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Die Erfindung betrifft ein Spannfutter zum Spannen von Objekten, insbesondere Werkzeugen, im Schrumpfsitz mit einem Schrumpfabschnitt, mit einer thermisch aufweitbaren Wandung, die einen Spannraum zur Aufnahme eines Schaftes umschließt.
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Derartige Schrumpfspannfutter, wie etwa aus der
DE 199 15 412 A1 bekannt, sind seit vielen Jahren gebräuchlich. Sie werden verwendet, um Werkzeuge im Schrumpfsitz zu spannen. Hierzu weist ein Spannraum, das heißt eine zentrale Bohrung, in den ein Werkzeug mit seinem Schaft einsetzbar ist, ein Übermaß auf. Zum Einspannen wird das Spannfutter im Bereich seines Schrumpfabschnittes erwärmt, was in der Regel auf mindestens 500 °C oder sogar darüber erfolgt, bis sich der Spannraum ausreichend aufgeweitet hat, sodass ein Werkzeug mit seinem kalten Schaft darin aufgenommen werden kann. Nach Erkalten des Spannfutters ist das Werkzeug fest mit seinem Schaft im Spannraum gehalten.
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Um ein sicheres Spannen bzw. Entspannen eines Werkzeuges in einem Schrumpffutter zu gewährleisten, sind verschiedene Einrichtungen gebräuchlich, um einerseits eine Erwärmung des Schrumpffutters zu gewährleisten und andererseits nach der Aufnahme des Werkzeugs im Spannraum eine möglich schnelle Abkühlung auf Raumtemperatur zu gewährleisten. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
EP 1 584 408 A1 bekannt.
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Der Nachteil der bekannten Schrumpfspannfutter besteht darin, dass zum Spannen eines Schaftes im Spannraum eine Erwärmung des Schrumpfabschnittes auf hohe Temperaturen in der Größenordnung von etwa 500 °C oder mehr erforderlich ist, was die Verwendung einer hierzu geeigneten Vorrichtung notwendig macht. Außerdem ist nach einer Erwärmung um auf derartig hohe Temperaturen in der Regel eine Kühlung erforderlich, um das jeweilige Spannfutter nach der Erhitzung auf eine für den Werker ungefährliche Temperatur abzukühlen. Ferner sind diese Erwärmungs- bzw. Kühlprozesse mit erheblichem Energiebedarf verbunden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Spannfutter zum Spannen von Objekten im Schrumpfsitz zu schaffen, das ein Spannen bzw. Entspannen des Objektes bei möglichst niedrigen Temperaturen ermöglicht.
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Ferner soll ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Spannfutters angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Spannfutter gemäß der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wandung ein aktives Material umfasst, dass eine Volumenänderung bei einer Zustandsänderung unterhalb von 300 °C erfährt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Durch die Zustandsänderung des aktiven Materials, die schon unterhalb von 300 °C erfolgt, wird im Vergleich zu dem üblicherweise bei Schrumpffuttern verwendeten Stahl eine erhebliche Volumenänderung bewirkt, sodass schon Temperaturen unterhalb von 300 °C ausreichen, um ein Spannen bzw. Entspannen eines Schaftes im Spannraum zu ermöglichen. Da in der Wandung, die in der Regel aus Stahl besteht, ein anderes Metall als aktives Material integriert ist, ergibt sich zusätzlich eine bessere Schwingungsdämpfung als dies bei herkömmlichen Schrumpffuttern erzielbar ist.
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Aus der
DE 2 837 541 A1 ist es zwar grundsätzlich bekannt, zur Verbindung von Bauelementen Formgedächtnis-Legierungen zu verwenden.
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Aus der
DE P 1 154 077 A1 ist ferner ein lösbarer Kurzzeit-Verpressanker bekannt, mit einem Druckrohr, das im Boden zerstörbar ist, und mit einem Stahlzugglied, das am unteren Ende des Druckrohres derart befestigt ist, dass die Verbindung später gelöst und das Zugglied aus dem Untergrund wieder entfernt werden kann, wobei ein Ankerfußstück aus einer dickwandigen Büchse verwendet wird, deren Wandung einen inneren Bereich aus einem relativ weichen, bei Temperaturen zwischen 60 °C und etwa 500 °C schmelzbarem Material besteht, beispielsweise Wood'schem Metall aus 50% Wismut, 25% Blei, je 12,5% Zinn und Cadmium mit einem Schmelzpunkt von etwa 70 °C. Das Wood'sche Metall wird hierbei dazu verwendet, ein schnelles Lösen der so hergestellten Pressverbindung durch Erwärmen über den Schmelzpunkt hinaus zu ermöglichen.
