DE10244759A1

DE10244759A1 - Spannfutter zum thermischen Einschrumpfen von Schäften

Info

Publication number: DE10244759A1
Application number: DE10244759A
Authority: DE
Inventors: Walter Bauer
Original assignee: Bauer Walter Dr-Ing
Current assignee: Bauer Walter Dr-Ing
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: DE10244759B4

Abstract

Herkömmliche derartige Spannfutter stülpen beim induktiven Erhitzen an der Hülsenstirn in radialer Richtung ein, so daß sich dort die Aufnahme nicht so weit wie der Rest der Hülse aufdehnt. Deshalb werden am Eingang der Aufnahme mehrere Millimeter lange und im Durchmesser vergrößerte Einführerweiterungen vorgesehen. Dieser axial überstehende Bereich führt zu stark überhöhter Fugenpressung im Randbereich der Spannfläche und verursacht dort eine überhöhte Vergleichsspannung im Schaft. DOLLAR A Wird eine tiefe radiale Ringnut in der Aufnahme nahe der Hülsenstirn eingebracht, verändern sich die elastomechanischen Spannungen einerseits bei erhitzter Hülse so, daß ihre Aufdehnung zylindrisch wird und der Schaft eingeschoben werden kann; anderseits tritt bei abgekühlter Hülse an der Hülsenstirn keine Spannungspitze mehr auf, wodurch die Vergleichsspannung dort an der gefährdeten Schaftstelle erheblich verringert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spannfutter zum thermischen Einschrumpfen von Schäften von Werkzeugen – insbesondere auch solcher Art wie nach DIN 6535 Form HA –, mit einem Futterkörper aus Metall, der eine zentrale Aufnahme für die Schäfte im Querpreßsitz vorsieht und vor dem Einsetzen oder dem Herausnehmen des Schaftes einer Heizquelle für hohe Leistung der Wärmeeinbringung in den Bereich des Außenmantels der Hülse des Futterkörpers ausgesetzt ist. Spannfutter dieser Art sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und dienen dazu, beispielsweise einen Bohrerschaft oder Fräserschaft exakt aufzunehmen.

Bei der Nominierung der Einzelheiten des in mehrere funktionale und räumliche Bereiche aufgegliederten Futterkörpers sind erhebliche Unschärfen aufgetreten, weil diese Bereiche überwiegend bezüglich ihrer räumlichen Abgrenzung, der räumlichen und zeitlichen Temperaturverteilung und Wärmeeinbringung, und auch den mechanischen elastischen Spannungen und elastischen Verformungen komplex fließend ineinander übergehen. Die Beschreibung gibt die tendenziellen und dominanten Zustände wieder, die im wesentlichen die Eigenschaften solcher Spannfutter begründen. Insbesondere die Hülse des Futterkörpers bedarf mehrerer nur unscharf gegeneinander abgrenzbarer Teilbereiche zur Beschreibung der funktionalen Gesamtwirkungsweise. Die meist kreisringförmige Stirnfläche des freien axialen Endes der Hülse des Futterkörpers wird im folgenden kurz als „Hülsenstirn" benannt. Zweckdienlich ist die Aufgliederung der Hülse in einen dem Außenmantel der Hülse zugewandten Bereich, der ungefähr die radial außen liegende Hälfte der Hülse beinhaltet und im folgenden kurz als „Hülsenaußenzone" bezeichnet wird, sowie in einen der Aufnahme der Hülse zugewandten Bereich, der ungefähr die radial innen liegende Hälfte der Hülse beinhaltet und im folgenden kurz als „Hülseninnenzone" bezeichnet wird. Zweckdienlich ist weiterhin die Bildung von drei Abschnitten in axialer Richtung der Hülse: Mit einem bei der Hülsenstirn beginnenden Längsabschnitt der Hülse, im folgenden kurz als „Hülsenstirnabschnitt" bezeichnet. Einen daran anschließenden und den Mittenbereich der Hülse umfassenden Längsabschnitt, im folgenden kurz als „Hülsenmittenabschnitt" bezeichnet. Und ein Übergangsbereich vom Hülsenmittenabschnitt zum restlichen Futterkörper hin, im folgenden kurz als „Hülsenübergangsabschnitt" bezeichnet. Auf die Besonderheiten der Zonen und Abschnitte wird noch eingegangen. Der Druck, mit dem die im Querpreßsitz gefügte Hülse und der Schaft radial aufeinander einwirken, wird in der Fachliteratur uneinheitlich als Paßfugendruck, Spanndruck, Flächenpressung und Fugenpressung bezeichnet; hier wird im folgenden der letztere Begriff „Fugenpressung" dafür verwendet. Zur Präzisierung der Beschreibung wird die zentrale Aufnahme gegliedert in diejenige Fläche, die im geschrumpften Zustand am Schaft unter Fugenpressung anliegt und im folgenden „Spannfläche" benannt ist; weiterhin in den im folgenden „innenliegenden Freistich" genannte geringfügige radiale Erweiterung im Bereich des Hülsenübergangsabschnitts; zudem in eine im Hülsenstirnabschnitt eingebrachte meist zylindrische Erweiterung zum verkantungsfreien Vorzentrieren des Schafts, die im folgenden „Einführerweiterung" benannt ist. Die zwischen der Spannfläche und dem Schaft befindliche Fuge wird im nachfolgenden „Spannfuge" benannt.

Nach DE 199 15 412 ist ein bekanntes Spannfutter aus elektrisch leitendem Werkstoff hergestellt und weist eine Aufnahme mit einem Innendurchmesser auf, in der Schäfte geringfügig größeren Durchmessers reibschlüssig eingespannt und auch wieder ausgespannt werden können. Hierzu wird der Bereich des Außenmantels der Hülse mittels einer elektrischen Induktionsspule durch hochfrequenten Wechselstrom einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, das elektrischen Wirbelstrom in der Hülsenaußenzone des Futterkörpers erzeugt und diese partiell in kurzer Zeit aufgeheizt. Infolgedessen dehnt sich die gesamte Hülse im wesentlichen radial auf, wodurch der in dieser kurzen Zeit noch nicht vom Wärmefluß erreichte Schaft herausgezogen oder eingesetzt werden kann.

Analysiert man die elastischen Verformungen der Hülse, welche durch die alleinige Aufheizung der Hülsenaußenzone hervorgerufen werden, stellt man fest, daß im Hülsenstirnabschnitt Abweichungen von der Zylinderform hervorgerufen werden, folglich auch die innere Aufnahme keine Zylinderfläche mehr darstellt, was vorab anhand 3 und 4 zum Stand der Technik aufgezeigt wird. In der Hülsenaußenzone bildet sich (außer der tangentialen) auch eine axiale Druckspannung infolge thermischer Dehnung auf. Die stoffschlüssig damit verbundene kalte Hülseninnenzone wird hierdurch axial unter Zugspannung gesetzt. An der Hülsenstirn ist sowohl die Druckspannung in der Hülsenaußenzone, als auch auch die Zugspannung in der Hülseninnenzone Null, wodurch die dazwischen anliegende Schubspannung zur Hülsenstirn hin Wirkung zeigt und den Hülsenstirnabschnitt radial nach innen stülpt, was den ausnützbaren Fügedurchmesser der Aufnahme verringert. Die frontseitige radiale Einstülpung des Hülsenstirnabschnitts mit Kleinstdurchmesser bei der Hülsenstirn blockiert das Einstecken der Schäfte in die Aufnahme, obwohl der Hülsenmittenabschnitt genügend aufgeweitet ist.

