
dehnenden Werkzeugschaft 13 hat. Um die gleichmäßige Erwärmung des
Hülsenabschnitts 3 zu gewährleisten,
hat die Baueinheit 1 zwei in axialem Abstand voneinander
angeordnete Spuleneinheiten 21, 23, deren auf
Spulenkörper 25, 27 gewickelte Wicklungen 29, 31 den
Hülsenabschnitt 3 radial
außen
ringförmig
und im Wesentlichen konzentrisch zur Drehachse 9 umschließen. Jeder
der beiden Spuleneinheiten 21, 23 ist eine Magnetfluss-Konzentratoranordnung 33 bzw. 35 zugeordnet,
die bezogen auf die zugeordnete Spuleneinheit 21 bzw. 23 axial
fixiert ist.
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Die
Spuleneinheiten 21 und 23 einschließlich der
ihnen zugeordneten Konzentratoranordnungen 33 bzw. 35 sind
mit je einem Führungsring 37 bzw. 39 verbunden,
von denen einer, hier der Führungsring 39,
wie bei 41 angedeutet, an einer gerätefesten, achsparallel zur
Drehachse 9 verlaufenden, nicht näher dargestellten Führungsschiene
verschiebbar geführt
ist und damit eine Relativverschiebung der Baueinheit 1 relativ
zu dem Werkzeughalter 5 ermöglicht. Die beiden Führungsringe 37, 39 sind
aneinander um die Drehachse 9 drehbar und längs der
Drehachse 9 axial verschiebbar geführt, um so den axialen Abstand
der Spuleneinheiten 21, 23 einschließlich der zugehörigen Konzentratoranordnungen 33, 35 in
Abhängigkeit
von der Länge
des Spannbereichs des Hülsenabschnitts 3 des
aktuell zu erwärmenden Werkzeughalters 5 einstellen
zu können.
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In
einander radial zugewandten Umfangsflächen der Führungsringe 37, 39 sind
mehrere angenähert
schraubenlinienförmig
die Drehachse umschlingende Schrägflächen-Nocken-Anordungen 43 in Umfangsrichtung
verteilt angeordnet, die bei einer Relativdrehung zwischen den Führungs ringen 37, 39 die
axiale Position der beiden Spuleneinheiten 21, 23 und
der ihnen zugeordneten Konzentratoranordnungen 33, 35 in
axial beiden Richtungen formschlüssig zwangsgeführt einstellen.
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4 zeigt
Einzelheiten der Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 43.
Jede der Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 43 umfasst
in einer der Umfangsflächen,
hier der äußeren Umfangsfläche des
Führungsrings 39,
einen generell einer Schraubenlinie folgenden Schlitz 45,
in den ein von der anderen Umfangsfläche, hier der inneren Umfangsfläche des
Führungsrings 37,
abstehender Nockenfortsatz 47 eingreift.
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Die
Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 43 sind
in Umfangsrichtung in mehrere Schrägflächenabschnitte 49 segmentiert,
die durch tangentiale, in achsnormalen Ebenen verlaufende Indexierabschnitte 51 verbunden
sind. Auch an beide Enden des Schlitzes 45 schließen sich
Indexierabschnitte 51 an. Die Schrägflächenabschnitte 49 sorgen
bei einer Relativdrehung der Führungsringe 37, 39 für eine Veränderung
des axialen Abstands der Führungsringe 37, 39 und
damit der Spuleneinheiten 21, 23 einschließlich der
zugeordneten Konzentratoranordnungen 33, 35. Die
Indexierabschnitte 51 hingegen sorgen für eine axiale Verrastung der
Führungsringe 37, 39 in
vorbestimmten axialen Betriebspositionen, so dass im Betrieb auf
Grund des Magnetfelds der Spuleneinheiten 21, 23 auftretende
axiale Kräfte
die Führungsringe 37, 39 nicht
verstellen können.