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Durch diesen Stand der Technik ist die gegenwärtige Erfindung jedoch nicht nahe gelegt, da mittels der Formgedächtnis-Legierung bzw. mittels des niedrigschmelzenden Metalls lediglich eine grundsätzliche Verbindung zweier Komponenten offenbart wird. Eine Übertragung auf ein Spannfutter zum wiederholten Spannen und Lösen von Objekten, insbesondere Werkzeugen, im Schrumpfsitz ist jedoch nicht nahe gelegt.
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Bei der erfindungsgemäßen Zustandsänderung kann es sich um einen Phasenübergang flüssig/fest oder um eine Veränderung der Gitterstruktur handeln.
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Beide Arten der Zustandsänderung gehen mit einer erheblichen Volumenveränderung einher, wodurch ein Spannen im Schrumpfsitz bzw. ein Entspannen leicht erzielt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zustandsänderung im Temperaturbereich von 50 °C bis 250 °C, vorzugsweise im Bereich von 80 °C bis 150 °C, weiter bevorzugt im Bereich von 90 °C bis 130 °C.
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Auf diese Weise reicht schon eine sehr geringe Erwärmung des Spannfutters aus, um die nötige thermische Aufweitung des Spannfutters zur Aufnahme eines Objektes im Schrumpfsitz zu gewährleisten.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das aktive Material eine Metalllegierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 300 °C, vorzugsweise im Bereich von 50 °C bis 250 °C, weiter bevorzugt im Bereich von 80 °C bis 150 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 90 °C bis 130 °C.
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In dies ermöglicht ein Spannen bzw. Entspannen bei einer relativ niedrigen Temperatur.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem aktiven Material um eine Bismut-Legierung, insbesondere ein Roses-Metall.
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Niedrig schmelzende Bismut-Legierungen sind zahlreich bekannt. Bei dem sogenannten Roses-Metall handelt es sich um eine eutektische Bismut-Blei-Zinn-Legierung mit etwa 50 Gew.-% Bismut, und je etwa 25 Gew.-% Blei und Zinn. Der Schmelzpunkt liegt bei etwa 95 °C. Eine derartige Legierung hat sich als besonders geeignet erwiesen.
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Daneben sind andere niedrigschmelzende Bismut-Legierungen grundsätzlich geeignet. Dazu gehören beispielsweise LBE (eutektische Bismut-Blei-Legierung, Schmelzpunkt 124 °C), Orionmetall (42 Gew.-% Bismut, 42 Gew.-% Blei und 16 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt 108 °C), Schnelllot (52 Gew.-% Bismut, 32 Gew.-% Blei, 16 Gew.-% Zinn, Schmelzpunkt 96 °C).
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Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das aktive Material eine Formgedächtnis-Legierung.
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Auch mit einem derartigen Material, bei dem sich bei einer Temperaturveränderung in einem festen Zustand eine Phasenumwandlung durch Veränderung der Gitterstruktur ergibt, ist grundsätzlich geeignet, um eine Spannwirkung zum Spannen eines Objektes im Schrumpfsitz zu bewirken.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das aktive Material im Temperaturbereich von 20 bis 250 °C oder in einem Teilbereich davon einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von mehr als 25 • 10-6/K, vorzugsweise von mehr als 10-4/K, weiter bevorzugt von mehr als 10-3/K, besonders bevorzugt von mehr als 10-2/K auf.
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Derartige Längenausdehnungskoeffizienten sind deutlich größer als der Ausdehnungskoeffizient von Stahl, der je nach Zusammensetzung bei etwa 13 bis 16 • 10-6/K liegt.
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Bei der Verwendung der zuvor angegebenen Bismut-Legierungen ergeben sich Längenausdehnungskoeffizienten, die größer als 10-2/K sind.
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Mit derartig großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten lassen sich schon bei geringen Temperaturänderungen hohe Spannkräfte erzeugen, was besonders vorteilhaft zur Anwendung bei dem erfindungsgemäßen Spannfutter ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das aktive Material unterhalb seines Schmelzpunktes einen Temperaturbereich mit minimalem Volumen auf, an den sich ein weiterer Temperaturbereich anschließt, der eine Volumenvergrößerung mit abnehmender Temperatur aufweist.