Die bekannten handelsüblichen Spannfutter werden großteils zur Umgehung dieses Einstülpverhaltens mit einer mehrere Millimeter tief von der Hülsenstirn axial in die Aufnahme reichenden zylindrischen Einführerweiterung um einige hundertstel Millimeter oder auch einer dementsprechenden Anfasung versehen ( EP 1155765 , dort Fig. 2; EP 0830917 ; Berger, M.: Induktive Schrumpftechnik in Verbindung mit präziser Werkzeugvoreinstellung. mav 9 – 2002, S. 56 und 58). Diese wird zugleich zur Vorzentrierung und Halterung des Schaftes vor dem Fügen genutzt. Das führt jedoch dazu, daß beim Schrumpfen die gesamte von dem axial überstehenden Hülsenstirnabschnitt hervorgerufene Spannkraft von dem Kantenbereich der zurückgesetzten Aufnahme aufzunehmen ist und mit einer stark überhöhten ringförmigen Linienpressung auf den Schaft einwirkt, so daß die Aufnahme dort im mikroskopischen Bereich plastische Deformationen erfährt und insbesondere auf den Schaft eine ringförmig konzentrierte radiale überhöhte Fugenpressung einwirkt. Wird im praktischen Einsatz vom Schaft zusätzlich eine sich überlagernde Biegebelastung eingeleitet, kommt es zu einer örtlichen umlaufenden Spannungsüberhöhung, da sich die Spannungen kumulieren. Dies führt zu dem bekannten Abwalkeffekt während des Schruppfräsens, der zum Bruch des Schaftes führen kann. Die in DE 100 48 773 dargelegte Ausgestaltung eines Spannfutters zur Abmilderung des bekannten Abwalkeffektes wird aufgrund der nur noch teilweisen Anlage am Schaft nicht mehr die Anforderungen fürs Schruppfräsen erfüllen, weil sich die erheblich verringerte Anlagefläche in einem Anstieg der Fugenpressung in der restlichen wirksamen Anlagefläche äußert und in diesem Bereich wiederum der Anriß entsteht. Die in EP 1008409 dargestellte Lösung erfordert unübliche Sonderausführungen der Schäfte mit einem im Durchmesser reduzierten Einführabschnitt und im Falle beispielsweise einer Aufheizung der Hülsenaußenzone mittels Induktionsspule tritt auch bei diesem Futterkörper der Effekt der Einstülpung des Hülsenstirnabschnitts unweigerlich auf, so daß sich die dem Einführabschnitt anschließende Partie des Schaftes mit Paßmaß nicht weiter in die Spannfläche der Aufnahme einschieben läßt.

Eine weitere Auffälligkeit an bekannten Spannfuttern zum thermischen Einschrumpfen stellt der Hülsenübergangsabschnitt dar, wo die Aufheizung der Hülsenaußenzone endet und sie stoffschlüssig in den Rest des Futterkörpers mit Umgebungstemperatur übergeht. Wie ebenfalls vorab in 3 zum Stand der Technik dargestellt, ist der Hülsenübergangsabschnitt, in dem die radiale Aufdehnung beginnt und in den vollständigen Dehnzustand des Hülsenmittenabschnitts übergeht, bis zu ungefähr 10 mm lang. Dieses stark eingeschränkte Dehnverhalten ist besonders darin begründet, daß das Ende der kalten Hülseninnenzone des Hülsenübergangsabschnitts fest mit dem restlichen Futterkörper verbunden ist und sie den Hülsenübergangsabschnitt erheblich an der radialen Aufdehnung hindert. Da hier die Aufdehnungung der Aufnahme ungenügend groß zum Einstecken des Schafts ist, wird der innenliegende Freistich, der für die Innenschleifbearbeitung der Spannfläche ohnehin mit etwa 2 mm Länge notwendig wäre, in der gängigen Praxis deutlich auf ungefähr 10 mm verlängert ausgeführt, wie in DE 199 15 412 in wirklichkeitsgetreuer Darstellung gezeigt ist. Diese Länge fehlt jedoch zur Abstützung des Schafts in der Hülse und der Reibschluß zur Kraft- und Drehmomentübertragung fehlt dort anteilig ebenfalls. Da beim Schrumpfen die anteilige Spannkraft des langen Hülsenübergangsabschnitts mit seinem inneren Freistich bis zum Beginn der Spannfläche am Rand des Hülsenmittenabschnitts hin als zusätzliche Drucküberlagerung vom Schaft aufgenommen wird, kommt es dort zu einer um näherungsweise den Faktor zwei erhöhten radialen Fugenpressung, wie eine wissenschaftlich durchgeführte Berechnung belegt (Rondé, Uwe; Untersuchung von Systemen zum Spannen von Zylinderschaftwerkzeugen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Eignung für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung; Seite 48- 50; Dissertation an der Technischen Hochschule Darmstadt; 1994). Dort kann es zum örtlichen Fließen des Werkstoffs der Hülse kommen. Beachtenswert ist dabei der Umstand, daß die höchste Fugenpressung nicht direkt an der Kante des Überganges zur Spannfläche, sondern in geringer Entfernung davon innerhalb der Spannfläche auftritt. Ursache dafür ist wohl, daß der Randbereich unter der Spannfläche unter Einwirkung der Fugenpressung elastisch in axialer Richtung zum innenliegenden Freistich im Hülsenübergangsabschnitt hin ausweicht.

