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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugaufnahme für ein Rotationswerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur Zuführung von Kühl-/Schmiermittel zu einem solchen Rotationswerkzeug nach dem Patentanspruch 12.
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Ein solches Rotationswerkzeug kann ein Reib-, Fräs-, Bohr- oder Gewindebohrwerkzeug sein. Bei der spanenden Bearbeitung mit Hilfe eines von einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine angetriebenen Reib- oder Bohrwerkzeuges ist der Einsatz einer Minimalmengenschmierung (MMS) gängige Praxis, bei der das Kühl-/Schmiermittel als Aerosol mit sehr geringem Ölanteil bereitgestellt wird.
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Aus der
DE 10 2004 055 377 B4 ist ein solches, mit Minimalmengenschmierung betriebenes Werkzeug bekannt, bei dem das Rotationswerkzeug in einem Spannfutter einer Werkzeugaufnahme eingespannt ist. Die Werkzeugaufnahme ist über einen Adapter an einer Maschinenspindel einer Werkzeugmaschine befestigbar. Die Werkzeugmaschine weist eine werkzeugmaschinenseitige Kühl-/Schmiermittelversorgung auf, deren Versorgungsleitung bis zu einer stirnseitigen Anschlussstelle der Maschinenwelle geführt sind, an der die Werkzeugaufnahme koppelbar ist. Bei gekoppelter Werkzeugaufnahme kann das Kühl-/Schmiermittel über einen Kühl-/Schmiermittelkanal in der Werkzeugaufnahme direkt bis an die Schneide des Rotationswerkzeuges geführt werden.
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Bei einem solchen Werkzeugmaschinensystem ist der Strömungsweg für das Kühl-/Schmiermittel ausgehend von der maschinenseitigen Kühl-/Schmiermittelversorgung bis zum Rotationswerkzeug vergleichsweise lang. Dadurch ergeben sich im Betrieb hohe Ansprechzeiten bei der Zuführung des Kühl-/Schmiermittels.
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Zudem ist im Stand der Technik eine permanente Kühl-/Schmiermittel-Zuführung während des Betriebs gängige Praxis. Das heißt, dass während des Spanvorganges permanent ein Kühl-/Schmiermittel zugeführt wird, und zwar auch dann, wenn kein Kühl-/Schmiermittelbedarf vorhanden ist.
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Außerdem können, speziell bei einer Großserienproduktion im Fahrzeugbau, eine Anzahl von Werkzeugmaschinen einer gemeinsamen Kühl-/Schmiermittelversorgung zugeordnet sein. In einem solchen Fall kann ein gleichzeitiger Einsatz mehrerer Werkzeugmaschinen zu einer Überlastung der gemeinsamen Kühl-/Schmiermittelversorgung führen, so dass eine einwandfreie Kühl-/Schmiermittel-Zuführung bei ausreichend großem Versorgungsdruck nicht mehr gewährleistet ist.
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Aus der weiteren
DE 10 2005 022 197 A1 ist ein Werkzeugmaschinensystem mit integrierter aktiver Minimalmengenschmierung bekannt, die im Werkzeugschaft eines Rotationswerkzeuges angeordnet ist. Die Ansteuerung und Energieversorgung erfolgt über eine, in das Werkzeugsystem integrierte Steuereinheit auf telemetrischem Wege.
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Die
DE 199 45 480 B4 beschreibt ein Werkzeug zur spanabtragenden Bearbeitung von Werkstücken, das mit einer Werkzeugaufnahme koppelbar ist und einen Schmier und/oder Kühlmittel aufnehmenden Vorratsraum umfasst.
