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Die Erfindung betrifft ein Schrumpffutter und ein Verfahren zum Schrumpfspannen eines Werkzeuges.
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Schrumpffutter sind seit Jahren gebräuchlich, um Werkzeuge mit hoher Spannkraft und hoher Präzision zu spannen. Dabei ist es in vielen Fällen möglich, mit Schrumpffuttern höhere Spannkräfte zu erzeugen, als dies bei herkömmlichen Spannfuttern möglich ist.
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Bei kleineren Durchmessern ist die Spannkraft allerdings naturgemäß relativ begrenzt.
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Im Stand der Technik gibt es verschiedene Versuche, hier Abhilfe zu schaffen.
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So ist es beispielsweise aus der
US 6,260,858 B1 und aus der
DE 199 44 440 C2 bekannt, im Spannbereich des Spannfutters eine Zwischenschicht aus einem thermisch isolierenden Material zur Verringerung des Wärmeübergangs auf den Werkzeugschaft vorzusehen. Dadurch wird beim Wiedererwärmen zum Ausspannen des Werkzeugs die Wärmeübertragung auf das Werkzeug verringert, so dass das Werkzeug leichter herausausnehmbar ist. Umgekehrt wird hierdurch die Spannkraft erhöht, da geringere Dimensionsunterschiede zwischen der Aufnahmebohrung für das Werkzeug und dem thermisch aufweitbaren Spannabschnitt ausreichen.
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Gemäß der
DE 100 28 720 C2 ist es ferner bekannt, das thermisch aufweitbare Spannfutter aus einem schwach magnetischen Stahl mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten herzustellen und im Futterkörper ferritische Bauteile einzubauen, um so eine induktive Erwärmung zu ermöglichen.
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Aus der
DE 101 14 149 C2 ist es ferner bekannt, ein Schrumpffutter aus einem nicht oder nur schwach magnetischen Stahl mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten herzustellen und auf dem Spannabschnitt des Futterkörpers ein aus induktiv erwärmbarem Material bestehendes Bauteil lösbar klemmend aufzustecken, um damit eine induktive Erwärmung zu ermöglichen.
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Auch dadurch wird der Unterschied zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des zu spannenden Werkzeugs und des Spannfutters erhöht und damit eine höhere Spannkraft ermöglicht.
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Allerdings sind sämtliche der oben erwähnten Maßnahmen nicht geeignet, um sehr hohe Spannkräfte zu ermöglichen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Schrumpffutter und ein Verfahren zum Schrumpfspannen eines Werkzeugs zu offenbaren, womit möglichst hohe Spannkräfte erzielbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Schrumpffutter zum thermischen Schrumpfspannen eines Werkzeugs gelöst, mit einem Basisteil, an dem ein Halteabschnitt und ein thermisch aufweitbarer Spannabschnitt vorgesehen sind, der eine zentrale Aufnahmebohrung zur Aufnahme eines Werkzeugs aufweist, und der an seiner Außenoberfläche zumindest abschnittsweise nach außen hin konisch verjüngt ausgebildet ist, mit einem den Spannabschnitt und den Halteabschnitt zumindest teilweise umschließenden Hülsenteil, das zumindest im Bereich des Spannabschnitts an seiner Innenoberfläche der Form der Außenoberfläche des Spannabschnitts angepasst ist und mit dem Basisteil unter axialer Vorspannung verbunden ist.