Die Analyse der elastischen Verformung in radialer Richtung und damit zwangsläufig verbunden in tangentialer Umfangsrichtung einer „dickwandigen" Hülse ergibt nach den theoretischen Grundlagen zu Welle-Nabe-Querpreßsitzen vom Außenmantel der Hülse zur Spannfläche hin einen progressiv zunehmenden Verlauf der tangentialen Zugspannung. Je kleiner der Durchmesser der Aufnahme, um so ausgeprägter wird die Spannungsspitze zur Spannfläche der Hülse hin. Um die auftretenden problematischen thermischen und damit einhergehenden elastomechanischen Beanspruchungen der Fügepartner abzumildern, ist nach DE 2012451 dargelegt, in der Hülse eine Anzahl gleichmäßig beabstandeter Längsnuten sowie zu diesen parallel verlaufende Löcher in gleichen Abständen zu den von den Nuten stehengebliebenen Streifen der Paßfläche einzubringen. Dies ergibt eine relativ flexible bogenförmige Struktur, die bei einem relativ großen Preßsitz (aus dem Text hergeleitet ist wohl relativ großes Untermaß und zudem relativ große Toleranz der Fügepartner damit gemeint) verhältnismäßig stark (elastisch) radial verformt. Diese elastischen Eigenschaften sind vorteilhaft und würden Spannfuttern mit sogenannter dickwandiger Hülse zu einer größeren Dehnrate, geringerer Abhängigkeit der Stärke der Fugenpressung von dem Istmaß der Durchmesser der Schäfte, und dabei großer Eigensteifigkeit gegen Biegung aufgrund der äußeren geschlossen Hülsenaußenzone verhelfen. In Bezug auf die Anwendung dieses bekannten Gestaltungsvorschlages auf Spannfutter ist nachteilig, daß die bogenförmigen Stege die auf einem Teilkreis angeordneten Bohrungen benötigen, um unter dem vom Preßsitz ausgehenden Druck elastisch geringfügig in die Bohrungen radial einzufedern und die Bohrungen minimal nierenförmig einzudrücken. Bei sehr kleinen einzuspannenden Schäften wären diese einzubringenden Bohrungen aus Platzgründen ebenfalls sehr klein, so daß deren Einfederungsvermögen gegen Null gehen würde. Die nach DE 100 65 383 bekannte Ausführung eines solchen Spannfutters weist in erheblicher Erstreckung radial ausgerichtet nach außen reichende Längsschlitze auf. Die zusätzlichen inneren Aussparungen der Kreisringsegmente ermöglichen eine ungestörte, die Kreisringform erhaltende Aufheizung der Hülsenaußenzone. Die radialen Speichen sind beim Schrumpfen rein auf radialen Druck beansprucht und deshalb sehr steif. Das Spannfutter ermöglicht eine wesentlich größere Dehnrate des Außenrings und der Innenbereich des Futterkörpers wird erst mit deutlicher Zeitverzögerung warm. Bei kleinen Durchmessern ist die Fugenpressung im Bereich der Krafteinleitung der steifen Druckspeichen deutlich überhöht und kann dort zu Überlastungen führen. Die Spannfutter nach DE 10100719 beinhalten ebenfalls tiefe radiale Längsschlitze und kreissegmentähnliche Stege. Diese Stege übertragen die Spannkraft des äußeren Hülsenteils radial mit großer Steifigkeit, so daß auch hier die Fugenpressung in der Aufnahme sehr groß ist. Man bedenke – wie vorerwähnt –, daß der Fugenpressung an der Kante die zusätzliche von der Biegebelastung eines Fräserschafts verursachte Pressung im Betrieb überlagert wird.

Der Endung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spannfutter der eingangs genannten Art und definierten Aufheizung aufzuzeigen, das keine Einstülpung des Hülsenstirnabschnitts und dadurch der Spannfläche im aufgeheizten Zustand aufweist, dabei im geschrumpften Zustand keine den Bruch des Schaftes auslösende Spannungsspitze am vorderen Ende der Spannfläche aufweist und verbliebene Spannungsspitzen erheblich verringert, und als bedeutsame Optionen zusätzlich die zum Spannen nutzbare Länge der Aufnahme bei sonst gleichen Abmessungen des Futterkörpers deutlich vergrößert, die radiale Fugenpressung bei dickwandigen Hülsen sowie bei Hülsen für Schäfte mit kleinem Durchmesser erheblich reduziert, was durch die neue Ausgestaltung folgender Problemzonen zu erreichen sein wird mit dem Ziel:

– Die im Bereich des Hülsenstirnabschnitts auftretende Einstülpung zu verhindern und dennoch den Schaft bis zur Hülsenstirn des Futterkörpers unter Annäherung an die ideale konstante Fugenpressung abzustützen und den im Hülsenmittenabschnitt vorhandenen Fügedurchmesser bis zur Hülsenstirn hin durchgehend reichen zu lassen und auch keine signifikante Erhöhung der Fugenpressung in der Spannfuge am vorderen Ende der Aufnahme bei der Hülsenstirn auftreten zu lassen.

Und als zusätzliche bedeutsame Optionen:

– Den Hülsenübergangsabschnitt, der mit dem kalten Rest des Futterkörpers fest verbunden ist, für eine größere Dehnrate auszulegen und hierzu dennoch weniger axialen Bauraum zu benötigen, um dadurch die nutzbare Spannfläche zu verlängen.
– Die radiale Aufweitung dickwandiger Hülsen oder von Hülsen für Schäfte mit kleinen Durchmessern zu vergrößern und dabei dennoch die Fugenpressung innerhalb einer gebrauchsfähigen obereren und unteren Grenze zu halten, bei der die Fugenpressung besonders im Bereich nahe der Hülsenstirn nur mäßig größer als die allein durch die Biegebelastung des Schafts maximal hervorgerufene Fugenpressung ist.
– Die vorteilhafte Einführzentrierung für den Fügevorgang der Schäfte am Eingang der Aufnahme soll gleichwohl realisiert werden und keine störende Wirkung auf die Dehn- und Schrumpfbewegung der Hülse entfalten.

Die Aufgabe ist bei einem Spannfutter der eingangs genannten Art und definierten Aufheizung durch die Erfindung gemäß der Merkmale in Anspruch 1; und die als zusätzliche Optionen von erheblicher Bedeutung angeführten Teilaufgaben sind gemäß den Merkmalen in dem selbständigen Anspruch 2 und den abhängigen Ansprüchen 3 und 4 gelöst. Weitere Erfindungsmerkmale zur sonstigen Ausgestaltung sind in den weiteren Ansprüchen dargelegt.

Die erfindungsgemäße Lösung wirkt der radialen Einstülpung durch Einbringen einer radialen Ringnut entgegen, welche die kalte Hülseninnenzone nahe der Hülsenstirn axial auf einem bestimmten Längsabschnitt unterbricht. Hierdurch entsteht ein Längsabschnitt in der Hülsenaußenzone, der durcherhitzt ist und von keiner zugeordneten kalten Hülseninnenzone am Aufdehnen gehindert wird. Ohne diesen Längsabschnitt würde sich der Rand des verbliebenen Hülsenmittenabschnitts logischerweise bei seiner unterbrochenen Hülseninnenzone beim Erhitzen ebenfalls unter der Schubspannung radial nach innen einstülpen, da auch hier die Zugspannung Null wird. Der stoffschlüssig axial außen anschließende durcherhitzbare Längsabschnitt ist so bemessen, daß er mit seiner tangentialen Druckspannung den vorderen Rand des Hülsenmittenabschnitts entgegen der Einstülpung radial nach außen zieht, so daß die gedehnte Hauptspannfläche mindestens annähernd zylindrisch oder noch etwas weiter aufgedehnt wird. Somit läßt sich der Schaft einführen. Der stehengebliebene Abschnitt bei der Hülsenstirn hat eine erhitzte Hülsenaußenzone und eine kalte Hülseninnenzone, so daß sich in der Hülsenaußenzone eine tangentiale und axiale Druckspannung aufbaut. In der kalten Hülseninnenzone entsteht durch den Stoffschluß eine tangentiale und axiale Zugspannung. An beiden Stirnseiten des stehengebliebenen Abschnitts sind die axialen Zug- und Druckspannungen Null, so daß die innere Schubspannung eine Verformung bewirkt, nämlich einstülpend nach beiden Stirnseiten hin, im wesentlichen tonnenförmig. Dieser stehengebliebene Abschnitt wird deshalb obligatorisch so kurz ausgeführt, daß die Einschnürung zur Tonnenform nur unerheblich von der Zylinderform abweicht und sich der Schaft dennoch durch diese Vorderspannfläche einführen läßt. Die maßlichen Verhältnisse sind über iterative Berechnungen auf Rechenanlagen zu erhalten.

