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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugaufnahme zum Einschrumpfen von rotierenden Werkzeugen, umfassend einen Einschrumpfbereich zum Fixieren des Werkzeugs, wobei der Einschrumpfbereich wenigstens eine sich in Längsrichtung des Einschrumpfbereichs erstreckende Nut aufweist, die mit einer Kühlschmierstoffquelle verbunden ist.
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2. Stand der Technik
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Für einen optimalen Bohr- oder Fräsprozess ist es erforderlich, einen Kühlschmierstoff in den Kontaktbereich zwischen Bohrer- oder Fräse und Werkstück zu bringen. Als Kühlschmierstoffe sind hierbei Luft, geölte Luft, eine Emulsion auf Wasserbasis oder Luft mit wässriger Emulsion üblich.
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Die Zuführung des Kühlschmierstoffs in den Kontaktbereich erfolgt im Allgemeinen entweder unter Verwendung separater Düsen, über die der Kühlschmierstoff von außen an den Bohrer oder Fräser befördert wird, oder durch das Werkzeug selbst hindurch. Die Zuführung von der Seite oder von außen an den Fräser ist jedoch nicht optimal, da das Werkzeug nicht gleichmäßig mit Kühlschmierstoff versorgt wird und die richtige Einstellung der Düsen nur von Hand vorgenommen werden kann. Eine Zuführung durch das Werkzeug hindurch bringt zwar den Kühlschmierstoff in idealer Weise an die Kontaktstelle, ist jedoch bei kleinen Bohrern oder Fräsern aufgrund der geometrischen Verhältnisse des Werkzeugs nicht mehr möglich. Selbst dort, wo die Zuführung durch das Werkzeug noch geometrisch möglich und technisch durchführbar ist, ist diese Lösung, die an jedem einzelnen Werkzeug ausgeführt werden muss, ausgesprochen kostenintensiv.
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Es hat daher bereits Versuche gegeben, die Zuführung des Kühlschmierstoffs weiter zu optimieren. Zum einen wurde die Zuführung des Kühlschmierstoffs durch die Aufnahme für das Werkzeug hindurch erprobt. Dieses Verfahren bietet sich bei Werkzeugaufnahmen an, bei denen der Bohrer oder Fräser mittels Einschrumpfen in der Aufnahme befestigt wird. Der Nachteil dieser Lösung ist jedoch die aufwändige und damit kostenintensive Einbringung der Bohrungen in die Aufnahme. Nur bei neuen Aufnahmen lassen sich die entsprechenden Bohrungen einbringen. Die Schrumpfaufnahme wird zudem durch die Bohrung genau in dem Bereich geschwächt, in dem die hohen Kräfte durch den Schrumpfsitz aufgenommen werden müssen und muss daher dicker als eine Aufnahme ohne Bohrungen ausgeführt werden, was bei beengten Bearbeitungsverhältnissen störend wirken kann.
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Zum anderen sind Lösungen aus der Praxis bekannt, bei denen der Kühlschmierstoff unmittelbar in der Nähe des Werkzeugs zugeführt und über eine separate Einheit die Schrumpfaufnahme umbauend ausgeführt ist. Diese separate Einheit kann mit der Schrumpfaufnahme zusammen aus dem Werkzeugwechsler aus- und wieder eingewechselt werden. Diese Einrichtung benötigt jedoch eine separate Übergabeeinheit für den Kühlschmierstoff in der Nähe der Spindel. Da für jedes Werkzeug zusätzlich zur Aufnahme noch die Zufuhreinheit benötigt wird und der Wechsler entsprechend modifiziert werden muss, ist diese Lösung jedoch ausgesprochen aufwändig und teuer. Bei beengten Bearbeitungsverhältnissen stört darüber hinaus die Übergabeeinheit.
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Sämtliche Ausführungen von Werkzeugaufnahmen, bei denen die Kühlmittelzuführung gemeinsam mit dem Werkzeug rotiert, weisen jedoch gemeinsam den Nachteil auf, dass hiermit nur homogene Kühlschmierstoffe wie Luft, Öl oder Emulsion sicher an das Werkzeug herangeführt werden können. Bei Kühlschmierstoffen, die aus einem Zweiphasengemisch, beispielsweise Öl und Luft oder Wasser und Luft, bestehen, erfolgt bei Drehzahlen oberhalb von ca. 10.000 Umdrehungen pro Minute aufgrund der einwirkenden Zentrifugalkraft eine Auftrennung des Kühlschmierstoffs in seine einzelnen Phasen. Die schwere Phase sammelt sich dabei in Hohlräumen der Aufnahmen an und gelangt nicht gemeinsam mit der leichteren Phase an den Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück.