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Aus der
DE 196 18 540 A1 ist eine Werkzeugaufnahme für kühl- bzw. schmiermittelversorgte rotierende Werkzeuge, mit einem innenliegenden Kanalsystem zur Führung von Kühl- bzw. Schmiermittel an das Werkzeug mit Kühl- bzw. Schmiermittelspeicher bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Werkzeugaufnahme für ein Rotationswerkzeug bereitzustellen, bei dem in einfacher Weise eine betriebssichere Kühl-/Schmiermittel-Zuführung zum Rotationswerkzeug gewährleistet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und des Patentanspruches 12 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass eine maschinenseitige Kühl-/Schmiermittelversorgung bei bestimmten Betriebszuständen der Werkzeugmaschine eine einwandfreie Zuführung des Kühl-/Schmiermittels bis zum Rotationswerkzeug mit ausreichend großem Versorgungsdruck nicht gewährleisten kann. Vor diesem Hintergrund weist der Patentanspruch 1 der in der Werkzeugaufnahme angeordnete Kühl-/Schmiermittelkanal eine Dosierkammer mit einem Dosierkolben auf. Der Dosierkolben kann zur Druckerhöhung in der Dosierkammer von einer maschinenseitigen Steuereinheit angesteuert werden. Auf diese Weise erfolgt unmittelbar stromauf des Rotationswerkzeuges eine Druckbeaufschlagung des Kühl-/Schmiermittels, das mit ausreichend großem Druck bis zur Rotationswerkzeug-Schneide geführt werden kann. Die Werkzeugaufnahme kann bevorzugt einen Kühl-/Schmiermitteleinlass aufweisen, das mit einer externen Kühl-/Schmiermittelversorgung mit der Dosierkammer koppelbar ist. Die externe Kühl-/Schmiermittelversorgung ist von der maschinenseitigen internen Kühl-/Schmiermittelversorgung unabhängig.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn als Kühl-Schmiermittel kein Aerosol, das heißt ein Luft-Öl-Gemisch, sondern vielmehr ein Kühl-/Schmiermittel in flüssiger Form verwendet wird. Der oben erwähnte Kühl-/Schmiermitteleinlass kann über zum Beispiel eine Schnellkupplung mit einer Versorgungsleitung der externen Kühl-/Schmiermittelversorgung gekoppelt werden. Die Werkzeugaufnahme kann einen Ladezustand oder einen Betriebszustand einnehmen. Im Ladezustand wird die Dosierkammer der Werkzeugaufnahme mit Kühl-/Schmiermittel aufgeladen. Hierzu ist entweder die Werkzeugmaschine außer Betrieb, das heißt die Maschinenwelle stillgelegt, oder die Werkzeugaufnahme von der Werkzeugmaschine gelöst. Die externe Kühl-/Schmiermittelversorgung ist im Ladezustand mit dem Kühl-/Schmiermitteleinlass der Werkzeugaufnahme gekoppelt.
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Die externe Kühl-/Schmiermittelversorgung kann einem Werkzeugmagazin zugeordnet sein, in das die Werkzeugaufnahme bei Nichtgebrauch, etwa bei einem Werkzeug-Wechsel oder dergleichen, ablegbar ist. Das Werkzeugmagazin kann eine Andockstation aufweisen. Die Andockstation kann nach erfolgter Werkzeugaufnahme-Ablage die Werkzeugaufnahme-Dosierkammer mit der externen Kühl-/Schmiermittelversorgung koppeln, damit der Aufladevorgang gestartet werden kann. Bei entkoppelter externer Kühl-/Schmiermittelversorgung ist dagegen der Kühl-/Schmiermitteleinlass der Werkzeugaufnahme fluiddicht geschlossen.