Die radiale Ringnut im Hülsenübergangsabschnitt der Hülse am inneren Ende der Aufnahme schafft einen hinteren durcherhitzbaren Längsabschnitt, dem keine kalte Hülseninnenzone zugeordnet ist, die ihn am Aufdehnen hindert. Wegen seiner weitgehend freien Dehnung hilft er mit, den Randbereich des Hülsenmittenabschnitts zum Hülsenübergangsabschnitt hin zylindrisch aufzudehnen. Weil dies mit dem hinteren durcherhitzbaren Längsabschnitt eine verstärkte Dehnwirkung ergibt, läßt sich der Hülsenmittenabschnitt mit seiner zylindrisch aufgedehnten Hauptspannfläche verlängert ausführen bei gleichermaßen verkürztem Hülsenübergangsabschnitt, der sich nun hier über die Länge der radialen Ringnut erstreckt, die erheblich schmaler als die Länge des Freistichs herkömmlicher thermischer Spannfutter ist. Auch hier ist die maßliche Auslegung über iterative Berechnung zweckmäßig.

Die elastisch gestaltete Hülseninnenzone wurde durch Stege realisiert, die nach Art eines einseitig fest eingespannten Trägers mit einer schief an seinem freien Ende angreifenden Kraft belastet werden. Die Kraft ist die aus der Fugenpressung herrührende anteilige resultierende Normalkraft. Die radiale Wirkrichtung der Kraft ist zur Wurzel der Stege, wo sie in die massive Hülsenaußenzone in der Weise einer „festen Einspannung" übergehen, unter einem Winkel angeordnet. Die Kraft beansprucht den Steg somit auf Biegung. Die im wesentlichen radiale Erstreckung der Stege, der Winkel ihrer Anordnung zur Radialen und die Dicke und Form der Stege nehmen Einfluß auf den Federweg und die Federkonstante der Hülseninnenzone; ihre radiale Spannkraft ist proportional zur ihrer Länge. Die wirksame Dicke der Stege nimmt zur Hülsenaußenzone hin zu und ist deshalb eine geeignete Form für Biegefederung. Eine an der C-Form oder S-Form ausgerichteten Kontur der Stege kann zur weiter verbesserten Ausnützung der Hülseninnenzone zur Federung Verwendung finden und kann Kerbwirkungen mindern. Die Stege sollen so ausgerichtet sein, daß ein vom Schaft eingeleitetes Torsionsmoment einem Gesperre vergleichbar wirkt.

Die Haltenasen behindern die Dehnung der Hülseninnenzone nicht und erlauben die Aufnahme und Vorzentrierung eines Schafts, ohne die Nachteile der stark überhöhten linienartigen Fugenpressung am Beginn der Spannfuge auszulösen. Um das Verkanten der Schäfte beim Einstecken zwischen die Haltenasen zu vermeiden, lassen sich sinngemäß die von großen Spannschäften her bekannten „Einführzentrierungen" auch am Kontaktbereich der Haltenasen einarbeiten, damit glatte Schäfte verkantungsfrei einzustecken sind. Die Haltenasen können auch aus einzelnen axial überstehend ausgeführten Stegen heraus gefertigt werden.

Die zwischen der kreisförmigen vorderen Ringnut und der Hülsenstirn befindliche Vorderspannfläche ist vorzugsweise mit einem größeren Durchmesser hergestellt als der Durchmesser der Hauptspannfläche. Deshalb wirkt auf der Vorderspannfläche eine geringere Fugenpressung. Zur vom Schrumpfen herrührenden Fugenpressung kommt örtlich die aus der Biegebelastung beim Fräsen auftretende überlagernde Fugenpressung hinzu. Die verringerte Fugenpressung auf die Vorderspannfläche ergibt am Ort der Hülsenstirn zusammen mit der Torsionsbelastung des Schafts eine geringere Vergleichsspannung und setzt die Gefahr des Schaftbruchs herab. Die Haltbarkeit des Schafts gegen Biegewechsel wird dadurch heraufgesetzt.

Der Mikroschlupf zwischen besagter Vorderspannfläche und dem Schaft durch schwellende Torsion und wechselnde umlaufende Biegung wirken einem Aufschwingen entgegen. Der Mikroschlupf bewirkt eine zwischen Schaft und der Vorderspannfläche auftretende Reibung. Dies führt bei Stahl zu Abrieb und Rostbildung in der Spannfuge. Das Aufbringen einer Hartbeschichtung kann dem vorbeugen.

Um die radialen Ringnuten oder die Längsschlitze im Futterkörper fertigungstechnisch günstig einbringen zu können, ist eine mehrstückige Herstellung mit anschließender Schweiß- oder eventueller Lötverbindung zweckmäßig.

Es ist offensichtlich, daß das Spannfutter auch auf herkömmliche Art mit langsam erfolgender Aufheizung verwendbar ist bei ausschließlicher Verwendung von Schäften aus Hartmetall wegen dessen im Verhältnis zu Stahl geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die erzielbaren Vorteile im geschrumpften Zustand sind uneingeschränkt auch unter diesen Gegebenheiten vorhanden.