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Die Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Schrumpfspannen eines Werkzeugs mit den folgenden Schritten gelöst:
- - Bereitstellen eines Schrumpffutters mit einem Basisteil, an dem ein Halteabschnitt und ein thermisch aufweitbarer Spannabschnitt vorgesehen sind, der eine zentrale Aufnahmebohrung zur Aufnahme eines Werkzeugs aufweist, und der an seiner Außenoberfläche zumindest abschnittsweise nach außen hin konisch verjüngt ausgebildet ist;
- - Bereitstellen eines auf den Spannabschnitt und den Halteabschnitt aufsetzbaren Hülsenteils, das zumindest im Bereich des Spannabschnitts an seiner Innenoberfläche der Form der Außenoberfläche des Spannabschnitts angepasst ist;
- - Axiales Verspannen des Hülsenteils gegenüber dem Basisteil zur Erzeugung einer radialen Vorspannung auf das Basisteil;
- - lokales Erhitzen des Schrumpffutters insbesondere im Bereich des Spannabschnitts, um die Aufnahmebohrung thermisch aufzuweiten;
- - Einführen eines Werkzeugs mit seinem Schaft in die thermisch aufgeweitete Aufnahmebohrung; und
- - Abkühlen des Schrumpffutters zum Schrumpfspannen des Werkzeugs.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
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Erfindungsgemäß wird durch das auf das Basisteil aufgeschraubte Hülsenteil eine zusätzliche Kraft in Axialrichtung ausgeübt, die durch den konischen Verlauf von Hülsenteil und Spannabschnitt zu einer zusätzlichen Spannkraft in Radialrichtung führt. Auf diese Weise lässt sich eine erheblich vergrößerte Spannkraft im Vergleich zu herkömmlichen Schrumpffuttern erzielen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Spannabschnitt mindestens einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz auf.
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Durch den mindestens einen in Axialrichtung verlaufenden Schlitz kann sich die Aufnahmebohrung beim Erwärmen besser radial weiten, wodurch das spätere Einschrumpfen eines Werkzeugs erleichtert wird. Vorzugsweise werden hierbei zwei oder mehr Schlitze, insbesondere vier jeweils um 90° zueinander versetzte Schlitze vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der zumindest eine Schlitz zumindest abschnittsweise über die Länge des Spannabschnitts, jedoch nicht bis zu dessen äußerem Ende.
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Am äußeren Ende des mindestens einen Schlitzes verbleibt vorzugsweise ein Ringsteg.
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Dadurch, dass am äußeren Ende des mindestens einen Schlitzes Material stehen bleibt, etwa in Form eines Ringsteges, wird vermieden, dass der geschlitzte Spannabschnitt des Basisteils beim Aufschrauben des Hülsenteils zusammenfällt, wodurch ein späteres Einschrumpfen von Werkzeugen behindert würde.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Form und Stärke des verbleibenden Ringsteges derart angepasst, dass beim Erhitzen des mit dem Basisteil axial verspannten Hülsenteils eine ausschließlich elastische Verformung des Spannabschnitts gewährleistet ist. Eine plastische Verformung, durch welche das Schrumpffutter unbrauchbar würde, wird durch die Dimensionierung vermieden.Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist am Hülsenteil ein Innengewinde vorgesehen, dem am Halteabschnitt vorzugsweise in einem zylindrischen Bereich ein Außengewinde zugeordnet ist. Die so gebildete Gewindeverbindung kann vorzugsweise am Beginn des Halteabschnitts, also etwa unmittelbar angrenzend an einen Halteflansch, etwa in Form eines HSK, angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Hülsenteil leicht mit dem gewünschten Drehmoment auf den Halteabschnitt des Basisteils aufgeschraubt werden.
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Die zusätzlich erzeugte Spannkraft ist insbesondere vom Konuswinkel abhängig.
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Der Konuswinkel α wird vorzugsweise so gewählt, dass ein Bereich der Selbsthemmung vermieden wird und dass sich ausgehend von der axialen Vorspannung eine optimale Kraftübertragung in Radialrichtung zur Erhöhung der Spannkraft ergibt. Hierbei haben sich Konuswinkel im Bereich von etwa 2 bis 5°, insbesondere von etwa 3°, als besonders vorteilhaft erwiesen. Eine zu hohe Spannkraft muss vermieden werden, da dies zu plastischen Verformungen führen kann. Unter „Konuswinkel“ wird hierbei der Winkel verstanden, um den die Außenoberfläche des Spannabschnitts von der Axialrichtung abweicht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die axiale Vorspannung zwischen Hülsenteil und Basisteil und der Konuswinkel derart gewählt, dass sich durch die Vorspannung ein Weg in Radialrichtung ergibt, der im Bereich des 1 ,0-fachen bis 2-fachen Weges liegt, der durch die gewünschte Überdeckung (Wegdifferenz der Presspassung zwischen Spannabschnitt und Werkzeugschaft) vorgegeben ist. Ein Faktor von kleiner 1 ist bei speziellen Erwärmungsprofilen grundsätzlich auch möglich. Die Überdeckung ist von der Geometrie des zu spannenden Schaftdurchmessers abhängig und liegt bei Schaftwerkzeugen üblicherweise im Bereich von 0,002 mm bis 0,2 mm, wobei größere Überdeckungen grundsätzlich möglich sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht das Hülsenteil aus einem Werkstoff, der einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Werkstoff aufweist, aus dem das Basisteil besteht. Beispielsweise könnte das Hülsenteil aus einem austenitischen Stahl bestehen mit einem Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von etwa 1,6 × 10-5 K-1, während das Basisteil aus einem ferritischen Stahl mit einem Ausdehnungskoeffizienten von beispielsweise etwa 1 × 10-5 K-1 bestehen könnte.
