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Die Erfindung betrifft Dämpfungselemente für Werkzeugspannsysteme zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die bei einer kraftschlüssigen Klemmung von Werkzeugen in einer Werkzeugaufnahme oder am Werkzeug selbst bei einer spanenden Bearbeitung auftreten.
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Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente für die unterschiedlichsten technischen Gebiete zum Einsatz kommen. Formgedächtniselemente auf der Grundlage des pseudoelastischen Verhaltens werden z. B. als Feder-Dämpfungselemente und als Festkörperelemente eingesetzt, da sich die Komponenten aus Formgedächtnismaterial an eine durch eine Glühbehandlung zuvor eingeprägte Form erinnern. So werden das hohe Verformungsvermögen der Formgedächtniselemente und das gegenüber vielen Metallen hohe Dämpfungsvermögen genutzt, um beispielsweise bei Sportgeräten durch einfache Feder-Dämpfungssysteme die auf die Sportgeräte wirkenden stoß- und schwingungsartigen Belastungen bei ihrem Einsatz zu dämpfen, wie in der
DE 10 2011 016 463 A1 beschrieben. Es ist bekannt, dass in Werkzeugspannsystemen Schwingungen durch die spanende Bearbeitung auftreten. Diese Schwingungen werden durch das Werkzeug in das Spannsystem eingeleitet und führen zu einer geringeren Standzeit des Werkzeuges und zu einer schlechteren Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Werkstückes. Die Reduzierung von Schwingungen in Werkzeugen und Werkzeugspannsystemen ist deshalb eine wichtige technische und ökonomische Zielsetzung. Bekannte Systeme zur Schwingungsreduzierung sind vielfach sehr aufwendig aufgebaut. Insbesondere aktive Systeme auf der Basis von Piezokeramiken benötigen eine technisch aufwendige und kostenintensive Elektronik. Zudem wird für diese Systeme eine externe elektrische Energieanbindung benötigt, deren Zuführung meistens schwierig ist. Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente zwei unterschiedliche Effekte aufweisen. Einmal den thermischen Effekt, der auf der pseudoplastischen Verformung im martensitischen Zustand und der im Vergleich zum Austenit geringen Festigkeit des Martensits beruht. Die Formänderung ist dabei bleibend. Erwärmt man anschließend das Material über die Phasen-Umwandlungs-Temperatur hinaus, so stellt sich während der Umwandlung in die austenitische Phase die ursprüngliche Form der Probe wieder ein. Dieser Effekt eignet sich vorwiegend für Stellelemente bzw. Aktoren. Bei dem anderen Effekt, der als mechanischer oder pseudoelastischer Effekt bezeichnet wird, kann man ohne Einfluss einer äußeren Temperaturänderung jedoch bei Einwirken einer äußeren Kraft reversible Dehnungen von maximal 8% erreichen. Dieser pseudoelastische Bereich ist dem Bereich der konventionellen elastischen Verformung nachgelagert. Die Verformung erfolgt dabei in der austenitischen Phase und basiert auf einer spannungsinduzierten Martensitbildung. Nimmt man nach der Verformung die martensitbildende Kraft auf das Formgedächtniselement wieder weg, so vollzieht sich eine Rückumwandlung des Martensits in Austenit und die Dehnung geht bei nahezu konstanter Spannung wieder zurück. Es stellt sich also wieder die ursprüngliche Form des Formgedächtniselementes ein, es wandelt also mechanische in potentielle Energie um und gibt diese auch wieder frei. Während dieser spannungsinduzierten Martensitbildung stellt sich im Gegensatz zu einer konventionellen elastischen Verformung eine Umwandlungshysterese ein. Die Fläche der Hysterese entspricht dabei der dissipiierten Energie. Dieses Phänomen kann demzufolge zur Dämpfung von mechanischer Energie genutzt werden und diese Eigenschaft erlaubt somit die Herstellung von sehr kompakten Festkörperdämpfungselementen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch eine Veränderung der Legierungszusammensetzung oder der thermomechanischen Vorbehandlung des Materials die Hysteresefläche und damit das Dämpfungsverhalten zu verändern. Eine weitere Veränderung des Dämpfungsverhaltens kann auch durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden. In der automatischen spanabhebenden Fertigung sind Spannwerkzeuge bekannt, deren Spannkraft über ein Druckmedium und eine radial verformbare Dehnbüchse bzw. Schrumpfmanschette auf das Werkstück übertragen wird. So ist aus der