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Mit einem derartigen aktiven Material, das also hinsichtlich der Abhängigkeit seines Volumens von der Temperatur eine Anomalie ähnlich der vom Wasser bekannten Anomalie aufweist, lässt sich ein Spannen mit hoher Spannkraft bzw. ein Entspannen schon bei sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen Anwendungstemperatur (annähernd Raumtemperatur oder leicht erhöhte Temperatur von bis zu ca. 45 °C bei Roses-Metall) und erhöhter Temperatur zum Ein- bzw. Ausspannen (z.B. etwa 50 °C bis 60 °C bei Roses-Metall) erreichen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Wandung mindestens einen Hohlraum auf, der mit dem aktiven Material befüllt ist.
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Vorzugsweise weist die Wandung einen ringförmigen Hohlraum auf, in dem das aktive Material aufgenommen ist.
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Weiter bevorzugt sind Mittel zur Befüllung des mindestens einen Hohlraums mit aktivem Material in flüssiger Form vorgesehen.
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Hierbei handelt es sich vorzugsweise um mindestens eine Füllöffnung und mindestens eine Entlüftungsöffnung, die jeweils mittels eines Verschlusses, etwa in Form einer Schraube, dichtend verschließbar sind.
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Mit diesen Maßnahmen wird eine besonders einfache und zweckmäßige Verwirklichung des thermisch bedingten Schrumpfspannens mit dem erfindungsgemäßen aktiven Material in Form einer niedrig schmelzenden Metalllegierung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Wandung durch die Volumenänderung des aktiven Materials im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und seinem Schmelzpunkt elastisch verformbar.
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Dies ist der normale gewünschte Anwendungsbereich. So lässt sich etwa ein Werkzeug beliebig oft mit seinem Schaft in den Spannraum einspannen und wieder daraus lösen.
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Gemäß einer weiteren Alternative der Erfindung ist die Wandung durch die Volumenänderung des aktiven Materials im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und seinem Schmelzpunkt plastisch verformbar.
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Eine derartige Ausgestaltung ist für Sonderfälle vorteilhaft, in denen es auf eine besonders hohe, nicht reversible Spannwirkung ankommt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind durch eine Variation des Volumens des Hohlraums, der Wanddicke der den Hohlraum begrenzenden Innenwand und des verwendeten aktiven Materials die Dämpfungseigenschaften des Spannfutters im Hinblick auf den Einsatz zum Spannen von Werkzeugen für die spanende Bearbeitung optimiert.
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Da hier unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz kommen, lassen sich auf diese Weise die Dämpfungseigenschaften des Spannfutters in gezielter Weise beeinflussen und auf einen speziellen Anwendungsfall hin optimieren.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Spannfutters zum Spannen von Objekten, insbesondere Werkzeugen, im Schrumpfsitz, mit den folgenden Schritten gelöst:
- - Bereitstellen eines Spannfutters aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, mit einem Schrumpfabschnitt, der eine thermisch spannbare Wandung mit mindestens einem Hohlraum aufweist, die einen Spannraum zur Aufnahme eines Schaftes umschließt;
- - Befüllen des mindestens einen Hohlraums mit einem aktiven Material in flüssiger Form, das einen Schmelzpunkt unterhalb von 300 °C aufweist;
- - Verschließen des mindestens einen Hohlraums nach Befüllen mit dem aktiven Material.
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Auf diese Weise kann ein Spannfutter zum Spannen von Objekten im Schrumpfsitz hergestellt werden, bei dem schon eine sehr niedrige Temperatur ausreicht, um ein Spannen bzw. Entspannen eines Objektes im Schrumpfsitz zu ermöglichen.
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Vorzugsweise erfolgt die Befüllung des mindestens einen Hohlraums mit dem aktiven Material bei einer Temperatur, bei welcher das aktive Material flüssig ist. Auf diese Weise ist eine einfache Integration des aktiven Materials in den Hohlraum ermöglicht.
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Vorzugsweise wird hierbei ein aktives Material zur Befüllung des Hohlraumes verwendet, das im Temperaturbereich von 20 bis 250 °C oder in einem Teilbereich davon einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von mehr als 25 • 10-6/K, vorzugsweise von mehr als 10-4/K, weiter bevorzugt von mehr als 10-3/K, besonders bevorzugt von mehr als 10-2/K, aufweist.
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Wie vorstehend bereits erwähnt lässt sich auf diese Weise eine hohe Spannwirkung bei nur einer geringen Temperaturdifferenz erzielen.
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Weiter bevorzugt weist das aktive Material unterhalb seines Schmelzpunktes einen Temperaturbereich mit minimalem Volumen auf, an den sich ein weiterer Temperaturbereich anschließt, der eine Volumenvergrößerung mit abnehmender Temperatur aufweist.