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Durch einen derartigen Aufbau kann die Spannkraft noch weiter vergrößert werden. Allerdings sollte hierbei bei der Dimensionierung beachtet werden, dass das Entstehen einer plastischen Verformung vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein durchgehender Kühlmittelkanal zur Kühlmittelzuführung durch einen zentralen Kanal des Basisteils über die Aufnahmebohrung und den mindestens einen Schlitz bis nach außen ausgebildet.
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Dieses Merkmal, das grundsätzlich auch unabhängig von der Ausgestaltung des Schrumpffutters, also mit einem herkömmlichen Schrumpffutter, verwendet werden könnte, ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kühlmittelführung.
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Hierbei ist vorzugsweise der mindestens eine Schlitz zur Kühlmittelführung nach außen hin über einen vorzugsweise zwischen Hülsenteil und Basisteil ausgebildeten Ringspalt fortgeführt. Auf diese Weise wird die Kühlmittelführung nach außen hin auf einfache Weise gewährleistet.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Spannabschnitt mit mindestens einem in Axialrichtung verlaufenden Schlitz bereitgestellt.
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Ferner wird der Spannabschnitt bevorzugt mit dem in Axialrichtung verlaufenden Schlitz sich zumindest abschnittsweise über die Länge des Spannabschnitts erstreckend, jedoch nicht bis zu dessen äußerem Ende erstreckend, bereitgestellt. Hierbei kann etwa der Spannabschnitt mit dem mindestens einen Schlitz derart bereitgestellt werden, dass am äußeren Ende ein Ringsteg verbleibt.
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Schließlich kann das Basisteil derart bereitgestellt werden, dass ein durchgehender Kühlmittelkanal zur Kühlmittelführung durch einen zentralen Kanal des Basisteils über die Aufnahmebohrung und den mindestens einen Schlitz bis nach außen ausgebildet ist. Das Kühlmittel wird in der Aufnahmebohrung zwischen dem Hülsenteil, den Wandungen des Schlitzes und dem gespannten Werkzeugschaft geleitet.
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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 oder in Alleinstellung 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 perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Schrumpffutters;
- 2 einen Längsschnitt durch das Schrumpffutter gemäß 1;
- 3 einen Querschnitt durch das Schrumpffutter gemäß der Linie III-III gemäß 2 und
- 4 das Schrumpffutter gemäß 1 in Explosionsdarstellung mit dem Hülsenteil vor dem Aufsetzen auf dem Basisteil.
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Ein erfindungsgemäßes Schrumpffutter ist in 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Das Schrumpffutter 10 weist ein Basisteil 12 auf, an dem ein Spannflansch 14 in Form eines HSK-Flansches ausgebildet ist und auf dessen Vorderseite ein Hülsenteil 16 aufgenommen ist. Das Hülsenteil 16 weist einen hinteren, dem Spannflansch 14 zugewandten zylindrischen Teil und einen vorderen Teil auf, der konusstumpfförmig ausgebildet ist.
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Der nähere Aufbau des erfindungsgemäßen Schrumpffutters wird nunmehr anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Der Spannflansch 14 ist einstückig mit dem Basisteil 12 ausgebildet. Unmittelbar angrenzend an den Spannflansch ist ein zylindrischer Halteabschnitt 18 ausgebildet, an den sich ein Spannabschnitt 20 anschließt, der im äußeren Bereich konisch zulaufend geformt ist. Innerhalb des Halteabschnitts 18 ist eine Stellschraube 26 mittels einer Gewindeverbindung axial verstellbar aufgenommen. Im Spannabschnitt 20 ist eine zentrale Aufnahmebohrung 22 vorgesehen, die am Halteabschnitt 18 an einem Absatz 23 endet.