DE 39 09 630 C2 ein Spannwerkzeug zum kraftschlüssigen und hochpräzisen Klemmen von Werkstücken an definiert bearbeiteten Anlageflächen des Werkstückes mittels eines innerhalb des Spannwerkzeuges vorgesehenen Dehnelementes aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen bekannt, welches in entspannten Zustand spielarm, aber beweglich mit dem Werkstück zusammengepasst und großflächig radial mit einer Kraft beaufschlagt ist. Um eine hohe Dehnrate des Dehnelementes bei einer geschlossenen Ausbildung zu erreichen und um die Werkstücke mit gröberen Toleranzen mit den Spannwerkzeugen zusammenzupassen, besteht das Dehnelement aus einer Formgedächtnislegierung, die so gewählt ist, dass bei der Einsatztemperatur des Spannwerkzeuges der Bereich der reversiblen, spannungsinduzierbaren austenitisch/martensitischen Gefügeumwandlung, auch pseudoelastischer oder superelastischer Bereich genannt, vorliegt. Aus der
DE 198 60 254 C1 ist weiterhin ein Spannfutter zum Spannen eines Schaftes mit einer den Schaft aufnehmenden elastischen Klemmhülse und mit einer die Klemmhülse bei geringem Spiel umgebenden Schrumpfmanschette aus einer Formgedächtnislegierung bekannt, wobei die Schrumpfmanschette auch als ein- oder mehrgängige Wendel ausgebildet ist, um ein schnelles Auswechseln von Teilen im Spannfutter zu ermöglichen, da sonst das Erwärmen des unterkühlten Spannfutters längere Zeit in Anspruch nimmt. Die Schrumpfmanschette auf der Basis von Formgedächtnislegierungen arbeitet dabei mit dem thermischen Formgedächtniseffekt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Dämpfungselemente für einfache oder modular aufgebaute Werkzeugspannsysteme zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die in einer Werkzeugaufnahme oder einem Werkzeug bei einer spanenden Bearbeitung auftreten, zu schaffen, die diese Schwingungen, die durch das Werkzeug in das Spannsystem eingeleitet werden und zu einer geringeren Standzeit des Werkzeuges und zu einer schlechteren Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Werkstückes führen, reduzieren. Die Dämpfungselemente sind dabei so auszubilden, dass sie einfach, kompakt und energieautark ausgebildet sind und die Dämpfungseigenschaften im Betriebszustand temporär veränderbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein aus einer Formgedächtnislegierung mit mechanischem Effekt bestehendes Dämpfungselement in einem Werkzeugspannsystem oder am Werkzeug selbst vorgesehen, derart, dass das im gespannten Zustand im Kraftfluss der gespannten Elemente vorgesehene Dämpfungselement durch eine mechanische Krafteinwirkung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung über seine Vorspannung in einer reversiblen und hysteresebehafteten Verformung vorliegt und zu einer Dissipation von mechanischer Energie führt, wobei die zu dämpfende mechanische Energie eine zyklische Schwingung ist oder eine nichtzyklische Überlast darstellt, die in Form der Stöße übertragen wird.
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Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Dämpfungselementes dessen Dämpfungsverhalten zu verändern und damit an neue Systemzustände anzupassen. Die Veränderung der Eigenschaften ist werkstoffbedingt und wird über eine Temperaturänderung initiiert. Bei einer Erhöhung der Temperatur wird dabei die Spannungs-Dehnungs-Hysterese der pseudoelastischen als Dämpfungselemente ausgebildeten Formgedächtniselemente verkleinert und die Steifigkeit der Elemente erhöht, so dass höhere Temperaturen ein weniger dämpfendes und steiferes Verhalten der Dämpfungselemente bewirken.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Dämpfungselemente auf Basis von Formgedächtnislegierungen verschiedene Bauformen aufweisen. Als Bauformen kommen beispielsweise Unterlegscheiben, Tellerfedern, Ringe, Voll- oder Hohlzylinder, Biegestreifen oder Torsionsstäbe zum Einsatz. So ist das aus Formgedächtnismaterial vorgesehene Dämpfungselement z. B. hülsenförmig ausgebildet und entweder zwischen einem zylindrischen Schaft eines Werkzeuges und einem Aufnahmeelement einer Werkzeugaufnahme angeordnet und der zylindrische Schaft des Werkzeuges wird kraftschlüssig in einer zylinderförmigen Ausnehmung des Dämpfungselementes gehalten, oder das hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement ist zwischen einer Spannzange und dem zylindrischen Schaft des Werkzeuges angeordnet, wobei mittels einer an der Spannzange vorgesehenen Schraube eine axiale Kraft erzeugt wird, so dass das Dämpfungselement mit dem zylindrischen Schaft des Werkzeuges verbunden ist.
