DE102020007584A1 - clamping tool - Google Patents
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Abstract
Spannwerkzeug zur Führung und Halterung von zu bearbeitenden Werkstücken, welches aus einer Leichtmetall-Legierung besteht, die überwiegend Aluminium und/oder Magnesium und/oder Titan enthält und deren Oberfläche zumindest im Haltebereich der zu bearbeitenden Werkstücken mit einer Leichtmetall-Oxidschicht versehen ist.Clamping tool for guiding and holding workpieces to be machined, which consists of a light metal alloy that mainly contains aluminum and/or magnesium and/or titanium and whose surface is provided with a light metal oxide layer, at least in the holding area of the workpieces to be machined.
Description
Die Erfindung betrifft ein Spannwerkzeug, etwa eine Führungsbuchse zum Führen von zu bearbeitenden stangenförmigen Werkstücken oder eine Spannzange zum Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen zwecks Bearbeitung in einer Werkzeugmaschine.The invention relates to a clamping tool, such as a guide bush for guiding rod-shaped workpieces to be machined or a collet for clamping workpieces or tools for machining in a machine tool.
Eine Spannzange gemäß dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der Gebrauchsmusterschrift
Führungsbuchsen werden vorwiegend in Langdrehautomaten zur Führung von Stangenmaterial verwendet, ähneln in ihrer Konstruktion Zugspannzangen und dienen zur weiteren Abstützung des Stangenmaterials am nichtgespannten Ende insbesondere dann, wenn es sich um lange Drehteile handelt, um eine Unwucht sowie Vibrationen beim Dreh-Vorgang zu verringern. Die Verspannung der Führungsbuchsen erfolgt ähnlich wie bei den Spannzangen über kegelförmige Ausformungen und eine dazu passende Aufnahme. Hierbei gibt es Druck- und Zugvarianten. Die Führungsbuchsen dienen insbesondere der Halterung bzw. Verarbeitung von stangenförmigem Rund-, Vierkant- und Sechskantmaterial.Guide bushings are mainly used in automatic lathes to guide bar material, are similar in design to draw-back collets and serve to further support the bar material at the unclamped end, especially when it comes to long turned parts, to reduce imbalance and vibrations during the turning process. The clamping of the guide bushings is similar to that of the collets via conical shapes and a matching mount. There are push and pull variants. The guide bushings are used in particular to hold or process rod-shaped round, square and hexagonal material.
Bisherige Spannwerkzeuge gemäß dem Stand der Technik bestehen aus Stahl, häufig aus dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.2826. Dieser Werkstoff ist unter dem Kurznamen 60MnSiCr4 als Spannzangenstahl bekannt. Daneben existieren Spannzangen und Führungsbuchsen, die Hartmetall- oder Keramik-Einsätze aufweisen. Letztere werden insbesondere zur Bearbeitung von Titanmaterialien für die Medizintechnik und den Flugzeugbau verwendet.Previous clamping tools according to the prior art are made of steel, often steel with the material number 1.2826. This material is known under the short name 60MnSiCr4 as collet steel. There are also collets and guide bushes that have carbide or ceramic inserts. The latter are used in particular for processing titanium materials for medical technology and aircraft construction.
