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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Werkzeugspannsystem und einer Werkzeugmaschine mit einem Werkzeugspannsystem nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Bei Werkzeugmaschinen mit auswechselbaren Einsatzwerkzeugen müssen diese gespannt werden. Hierfür gibt es diverse Ausführungsvarianten. Bei Einsatzwerkzeugen, die für eine Arbeitsbewegung ganz oder teilweise mit Hochfrequenz, beispielsweise Ultraschall, beaufschlagt werden, müssen sehr hohe Haltekräfte aufgebracht werden, um die ultraschallbedingt hohen Beschleunigungswerte am Einsatzwerkzeug möglichst verlustfrei übertragen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Werkzeugspannsystem zum Spannen eines Einsatzwerkzeugs in einer Werkzeugmaschine vorgeschlagen, welche ein Gehäuse aufweist, insbesondere eine ultraschallbetriebene Werkzeugmaschine, wobei das Einsatzwerkzeug in eine Werkzeughalterung der Werkzeugmaschine einsetzbar und dort spannbar ist. Die Werkzeughalterung weist ein Spannelement mit einem Wirkbereich auf, das mit einem Gehäusewirkbereich des Gehäuses wenigstens zum Spannen des Einsatzwerkzeugs zusammenwirkt und zu dem Gehäusewirkbereich im Betriebszustand des Einsatzwerkzeugs mit einem Spalt beabstandet ist.
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Die Erfindung hat zum einen den Vorteil, dass das Einsatzwerkzeug mit einem Bereich des Gehäuses zumindest gespannt und gegebenenfalls auch gelöst werden kann. Daher kann auf ein separates Spannwerkzeug, etwa einen Gabelschüssel und dergleichen, verzichtet werden. Ein Spannen und gegebenenfalls Lösen des Einsatzwerkzeugs kann werkzeuglos, direkt in der Werkzeugmaschine, erfolgen. Es sind hohe Spannkräfte und Klemmkräfte erreichbar. Die Werkzeugmaschine kann eine Elektrowerkzeugmaschine oder eine hydraulisch oder mechanisch angetriebene Werkzeugmaschine sein. Mit besonderem Vorteil kann die Werkzeugmaschine eine ultraschallbetriebene Werkzeugmaschine sein, bei der das Einsatzwerkzeug eine Arbeitsbewegung mit einer hohen Frequenz, insbesondere Ultraschall, ausführt. Da der Wirkbereich des Spannelements und der Gehäusewirkbereich im Betriebszustand des Einsatzwerkzeugs mit einem Spalt beabstandet ist, wird die hochfrequente Arbeitsbewegung nicht durch Reibung zwischen dem Gehäusewirkbereich und den Wirkbereich des Spannelements gedämpft. Der Gehäusewirkbereich kann vorteilhaft wenigstens einen Anschlag aufweisen, mit dem ein Anschlagselement des Wirkbereichs in Kontakt kommt, wenn das Einsatzwerkzeug gespannt oder gegebenenfalls gelöst werden soll.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Gehäusewirkbereich formkomplementär zum Wirkbereich des Spannelements ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise kann der Gehäusewirkbereich den Wirkbereich wenigstens bereichsweise umschließen. Formkomplementär soll heißen, dass der Gehäusewirkbereich wenigstens einen Anschlag aufweist, mit dem ein korrespondierendes Anschlagselement des Wirkbereichs in Kontakt kommen kann. Insbesondere kann der Wirkbereich als Mehrkant ausgebildet sein und der Gehäusewirkbereich als Innenmehrkant, wobei die Außenseite des als Mehrkant ausgebildeten Wirkbereichs mit der Innenseite des Gehäusewirkbereichs beim Verdrehen des Gehäusewirkbereichs gegenüber dem Wirkbereich in Kontakt kommt und im Kontaktzustand ein Drehmoment übertragen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Spannelement als Mehrkant in der Form einer Überwurfmutter ausgebildet und über den Gehäusewirkbereich wenigstens zum Spannen des Einsatzwerkzeugs drehbar sein. Es lassen sich einfache Geometrien verwenden, die auch als Standardteile verfügbar oder leicht herstellbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch eine relative Verdrehung von Wirkbereich und Gehäusewirkbereich eine oder mehrere Kanten des Wirkbereichs mit dem Gehäusewirkbereich in Wirkverbindung geraten. So können eine oder mehrere vorspringende Kanten des Wirkbereichs der Innenseite des Gehäusewirkbereichs in Kontakt geraten und so eine Wirkverbindung zur Übertragung eines