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3. Aufgabe der Erfindung
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Es war daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugaufnahme zur Verfügung zu stellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet und darüber hinaus kostengünstig herzustellen und platzsparend einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird mittels einer Werkzeugaufnahme, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
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4. Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind eine an den Einschrumpfbereich sich anschließende Fördereinheit zum Fördern des Kühlschmierstoffs sowie ein Übergaberohr vorgesehen, wobei die Fördereinheit wenigstens eine auf ihre Umfangsfläche angeordnete und entgegen der Zustell- oder Rotationsrichtung des Werkzeugs spiralförmig um die Fördereinheit verlaufende Nut zum Zuführen des Kühlschmierstoffs zum Werkzeug aufweist. Die Zustellrichtung des Werkzeugs folgt üblicherweise der sogenannten „rechts-Hand-Regel”, bei der der Daumen die Zustellrichtung und die Finger die Drehrichtung angeben. Die spiralförmig umlaufende Nut an der Fördereinheit weist einen dieser Drehrichtung entgegengesetzten Drehsinn auf. Hierdurch wird konstruktiv ermöglicht, dass auch bei hohen Drehzahlen beide Phasen eines mehrphasigen Kühlschmierstoffes gleichmäßig bis an das Werkzeug zu fördern sind und den Forderungen nach kostengünstiger und platzsparender Lösung Rechnung getragen wird. Aufgrund des Umstands, dass keine Kühlschmierstoffzufuhr durch das Werkzeug selbst ausgeführt wird, erlaubt die Erfindung auch die Anwendung auf kleine Werkzeuge, für die die bisherigen Lösungen unzureichend waren.
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Erfindungsgemäß umfasst die Werkzeugaufnahme, die im Bereich der Einschrumpflänge des Werkzeugs mit Nuten oder Schlitzen versehen ist, um den Kühlschmierstoff durch die Aufnahme zum Werkzeug hin zuzuführen, auch ein Übergaberohr sowie eine speziell geformte Fördereinheit direkt anschließend an den Einschrumpfbereich. Die erfindungsgemäße Fördereinheit hat dabei die Aufgabe, die sich aus dem Kühlmittelstrom entmischende schwerere Phase bei Austritt aus der Übergabe aufzufangen und gezielt in die Nuten der Aufnahme im Spannbereich, dem Einschrumpfbereich, des Werkzeugs, zuzuführen, wo sie wieder vom Kühlmittelstrom weitergefördert werden. Deshalb weist die Fördereinheit zumindest eine, vorzugsweise mehrere spiralförmig angeordneten Nuten auf, die einen entgegen der Drehrichtung des Werkzeugs verlaufenden Drall aufweisen, so dass durch die Fliehkraft und die Formschräge der Nuten in axialer Richtung eine Kraftkomponente in axialer Richtung zum Werkzeug hin entsteht, über die sämtliche Phasen des Kühlschmierstoffs durch die Nuten zum Werkzeug hin gefördert werden. Vorzugsweise stimmt die Anzahl der Nuten an der Fördereinheit mit der Anzahl der Nuten oder Schlitze in dem Einschrumpfbereich überein.
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Vorzugsweise ist das rotierende Werkzeug ein Fräswerkzeug, wodurch die Erfindung besonders vorteilhaft genutzt werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme weist die Fördereinheit eine entgegen der Förderrichtung des Kühlschmierstoffs ausgerichtete und mittig angeordnete Kegelspitze sowie umfänglich wenigstens zwei die Kegelspitze überkragende Kühlschmierstoff-Leitelemente auf. Hierdurch wird mit mechanisch besonders wirksamen Mitteln die Förderung des Kühlschmierstoffs zum Werkzeug mit einer Kraftkomponente in axialer Richtung zum Werkzeug hin verwirklicht. Ebenso bevorzugt sind Formabweichungen von einer Kegelspitze, wie etwa eine Kegelstumpfform oder eine Kugelform.
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Vorzugsweise weist die Fördereinheit vier auf ihrer Umfangsfläche vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnete Nuten auf, die in einer überaus bevorzugten Ausführungsform zwischen vier eine Kegelspitze überkragenden Kühlschmierstoff-Leitelementen vorgesehen sind.
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Die Spiralform der wenigstens einen Nut weist vorzugsweise eine über die Länge der Nut inkonstante Steigung auf, wodurch die Aufbringung der axialen Kraftkomponente auf den Kühlschmierstoff beim Übergang vom Übergaberohr zum Werkzeug oder dem Einschrumpfbereich stufenlos und somit im Wesentlichen verwirbelungsarm erreicht werden kann.
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Die Fördereinheit weist bevorzugt an ihrer dem Einschrumpfbereich zugewandten Seite wenigstens eine Rastvorrichtung, vorzugsweise wenigstens eine Tasche, zur drehfesten Sicherung der Fördereinheit in Bezug auf die Werkzeugaufnahme auf. Vorzugsweise dienen vier Taschen, bevorzugt jeweils am Fuß jedes Kühlschmierstoff-Leitelements angeordnet, im Zusammenhang mit komplementären Komponenten in der Werkzeugaufnahme, zur radialen Fixierung und Positionierung der Fördereinheit innerhalb der Werkzeugaufnahme.
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Bevorzugt wird zudem, wenn zumindest die Fördereinheit, vorzugsweise die Fördereinheit und das Übergaberohr, ein integraler Bestandteil der Werkzeugaufnahme sind.