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Die Außenoberfläche des Halteabschnitts 18 ist zylindrisch und weist angrenzend an den Spannflansch 14 ein Außengewinde 24 auf. Die zylindrische Form des Halteabschnitts 18 setzt sich im angrenzenden Spannabschnitt 20 bis hin zu einem Einstich 27 fort. Von diesem aus ist der Spannabschnitt 20 an seiner Außenoberfläche konusförmig zulaufend in Richtung auf das freie äußere Ende ausgebildet. Der Konuswinkel α, der gemäß 2 zwischen der Außenoberfläche des Spannabschnitts 20 und einer in Axialrichtung verlaufenden Linie ausgebildet ist, beträgt im vorliegenden Fall etwa 3°.
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Das Hülsenteil 16 ist an seiner Innenoberfläche der Form des Spannabschnitts 20 und des Halteabschnitts 18 angepasst (identischer Konuswinkel) und weist an seinem dem Spannflansch 14 zugewandten Ende ein Innengewinde 25 auf, das auf das Außengewinde 24 des Halteabschnitts 18 aufschraubbar ist. Dabei erfolgt eine Verschraubung bis auf Anschlag des Hülsenteils 16 am Spannflansch 14, so dass sich eine definierte Vorspannung in Axilarichtung ergibt.
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Der Spannabschnitt 20 weist insgesamt vier in Axialrichtung verlaufende Schlitze 28 auf, die relativ zueinander um jeweils 90° versetzt angeordnet sind, wie insbesondere aus der Darstellung in 4 erkennbar ist. Diese Schlitze 28 erstrecken sich im vorliegenden Fall praktisch über die gesamte axiale Länge des Spannabschnitts 20, enden jedoch vor dem äußeren Ende des Spannabschnitts 20, so dass außen ein Ringsteg 30 verbleibt, wie es insbesondere auch aus 4 zu ersehen ist.
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Ist das Hülsenteil 16 gemäß 2 auf das Basisteil 12 aufgeschraubt, so liegen die konisch zulaufende Außenfläche des Spannabschnitts 20 und die entsprechend geformte konisch zulaufende Innenoberfläche des Hülsenteils 16 aneinander an. Durch die Verschraubung ist eine axiale Vorspannung gegeben, die über das Hülsenteil 16 auf den Spannabschnitt 20 übertragen wird und somit zu einer radialen Vorspannung des Basisteils 12 in seinem Spannabschnitt 20 führt. Dabei ist die Vorspannung durch die geometrische Anordnung der Gewindeverbindung zwischen Hülsenteil 16 und Basisteil 12 und durch den Anschlag des Hülsenteils 16 am Basisteil 12 vorgegeben.
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Es versteht sich, dass die axiale Vorspannung statt über eine Verschraubung des Hülsenteils 16 mit dem Basisteil 12 auch auf andere Weise erzeugt werden könnte, z.B. durch eine Spannvorrichtung, und anschließend fixiert werden könnte, z.B. durch eine Verschweißung, Verstemmung oder dgl.
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Bei der geometrischen Auslegung des Schrumpffutters 10 wird die axiale Vorspannung zwischen Hülsenteil 16 und Basisteil 12 und der Konuswinkel α vorzugsweise derart gewählt, dass sich durch die Vorspannung ein Weg in Radialrichtung ergibt, der im Bereich des 1,0-fachen bis 2-fachen Weges liegt, der durch die gewünschte Überdeckung (Wegdifferenz der Presspassung zwischen Spannabschnitt und Werkzeugschaft) vorgegeben ist. Ein Faktor von < 1 ist bei speziellen Erwärmungsprofilen grundsätzlich auch möglich. Die Überdeckung ist von der Geometrie des zu spannenden Schaftdurchmessers abhängig und liegt bei Schaftwerkzeugen üblicherweise im Bereich von 0,002 mm bis 0,2 mm, wobei größere Überdeckungen grundsätzlich auch möglich sind.