Nachteilig bei bisherigen Spannwerkzeugen aus Stahl oder mit Hartmetall-Einsätzen ist allerdings, dass diese einem starken Verschleiß unterliegen und dass eine Beschädigung des Außendurchmessers sowie eine Kontamination der zu bearbeitenden Werkstücke durch das Material des Spannwerkzeuges erfolgt, insbesondere mit unerwünschten Schwermetallen wie etwa Chrom, Cobalt, Wolfram oder Nickel. Insbesondere kann es zu Kaltverschweißungen zwischen dem Stahl des Spannwerkzeugs oder der Hartmetalleinlage einerseits und dem zu bearbeitenden Werkstück andererseits kommen. Neben den vergleichsweise hohen Kosten haben Spannwerkzeuge mit Keramikeinsätzen den technischen Nachteil, infolge von Vibrationen zu brechen.However, the disadvantage of previous clamping tools made of steel or with hard metal inserts is that they are subject to heavy wear and that the outer diameter is damaged and the workpieces to be machined are contaminated by the material of the clamping tool, in particular with undesirable heavy metals such as chromium, cobalt, tungsten or nickel. In particular, cold welding can occur between the steel of the clamping tool or the hard metal insert on the one hand and the workpiece to be machined on the other. In addition to the comparatively high costs, clamping tools with ceramic inserts have the technical disadvantage of breaking as a result of vibrations.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Spannwerkzeuge anzugeben, die einfach herstellbar sind, die einem vergleichsweise geringen Verschleiß unterliegen und damit zu längeren Standzeiten führen und die darüber hinaus nicht zu einer Kontamination der zu bearbeitenden Werkstücke mit unerwünschten Metallen führen. Insbesondere dürfen die neuen Spannwerkzeuge die Oberfläche der Werkstücke nicht beschädigen oder verkratzen.The object of the invention is therefore to specify clamping tools that are easy to produce, are subject to comparatively little wear and thus lead to longer service lives and, moreover, do not lead to contamination of the workpieces to be machined with unwanted metals. In particular, the new clamping tools must not damage or scratch the surface of the workpieces.
Darüber hinaus sollen die erfindungsgemäßen Spannwerkzeuge neben der Bearbeitung von Werkstücken aus Messing und Stahl besonders für die Bearbeitung von Werkstücken aus Titan und Titanlegierungen geeignet sein.In addition, the clamping tools according to the invention should be particularly suitable for machining workpieces made of titanium and titanium alloys, in addition to machining workpieces made of brass and steel.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Spannwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by a clamping tool having the features of claim 1 . Preferred developments and further advantageous features of the invention are specified in the dependent claims.
Beschrieben ist ein Spannwerkzeug, welches aus einer Leichtmetall-Legierung besteht, welche überwiegend Aluminium und/oder Magnesium und/oder Titan enthält. Vorzugsweise werden aushärtbare Aluminium-Legierungen der 6000er und 7000er Reihe verwendet, wie etwa die Aluminium-Legierungen EN AW 6082 und EN AW 6182 sowie EN AW 7075 und EN AW 7175. Die Legierung EN AW 7075 wird als AlZnMgCul,5 bezeichnet und besteht neben Aluminium aus den folgenden Materialien in der angegebenen Zusammensetzung: Si max. 0,4%, Fe max. 0,5%, Cu 1,2-2,0%, Mn max. 0,3%, Mg 2,1-2,9%, Cr 0,18-0,28%, Zn 5,1-6,1%, Ti max. 0,2%.A clamping tool is described which consists of a light metal alloy which predominantly contains aluminum and/or magnesium and/or titanium. Hardenable aluminum alloys from the 6000 and 7000 series are preferably used, such as the aluminum alloys EN AW 6082 and EN AW 6182 as well as EN AW 7075 and EN AW 7175. The alloy EN AW 7075 is referred to as AlZnMgCul,5 and consists of aluminum from the following materials in the specified composition: Si max. 0.4%, Fe max. 0.5%, Cu 1.2-2.0%, Mn max. 0.3%, Mg 2.1-2, 9%, Cr 0.18-0.28%, Zn 5.1-6.1%, Ti max 0.2%.