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Wie oben bereits erwähnt, lässt sich auf diese Weise ein Spannen mit hoher Spannkraft bzw. ein Entspannen schon bei sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen Anwendungstemperatur und einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes erreichen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Volumenausdehnungskurve von Roses-Metall in Abhängigkeit von der Temperatur, das als aktives Material bei einem Ausführungsbeispiel verwendet wird;
- 2 einen Testkörper zur grundsätzlichen Untersuchung der Eignung einer niedrigschmelzenden Metalllegierung, wie etwa Roses-Metall, zur Verwendung als aktives Material bei einem erfindungsgemäßen Spannfutter und
- 3 eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Spannfutters in einer teilweise geschnittenen Längsansicht.
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1 zeigt eine experimentell aufgenommene Volumen-Ausdehnungskurve von Roses-Metall in der Zusammensetzung: 50 Gew.-% Bismut, 27,1 Gew.-% Blei, 22,9 Gew.-% Zinn. Es handelt sich hierbei um ein Roses-Metall, das von der Firma Chemet GmbH, auf der Heide 1-1a, 56424 Staudt, unter der Bezeichnung „Sonderweichlot 307“ vertrieben wird. Es handelt sich um eine annähernd eutektische Legierung mit einer Schmelztemperatur von etwa 95 °C.
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Wie aus dem Volumen/Temperatur-Diagramm gemäß 1 ersichtlich ist, weist die betreffende Legierung beim Abkühlen aus der Schmelze beim Erstarren unterhalb von 95 °C zunächst eine erhebliche Schrumpfung auf, bis sich im Bereich zwischen etwa 90 °C und 50 °C ein Temperaturbereich mit annähernder Volumenkonstanz ergibt. Bei weiterer Abkühlung steigt das Volumen mit abnehmender Temperatur an.
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Diese Legierung weist also in einem V/T-Diagramm eine Anomalie auf, die ähnlich der vom Wasser bekannten Anomalie ist. Erhitzt man die Legierung auf einen Temperaturbereich zwischen etwa 55 °C und 85 °C, so kann die anschließende Volumenausdehnung bei Abkühlung zum Spannen genutzt werden.
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Zur Überprüfung der Spannmöglichkeit wurde ein Testkörper 10 gemäß 2 verwendet.
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Der Testkörper 10 wurde aus Werkzeugstahl hergestellt und besteht aus einem Basiskörper 12, der mit einem Außenkörper 14 an einem Ende durch eine Presspassung verbunden ist. Der Basiskörper 12 weist eine zylindrische Wand 16 auf, die einen Spannraum 20 umschließt. Der zylindrische Außenkörper 14 weist einen größeren Außendurchmesser als der Basiskörper 12 auf. Zwischen der zylindrischen Innenoberfläche des Außenkörpers 14 und der Wand 16 des Basiskörpers 12 ist ein ringförmiger Hohlraum 18 gebildet. Die Wand 16 des Basiskörpers 12 ist ferner noch durch zwei umlaufende Ringnuten 17 in ihrer Wandstärke geschwächt.
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An einem Ende ist der Hohlraum 18 durch eine Presspassung zwischen dem Basiskörper 12 und dem Außenkörper 14 abgeschlossen. Am anderen Ende weist der Hohlraum 18 zwei Zugänge nach außen auf, nämlich eine erste Gewindebohrung 22 und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Gewindebohrung 24.
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Diese Gewindebohrungen 22, 24 dienen zum Befüllen des Hohlraumes 18 mit flüssigem Roses-Metall gemäß 1. Sie können über in die Gewindebohrungen 22, 24 einschraubbare Schrauben 42, 44 (vgl. 3) dichtend verschlossen werden.
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Das Roses-Metall gemäß 1 wird in flüssigem Zustand bei einer Arbeitstemperatur von etwa 100 °C bis 120 °C über eine der Gewindebohrungen 22, 24 in den Hohlraum 18 eingefüllt, wobei die andere der Gewindebohrungen 22, 24 als Entlüftung dient. Beide Gewindebohrungen 22, 24 werden anschließend durch Eindrehen der zugeordneten Schrauben 42, 44 dichtend verschlossen, sodass der Hohlraum 18 vollständig mit aktivem Material gemäß 1 befüllt ist und ohne Lufteinschlüsse abgedichtet ist.
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Der so hergestellte Testkörper 10 kann zum Spannen eines Schaftes genutzt werden, der in den Spannraum 20 eingeführt wird.