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So könnte beispielsweise für eine Überdeckung von 0,1 mm ein durch die Vorspannung bedingter Weg in Radialrichtung vorgesehen werden, der bei etwa 0,15 mm liegt.
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Wird das Schrumpffutter 10 zusammen mit dem darauf aufgeschraubten Hülsenteil 16 induktiv erwärmt, so weiten sich sowohl das Hülsenteil 16 als auch das Basisteil 12 mit dem Spannabschnitt 20 auf, so dass ein Werkzeug mit seinem Schaft in die Aufnahmebohrung 22 eingeführt werden kann. Beim nachfolgenden Erkalten ergibt sich aus der axialen Vorspannung zwischen Hülsenteil 16 und Basisteil 12 eine zusätzliche radiale Komponente nach innen, wodurch sich die auf den Werkzeugschaft ausgeübte Spannkraft deutlich erhöht.
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Die Erhöhung der Spannkraft wird wesentlich von dem Konuswinkel α bestimmt. Dieser ist so gewählt, dass ein systembedingtes Lösen möglich ist, dass andererseits die Spannkraft nicht so stark ansteigt, dass sich plastische Verformungen ergeben. Ein Bereich von etwa 1 bis 10°, vorzugsweise 2 bis 5° oder im vorliegenden Fall von etwa 3° hat sich als geeignet erwiesen.
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In diesem Bereich zeigt sich ein Optimum aus der Übersetzung der Axialkraft, welche das Hülsenteil 16 auf den Spannabschnitt 20 unter dem Winkel α überträgt, in eine Radialkraft unter Berücksichtigung der Reibkräfte zwischen dem Hülsenteil 16 und dem Spannabschnitt 20.
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Durch den verbleibenden Ringsteg 30 am äußeren Ende der Schlitze 28 wird sichergestellt, dass die einzelnen durch die Schlitze 28 gebildeten Segmente des Spannabschnitts beim Aufschrauben des Hülsenteils 16 auf das Basisteil 12 nicht nach innen fallen können, was die Funktion behindern würde.
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Der am äußeren Ende des Spannabschnitts 20 verbleibende Ringsteg 30 weist einen Außendurchmesser auf, der etwas geringer als der zugeordnete Innendurchmesser an dieser Stelle des Hülsenteils 16 ist. Somit entsteht ein Ringspalt 36 zwischen dem Ringsteg 30 und der Innenoberfläche des Hülsenteils 16, wenn dieses auf das Basisteil 12 gemäß 2 aufgeschraubt ist.
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Durch diesen Ringspalt 36 in Verbindung mit den Schlitzen 28 und einer Durchlassbohrung 40 in der im äußeren Bereich geschlitzten Stellschraube 36 wird somit ein durchgehender Kühlkanal gebildet, über den Kühlmittel aus einem zentralen Kanal 38 des Basisteils 12 durch die Durchlassbohrung 40 der Stellschraube 26 bis nach außen gelangen kann, um das Werkzeug bzw. Werkstück zu kühlen und die durch die Bearbeitung anfallenden Späne zu beseitigen.
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Eine derartige Kühlmittelführung stellt eine Vereinfachung gegenüber bekannten Kühlmittelführungen bei herkömmlichen Schrumpffuttern dar.
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Die Stellschraube 26 dient in bekannter Weise zur Einstellung der Endposition eines einzuschrumpfenden Werkzeuges, wenn dieses mit seinem Schaft in die Aufnahmebohrung 22 eingeführt wird.
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Verwendet man für das Basisteil 12 und das Hülsenteil 16 Werkstoffe mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise einen ausstenitischen Stahl für das Hülsenteil 16 und einen ferritischen Stahl für das Basisteil 12, so hat das Hülsenteil 16 einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Basisteil 12, was zu einer Erhöhung der axialen Relativbewegung zwischen Basisteil 12 und Hülsenteil 16 und damit über den Konus zu einer Verstärkung der Spannkraft führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6260858 B1 [0005]
- DE 19944440 C2 [0005]
- DE 10028720 C2 [0006]
- DE 10114149 C2 [0007]