Drehmoments zum Spannen oder Lösen des Einsatzwerkzeugs herstellen. Alternativ ist denkbar, dass der Gehäusewirkbereich vorspringende Kanten und der Wirkbereich ebenfalls vorspringende Kanten aufweist, die zur Wirkverbindung in Kontakt gebracht werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Werkzeughalterung als Spannzange ausgebildet sein. Eine Spannzange weist zwei oder mehr Spannbacken auf, die um eine Aufnahme angeordnet sind, in welche das Einsatzwerkzeug einsetzbar ist. Beim Spannen werden die Spannbacken gegen das in die Aufnahme eingesetzte Ende des Einsatzwerkzeugs gepresst und halten dieses kraftschlüssig. Die Anordnung ist kompakt, und das Einsatzwerkzeug kann direkt in der Werkzeughalterung gespannt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Werkzeughalterung in ein Ultraschall-Schwingsystem integriert sein. Das Werkzugspannsystem erlaubt das Bereitstellen von hohen Klemmkräften, die für ein ultraschallbetriebenes Werkzeug notwendig sind. Die Antriebskräfte können vom Ultraschall-Schwingsystem mit hoher Effizienz auf die integrierte Werkzeughalterung und damit auf das dann eingesetzte Einsatzwerkzeug übertragen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Spannelement ein Gewinde mit konischem Verlauf aufweisen, welches mit der Werkzeughalterung zusammenwirkt. Beim Anziehen des Spannelements kann durch Drehen des Spannelements auf einem entsprechend konisch verlaufenden Gewinde der Werkzeughalterung ein in der Werkzeughalterung steckendes Einsatzwerkzeug gespannt oder gelöst werden. Beispielsweise können Spannbacken der Werkzeughalterung um das Einsatzwerkzeug zusammengepresst werden. Umgekehrt kann beim Lösen des Einsatzwerkzeugs das Spannelement in die Gegenrichtung gedreht werden und der Druck auf die Spannbacken gelöst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Spannelement ein Gewinde mit zylindrischem Verlauf aufweisen und einen konischen Bereich außerhalb des Gewindes. Beim Anziehen des Spannelements kann durch Drehen des Spannelements auf einem entsprechend zylindrisch verlaufenden Gewinde der Werkzeughalterung ein in der Werkzeughalterung steckendes Einsatzwerkzeug gespannt oder gelöst werden. Beispielsweise können Spannbacken der Werkzeughalterung um das Einsatzwerkzeug eine geeignete Wirkfläche für den Konus aufweisen, der beim Drehen des Spannelements die Spannbachen zusammenpresst. Umgekehrt kann beim Lösen des Einsatzwerkzeugs das Spannelement in die Gegenrichtung gedreht werden und der Druck des Konus auf die Gegenfläche gelöst werden, so dass die Spannbacken freigegeben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Spannelement ein Gewinde mit zylindrischem Verlauf aufweisen und mit einer konisch verlaufenden Spannzange zusammenwirken. Das Gewinde des Spannelements kann auf ein fest mit dem Gehäuse verbundenen Gewindestück geschraubt werden, das auf seiner Innenseite einen Konus aufweist, wobei die konisch verlaufende Spannzange mit dem dann eingesetzten Einsatzwerkzeug in den Konus des Gewindestücks hineingedrückt wird und so das Einsatzwerkzeug spannt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem Werkzeugspannsystem mit wenigstens einem der vorstehend beschriebenen Merkmalen vorgeschlagen. Insbesondere kann die Elektrowerkzeugmaschine mit einem Ultraschallschwingsystem zum Antreiben eines Einsatzwerkzeugs ausgestattet sein.
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Vorteilhaft kann eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem werkzeugfreien Spannsystem insbesondere für Ultraschallanwendungen geschaffen werden.
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Konventionell erfolgt das Anziehen oder Lösen des Spannelements, beispielsweise einer Überwurfmutter z. B. durch einen geeigneten Gabelschlüssel. Anstelle eines separaten zusätzlichen Spannwerkzeugs ist eine Gehäuseteil mit temporärem direktem Kontakt zum Spannelement in den Gehäuseaufbau der Werkzeugmaschine integriert. Mithilfe dieses „in-situ”-Spannwerkzeugs im Gehäuse kann das Spannelement vom Nutzer dann ohne weiteres Zusatzwerkzeug gelöst oder angezogen werden.