Die restlichen besonderen Ausführungsformen bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Dieses Spannfutter ist in der Zeichnung in seinen Ausführungsformen dargestellt. Gegenüber dem vorherigen Stand der Technik ist die neue Entwicklung unter Berücksichtigung der Verformungen sowie Darlegung der elastomechanischen Spannungen und Fugenpressungen aufgezeigt. Der Schaft ist zur Wahrung der Übersichtlichkeit häufig nicht mit eingezeichnet. Es zeigen:
1 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters mit Ringnut in der Hülseninnenzone im Hülsenstirnbereich;
2 den vergrößert dargestellten Hülsenstirnbereich mit Umgebung gemäß 1;
3 ein Spannfutter nach dem Stand der Technik im axialen Längsschnitt mit Einführerweiterung und schematisch übersteigert dargestellter Verformung im aufgeheizten Zustand;
4 den vergrößert dargestellten Hülsenstirnbereich mit Umgebung gemäß 3;
5 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters gemäß 1, mit zusätzlich im Hülsenübergangsbereich eingearbeiteter Ringnut;
6 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters gemäß 5, mit dargestellter Aufheizung der Hülsenaußenzone und Darstellung der auftretenden elastomechanischen axialen Spannungen;
7 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters nach 5, mit in den Ringnuten eingebrachten Massen;
8 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters nach 1 mit in der Hülseninnenzone eingebrachten schmalen Längsschlitzen, vollständig das Spannfutter axial längs durchdringend;
9 einen axialen Längschnitt des Spannfutters gemäß 1, mit Haltenasen zum Vorzentrieren und Aufnehmen des Schafts;
10 den vergrößert dargestellten Hülsenstirnabschnitt mit Umgebung des Spannfutters nach 9 mit Positionsdarstellung des Schafts;
11 weitere Varianten der Ausgestaltung der Haltenasen gemäß 10;
12 einen axialen Längsschnitt des Spannfutters nach 5 mit in der Hülseninnenzone eingearbeiteten Längsschlitzen, als geschweißter Verband ausgeführt;
13 eine vergrößert dargestellte Ansicht der Hülsenstirn der Spannfutter nach 8 oder 12, zur Verdeutlichung der unter einem Winkel zur Radialen verlaufenden Längsschlitze;
14 einen stark vergrößerten Ausschnitt der Hülsenstirn gemäß 13, zur Verdeutlichung der Biegefederung der Stege;
15 eine vergrößert dargestellte Ansicht der Hülsenstirn des Spannfutters nach 8 oder 12, mit C-förmigen Längsschlitzen zwischen den Stegen, zur Verdeutlichung des Vermögens biegend einzufedern;
16 eine vergrößert dargestellte Ansicht der Hülsenstirn eines Spannfutters nach 8 oder 12, mit S-förmigen Schlitzen zwischen den Stegen;
17 einen stark vergrößerten Ausschnitt der Hülsenstirn gemäß 16, zur Verdeutlichung der Biegefederung der Stege bei abgemilderter Kerbwirkung des Grundes der Längsschlitze.
Das in 1 dargestellte Spannfutter zum thermischen Einschrumpfen von Schäften besteht aus einem Futterkörper 1 aus Metall, der eine wahlfrei gestaltete Befestigungspartie 2, hier als Hohlschaftkegel ausgeführt, zum Befestigen an der Werkzeugmaschine und ein als Hülse 3 bezeichnetes rotationssymmetrisches Hohlkörperteil mit der Mittenachse 4 umfaßt. Aus Gründen der Funktionserläuterung ist die einstückige Hülse 3 in radialer Richtung in die Hülsenaußenzone 7 und die Hülseninnenzone 8 unterteilt; in Längsrichtung in einen Hülsenstirnabschnitt 9, einen Hülsenmittenabschnitt 10 und einen Hülsenübergangsabschnitt 11. Die zur Mittenachse 4 koaxial eingearbeitete Innenkontur der Hülse 3 ist zur Hülsenstirn 5 nach außen hin offen und wird insgesamt als zentrale Aufnahme 6 bezeichnet. Im inneren axialen Endbereich der Aufnahme 6 ist der innenliegende Freistich 12 mit notwendigerweise beträchtlicher Längserstreckung und geringer radialer Tiefe im Hülsenübergangsabschnitt 11 ausgebildet, weil in diesem Bereich keine gleichmäßige und genügende zylindrische Aufdehnung beim Erhitzen erfolgt. Daran anschließend ist im Bereich des Hülsenmittenabschnitts 10 in der Aufnahme 6 die Hauptspannfläche 13 angeordnet, die sich beim Erhitzen der Hülsenaußenzone 7 zylindrisch aufweitet. Zwischen der Hauptspannfläche 13 und der Vorderspannfläche 14 ist die vordere radiale Ringnut 15 in die Hülseninnenzone 8 eingearbeitet, so daß diese axial aufgetrennt ist. Über der Länge der Aufnahme ist graphisch der qualitative Verlauf der Fugenpressung P im geschrumpften Zustand gezeigt. Der Schaft 16 ist nicht dargestellt.
2 zeigt oberhalb und unterhalb der Mittenachse 4 je eine Variante des Futterkörpers 1 als vergrößerten Ausschnitt im Nahbereich des Hülsenstirnabschnitts 9. Der Durchmesser D der Hauptspannfläche 13, der Durchmesser D* der Vorderspannfläche 14 und der kleinste Durchmesser d des Schafts innerhalb seiner Toleranz verhalten sich im kalten Zustand wie folgt zueinander: D <(=) D* < d. Die Angabe der Spannungen S bezieht sich auf den Zeitpunkt, in dem die Energiezufuhr zum Erhitzen beendet wurde und der Füge- oder Entnahmevorgang des Schafts 16 in die oder aus der Aufnahme 6 beginnt. In diesem Zustand sind sämtliche Oberflächen in der Aufnahme 6, der Hülsenstirn 5 und des Außenmantels 17 der Hülse 3 und die vordere radiale Ringnut 15 völlig frei von zur Oberfläche senkrecht stehenden Spannungen S; solche existieren nicht. Dabei ist die Hülsenaußenzone 7 im wesentlichen erhitzt, die Hülseninnenzone 8 auf Raumtemperatur. Im Bereich der vorderen radialen Ringnut 15 ist in der Hülsenaußenzone 7 ein durcherhitzbarer Längsabschnitt 18 vorhanden, dem keine Hülseninnenzone 8 zugeordnet ist. Hierdurch liegt dort in Längsrichtung freie Dehnung vor und damit ist keine axiale Druckspannung Sd/ax vorhanden. Die radiale Dehnung dieses durcherhitzten axialen Längabschnitts 18 ist hingegen nicht frei, weil Stoffschluß mit dem Hülsenmittenschnitt 10 besteht und sich im Grenzbereich zwischen der raumtemperierten Hülseninnenzone 8 und der erhitzten Hülsenaußenzone 7 eine erhebliche axiale Schubspannung T/ax mit Stülpwirkung auf den Hülsenstirnabschnitt 9 der Hülse 3 ausbildet. In tangentialer Richtung herrscht in der Hülsenaußenzone 7 deshalb auch bis in den durcherhitzten Längsabschnitt 18 eine tangentiale Druckspannung Sd/tan, deren seitliche Wirkung auf die Hülseninnenzone 8 eine radiale Zugspannung Sz/rad ist, die den Randbereich der Hülseninnenzone 8 unterstützend radial mit nach außen zieht. Im Bereich längs der Vorderspannfläche 14 ist die dortige radiale Einstülpung aufgrund der obligatorisch geringen Axialerstreckung konstruktionsbedingt maßlich extrem gering und deshalb bedeutungslos. Die oberhalb der Mittenachse 4 dargestellte Variante zeigt in axialer Richtung ringförmig an der Hülseninnenzone 8 in der Hülsenstirn 5 und in der vorderen radialen Ringnut 15 vorgenommene Werkstoffeindrehungen bei unverändert belassener Vorderspannfläche 14 und Hauptspannfläche 13. Hierdurch wirkt dort in der Hülsenaußenzone 7 ein geringerer Widerstand beim Aufdehnen entgegen. Dies ist nützlich, wenn die Erhitzung dieses Hülsenstirnabschnitts 9 nicht gleich intensiv und homogen wie die der restlichen Hülse 3 realisierbar ist. Somit kann dort bei örtlich geringerer Erhitzung respektive Temperatur insbesondere die Vorderspannfläche 14 dennoch genügend weit aufgedehnt werden. Die Fasen oder Verrundungen an den Enden der Vorderspannfläche 14 und Hauptspannfläche 13 sind kleinstmöglich ausgeführt, um deren Flächen größtmöglich zu halten, was die Spannungsspitzen an den Enden verringert.
3 zeigt ein Spannfutter zum thermischen Einschrumpfen von Schäften nach dem Stand der Technik. In der Hülse 3 ist die zentrale Aufnahme 6 bei der Hülsenstirn 5 beginnend vorhanden. In der Aufnahme 6 ist bei der Hülsenstirn 5 beginnend über die Länge des Hülsenstirnabschnitts 9 eine Einführerweiterung 19 vorhanden, in die der transparent mit kurz-gestrichelter Linie dargestellte Schaft 16 auch bei kaltem Spannfutter eingesteckt, gehalten und vorzentriert wird. Die Länge der Einführzentrierung 19 ist so gewählt, wie sich die radiale Einschnürung des Hülsenstirnabschnitts 9 beim Erhitzen der Hülsenaußenzone 7 ausbildet. In strichdoppelpunktierter Linie ist stark übersteigert der Dehnzustand mit dem Außenmantel 17 der Hülse 3 und der Spannfläche 13 einschließlich der Einführerweiterung 19 bei erhitzter Hülsenaußenzone 7 dargestellt.
4 zeigt stark vergrößert den Bereich um den Hülsenstirnabschnitt 9 eines Spannfutters nach dem bekannten Stand der Technik gemäß der Darstellung in 3 mit der Einführerweiterung 19. Der transparent mit kurz-gestrichelter Linie dargestellte Schaft 16 mit Durchmesser d ist in die Einführerweiterung 19 mit Durchmesser D** eingesteckt und berührt mit seiner Stirnfase die Spannfläche 13, die einen kleineren Durchmesser D aufweist. Der Durchmesser D der Spannfläche 13, der Durchmesser d des Schafts 16 und der Durchmesser D** der Einführerweiterung 19 verhalten sich im kalten Zustand wie folgt zueinander: D < d < D**. In strich-doppelpunktierter Linie ist auch hier stark übersteigert der Dehnzustand bei erhitzter Hülsenaußenzone 7 der Hülse 3 dargestellt. Es ist verdeutlicht, daß die Einführerweiterung 19 auch bei erheblicher radialer Einschnürung bei der Hülsenstirn 5 noch genügend aufgeweitet ist, um den Schaft 16 frei durchzulassen. In der unteren Hälfte von 3 ist außerdem fiktiv einskizziert und mit „X" markiert, daß eine bis zur Hülsenstirn 5 reichende Spannfläche 13 dazu führt, daß sich die Spannfläche 13 und der Schaft 16 überschneiden würden und somit nicht mehr zu fügen sind. Die von dem Hülsenstirnabschnitt 9 hervorgerufene radiale Spannkraft muß allein vom Eingangsbereich der Spannfläche 13 aufgenommen werden und führt dort zu einer überhöhten ringförmig und linienartig wirkenden Fugenpressung P.