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Zusätzlich zum Kühl-/Schmiermitteleinlass für die externe Kühl-/Schmiermittelversorgung kann die Werkzeugaufnahme auch einen zweiten Kühl-/Schmiermitteleinlass aufweisen. Dieser mündet jedoch nicht in die Dosierkammer, sondern in eine Steuerkammer. Die Steuerkammer und die Dosierkammer sind mittels des hubverstellbaren Dosierkolbens druck- und fluiddicht voneinander getrennt. Die Steuerkammer kann über den zweiten Kühl-/Schmiermitteleinlass strömungstechnisch mit der werkzeugmaschinenseitigen, internen Kühl-/Schmiermittelversorgung verbunden sein. Die werkzeugmaschinenseitige interne Kühl-/Schmiermittelversorgung wird bei Vorliegen eines Schmier-/Kühlmittelbedarfs von einer maschinenseitigen Steuereinheit angesteuert. Dadurch steigt der Steuerdruck in der Steuerkammer und wird der Dosierkolben über einen Hubweg in Richtung auf die Dosierkammer verstellt. Auf diese Weise wird ein vorgegebenes Kühl-/Schmiermittelvolumen aus der Dosierkammer verdrängt und durch den Kühl-/Schmiermittelauslass zum Rotationswerkzeug gedrückt.
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Der Kühl-/Schmiermittelauslass der Dosierkammer kann ein Begrenzungsventil aufweisen. Das Begrenzungsventil im Kühl-/Schmiermittelauslass kann bis zum Erreichen eines Druck-Schwellwertes in der Dosierkammer den Strömungsweg zum Rotationswerkzeug schließen. Erst bei Erreichen des Druck-Schwellwertes wird das Begrenzungsventil und damit der Strömungsweg zum Rotationswerkzeug geöffnet. Es erfolgt somit keine permanente, sondern eine dosierte, diskontinuierliche Zuführung von Kühl-/Schmiermittel zum Rotationswerkzeug, und zwar nur bei entsprechender Druckbeaufschlagung des Dosierkolbens.
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In der obigen Ausführungsform wird der Dosierkolben mit Hilfe des internen Kühl-/Schmiermittelversorgungssystem druckbeaufschlagt. Alternativ kann die Druckbeaufschlagung des Dosierkolbens, das heißt dessen Ansteuerung, auch unabhängig vom internen Kühl-/Schmiermittelversorgungssystem erfolgen. In diesem Fall kann beispielhaft der Dosierkolben einen Kolbenstößel aufweisen, der zum Beispiel elektromechanisch von der maschinenseitigen Steuereinheit ansteuerbar ist, um den Dosierkolben in Richtung auf die Dosierkammer über einen Hubweg zu verstellen.
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Mit der oben dargelegten Werkzeugaufnahme wird auf eine unmittelbare Zuführung von Kühl-/Schmiermittel aus der maschineninternen Kühl-/Schmiermittelversorgung zum Rotationswerkzeug verzichtet. Anstelle dessen wird erfindungsgemäß eine externe Kühl-/Schmiermittelversorgung bereitgestellt, mit deren Hilfe das Rotationswerkzeug mit Kühl-/Schmiermittel versorgt wird. Die Versorgung des Rotationswerkzeuges mit Kühl-/Schmiermittel erfolgt bevorzugt diskontinuierlich, das heißt nur bei Vorliegen eines Kühl-/Schmiermittelbedarfs. Ansonsten ist die Kühl-/Schmiermittelzuführung unterbrochen.
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Im vorangegangenen Ausführungsbeispiel weist die Werkzeugaufnahme als Aufnahmeelement für das Rotationswerkzeug das Spannfutter auf. Anstelle des Spannfutters kann gegebenenfalls auch eine Vorsatzspindel mit integrierter Übersetzung vorgesehen sein. An der Vorsatzspindel ist das Rotationswerkzeug befestigbar. Mit Hilfe der in der Vorsatzspindel integrierten Übersetzung kann die Vorsatzspindel-Drehzahl im Vergleich zur Maschinenspindel-Drehzahl deutlich gesteigert werden.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 in einer Schnittdarstellung eine Werkzeugaufnahme im Betriebszustand, das heißt eingebaut in einer nur grob als Blockschaltdiagramm angedeuteten Werkzeugmaschine; und
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2 die Werkzeugaufnahme in einem Ladezustand, das heißt von der Werkzeugmaschine entfernt, zum Aufladen der Dosierkammer mit Kühl-/Schmiermittel.