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Die Elektrowerkzeugmaschine kann ein Messer, ein Schaber, ein Bohrer, ein Fräser, eine Säge und dergleichen sein. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung als Ultraschallwerkzeug im medizinischen oder zahnmedizinischen Bereich, etwa als so genannter Scaler zur Zahnsteinentfernung oder als Ultraschallskalpell.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung:
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1a, 1b eine Aufsicht auf einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems in Arbeitsstellung (1a) und in Spannstellung (1b);
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2a–2c einen Längsschnitt eines Details eines Ausführungsbeispiels Werkzeugspannsystems mit konischem Gewinde (2a), mit geradem Gewinde (2b) und mit profilierter Aufnahme für ein Einsatzwerkzeug (2c);
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3 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems mit hinreichend biegeweichen Spannbacken und eingesetztem Einsatzwerkzeug;
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4 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems mit Überwurfmutter und konisch verlaufender Spannzange; und
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5 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems mit Gehäuse.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Kern der Erfindung ist ein Spannelement-Spannsystem, insbesondere ein Überwurfmutter-Spannsystem, wobei ein Gehäuseteil der Werkzeugmaschine so ausgeführt ist, dass mit diesem die Überwurfmutter gespannt werden kann. Hierbei ist ein definierter Spalt zwischen Überwurfmutter und Gehäuseteil vorgesehen, sodass die Ultraschallschwingung nicht reibungsbedingt bedämpft wird. Wird das Spannelement jedoch angezogen (bzw. gelockert) so kann bei richtig gewähltem Spaltmaß nach kurzer Drehung ein Drehmomentübertrag zwischen Spannelement und Gehäuseteil erfolgen.
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Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die 1a und 1b eine Aufsicht auf einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems 100 in Arbeitsstellung (1a) und in Spannstellung (1b). Das Werkzeugspannsystem 100 zum Spannen eines Einsatzwerkzeugs (nicht dargestellt) in einer Werkzeugmaschine ist in einem Gehäuse 50 integriert, wobei zur Aufnahme 34 des Einsatzwerkzeug eine Werkzeughalterung 20 vorgesehen ist.
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Die Werkzeughalterung 20 weist ein Spannelement 40 auf mit einem Wirkbereich 28, das mit einem Gehäusewirkbereich 58 des Gehäuses 50 wenigstens zum Spannen des Einsatzwerkzeugs 10 zusammenwirkt. Der Gehäusewirkbereich 58 ist formkomplementär zum Wirkbereich 28 des Spannelements 40 ausgebildet.
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Im Betriebszustand ist das Spannelement 40 bzw. dessen Wirkbereich 28 mit einem Spalt 60 zu dem Gehäusewirkbereich 58 beabstandet. Das Spaltmaß des Spalts 60 kann je nach Bedarf gewählt werden und insbesondere zwischen wenigen Mikrometern und einigen Millimetern liegen.
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Wie in der Ansicht zu sehen ist, kann die Werkzeughalterung 20 als Spannzange ausgebildet sein mit Spannbacken 32, die eine Aufnahme 34 umgeben. Die Aufnahme 34 kann, wie dargestellt, schlitzförmig sein, oder, je nach Anwendungsgebiet und Einsatzwerkzeug, rund, z. B. für einen Bohrer oder eckig.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 34 schlitzförmig, um beispielsweise eine Klinge, z. B. eine Messerklinge, eine Schabeklinge, einen Schleifstein oder dergleichen, aufzunehmen.
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Das Spannelement 20 kann beispielsweise in Form einer Sechskant-Überwurfmutter ausgeführt sein und ein Gehäuseteil 56 mit dem Gehäusewirkbereich 58 als Innensechskant.
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Das Gehäuseteil 56 ist zweckmäßigerweise drehbar am restlichen Gehäuse 50 gelagert, so dass es gegenüber der Werkzeughalterung 20 um einen gewissen Winkelbereich α verdrehbar ist. Wird das Gehäuseteil 56 in Drehrichtung 70 gedreht, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn bei Draufsicht auf die Aufnahme 34, wie in 1b dargestellt, kann das Gehäuseteil 56 solange frei gedreht werden, bis dessen Innenseite, d. h. der Gehäusewirkbereich 58, mit Kanten 44 des als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelements 40 in Berührung kommt. Beim Weiterdrehen in Drehrichtung 70 nimmt der Gehäusewirkbereich 58 das Spannelement 40 mit und überträgt so Drehmoment zum Spannen eines in die Aufnahme eingesteckten Einsatzwerkzeugs. Zum Lösen ist das Gehäuseteil 56 entsprechend in Gegenrichtung drehbar.