5 zeigt eine im Hülsenübergangsbschnitt 11 eingearbeitete innere radiale Ringnut 20, wodurch die Hülseninnenzone 8 an ihrem axialen Ende vollständig vom restlichen Futterkörper 1 getrennt wird. Aufgrund dieser Trennung wird die Hülseninnenzone 8 nicht mehr vom restlichen kalten Futterkörper 1 am radialen Aufdehnen gehindert. Zudem entsteht ein hinterer durcherhitzbarer Längsabschnitt 21 über die Länge des infolgedessen verkürzt ausführbaren Hülsenübergangsabschnitts 11, der sich erheblich leichter aufdehnt und den Randbereich der Hülseninnenzone 8 mit der um dasselbe Maß verlängert ausgeführten Hauptspannfläche 13 beim radialen Aufdehnen stark unterstützt. Der von dem hinteren durcherhitzten Längsabschnitt 21 herrührende Spannkraftanteil führt auch hier noch zu einer überhöhten ringförmigen Fugenpressung P am Ende der Hauptspannfläche 13. Diese überhöhte Fugenpressung P ist wegen des verringerten spannenden Volumens des hinteren durcherhitzbaren Längsabschnitts 21 wesentlich schwächer ausgeprägt als bei Spannfuttern nach dem bekannten Stand der Technik mit deren massivem Hülsenübergangsabschnitt 11.
6 zeigt vergrößert die Ausführung nach 5 im erhitzten Zustand. Die erhitzte Hülsenaußenzone 7 ist kreuzschraffiert dargestellt und bewirkt zur nicht erhitzten Hülseninnenzone 8 infolge thermischer Dehnung für die axiale Richtung (im wesentlichen parallel zur Mittenachse 4) eine zugeordnete axiale Druckspannung Sd/ax außen und Zugspannung Sz/ax innen. Die in dem vorderen durcherhitzten Längsabschnitt 18 und in dem hinteren durcherhitzten Längsabschnitt 21 auftretenden tangentialen Druckspannungen Sd/tan sind darin begründet, daß sie in geringer axialer Entfernung stoffschlüssig mit der raumtemperierten Hülseninnenzone 8 verbunden sind, die seitlich auf die durcherhitzbaren Längsabschnitte 18 und 21 rückwirkt. In axialer Richtung können sich diese frei dehnen, wodurch keine axialen Spannungen S entstehen, was durch S/ax = 0 veranschaulicht ist. Da in der Hülsenaußenzone 7 axial und tangential eine Druckspannung Sd/ax und Sd/tan vorliegt und somit als Reaktion der Hülseninnenzone 8 axial und tangential eine Zugspannung Sz/ax und Sz/tan aufgezwungen wird, herrscht zwischen beiden in axialer und tangentialer Richtung je eine Schubspannung T/ax und T/tan; was ursächlich für das radiale Einstülpen des Hülsenstirnabschnitts 9 der Hülse 3 ist. Als Quintessenz sind somit die tangentialen Druckspannungen Sd/tan in dem vorderen durcherhitzten Längsabschnitt 18 und als Option in dem hinteren durcherhitzten Längsabschnitt 21 herauszustellen, welche die Hauptspannfläche 13 durch seitliche Einwirkung mittels Implizierens zugeordneter örtlicher radialer Zugspannungen Sz/rad radial in eine zylindrische Form ohne vorgenannte Einstülpung ziehen.
7 zeigt ein Spannfutter gemäß 5. In der inneren oder/und vorderen radialen Ringnut 20; 15 ist Füllwerkstoff 22 eingebracht, der nicht stoffschlüssig mit dem Futterkörper 1 verbunden und der unempfindlich gegen Erhitzen ist. Der Füllwerkstoff 22 kann aus Metall wie beispielsweise Zink bestehen und mit metallischen oder sonstigen Partikeln, wie Graphit, vermengt sein. Auch größere Körper, wie Kupferdrahtabschnitte, können in der radialen Ringnut 20; 15 eingelegt oder eingepreßt sein. In der Grenzfläche zwischen dem Futterkörper 1 und dem Füllwerkstoff 22 und gegebenenfalls innerhalb des Füllwerkstoffs 22 werden Schwingbewegungen der Hülse 3 in Wärme umgesetzt und somit gedämpft. Der gezielt ungleich verteilt dargestellte Füllwerkstoff 22 läßt sich zum Auswuchten des Futterkörpers 1 mit verwenden.
8 zeigt ein Spannfutter nach 1, dessen Hülseninnenzone 8 elastisch durch zur Radialen geneigt eingearbeitete Längsschlitze 23 ausgeführt ist. Diese Ausführung ermöglicht eine vergleichsweise geringe Fugenpressung P. Die zur Radialen geneigt eingearbeiteten Längsschlitze 23 sind hier den gesamten Futterkörper 1 längs durchdringend ausgeführt. Dies ist fertigungstechnisch mittels Drahterodierens realisierbar.
9 zeigt ein Spannfutter nach 1, das an der Hülsenstirn 5 Haltenasen 24 zum Aufnehmen, Vorzentrieren und Halten eines nicht eingezeichneten Schafts 16 aufweist.
10 zeigt vergrößert die relevanten Einzelheiten aus 9. Die Haltenasen 24 sind radial auf einem fiktiven zur Mittenachse 4 koaxialen Haltenasen-Innenhüllzylinder angeordnet, dessen Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser d des transparent dargestellten Schafts 16 ist. Die Haltenasen 24 lassen aufgrund ihrer Innenkontur das zur Mittenachse 4 geringfügig verschränkte Einführen eines Schafts 16 zu und zwängen diesen beim weiteren Einschieben in eine zur Mittenachse 4 koaxiale Lage. Die Haltenasen 24 werden an der Hülsenstirn 5 nur mit einem geringen Verbindungsquerschnitt im Bereich der hülseninnenzone 8 ausgestaltet, um dem freien Aufdehnen der Vorderspannfläche 14 nicht entgegen zu wirken.
11 zeigt zwei weitere Varianten, wie eine in 10 aufgezeigt ist. Bei der oberhalb der Mittenachse 4 dargestellten Variante ist die Verbindung der Haltenasen 24 an der Hülsenaußenzone 7 vorgesehen und an ihrem anderen abstehendem Ende sind die Haltenasen 24 mit einem dünnen Ring untereinander verbunden. Die Aufdehnung der Hülse 3 ist auch hier ungestört und die Haltenasen 24 stützen sich untereinander ab, was bei unbeabsichtigtem Anschlagen das Brechen der Haltenasen verhindert. Bei der unterhalb der Mittenachse 4 dargestellten Variante sind die Haltenasen 24 aus einem separaten Ring durch einseitiges Einschlitzen gefertigt, wobei sie an ihrem vorderen Ende durch einen Rest des Rings am Umfang miteinander verbunden sind. In der Hülsenstirn 5 ist eine schräge Axialnut eingedreht, in der die Haltenasen 24 in axialer Richtung federnd eingeschnappt werden und sich somit die Hülse frei aufdehnen kann.
12 zeigt eine Ausführungsform nach 5 unter Einbeziehung von 8. Die vordere radiale Ringnut 15, die innere radiale Ringnut 20 und die zur Radialen geneigt ausgebildeten Längsschlitze 23 sind fertigungstechnisch aufwendig herzustellen. Wenn der Futterkörper 1 aus Teilstücken gefertigt und dann gefügt und geschweißt wird, läßt sich die Fertigung häufig günstiger durchführen. Es ist offensichtlich, daß außer der gezeigten mehrere weitere sinnvolle Möglichkeiten bestehen, um den Futterkörper 1 aus günstig herstellbaren Teilstücken zusammenzufügen.
13 zeigt vergrößert die Ansicht der Hülsenstirn 5 gemäß 8 oder 12 mit in der Hülseninnenzone 8 eingearbeiteten und zur Radialen geneigten Längsschlitzen 23. Die Enden der Stege 25 bilden zusammen die unterbrochene Hauptspannfläche 13 sowie die Vorderspannfläche 14 und unterscheiden sich vom Stand der Technik durch das große Einfederungsvermögen aufgrund ihrer Biegebeanspruchung unter Einwirkung der Fugenpressung P.
14 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt gemäß 13. Aus der Fugenpressung P resultierend ist eine auf die Hauptspannfläche 13 respektive Vorderspannfläche 14 senkrecht in radialer Richtung wirkende anteilige Kraft F einskizziert, die vom Steg 25 aufzunehmen ist. Der Steg 25 ist unter einem Winkel φ zur Radialen angeordnet und die Wurzel 26 des Steges 25 nimmt demzufolge einen senkrechten Abstand a zur radialen Wirkrichtung der Kraft F ein, worin die Biegebeanspruchung des Steges 25 begründet ist.
15 zeigt vergrößert die Hülsenstirn 5 gemäß 8 oder 12, wobei sich die Längsschlitze 23 in einem C-förmigen Bogen zur Hülsenaußenzone 7 hin erstrecken. Die Stege 25 werden hier auch auf Biegung beansprucht, deren Biegebelastung zur Hülsenaußenzone 7 hin zunächst zunimmt und dann wieder etwas zurückgeht. Dies ist günstig, falls die Kerbwirkung der Längsschlitze 23 reduziert werden soll.
16 zeigt vergrößert die Hülsenstirn 5 gemäß 8 oder 12, wobei sich die Längsschlitze 23 S-förmig zur Hülsenaußenzone 7 hin erstrecken.
17 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt der Hülsenstirn 5 gemäß 16. Die Stege 25 sind unter dem Winkel φ geneigt zur Radialen angeordnet und die Wurzel 26 des Steges 25 weist zur in Richtung der Radialen wirkenden Kraft F einen Abstand a auf. Die Stege 25 sind demnach auch auf Biegung federnd, mit einer nachgiebigen Taille und zur Hülsenaußenzone 7 hin erheblicher Verstärkung der Bereiche der Wurzeln 26 der Stege 25. Die Verstärkung mindert hier die Kerbwirkung des Grundes der Längsschlitze 23.