Die Betriebspositionen 53 sind jeweils unterschiedlichen Werkzeughalterabmessungen
zugeordnet, so dass die Baueinheit 1 durch simples Verdrehen
der Führungsringe 37, 39 relativ
zueinander auf unterschiedlich große Werkzeughalter eingestellt
werden kann. Gegebenenfalls tragen die Führungsringe 37, 39 oder
mit diesen Ringen verbundene Komponenten auf die Werkzeughaltertypen
hinweisende Markierungen.
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Die
Konzentratoranordnungen 33, 35 konzentrieren den
Magnetfluss der Spuleneinheiten 21, 31 auf den
Hülsenabschnitt 3 des
Werkzeughalters 5. Die dem durch eine achsnormale, ebene
Stirnfläche gebildeten
freien Ende 15 des Hülsenabschnitts 3 benachbarte
Konzentratoranordnung 3 umfasst mehrere in den 2a und 3a in
axialer Draufsicht gezeigte Konzentratorelemente 55, deren
Scheibenflächen
im Wesentlichen in achsnormalen Ebenen zueinander fluchtend angeordnet
und sich in Umfangsrichtung zu einem Ring schließen, der eine Durchtrittsöffnung 57 für den Werkzeugschaft 13 und
gegebenenfalls das Stirnende 15 des Hülsenabschnitts 3 begrenzen.
Die Konzentratorelemente 55, die sämtlich aus weichmagnetischem,
im Wesentlichen elektrisch nicht leitenden Material, zum Beispiel
Ferrit, bestehen, sind an Achsstiften 59 achsparallel zur
Drehachse 9 an dem Spulenkörper 25 der zum freien
Stirnende 15 benachbarten Spuleneinheit 21 gelagert.
An die Konzentratorelemente 55 schließt sich vorzugsweise an diesen
anliegend auf der radial äußeren Seite
der Spuleneinheit 21 eine zur Drehachse 9 konzentrische,
zylindrische Jochhülse 61 aus
dem Konzentratormaterial an, die von den Konzentratorelementen 55 zur
anderen Spuleneinheit 23 axial vorsteht. Die Spuleneinheit 21 und
die Jochhülse 61 sind an
dem Führungsring 37 zentrisch
zur Drehachse 9 drehbar, jedoch axial fixiert, gelagert.
Die Jochhülse 61 einschließlich der
mit ihr verbundenen Spuleneinheit 21 sind darüber hinaus
axial beweglich, jedoch drehfest an dem Führungsring 39 geführt. Hierzu
sind an der Jochhülse 61 ein
oder mehrere axiale Schlitze 63 vorgesehen, in die jeweils
ein mit dem Führungsring 39 verbundener
Vorsprung 65 zur Verdrehsicherung eingreift. Es versteht
sich, dass der gegebenenfalls auch als Nut ausgebildete Schlitz
alternativ auch in dem Führungsring 39 vorgesehen
sein kann.
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An
dem Führungsring 37 ist,
beispielsweise mittels Schrauben 67, eine Steuerscheibe 69 befestigt,
die die Konzentratorelemente 55 auf der zur Spuleneinheit 21 axial
abgewandten Seite überdeckt
und axial fixiert. Die Steuerscheibe 69 hat, wie die 2b und 3b zeigen,
eine zur Drehachse 9 zentrische Durchtrittsöffnung 71 für den Werkzeugschaft 13 und ist über Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 73 mit jedem
der Konzentratorelemente 55 gekuppelt. Bei einer Drehbewegung
der Steuerscheibe 69 relativ zu dem Führungsring 39 schwenken
die Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 73 die
Konzentratorelementee 55 um die Achsstifte 59 und ändern damit den
radialen Überstand
der Konzentratorelemente 55 über den Innenumfang der Spuleneinheit 21 radial zur
Drehachse 9 hin. Die Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 73 sind
durch angenähert
spiralförmige Nuten
oder Schlitze 75 in der Steuerscheibe 69 und Nockenvorsprünge 77 an
den Konzentratorelementen 55 gebildet.