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Bevorzugt ist für modular ausgebildete Werkzeugspannsysteme vorgesehen, dass die Werkzeugaufnahme, bei der in einem Basishalter ein Werkzeugmodul mit seinem Schaft gehalten ist, das aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement zwischen Anlageflächen im Werkzeugmodul vorgesehen ist oder dass bei einem Werkzeugspannsystem mit der Werkzeugaufnahme, bei der ein Bohrstangenhalter mit einer Bohrstange und mit einem Flansch an einem Aufnahmeelement der Werkzeugaufnahme befestigt ist, ringförmige aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselemente in axialer Anordnung an Verbindungselementen im Aufnahmeelement der Werkzeugaufnahme vorgesehen sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass ein nicht aus Formgedächtnismaterial bestehendes Trägerelement zum Zwecke der Dämpfung mit Formgedächtnismaterial beschichtbar ist oder das die Verbindungselemente selbst oder Teilbereiche der Verbindungselemente aus Formgedächtnismaterial ausgebildet sind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die Dämpfungselemente vollständig aus Formgedächtnismaterial ausgebildet sind oder dass die Dämpfungselemente im Kern aus einem Material ohne Formgedächtniseigenschaften ausgebildet sind, welches mit Formgedächtnismaterial beschichtet ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Dämpfungselemente auf dem mechanischen oder pseudoelastischen Formgedächtniseffekt basieren. Durch ihre besonderen elastischen Eigenschaften benötigen die passiven Dämpfungselemente auf der Basis von Formgedächtnislegierungen zum einen deutlich weniger Bauraum als herkömmliche Dämpfungsprinzipien. Auch das mit dem Gewicht und der Baugröße der Dämpfungselemente verbundene Trägheitsmoment ist damit deutlich geringer als bei herkömmlichen Dämpfungselementen. Dies sorgt für geringere Unwuchten im System. Der Vorteil der sehr kompakten Bauweise von aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementen besteht darin, dass ohne eine Zunahme der Abmessungen von Werkzeugen oder Spannsystemen und ohne eine Zuführung von externer elektrischer Energie Werkstücke mit einer besseren Oberflächenqualität bei gleichzeitig verbesserter Werkzeugstandzeit gefertigt werden kann.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der Erwärmungsprozess zur Veränderung bzw. Justierung der Dämpfungseigenschaften mittels einer elektrischen Bestromung auf der Basis des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes extern regelbar oder steuerbar vorgesehen ist.
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Eine ebenso bevorzugte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass der Erwärmungsprozess zur Veränderung bzw. Justierung der Dämpfungseigenschaften autark durch eine Temperaturänderung der Umgebung vorgesehen ist. In diesem Fall zeigt das Dämpfungselement adaptive Funktionalitäten, da es sich in Bezug auf seine Dämpfungseigenschaften an seine Umgebung anpassen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für Schaftwerkzeuge in einem Schrumpffutter mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für Schaftwerkzeuge in einem Spannfutter mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für ein modulares Werkzeugsystem mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
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4 ein Werkzeugmodul mit einem Formgedächtniselement in Form einer Tellerfeder;
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5 ein Werkzeugmodul mit einem Formgedächtniselement in Form einer Unterlegscheibe;
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6 ein Werkzeugmodul mit konzentrisch angeordneten Formgedächtniselementen in Stiftform;
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7 ein Ausführungsbeispiel mit koaxial angeordneten Formgedächtniselementen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für Schaftwerkzeuge im gespannten Zustand. Die Werkzeugaufnahme kann z. B. als thermisches Schrumpffutter, Hydrodehnspannfutter oder für dergleichen Werkzeugspannsysteme mit radialer Spannkraftrichtung auf einen zylindrischen Werkzeugschaft vorgesehen werden. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Schneidwerkzeug 1 (Fräs-, Bohr-, Gewindeschneidwerkzeug) mit einem zylindrischen Schaft 2 in einer Werkzeugaufnahme 3 aufgenommen. In einem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 ist in einer zylinderförmigen Ausnehmung 5 ein hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildetes Dämpfungselement 6 vorgesehen, das mit seiner Mantelfläche 7 in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 des Aufnahmeelementes 4 kraftschlüssig durch eine Pressverbindung befestigt ist. In der zylinderförmigen Ausnehmung 8 des hülsenförmigen Formgedächtniselementes 6 ist der zylindrische Schaft 2 beispielsweise eines Schneidwerkzeuges 1 kraftschlüssig durch eine Pressverbindung befestigt, so dass das hülsenförmige Dämpfungselement 6 zwischen dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 und dem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 angeordnet ist. Durch diese Anordnung des erfindungsgemäßen hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementes 6 erfährt das im Kraftfluss liegende Dämpfungselement 6 über seine Vorspannung eine reversible und hysteresebehaftete Verformung und bewirkt aufgrund seiner pseudoelastischen Eigenschaften die Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die an den Anlageflächen des Schneidwerkzeuges 1 in der Werkzeugaufnahme 3 bei einer spanenden Bearbeitung auftreten.