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Die Werkzeughalterung 20 kann Teil eines Schwingsystems, insbesondere eines Ultraschall-Schwingsystems 30 sein. Beispielsweise kann die Aufnahme 34 in eine Sonotrode integriert sein.
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Bei Aufbringen eines Befestigungsdrehmoments zum Spannen des Einsatzwerkzeugs werden die beiden Wirkbereiche 28, 58 gegeneinander verdreht, bis nach dem kleinen Drehwinkel α die Bauteilgeometrien ineinandergreifen und das gewünschte Drehmoment übertragen werden kann. Wird kein Drehmoment aufgebracht, so herrscht aufgrund eines geeignet gewählten Spaltmaßes zwischen den Gehäusekomponenten (insbesondere Gehäusewirkbereich 58) und den schwingenden Komponenten (insbesondere Wirkbereich 28) genügend Spiel, damit die Ultraschallschwingung nicht durch unnötige Reibungsverluste mit dem Gehäuse bedämpft wird.
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Die 2a–2c zeigen einen Längsschnitt eines Details eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems 20 mit einem Gewinde 42 mit konischem Verlauf im Spannelement 40 und einem Gewinde 22 mit konischem Verlauf in Spannbacken 32 (2a). 2b zeigt eine Ausführung mit einem Gewinde 42 mit geradem Verlauf im Spannelement 40 und einem Gewinde 22 mit geradem Verlauf in den Spannbacken 32. 2c zeigt eine Ausführung mit profilierter Aufnahme 34. In der Darstellung ist der Gehäusewirkbereich nicht gezeigt. Für die Gewinde 32 auf den Spannbacken 32 kann gegebenenfalls ein Gewindeeinsatz (z. B. einen so genannten Helicoil) gewählt werden, der eine höhere Härte aufweist als das Material der Spannbacken 32. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn die Spannbacken 32 Bestandteil einer aus einem Aluminiumwerkstoff gefertigten Sonotrode sind.
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Die Werkzeughalterung 20 ist beispielhaft als Spannzange ausgebildet mit Spannbacken 32 um die Aufnahme 34 für ein Einsatzwerkzeug (nicht dargestellt). Das Gewinde 42 mit konischem Verlauf in 2a führt dazu, dass beim Drehen des als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelements 40 die Spannbacken 32 beim Spannen durch den konischen Verlauf der Gewinde 22, 42 zusammengedrückt werden und beim Lösen diese freigegeben werden und sich wieder auseinander bewegen können. Ein eingestecktes Einsatzwerkzeug wird entsprechend gespannt oder gelöst.
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Optional kann, wie in 2a dargestellt, am freien Ende der Spannbacken 32 zusätzlich ein Konus vorgesehen sein, der mit einem entsprechenden Innenkonus des als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelements 40 zusammenwirkt und die Schließbewegung der Spannbacken 32 unterstützt.
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Bei gerade verlaufenden Gewinden 22 und 42, wie in 2b dargestellt, dient der Innenkonus 48 am freien Ende außerhalb des Gewindes 42 des Spannelements 40 dazu, beim Spannen durch Drehen des als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelements 40 die Spannbacken 32 zusammenzupressen. Dazu weisen die Spannbacken 32 an ihrem freien Ende eine entsprechende konische Fläche 38 auf.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann das Einsatzwerkzeug über eine Schulter verfügen, welche mithilfe der Spannzange kraftschlüssig in die Aufnahme 34 und damit beispielsweise an das Ultraschallschwingsystem 30 angepresst wird. Die Schulter kann beispielsweise ebenfalls als konische Fläche ausgebildet sein und durch das als Überwurfmutter ausgebildete Spannelement 40 beim Spannen in die Aufnahme 34 gedrückt werden.
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2c zeigt eine Variante der Ausführung in 2b, bei der die Innenseiten der Spannbacken 32 („Spannfutter”) ein Profil 36 aufweisen. Dies ermöglicht einen punktweisen oder linienhaften Kontakt zwischen Einsatzwerkzeug und Spannbacken 32. Die Oberfläche Innenseiten der Spannbacken 32 kann so profiliert sein, dass ein Flächenkontakt nur in den Bereichen mit ausreichender Klemmung erfolgen kann. Die Erhebung gegenüber den restlichen, nicht berührenden Bereichen, braucht hierbei nur wenige Mikrometer zu betragen. Alternativ kann natürlich auch das Einsatzwerkzeug, also z. B. ein Bohrer oder eine Klinge, an einer geeigneten Stelle Erhebungen oder z. B. Sicken aufweisen, um die oben erwähnte Funktion zu erhalten. Das Spannfutter kann dann unprofiliert bleiben.