1: Futterkörper
2: Befestigungspartie
3: Hülse
4: Mittenachse
5: Hülsenstirn
6: Aufnahme (zentral)
7: Hülsenaußenzone
8: Hülseninnenzone
9: Hülsenstirnabschnitt
10: Hülsenmittenabschnitt
11: Hülsenübergangsabschnitt
12: innenliegender Freistich
13: Hauptspannfläche (beziehungsweise: Spannfläche beim Stand der Technik)
14: Vorderspannfläche
15: vordere radiale Ringnut
16: Schaft
17: Außenmantel der Hülse 3
18: vorderer durcherhitzter (durcherhitzbarer) Längsabschnitt
19: Einführerweiterung (nach dem Stand der Technik)
20: innere radiale Ringnut
21: hinterer durcherhitzter (durcherhitzbarer) Längsabschnitt
22: Füllwerkstoff
23: Längsschlitze
24: Haltenasen
25: Steg
26: Wurzel des Steges
a: Abstand
D: Durchmesser der Hauptspannfläche 13 (beziehungsweise Spannfläche)
D*: Durchmesser der Vorderspannfläche 14
D**: Durchmesser der Einführerweiterung nach dem Stand der Technik,
: beziehungsweise des fiktiven Haltenasen-Innenhüllzylinders
d: Durchmesser des Schafts
F: Kraft, resultierend aus anteiliger Fugenpressung
P: Fugenpressung
S: elastomechanische Spannung
Sd: Druckspannung
Sz: Zugspannung
T: Schubspannung
/ax: in axialer Richtung zur Hülse 3
/tan: in tangentialer Richtung zur Hülse 3
/rad: in radialer Richtung zur Hülse 3
X: Stellenmarkierung