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme mittels einer Spanneinrichtung dargestellt. In dem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 ist eine Kegelbohrung 9 angeordnet, in die in herkömmlicher Weise eine Spannzange 10 eingesetzt ist. Zwischen der Spannzange 10 und dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 ist ebenfalls das hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 6 angeordnet. Durch Betätigung einer zentralen Schraube 11 wird eine axiale Kraft erzeugt und die Spannzange 10 in die Kegelbohrung 9 gezogen, so dass sich Spannsegmente 12 der Spannzange 10 an das hülsenförmige aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 6 anlegen und das Dämpfungselement 6 zusammen mit dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 radial verspannt wird. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung des Dämpfungselementes 6 erfährt das im Kraftfluss liegende Dämpfungselement 6 über seine Vorspannung eine reversible und hysteresebehaftete Verformung und bewirkt aufgrund seiner pseudoelastischen Eigenschaften die Dämpfung von Schwingungen und Stößen. Die 3, 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für Einsatz eines aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementes 13 in modularen Werkzeugsystemen. Die Werkzeugaufnahme 3 besteht in dem modular aufgebauten Werkzeugsystem aus einem Basishalter 14 mit einer Innenbohrung 15 und einer radial angeordneten Spannschraube 16, in die ein Werkzeugmodul 17 mit seinem Schaft 18 eingesteckt und mittels Spannschraube 16 z. B. mit einer Kegelspitze durch Einschrauben in eine Kegelbohrung 19 eines Schaftes 18 des Werkzeugmoduls 17 befestigt wird. Zwischen Anlageflächen 20 und 21 des Werkzeugmoduls 17 und des Basishalters 14 ist das aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 13 angeordnet. Das Dämpfungselement 13 ist beispielsweise entsprechend 4 als Tellerfeder, entsprechend 5 als Unterlegscheibe oder entsprechend 6 als Stift ausgebildet. Im gespannten Zustand befindet sich das Dämpfungselement 13 im Kraftfluss der gespannten Elemente und erfährt eine reversible und hysteresebehaftete Verformung.
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7 zeigt den Einsatzbereich von beispielsweise zwei aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten hülsenförmigen Dämpfungselementen 26 in einem lang auskragenden Bohrstangenhalter eines modular ausgebildeten Werkzeugsystems. Eine Bohrstange 22 wird mit einem Flansch 23 an einem Aufnahmeelement 24 der Werkzeugaufnahme 3 mittels Schrauben 25 oder Gewindeelementen befestigt und zwischen den Schrauben 25 und dem Aufnahmeelement 24 sind hülsenförmige Dämpfungselemente 26 angeordnet, so dass sich die hülsenförmigen Dämpfungselemente 26 im Kraftfluß der Spannelemente in koaxialer Anordnung befinden. Die dargestellten Dämpfungselemente 26 werden auf Druck beansprucht. Die Ausführung für eine Biegebeanspruchung ist ebenfalls vorgesehen. Im gespannten Zustand befinden sich die Dämpfungselemente 26 im Kraftfluss der gespannten Elemente und erfahren eine reversible und hysteresebehaftete Verformung. In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform ist eine konzentrische Anordnung der Dämpfungselemente 26 vorgesehen. Die Schrauben 25 oder Teilbereiche der Schrauben 25 können in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Formgedächtnismaterial bestehen.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist im Einsatz der aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselemente variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schneidwerkzeug
- 2
- zylindrischer Schaft
- 3
- Werkzeugaufnahme
- 4
- Aufnahmeelement
- 5
- zylinderförmige Ausnehmung des Aufnahmeelementes
- 6
- hülsenförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
- 7
- Mantelfläche
- 8
- zylinderförmige Ausnehmung des Formgedächtniselementes
- 9
- Kegelbohrung
- 10
- Spannzange
- 11
- zentrale Schraube
- 12
- Spannsegmente
- 13
- ring- oder stiftförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
- 14
- Basishalter
- 15
- Innenbohrung
- 16
- Spannschraube
- 17
- Werkzeugmodul
- 18
- Schaft des Werkzeugmoduls
- 19
- Kegelbohrung
- 20
- Anlagefläche des Werkzeugmoduls
- 21
- Anlagefläche des Basishalters
- 22
- Bohrstange
- 23
- Flansch
- 24
- Aufnahmeelement
- 25
- Schraube
- 26
- hülsenförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