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In der 1 ist in einem stark vereinfachten Bockschaltdiagramm eine Werkzeugmaschine mit einer in Schnittdarstellung gezeigten Werkzeugaufnahme 1 dargestellt. Die in die Werkzeugmaschine eingebaute Werkzeugaufnahme 1 weist einen als ein Hohlkegelschaft ausgebildeten Adapter 3 auf, der an der Stirnseite einer gestrichelt angedeuteten Maschinenspindel 5 der Werkzeugmaschine befestigt ist. Die Maschinenspindel 5 ragt in einen vom Adapter 3 begrenzten Hohlraum ein, in dem ein Anschlussstutzen 7 eines in der Werkzeugaufnahme 1 verlaufenden Kühl-/Schmiermittelkanals 9 angeordnet ist. Der Anschlussstutzen 7 ist in der 1 strömungstechnisch gekoppelt mit einer Versorgungsleitung 11, die koaxial innerhalb der Maschinenspindel 5 verläuft und zu einer maschinenseitigen internen Kühl-/Schmiermittelversorgung 12 geführt ist.
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Die interne Kühl-/Schmiermittelversorgung 12 ist in der 1 nur insoweit dargestellt, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge weist die interne Kühl-Schmiermittelversorgung 12 einen Druckspeicher 13 auf, in dem beispielhaft eine Kühlflüssigkeit oder Luft unter Druck gespeichert ist. In der Versorgungsleitung 11 ist ein Stellventil 15 angeordnet, das von einer maschinenseitigen Steuereinheit 17 ansteuerbar ist. Je nach Stellung des Stellventils 15 ist der Strömungsweg in der Versorgungsleitung 11 geöffnet oder geschlossen.
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Die Werkzeugaufnahme 1 ist gemäß der 1 zweiteilig aus einem Grundkörper 23 sowie einem Spannfutter 19 ausgeführt, in das ein gestrichelt angedeutetes Rotationswerkzeug 21 eingespannt ist. Im Grundkörper 23 der Werkzeugaufnahme 1 ist ein zylindrischer Hohlraum 25 mit einer Laufbuchse 27 vorgesehen, in der ein in Axialrichtung hubverstellbarer Dosierkolben 29 geführt ist. Der Dosierkolben 29 unterteilt den zylindrischen Hohlraum 25 in eine dem Spannfutter 19 zugewandte Dosierkammer 31 und in eine dem Anschlussstutzen 7 zugewandte Steuerkammer 33, und zwar druckdicht sowie fluiddicht.
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Die Werkzeugaufnahme 1 weist an seiner Außenumfangsseite einen ersten Kühl-/Schmiermitteleinlass 35 mit einem Kupplungsteil 57 (nur symbolisch dargestellt) einer später anhand der 2 beschriebenen Schnellkupplung 51 auf. Über die Schnellkupplung 51 ist eine später beschriebene externe Kühl-/Schmiermittelversorgung 37 anschließbar.
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Neben dem oben erwähnten ersten Kühl-/Schmiermitteleinlass 35 ist der bereits erwähnte Anschlussstutzen 7 als ein zweiter Kühl-/Schmiermitteleinlass 35 vorgesehen, der jedoch nicht in die Dosierkammer 31, sondern vielmehr in die Steuerkammer 33 mündet. Die Dosierkammer 31 ist außerdem über einen Kühl-/Schmiermittelauslass 39 mit einer nicht dargestellten Kühlleitung im Rotationswerkzeug 21 verbunden. Der Kühl-/Schmiermittelauslass 39 weist ein Begrenzungsventil 41 (als Rückschlagventil ausgebildet) auf. Ein entsprechendes Ventil 43 ist auch im Anschlußstutzen 7 angeordnet.