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Wie
am besten die 2a und 3a zeigen,
hat jedes der Konzentratorelemente 55 einen ersten Rand 79,
mit dem es der Drehachse 9 radial gegenüber liegt, sowie einen zweiten
Rand 81, der sich unter einem spitzen Winkel an das der
Drehachse 9 benachbarte Ende des ersten Rands 79 anschließt. Die
Ränder 79, 81 haben
längs der
Ränder sich
erstreckende Aussparungen 83 bzw. 85, an welchen
sich benachbarte Konzentratorelemente 55 in Umfangsrichtung
jeweils mit ihrem ersten Rand 79 und ihrem zweiten Rand 81 verschränkt überlappen. Die
Konzentratorelemente 55 bilden damit in Umfangsrichtung
eine ringförmig
geschlossene, wenn auch segmentierte Ringscheibe, deren Durchtrittsöffnung 57 durch
Drehen der Steuerscheibe 67 zwischen einem maximalen Öffnungsdurchmesser (2a)
und einem minimalen Öffnungsdurchmesser
(3a) änderbar
ist.
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Der
erste Rand 79 von in Umfangsrichtung benachbarten Konzentratorelementen 55 ist
unterschiedlich gestaltet, und zwar so, dass in einer ersten Gruppe
von Konzentratorelementen 55 der radiale Überstand
des die Durchtrittsöffnung 57 begrenzenden
Bereichs des ersten Rands 79 über den Innenumfang der Spuleneinheit 21 größer ist
als der radiale Überstand
des entsprechenden Bereichs einer zweiten Gruppe der Konzentratorelemente 55.
Die Konzentratorelemente 55 der beiden Gruppen wechseln
sich in Umfangsrichtung ab. Wie die 2a und 2b zeigen,
begrenzen die radial erhabenen Bereiche 87 der Konzentratorelemente 55 die
Durchtrittsöffnung 57 auf
einem kleineren Durchmesserkreis als die Konzentratorelemente 55 der
zweiten Gruppe. Wie 3a zeigt, kann auf diese Weise
der minimale Durchmesser der Durchtrittsöffnung 57 klein gehalten
werden, da die Konzentratorelemente 55 der zweiten Gruppe
demgegenüber
radial zurücktreten.
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Die
erhabenen Bereiche 87 können
aus dem weichmagnetischen Material der Konzentratorelemente 55 bestehen,
sind aber bevorzugt aus einem thermisch isolierendem Material, wie
zum Beispiel Kunststoff oder Keramik gebildet, um die Konzentratoranordnung 33 thermisch
von dem im Betrieb sich erwärmenden
Hülsenabschnitt 3 zu
isolieren. Die erhabenen Bereiche 87 bilden an ihren der
Spuleneinheit 21 axial zugewandten Seite Anschlagflächen 89, über die
die Baueinheit 1 an dem freien Stirnende 15 axial
positioniert werden kann und zwar so, dass die Konzentratorelemente 55 dem
Umfang oder/und der Stirnfläche
im Bereich des freien Endes 15 eng benachbart sind. Die
Konzentratorelemente 55 können hierbei die Umfangsfläche oder/und
die Stirnfläche axial
bzw. radial überlappen.
Eine Notwendigkeit hierfür
besteht jedoch nicht.
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Die
der Spuleneinheit 23 zugeordnete Konzentratoranordnung 35 umfasst
gleichfalls eine Jochhülse 91,
die die Spuleneinheit 23 radial außen gleichachsig zur Drehachse 9 umschließt und axial teleskopierbar
in die Jochhülse 61 der
Konzentratoranordnung 35 eingreift. Auf der zur Spuleneinheit 21 axial
abgewandten Seite der Spuleneinheit 23 schließt sich
an die Jochhülse 91 ein
radial nach innen vorspringender Ringflansch 93 einteilig
angeformt an. Die Jochhülse 91 und
der Ringflansch 93 bestehen aus dem Konzentratormaterial.
Die Spuleneinheit 23 wie auch die Konzentratoranordnung 35 sind
fest mit dem Führungsring 39 verbunden.
Da die Konzentratorelemente 55 in Umfangsrichtung und die
Jochhülsen 61, 91 axial überlappen,
werden magnetische Streuflüsse
außerhalb
der Baueinheit 1 weitgehend vermieden. Die Jochhülsen 61, 91 sind hierbei
in Umfangsrichtung im Wesentlichen geschlossen. Es versteht sich,
dass anstelle ringförmig geschlossener
Hülsen
auch fingerartige Jochstrukturen geeignet sind, deren in Umfangsrichtung
aufeinander folgende, axial sich erstreckende Finger wechselweise
ineinander greifen.