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In 3 ist ein Längsschnitt eines Details eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems 100 mit einer Klinge als Einsatzwerkzeug 10 in der Werkzeughalterung 20 dargestellt. Um sicherzustellen, dass die Spannbacken 32 der Werkzeughalterung 20 genügend biegeweich sind, ist die Aufnahme 34 deutlich tiefer als die eigentliche Einstecktiefe des Einsatzwerkzeugs 10 ausgeführt. Wie in der Figur dargestellt, ist in den hinteren Teil der Aufnahme ein elastisches Material 68, etwa Gummi, angeordnet. Das elastische Material 68 kann beispielsweise durch z. B. Kleben oder Klemmen eingebracht sein. Das elastische Material 68 beeinflusst die Verbiegung der Spannbacken 32 nicht störend und dient als Tiefenanschlag für das einzusteckende Einsatzwerkzeug 10.
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4 eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems 100 einer Werkzeugmaschine 200 mit einem als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelement 40 und einer konisch verlaufenden Spannzange 46. Die Werkzeughalterung 20 weist ein Außengewinde 16 auf, auf welches das als Überwurfmutter ausgebildete Spannelement 40 zum Spannen aufgeschraubt werden kann, wenn dessen Wirkbereich 28 mit dem Gehäusewirkbereich 58 zusammenwirkt. Das als Überwurfmutter ausgebildete Spannelement 40 weist an seinem freien Ende eine Anlegekante auf, an welcher die Stirnseite der Spannzange 46 anliegt. Beim Spannen bewegt das als Überwurfmutter ausgebildeten Spannelement 40 die Spannzange 46 zur Aufnahme 34 hin. Die das Gewinde 16 tragende Werkzeughalterung 20 ist mit einem Innenkonus 18 versehen, in welchen die Spannzange 46 beim Spannen hineingetrieben wird, die damit einen in der Aufnahme 34 steckenden Schaft des Einsatzwerkzeugs 10 kraftschlüssig klemmt. Die Werkzeughalterung 20 kann insbesondere in ein Ultraschallsystem 30 integriert sein. So kann eine Sonotrode als Werkzeughalterung 20 ausgebildet sein und das Gewinde 16, Innenkonus 18 und Aufnahme 34 aufweisen.
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5 einen Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Werkzeugspannsystems 100 einer Werkzeugmaschine 200 mit einem Gehäuse 50. Die Werkzeugmaschine 200 ist beispielsweise eine ultraschallbetriebene Werkzeugmaschine 200 mit einem Ultraschallantriebssystem 80, in dessen Schwingsystem 30, beispielsweise eine Sonotrode, eine Werkzeughalterung 20 integriert ist. Das Gehäuse 50 erstreckt sich mit einem Gehäuseteil 52, welches ein Ende 56 aufweist, über die Werkzeughalterung 20. In der Werkzeughalterung 20 ist ein Einsatzwerkzeug 10 lösbar befestigt. Ein beispielsweise als Überwurfmutter ausgebildetes Spannelement 40 weist an seiner Außenseite einen Wirkbereich 28 auf, der mit einem Wirkbereich 58 des Gehäuseteils 56, insbesondere dessen Innenseite zum Spannen und zum Lösen des Einsatzwerkzeugs 10 in der vorstehend beschriebenen Weise zusammenwirkt.
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Dabei kann das Gehäuseteil 56 oder das Gehäuseteil 52 drehbar mit dem restlichen Teil des Gehäuses 50 verbunden sein
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Optional kann das Gehäuseteil 52 oder 56 über eine integrierte – z. B. federbetätigte – Drehmomentmesseinrichtung verfügen, welche beim Erreichen des vorgesehenen Drehmoments ein Signal an den Benutzer abgibt. Dieses Signal kann ähnlich wie bei einem Bohrmaschinenspannfutter beispielsweise als Knackgeräusch, oder in Form eines anderen akustischen und/oder optischen Signals abgegeben werden. Alternativ kann das Erreichen des Soll-Drehmoments wie bei Drehmomentschlüsseln durch eine kurzfristige Nachgiebigkeit im Drehmomentenverlauf angezeigt werden, so dass der Benutzer dies beim Verdrehen des entsprechenden Gehäuseteils 52, 56 spüren kann.