Darüber hinaus sind die Spannwerkzeuge erfindungsgemäß mit einer mikrostrukturierten Oxidschicht versehen, die vorzugsweise galvanisch hergestellt wird und auch als anodische Oxidation bezeichnet wird. Dabei besteht die Oxidschicht im Falle von Aluminium als Grundsubstrat aus Aluminiumoxid und Schwefel. Es werden durch die Kombination aus Strom und einer rücklösenden Säure Aluminiumionen aus dem Substrat gelöst und als Oxid wieder abgeschieden. Das entstandene Aluminiumoxid ist voluminöser als das elementare Aluminium. Daraus ergibt sich, dass die Oxidschicht zu 2/3 aufwächst und zu 1/3 einwächst. Direkt auf dem Substrat befindet sich eine dichte Sperrschicht aus Aluminiumoxid, welche eine Dicke im dreistelligen Nanometerbereich aufweist. Auf der Sperrschicht befindet sich eine poröse Schicht aus Aluminiumoxid, welche eine Dicke von 5-150 Mikrometer aufweist. Vorzugsweise beträgt die Schichtdicke 30 bis 120 Mikrometer, besonders bevorzugt 50 bis 80 Mikrometer.In addition, according to the invention, the clamping tools are provided with a microstructured oxide layer, which is preferably produced galvanically and is also referred to as anodic oxidation. In the case of aluminum as the base substrate, the oxide layer consists of aluminum oxide and sulfur. The combination of electricity and a redissolving acid dissolves aluminum ions from the substrate and deposits them again as an oxide. The resulting aluminum oxide is more voluminous than the elemental aluminum. This means that 2/3 of the oxide layer grows and 1/3 grows in. There is a dense barrier layer of aluminum oxide directly on the substrate, which has a thickness in the three-digit nanometer range. On top of the barrier layer is a porous layer of aluminum oxide that is 5-150 microns thick. The layer thickness is preferably 30 to 120 micrometers, particularly preferably 50 to 80 micrometers.
Aufgrund des Prozesses führt dies zu einem Gradienten-Übergang der Oxidschicht in das Grundmaterial. Es bildet sich eine Schicht aus ca. 2/3 aufgewachsenem und ca. 1/3 eingewachsenem Metalloxid. Der Gradienten-Aufbau dient dazu, die Haftung der so erzeugten dünnen Oxidschicht auf dem Grundwerkstoff zu verbessern. Um das tribologische Verhalten der Führungsbuchse weiter zu verbessern, wird die Oberfläche der Oxidschicht mit einer porösen Struktur versehen.Due to the process, this leads to a gradient transition of the oxide layer into the base material. A layer of approx. 2/3 grown metal oxide and approx. 1/3 grown metal oxide is formed. The gradient structure serves to improve the adhesion of the thin oxide layer produced in this way to the base material. In order to further improve the tribological behavior of the guide bush, the surface of the oxide layer is provided with a porous structure.
Es kann das gesamte Spannwerkzeug, abgesehen von der Kontaktfläche zur elektrischen Kontaktierung, mit der Leichtmetall-Oxidschicht versehen werden oder nur Teile davon. Erfindungsgemäß wird zumindest der Halte- und/oder Führungs-Bereich des Spannwerkzeuges, welcher das zu bearbeitende stangenförmige Werkstück hält bzw. führt, mit der Leichtmetall-Oxidschicht versehen. Aufgrund der Schichtdicke der Leichtmetall-Oxidschicht, die zu etwa zwei Dritteln aufwächst, schrumpft der Innendurchmesser des Spannwerkzeugs im Haltebereich. Daher muss dieses Maß vorgehalten werden, was bedeutet, dass der Innendurchmesser des Haltebereichs vor dem galvanischen Aufbringen der Leichtmetall-Oxidschicht größer sein muss als das gewünschte Endmaß. Werden auch funktionale Außenflächen des Spannwerkzeuges mit der Leichtmetall-Oxidschicht beschichtet, wie etwa der Spannbereich oder der Führungsbereich des Spannwerkzeuges innerhalb der Werkzeugmaschine, so sind auch hier entsprechend die Außenabmessungen, insbesondere die Außendurchmesser vor dem galvanischen Aufbringen der Leichtmetall-Oxidschicht kleiner auszugestalten als das gewünschte Endmaß.The entire clamping tool, apart from the contact surface for electrical contacting, can be provided with the light metal oxide layer or just parts of it. According to the invention, at least the holding and/or guiding area of the clamping tool, which holds or guides the rod-shaped workpiece to be machined, is provided with the light metal oxide layer. Due to the thickness of the light metal oxide layer, which grows by about two-thirds, the inner diameter of the clamping tool shrinks in the holding area. This dimension must therefore be maintained, which means that the inner diameter of the holding area must be larger than the desired final dimension before the light metal oxide layer is applied galvanically. If functional outer surfaces of the clamping tool are also coated with the light metal oxide layer, such as the clamping area or the guide area of the clamping tool within the machine tool, the external dimensions, in particular the external diameters, must be smaller than the desired one before the light metal oxide layer is applied galvanically gauge block.