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Da
die Steuerscheibe 69 drehfest mit dem Führungsring 37 verbunden
ist, kann durch Verdrehen der zu diesem Zweck an ihrem Außenumfang
mit Griffrippen 95 versehenen Steuerscheibe 69 relativ zu
dem drehfest geführten
Führungsring 39 in
einem einzigen Bedienungsvorgang sowohl der axiale Abstand der Spuleneinheit 21, 23 als
auch der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 57 dem zu erwärmenden
Werkzeughalter 5 angepasst werden. Die Bedienung der Baueinheit 1 wird
dadurch vereinfacht.
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Die
Spuleneinheiten 21, 23 sind zueinander in Serie,
vorzugsweise jedoch zueinander parallel an den Wechselstromgenerator 19 angeschlossen,
und zwar so, dass sie in dem Hülsenabschnitt 3 einen gleichsinnigen
Magnetfluss erzeugen. Der Wechselstromgenerator 19 umfasst
eine Steuerung, die die Stromstärke
oder/und die Frequenz oder/und die an die Spuleneinheiten 21, 23 angelegte
Spannung oder/und die Einschaltdauer des Stroms nach einem vorbestimmten
Programm abhängig
von der an dem Wechselstromgenerator 19 einzustellenden
Größe des Werkzeughalters 5 steuert.
Da die Baueinheit 1 wie vorstehend beschrieben auf die
Größe des Werkzeughalters 5 durch
Drehen der Steuerscheibe 95 justiert werden muss, ist in
einer bevorzugten Ausgestaltung wenigstens ein Positionssensor 97 vorgesehen,
der die Relativstellung der beiden Führungsringe 37, 39 in
Drehrichtung oder/und in Axialrichtung erfasst und dementsprechend
die Steuerung des Wechselstromgenerators 19 auf die Größe des zu
erwärmenden
Werkzeughalters 5 voreinstellt. Die Handhabung wird auf
diese Weise noch weiter vereinfacht und automatisiert. Es versteht
sich, dass der Positionssensor 97 auch auf die Relativstellungen anderer
relativ zueinander sich bewegender Komponenten der Baueinheit 1 ansprechen
kann, beispielsweise auf die Relativstellung der Konzentratorelemente 55 relativ
zu einem stationären
Teil, beispielsweise die Steuerscheibe 69.
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Um
eine Überhitzung
des Hülsenabschnitts 3 zu
vermeiden, ist axial zwischen den Spuleneinheiten 21, 23 ein
Temperatursensor 99 angeordnet, z.B. an einem der Führungsringe 37 bzw. 39 angebracht, der
die Temperatur am Außenumfang
des Hülsenabschnitts 3 erfasst.
Der Temperatursensor 99 kann so gestaltet sein, dass er
an der Umfangsfläche
des Hülsenabschnitts 3 gegebenenfalls
federnd anliegt oder aber die Temperatur berührungslos erfasst. Der Temperatursensor 99 kann
abhängig
von einem vorgegebenen Grenzwert über die Steuerung des Wechselstromgenerators 19 die
Stromzufuhr abschalten und zusätzlich
oder alternativ ein optisches oder akustisches Warnsignal auslösen. Auch
kann an einem Display der tatsächliche
Wert der Temperatur angezeigt werden.
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Im
Folgenden werden Varianten der vorangegangen erläuterten Induktionsspulen-Baueinheit beschrieben.
Gleichwirkende Komponenten sind mit den Bezugszahlen der 1 bis 4 bezeichnet und
zur Unterscheidung mit einem Buchstaben versehen. Zur Erläuterung
des Aufbaus und der Wirkungsweise sowie zur Erläuterung eventueller Varianten
wird jeweils auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen.