Claims

Spannfutter zum thermischen Einschrumpfen von Schäften (16) von Werkzeugen, mit einem Futterkörper (1) aus Metall, der eine zentrale Aufnahme (6) für einen Schaft (16) im Querpreßsitz vorsieht und vor dem Einsetzen oder dem Herausnehmen des Schaftes (16) mit einer Heizquelle für hohe Leistung der Wärmeeinbringung in den Bereich des Außenmantels (17) der Hülse (3) des Futterkörpers (1) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisringförmige vordere radiale Ringnut (15) von erheblicher Tiefe in der Hülse (3) des Futterkörpers (1) im Hülsenstirnabschnitt (9) in kurzem Abstand zur Hülsenstirn (5) ausgebildet ist und die Spannfläche (13) in axialer Richtung unterbricht und die Tiefe der vorderen radialen Ringnut (15) zwischen einem viertel und zwei drittel der örtlichen Wanddicke der Hülse (3) beträgt, und eine durch numerische Berechnung ermittelte Länge der vorderen radialen Ringnut (15) mit der Wirkung aufweist, daß der restliche infolgedessen durcherhitze vordere Längsabschnitt (18) den benachbarten Bereich des anschließenden Hülsenmittenabschnitts (10) entgegen der eine nach innen gerichteten Einstülpwirkung der Hülse (3) hervorrufenden äußeren axialen Druckspannung (Sd/ax) in der Hülsenaußenzone (7) und der axialen Zugspannung (Sz/ax) in der Hülseninnenzone (8) derart entgegenwirkt, daß die Hauptspannfläche (13) des Hülsenmittenabschnitts (10) bei der vorderen radialen Ringnut (15) mindestens zylindrisch oder sogar geringfügig weiter nach außen aufgestülpt wird, bewirkt durch die thermisch bedingte tangentiale Druckspannung (Sd/tan) im vorderen durcherhitzten Längsabschnitt (18) und dessen Aufdehnung. Und der zwischen der vorderen radialen Ringnut (15) und Hülsenstirn (5) stehengebliebene Teil des Hülsenstirnabschnitts (9) mit der Vorderspannfläche (14) weist wegen seiner obligatorisch geringen Axialerstreckung keine nennenswerte Stülpverformung durch die wirkende axiale Druckspannung (Sd/ax) in seiner Hülsenaußenzone (7) und die axiale Zugspannung (Sz/ax) in seiner Hülseninnenzone (8) auf und bildet dadurch eine nur unerheblich von der Zylinderform abweichende Vorderspannfläche (14).
Spannfutter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Hülsenübergangsabschnitt (11) der Hülse (3) zur Befestigungspartie (2) des Futterkörpers (1) hin eine hintere radiale Ringnut (20) von erheblicher Tiefe, die zwischen einem viertel und zwei drittel der örtlichen Wanddicke der Hülse (3) beträgt und eine durch numerische Berechnung ermittelte kleinstmögliche Länge aufweist, wodurch der verbliebene hintere durcherhitzte oder weitgehend durcherhitzte Längsabschnitt (21) quasi frei von axialen Druckspannungen (Sd/ax) oder Zugspannungen (Sz/ax) ist und mit seiner tangentialen Druckspannung (Sd/tan) das Ende des Hülsenmittenabschnitts (10) radial mit unterstützend zylindrisch aufdehnt, so daß die Hauptspannfläche (13) verlängert ausführbar ist.
Spannfutter nach Anspruch 1 oder 2, mit einer elastisch verformbar gestalteten Hülseninnenzone (8) und gleichmäßig am Umfang verteilt eingebrachten Längsschlitzen (23) und dazwischen stehengebliebenen „Streifen" oder Stegen (25), dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (25) möglichst schmal und in ihrer im wesentlichen radialen Erstreckung C-förmig oder S-förmig gekrümmt oder unter einem Winkel (φ) zur Radialen geneigt sind und die schmal ausgeführten Stege (25) in radialer Richtung eine aus der Fugenpressung (P) resultierende anteilige Kraft (F) aufnehmen, wodurch in den Stegen (25) eine elastomechanische Biegespannung auftritt, so daß die Stege (25) mit zunehmender Fugenpressung (P) ihre Krümmung ändern respektive eine geänderte Krümmung annehmen und somit ein erhebliches radiales Einfederungsvermögen aufweisen bei größtmöglich belassener Hauptspannfläche (13) und Vorderspannfläche (14).
Spannfutter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hülsenstirn (5) am Umfang verteilt an mindestens drei Stellen axial wenige Millimeter vorstehende Haltenasen (24) mit geringen Abmessungen um einen fiktiven innenliegenden Haltenasen-Innenhüllzylinder mit Durchmesser (D**) angeordnet sind, der konzentrisch zur Hauptspannfläche (13) und Vorderspannfläche (14) und im Durchmesser geringfügig größer als der Durchmesser (d) des Schafts (16) ist, wobei gilt: (d) < (D**). Innerhalb der Haltenasen (2a) wird ein Schaft (16) aufgenommen und beim Einschieben vorzentriert und ausgerichtet.
Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der vorderen radialen Ringnut (15) und der Hülsenstirn (5) befindliche Vorderspannfläche (14) einen größeren Durchmesser (D*) als die Hauptspannfläche (13) des Hülsenmittenabschnitts (10) mit Durchmesser (D) aufweist und bezüglich des Durchmessers (d) des Schafts (16) etwas kleiner ausgeführt ist zur Herabsetzung der Vergleichsspannung, um Schaftbrüchen vorzubeugen, wobei gilt: (D) < (D*) < (d).
Spannfutter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorderspannfläche (14) beschichtet wird, um eine niedrige Reibung bei einem ähnlichen Gleit- und Haftreibungsbeiwert zur Schwingungsdämpfung des Schafts (16) und verringerten Reibverschleiß zu erreichen.
Spannfutter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Futterkörper (1) in mehreren Teilstücken gefertigt und durch Schweiß- oder Lötverbindung einstückig zusammengefügt wird.
Spannfutter nach Anspruch 1 oder weiteren Ansprüchen, beaufschlagbar mit einer Heizquelle geringer Leistung bei langdauernder Aufheizzeit und nur für Schäfte (16) aus Hartmetall oder solchen mit vergleichsweise mindestens ähnlich geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, daß die erreichten physikalischen Effekte und Zustände im geschrumpften Zustand mit denen in vorstehenden Ansprüchen dargestellten identisch sind.
Spannfutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (23) den gesamten Futterkörper (1) in axialer Längsrichtung vollständig durchdringen und erforderlichenfalls außerhalb der Hülse (3) anschließend verschlossen werden.
Spannfutter nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die schmalen Längsschlitzen (23) auch Kühl- oder Schmiermittel geleitet wird.
Spannfutter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen Längsschlitze (23) mit einer Graphit-Suspension getränkt werden und nach Verdampfung oder Verkohlung der Flüssigkeit eine eine lose Graphitfüllung in den Längsschlitzen (23) zur Schwingungsdämpfung verbleibt.
Spannfutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere radiale Ringnut (20) oder/und vordere radiale Ringnut (15) gezielt teilweise mit einem hitzebeständigen Füllwerkstoff (22) ausgefüllt und der Futterkörper (1) damit ausgewuchtet wird, ohne sich mit dem Futterkörper (1) stoffschlüssig zu verbinden, wodurch in der Grenzfuge zwischen dem eingebrachten Füllwerkstoff (22) und dem Futterkörper (1) Körperschwingungen des Futterkörpers (1) mittels Mikroreibung gedämpft werden.
Spannfutter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltenasen (24) erst nach Fertigstellung des Futterkörpers (1) aus einem hülsenförmigen axialen Ansatz herausgearbeitet werden, der eine Zentrierung zum Außenschleifen des Futterkörpers (1) enthält.
Spannfutter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sonstige bekannte oder noch bekannt werdende Maßnahmen und Ausgestaltungen an Spannfuttern zum thermischen Einschrumpfen von Schäften (16) konstruktiv mit einbezogen werden.
Spannfutter nach mindestens zwei der vorhergehenden Ansprüche oder Teilen der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre erfindungsgemäßen Ausgestaltungen in konstruktiver Mischform gemeinsam verwendet sind.