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In einer alternativen und ebenso bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Fördereinheit von außen an die Werkzeugaufnahme anbringbar. Das Übergaberohr dient hierbei zur Verbindung zwischen Werkzeugaufnahme und Spindel und wird vorzugsweise innen angeordnet. Von hier können Bohrungen für den Kühlschmierstoff in den Bereich zwischen dem Einschrumpfbereich und der außen angebrachten Fördereinheit, die daher vorzugsweise ihrerseits auf ihrer Innenseite Leitelemente und Nuten aufweist, führen. Hierdurch wird eine Werkzeugaufnahme geschaffen, die in der Lage ist, gegebenenfalls bereits vorhandene Werkzeugaufnahmen nachzurüsten und die in ihrer Einsatzvielfalt besonders variabel ist.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme ist insbesondere für Drehzahlen im Betrieb des Werkzeugs von größer 9.000 Umdrehungen pro Minute, vorzugsweise größer 10.000 Umdrehungen pro Minute, geeignet. Vorzugsweise tritt auch bei diesen besonders hohen Drehzahlen keine wesentliche Entmischung eines mehrphasigen Kühlschmierstoffgemisches auf.
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5. Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf drei Figuren erläutert, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind.
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1: zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme von außen,
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2: zeigt eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme, und
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3: zeigt eine Draufsicht von außen auf eine erfindungsgemäße Fördereinheit.
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6. Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Draufsicht von außen auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme 1 mit einem Einschrumpfbereich 3 für ein (nicht dargestelltes) Werkzeug, wobei der Einschrumpfbereich 3 vier Nuten oder Schlitze 4 aufweist, die sich in Längsrichtung über den gesamten Einschrumpfbereich 3 erstrecken und zur Zufuhr von Kühlschmierstoff von einer (nicht dargestellten) Kühlschmierstoffquelle zum innerhalb des Einschrumpfbereichs 3 eingespannten Werkzeug dienen.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme 1, in der ein (nicht dargestelltes) Werkzeug innerhalb eines Einschrumpfbereichs 3, in dem Nuten oder Schlitze 4 angeordnet sind, eingespannt werden kann. Die Werkzeugaufnahme 1 ist an ihrer dem Einschrumpfbereich 3 abgewandten Seite mit einer (nicht dargestellten) Kühlschmierstoffquelle verbunden, wobei der Kühlschmierstoff durch ein Übergaberohr 5 und ein Distanzstück 10 auf eine Fördereinheit 6 hin gefördert wird. Die Fördereinheit 6 ist drehfest zum Einschrumpfbereich 3 innerhalb der Werkzeugaufnahme 1 angeordnet und dreht sich somit beim Betrieb der Werkzeugaufnahme 1 mit dem Übergaberohr 5 und zum Distanzstück 10. Das Kühlschmiermittel wird mit Überdruck durch eine Durchführung in das Innere der Frässpindel gefördert und erhält dadurch eine axiale Geschwindigkeit in Richtung des Fräswerkzeugs. Beim Austritt aus dem Distanzstück 10 erhält der Kühlschmierstoff aufgrund der Fliehkraft infolge der Rotation des Übergaberohrs 5 und des Distanzstücks 10 eine radiale Geschwindigkeit. Die Leitelemente 9 der Fördereinheit 6 leiten das Kühlschmiermittel um und zwingen es in eine vorzugsweise rein axiale Richtung. Gleichzeitig wird die Querschnittsfläche, durch die das Medium strömt, kleiner, wodurch sich der Druck und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlschmiermittels erhöhen. Die Energie für die Umlenkung sowie die Druck- und Geschwindigkeitserhöhung kommen aus der Rotationsenergie der Spindel. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 stellt somit quasi die Umkehrung eines Radialverdichters dar, bei dem das Medium axial ein- und unter Druck- und Geschwindigkeitserhöhung austritt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 erfolgt ein radiales Ein- und axiales Ausströmen.
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3 schließlich zeigt eine Draufsicht von außen auf eine erfindungsgemäße Fördereinheit 6, bei der mittig eine Kegelspitze 8 von vier Kühlschmierstoff-Leitelementen 9 überkragt wird. Zwischen den vier Kühlschmierstoff-Leitelementen 9 sind äquidistant zueinander um den Umfang der Oberfläche der Fördereinheit 6 vier Nuten 7a bis 7d angeordnet, die sich spiralförmig in Förderrichtung des Kühlschmierstoffs durch die Fördereinheit 6 hindurch in der Zeichnung von oben nach unten mit einer nichtkonstanten Steigung erstrecken. An der dem (nicht dargestellten) Einschrumpfbereich zugewandten Seite der Fördereinheit sind zudem vier Taschen 11 am Fuß jedes Kühlschmierstoff-Leitelements 9 angeordnet, die im Zusammenwirken mit korrespondierenden Komponenten im Einschrumpfbereich die drehfeste Anordnung der Fördereinheit 6 innerhalb der gesamten Werkzeugaufnahme gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkzeugaufnahme
- 3
- Einschrumpfbereich
- 4
- Nute oder Schlitze
- 5
- Übergaberohr
- 6
- Fördereinheit
- 7
- Nuten
- 8
- Kegelspitze
- 9
- Kühlschmierstoff-Leitelement
- 10
- Distanzstück
- 11
- Taschen