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Zum Spannen bzw. Entspannen wird der Testkörper 10 auf eine Temperatur zwischen etwa 55 °C und 85 °C erwärmt. Dadurch nimmt das im Hohlraum 18 eingefüllte aktive Material ein minimales Volumen ein, sodass die Wand 16 entlastet ist. Beim anschließenden Abkühlen auf Raumtemperatur dehnt sich das aktive Material im Hohlraum 18 aus und führt somit zu einem Spannen eines in den Spannraum 20 eingeführten Schaftes im Schrumpfsitz.
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Es versteht sich, dass eine geeignete Passung zwischen dem Innendurchmesser des Spannraums 20 und dem Außendurchmesser des eingeführten Schaftes verwendet werden muss.
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Es versteht sich ferner, dass die Wand 16 des Basiskörpers 12 und der Hohlraum 18 in geeigneter Weise dimensioniert werden müssen, um sicherzustellen, dass sich bei der erheblichen Volumenvergrößerung, die sich bei der Abkühlung bis auf Raumtemperatur ergibt, die Wand 16 lediglich elastisch verformt wird. Auch muss die Abdichtung der Gewindebohrungen 22, 24 in geeigneter Weise erfolgen, sodass auch bei hohem Druck ein Entweichen von aktivem Material aus dem Hohlraum 18 ausgeschlossen ist. Ggf. werden hierzu die Schrauben 42, 44 mit zusätzlichen Dichtungen (nicht dargestellt) versehen, um bei der späteren Ausdehnung des Roses-Metalls ein Austreten unter hohem Druck zu verhindern.
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Mit einem derartigen Aufbau lässt sich ein Spannen von Objekten, wie etwa Werkzeugen, im Schrumpfsitz mit hoher Spannkraft gewährleisten, wobei nur geringe Temperaturdifferenzen notwendig sind, um ein Spannen bzw. Entspannen zu ermöglichen.
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Zum Entspannen reicht beispielsweise eine Erwärmung im dargestellten Fall bis auf 50 bis 55 °C aus, um bei einem nachfolgenden Abkühlen auf eine Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 45 °C eine hohe Spannkraft zu erzielen.
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Wird ein nach diesem Prinzip hergestelltes Spannfutter zum Spannen von Werkzeugen verwendet, die in der spanabhebenden Produktion verwendet werden, etwa als Fräser oder Bohrer, so ist zu gewährleisten, dass im Gebrauch die maximale Temperatur von etwa 40 °C bis 45 °C am Werkzeugschaft nicht überschritten wird, um eine sichere Beibehaltung der Spannung zu gewährleisten.
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Dies ist in der Regel durch die verwendeten Kühlschmiermittel im Bereich des Werkzeugschaftes ohnehin sichergestellt.
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Im Übrigen ist es möglich, durch die Verwendung eines anderen aktiven Materials mit einer anderen Temperaturcharakteristik höhere Arbeitstemperaturen zu erreichen.
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Darüber hinaus ist es nicht zwingend erforderlich, ein aktives Material mit einer Anomalie gemäß 1 zu verwenden.
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Stattdessen kann auch lediglich die mit der Phasenänderung verbundene Volumenänderung genutzt werden, um ein Spannen bzw. Entspannen zu ermöglichen.
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Entsprechendes gilt bei der Verwendung von Formgedächtnislegierungen als aktives Material.
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3 zeigt beispielhaft ein Spannfutter 30, das unter Verwendung des Testkörpers 10 gemäß 2 hergestellt wurde.
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Hierbei werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.
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Das Spannfutter 30 weist einen Spannabschnitt 34 auf, der in bekannter Weise zum Spannen des Spannfutters 30 an einer Werkzeugspindel eine Maschine ausgebildet ist.
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An den Spannabschnitt 34 schließt sich ein Schrumpfabschnitt 36 an, der vom Aufbau her vollständig dem Aufbau des zuvor anhand von 2 beschriebene Testkörpers 10 entspricht.
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Der Basiskörper 12 ist einstückig mit dem Spannabschnitt 34 ausgebildet. Darauf ist der Außenkörper 14, wie zuvor erwähnt, mit einer Presspassung gefügt. Der ringförmige Hohlraum 18 zwischen Basiskörper 12 und Außenkörper 14 ist mit aktivem Material 40 befüllt und durch Verschlüsse in Form von Schrauben 42, 44 dichtend verschlossen, die in die zugeordneten Gewindebohrungen 22, 24 eingeschraubt sind.
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Im Spannraum 20 kann somit ein Schaft 32 eines Werkzeuges im Schrumpfsitz gespannt werden, wie oben anhand des Testkörpers 10 gemäß 2 erläutert wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19915412 A1 [0002]
- EP 1584408 A1 [0003]
- DE 2837541 A1 [0010]
- DE 1154077 A1 [0011]