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In der 1 ist die Werkzeugaufnahme 1 in einem Betriebszustand I dargestellt, bei dem die Werkzeugmaschine das Rotationswerkzeug 21 über eine vorgegebene Drehzahl dreht. Der Anschlussstutzen 7 des Werkzeugaufnahme 1 ist strömungstechnisch mit dem maschinenseitigen, internen Kühl-/Schmiermittelsystem 12 gekoppelt. Sobald ein Schmier-/Kühlmittelbedarf vorliegt, betätigt die Steuereinheit 17 das Stellventil 15 der internen Kühl-/Schmiermittelversorgung 12. Auf diese Weise wird der Dosierkolben 29 mit einem vorgegebenen Steuerdruck beaufschlagt. Der Dosierkolben 29 wird dadurch um einen Hubweg h in Richtung auf die Dosierkammer 31 hubverstellt. Dadurch wird das in der Dosierkammer 31 befindliche Kühl-/Schmiermittel verdrängt und über das im Kühl-/Schmiermittelauslass 39 angeordnete Begrenzungsventil 41 bis zum Rotationswerkzeug 21 gedrückt.
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Das im Kühl-/Schmiermittelauslass 39 angeordnete Begrenzungsventil 41 ist derart ausgelegt, dass es bis zum Erreichen eines Druck-Schwellwertes in der Dosierkammer 31 geschlossen bleibt und erst mit dem Erreichen des Druck-Schwellwertes den Auslass 39 öffnet. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass nur bei einer Erhöhung des Steuerdruckes (das heißt nur bei Vorliegen eines Kühl-/Schmierbedarfs) das Kühl-/Schmiermittel zum Rotationswerkzeug 21 geführt wird.
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Wie aus der 1 oder 2 weiter hervorgeht, ist in der Steuerkammer 33 zusätzlich ein Federelement 46 vorgesehen, das den Dosierkolben 29 permanent in Richtung auf die Dosierkammer 31 vorspannt. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass speziell bei hohen Drehzahlen (aufgrund der auf das Kühl-/Schmiermittel wirkenden Zentrifugalkräfte) der Dosierkolben 29 nicht in Richtung auf die Steuerkammer 33 verstellt wird.
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In der 2 ist die Werkzeugaufnahme 1 in ihrem Ladezustand II dargestellt. Im Ladezustand II ist die Werkzeugaufnahme 1 von der Maschinenspindel 5 entfernt und in einem Werkzeugmagazin 47 abgelegt. Dem Werkzeugmagazin 47 ist die bereits erwähnte externe Kühl-/Schmiermittelversorgung 37 zugeordnet. Diese weist eine Andockstation 49 mit der Schnellkupplung 51 auf. Die Andockstation 49 ist derart ausgelegt, dass bei Ablage der Werkzeugaufnahme im Werkzeugmagazin 47 der erste Kühl-/Schmiermitteleinlass 35 der Werkzeugaufnahme 1 automatisch über die Schnellkupplung 51 mit der externen Kühl-/Schmiermittelversorgung 37 gekoppelt ist.
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Die externe Kühl-/Schmiermittelversorgung 37 weist einen Druckspeicher 53 auf, in dem ein Kühl-/Schmiermittelvorrat mit einem vorgegebenen Druck beaufschlagt ist. Der Druckspeicher 53 ist über eine Versorgungsleitung 55 mit einem Kupplungsteil 57 der Schnellkupplung 51 in Verbindung, und zwar unter Zwischenschaltung eines Stellventiles 59. Das Stellventil 59 wird bei einer Ablage der Werkzeugaufnahme 1 in dem Werkzeugmagazin 47 gegebenenfalls selbsttätig in seine Offenstellung verstellt. Dadurch kann das Kühl-/Schmiermittel in einem Ladevorgang in die Dosierkammer 31 einströmen, und zwar unter Verdrängung des Dosierkolbens 29 in Richtung auf die Steuerkammer 33.