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5 zeigt
eine Induktionsspulen-Baueinheit 1a, die sich von der anhand
der 1 bis 4 erläuterten Baueinheit 1 im
Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass an einem der Führungsringe 37a bzw. 39a,
hier dem Führungsring 39a,
ein Stellmotor 101 angeordnet ist, der über ein Getriebe 103 den
anderen Führungsring,
hier den Führungsring 37a um
die Drehachse 9a rotierend antreibt. Der Stellmotor 101 ist
Bestandteil eines Positionierantriebs, der die Ist-Position der
beiden Führungsringe 37a, 39a relativ
zueinander mittels des Positionssensors 97a erfasst. An
dem Wechselstromgenerator 19a ist die Größe des zu
erwärmenden
Werkzeughalters 5a einstellbar und dementsprechend steuert
der Wechselstromgenerator 19a den Stellmotor 101 in die
dem Werkzeughalter 5a zugeordnete Position. Bei dem Stellmotor 101 kann
es sich um einen Schrittmotor handeln, so dass die Anzahl der dem Schrittmotor
zugeführten
Treiberimpulse ein Maß für den Relativdrehwinkel
der beiden Führungsringe 37a, 39a darstellt.
Der Positionssensor 97a kann in diesem Fall entfallen oder
aber durch Endschalter, die die Endlagenposition erfassen, ersetzt
sein. Das Getriebe 103 kann herkömmlich gestaltet sein. Im vorliegenden
Fall sitzt auf der Welle des Motors 101 ein Ritzel, welches
mit einem Zahnkranz der Führungshülse 37a kämmt.
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6 zeigt
eine Induktionsspulen-Baueinheit 1b, die sich von der Induktionsspulen-Baueinheit 1 der 1 bis 4 im
Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die Konzentratoreinheit 35b der zum
freien Stirnende 15b axial abgewandten Spuleneinheit 23b entsprechend
der Konzentratoranordnung 33b der Spuleneinheit 21b ausgebildet
ist und anstelle des mit der Jochhülse 91 verbundenen
Ringflansches 93 einen weiteren Satz Konzentratorelemente 55b umfasst,
die über
achsparallel zur Drehachse 9b angeordnete Achszapfen 59b an
den Spulenkörper 27b oder
der Jochhülse 91b oder
dem Führungsring 39b schwenkbar
geführt
sind. An dem Führungsring 39b ist
eine weitere Steuerscheibe 105 drehbar, jedoch axial fixiert
gelagert, die über
Schrägflächen-Nocken-Anordnungen 73b mit
den weiteren Konzentratorelementen 55b gekuppelt ist. Die
Konzentratorelemente 55b und die Schrägflägen-Nocken-Anordnungen 73b sind
entsprechend den Komponenten 55 und 73 der 1 bis 4 gestaltet. Über das
Steuerelement 105 können
die Konzentratorelemente 55b der Konzentratoranordnung 35b unabhängig von
den Konzentratorelementen der Konzentratoranordnung 33b an
den Außenumfang
des Werkzeughalters angenähert,
vorzugsweise jedoch angelegt werden. Die vorzugsweise thermisch
isolierenden erhabenen Bereiche 87b können an den Konzentratorelementen 55b der
Konzentratoranordnung 35b entfallen oder aber an allen
Konzentratorelementen 55b vorhanden sein.
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Im
Betrieb wird zunächst
durch Einstellen der Steuerscheibe 69b die Konzentatoranordnung 33b auf
den Durchmesser des Hülsenabschnitts 3b eingestellt,
womit auch der axiale Abstand der Spuleneinheiten 21b und 23b justiert
ist. Nach dem Aufsetzen der Baueinheit 1b auf den Werkzeughalter 5b werden
auch die Konzentratorelemente 55b der Konzentratoranordnung 35b durch
Drehen der Steuerscheibe 105 dem Werkzeughalter 5b angenähert.
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Nicht
näher dargestellt
ist eine Variante, bei der die Führungsringe 37b und 39b mittels
eines Stellmotors der anhand von 5 erläuterten
Art justiert werden, bevor dann manuell die Steuerscheibe 105 eingestellt
wird. Die Steuerscheibe 105 kann gegebenenfalls mittels
eines weiteren Stellmotors angetrieben werden.