Besteht das Spannwerkzeug aus einer Aluminium-Legierung, so besteht die Oxid-Oberfläche überwiegend aus Aluminiumoxid Al2O3, im Falle einer Magnesium-Aluminium-Legierung aus MgAl2O4 und im Falle, dass der Grundkörper der Spannwerkzeuges aus Titan oder einer Titan-Legierung besteht, weist die Oberfläche entsprechend überwiegend Titanoxid bzw. Titandioxid auf. Die Oxidschicht liegt dabei vorzugsweise als amorphe Schicht vor und es gibt einen Gradienten-Übergang zwischen dem aus Grundkörper und der Oberfläche, was bedeutet, dass der Oxidanteil vom Grundmaterial zur Oberfläche kontinuierlich zunimmt.If the clamping tool is made of an aluminum alloy, the oxide surface consists mainly of aluminum oxide Al 2 O 3 , in the case of a magnesium aluminum alloy of MgAl 2 O 4 and in the case that the main body of the clamping tool is made of titanium or a titanium alloy, the surface has accordingly mainly titanium oxide or titanium dioxide. The oxide layer is preferably present as an amorphous layer and there is a gradient transition between the base body and the surface, which means that the oxide content increases continuously from the base material to the surface.
Um die oberflächige Leichtmetall-Oxidschicht herzustellen, wird vorzugsweise ein anodischer Abscheidungsprozess verwendet, der bei geeigneten Prozess-Parametern zu einer mikro- und zu einer nanotopographischen Oberflächenstruktur der aufgebrachten Leichtmetall-Oxidschicht führt. Hierdurch wird der während der Bearbeitung von Werkstücken verwendete Schmierstoff, eine Öl-Emulsion, in die Leichtmetall-Oxidschicht-Oberfläche des erfindungsgemäßen Spannwerkzeugs eingelagert, was zu einer Verringerung der Reibung und infolge davon zu einer Verringerung des Verschleißes und somit zu höheren Standzeiten des Spannwerkzeugs führt. Hierin liegt ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Spannwerkzeuges.In order to produce the superficial light metal oxide layer, an anodic deposition process is preferably used which, with suitable process parameters, leads to a microtopographical and a nanotopographical surface structure of the applied light metal oxide layer. As a result, the lubricant used during the machining of workpieces, an oil emulsion, is embedded in the light metal oxide layer surface of the clamping tool according to the invention, which leads to a reduction in friction and, as a result, to a reduction in wear and thus to a longer service life of the clamping tool . This is another advantage of the clamping tool according to the invention.
Es wird dabei zumindest der Haltebereich des Spannwerkzeugs, welcher die zu bearbeitenden Werkstücke hält und führt, d.h. mit den zu bearbeitenden Werkstücken in Kontakt kommt, anodisch oxidiert, d.h. mit der Leichtmetall-Oxidschicht versehen. Alternativ können auch weitere funktionale Oberflächen des Spannwerkzeugs oder das gesamte Spannwerkzeug oberflächlich mit der Leichtmetall-Oxidschicht versehen sein. Als weitere Flächen werden vorzugsweise die äußeren Spann- und Führungsflächen des Spannwerkzeuges beschichtet, die an einer Werkzeugmaschine anliegen, in welche das Spannwerkzeug eingebaut ist.At least the holding area of the clamping tool, which holds and guides the workpieces to be machined, i.e. comes into contact with the workpieces to be machined, is anodically oxidized, i.e. provided with the light metal oxide layer. Alternatively, other functional surfaces of the clamping tool or the entire clamping tool can also be provided with the light metal oxide layer on the surface. The outer clamping and guide surfaces of the clamping tool that are in contact with a machine tool in which the clamping tool is installed are preferably coated as additional surfaces.
Vorzugsweise wird das Grundmaterial des Spannwerkzeuges zunächst ausgehärtet. Zur Vorbehandlung der zu anodisierenden Oberfläche des Spannwerkzeuges wird zunächst die vorhandene Oxidschicht entfernt, etwa mittels Schleifen, Läppen, Polieren und/oder einer alkalisch und/oder sauren Vorbehandlung mit oder ohne anschließendem Spülvorgang. Das Polieren kann zusätzlich durch Zugabe von Wasserstoffperoxid erfolgen. Als Elektrolyte zur Durchführung des anodischen Abscheidungs-Prozesses werden vorzugsweise Oxalsäure oder Schwefelsäure verwendet; die Anodisierung der Oberfläche des Spannwerkzeuges findet bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 20 und 30 Grad Celsius statt; die Spannung liegt vorzugsweise zwischen 20-60 Volt und die verwendete Stromdichte im Bereich von ca. 31,25 mA/cm2 .The base material of the clamping tool is preferably first hardened. To pretreat the surface of the clamping tool to be anodized, the existing oxide layer is first removed, for example by means of grinding, lapping, polishing and/or an alkaline and/or acidic pretreatment with or without a subsequent rinsing process. The polishing can also be done by adding hydrogen peroxide. Oxalic acid or sulfuric acid are preferably used as electrolytes for carrying out the anodic deposition process; the anodizing of the surface of the clamping tool preferably takes place in a temperature range between 20 and 30 degrees Celsius; the voltage is preferably between 20-60 volts and the current density used is in the range of about 31.25 mA/cm 2 .
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Führungsbuchse,1 shows a perspective view of a guide bush, -
2 zeigt eine Aufsicht auf dieselbe Führungsbuchse und2 shows a top view of the same guide bush and -
3 zeigt einen Schnitt durch ebendiese Führungsbuchse.3 shows a section through this guide bush.
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Die
Erfindungsgemäß besteht die Führungsbuchse 10 aus einer Leichtmetall-Legierung, die überwiegend aus Aluminium und/oder Magnesium und/oder Titan besteht. Zumindest die Oberfläche des Haltebereichs 20 am Innenumfang der Führungsbuchse 10 ist erfindungsgemäß mit einer Leichtmetall-Oxidschicht versehen. Darüber hinaus sind ferner die Oberflächen des konischen Spannbereichs 30 und des Führungsbereichs 40 am Außenumfang der Führungsbuchse 10 vorzugsweise ebenfalls mit einer Leichtmetall-Oxidschicht versehen.According to the invention, the
Die
Neben Führungsbuchsen können etwa auch Spannzangen aus der erfindungsgemäßen Leichtmetall-Legierung bestehen, welche eine entsprechende Oxidschicht aufweist.In addition to guide bushes, collets can also be made of the light metal alloy according to the invention, which has a corresponding oxide layer.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Führungsbuchseguide bush
- 1111
- Öffnungopening
- 1818
- Achseaxis
- 2020
- Haltebereichholding area
- 3030
- konischer Spannbereichconical clamping area
- 4040
- Führungsbereichmanagement area
- 5050
- Gewindeabschnittthreaded section
- 6060
- Kompressionsschlitzcompression slot
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 202018001413 U1 [0002]DE 202018001413 U1 [0002]
- DE 102013011817 A1 [0002]DE 102013011817 A1 [0002]
- DE 102015001422 A1 [0002]DE 102015001422 A1 [0002]
Claims (7)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE102011105752A1 (en) | 2011-06-03 | 2012-12-06 | Itg Induktionsanlagen Gmbh | Device for holding a workpiece during inductive heating |
| DE102013011817A1 (en) | 2013-01-22 | 2014-07-24 | Schlenker Spannwerkzeuge Inge & Josef Meißner GmbH & Co. KG | Flexible guide bush for supporting cylindrical rod-shaped workpieces e.g. bar material, to support center lathe, has slot formed in region of opening through inner diameter of bush and not formed in outer diameter of bush |
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-
2020
- 2020-12-11 DE DE102020007584.3A patent/DE102020007584A1/en active Pending
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