DE19825373A1 - Einspannung eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme - Google Patents

Abstract

Im Aufnahmeraum einer Werkzeugaufnahme, in der das Werkzeug eingespannt ist, ist ein Schaft des Werkzeuges eingespannt. Schlanke Werkzeuge, wie Schaftfräser oder Bohrstangen, führen wegen ihrer geringen Biegefestigkeit und Systemdämpfung während der Bearbeitung oft große Schwingungsamplituden aus, die in Form eines regenerativen Ratterns auftreten. DOLLAR A Um die Einspannung so auszubilden, daß Ratterschwingungen während der Bearbeitung des Werkstückes ohne Einschränkung der Belastungs- bzw. Leistungsgrenze des Werkzeuges vermieden werden, ist in den Kraftfluß zwischen dem Werkzeug und der Werkzeugaufnahme ein statisch nachgiebiges Element eingefügt, das eine hohe Dämpfung aufweist. Aufgrund dieser hohen Dämpfung tritt ein Rattern des Werkzeuges nicht auf, selbst wenn es eine große Länge hat und/oder sehr schlank ausgebildet ist. DOLLAR A Die Einspannung eignet sich für schlanke Werkzeuge, wie Schaftfräser oder Bohrstangen und dergleichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspannung eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei bekannten Einspannungen (Fig. 2) wird ein Schaft 4 eines Werk­ zeuges 1 in einem Aufnahmeraum 3 einer Werkzeugaufnahme 2 mit­ tels eines in der Werkzeugaufnahme 2 sitzenden Spannkörpers 9 starr eingespannt. Schlanke Werkzeuge, zum Beispiel Schaftfräser oder Bohrstangen, führen wegen ihrer geringen Biegesteifigkeit und Systemdämpfung während der Bearbeitung oft große Schwin­ gungsamplituden aus, die meist in Form eines regenerativen Ratterns auftreten. Diese Schwingungen lassen sich nur durch eine Verringe­ rung der Schnittiefe des Werkzeuges vermeiden. Schlanke Schaftfrä­ ser werden beispielsweise zum Taschenfräsen, zum Fräsen von Tief­ zieh- und Schmiedewerkzeugen sowie zur Herstellung von Integral­ bauteilen für den Flugzeugbau eingesetzt. Die Belastungs- bzw. Lei­ stungsgrenze ist die Ratterneigung des Werkzeuges infolge seiner gering gedämpften Biegeeinschwingung.

Aber auch Ausbohroperationen mit Bohrstangen mit einem I/d- Verhältnis < 4 werden durch die Ratterneigung in ihrer Leistungsfä­ higkeit begrenzt. Dies gilt für stehende Bohrwerkzeuge an Drehma­ schinen und für rotierende Ausbohrwerkzeuge an Bohr- und Fräswer­ ken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Ein­ spannung so auszubilden, daß Ratterschwingungen während der Be­ arbeitung eines Werkstückes ohne Einschränkung der Belastungs- bzw. Leistungsgrenze des Werkzeuges vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einspannung erfin­ dungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Einspannung ist in den Kraftschluß zwi­ schen dem Werkzeug und der Werkzeugaufnahme mindestens ein statisch nachgiebiges Element eingefügt, das eine hohe Dämpfung aufweist. Aufgrund dieser gedämpften Einspannung kann das Werk­ zeug gegenüber der Werkzeugaufnahme federnd nachgeben. Auf­ grund der hohen Dämpfung tritt ein Rattern des Werkzeuges nicht auf, selbst wenn es eine große Länge hat und/oder sehr schlank ausgebildet ist. Das entsprechende Dämpferelement wird an der Stelle der größten Relativbewegung zwischen dem Schaftende des Werkzeuges und der Werkzeugaufnahme eingebaut. Infolge der er­ findungsgemäßen Einspannung kann der Werkzeugschaft eine Kipp­ bewegung um seine Einspannstelle als Drehpunkt ausführen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand zweier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Werkzeugeinspannung,

Fig. 2 in einer Darstellung entsprechend Fig. 1 eine bekannte Werkzeugeinspannung,

Fig. 3 und Fig. 4 im Axialschnitt zwei unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Werkzeugeinspannungen,

Fig. 5 eine Gegenüberstellung der Eigenschaften der bekannten und der erfindungsgemäßen Werkzeugeinspannung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Werkzeug 1, das in einer Werkzeugauf­ nahme 2 aufgenommen ist. Das Werkzeug 1 kann beispielsweise ein Schaftfräser, eine Bohrstange und dergleichen sein. Die Werk­ zeugaufnahme 2 kann als Steilkegel, HSK, VDI-Schaft und derglei­ chen ausgebildet sein. Das Werkzeug 1 wird über die Werkzeugauf­ nahme 2 in einer (nicht dargestellten) Spindel aufgenommen, mit der das Werkzeug 1 drehbar angetrieben wird. Die Werkzeugaufnahme 2 hat einen zylindrischen Aufnahmeraum 3, in den ein Schaft 4 des Werkzeuges 1 ragt. In den Kraftfluß zwischen Werkzeug 1 und Werk­ zeugaufnahme 2 wird mindestens ein statisch nachgiebiges Element 5 eingefügt, das eine gezielt hohe Dämpfung 8 aufweist. Der Werk­ zeugschaft 4 kippt um eine federnde Einspannstelle (Drehpunkt). Das freie Schaftende wird hierbei am weitesten radial ausgelenkt. An die­ ser Stelle der größten Relativbewegung zwischen dem Schaftende 6 und der Innenwandung 7 des Aufnahmeraumes 3 ist mindestens ein Dämpferelement 8 eingebaut. Es ist vorteilhaft ein Squeeze-Film- Dämpfer, kann aber auch beispielsweise ein Gummidämpfer, bei­ spielsweise in Form eines O-Ringes, sein. Über ein nachgiebiges Element 5, das auch eine Membran-, Biegefeder oder ein anderes elastisches Element sein kann, wird der Werkzeugschaft 4 in der Werkzeugaufnahme 2 federweich eingespannt. Der Werkzeugschaft 4 und damit das Werkzeug 1 können dadurch eine Kippbewegung um diese Einspannstelle als Drehpunkt ausführen.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Werkzeug­ einspannung. Der Schaft 4 des Werkzeuges 1 ist in einer Hülse 9 aufgenommen, die mit einem radial nach außen gerichteten Flansch 10 an der Stirnseite der Werkzeugaufnahme 2 lösbar befestigt ist. In der Hülse 9 ist am freien Ende eine den Schaft 4 mit geringem Ab­ stand umgebende Vertiefung 11 vorgesehen, die zur Stirnseite der Hülse 9 offen ist.

Innerhalb des Aufnahmeraumes 3 der Werkzeugaufnahme 2 ist die Hülse 9 von einem Ringraum 12 umgeben, in dem sich ein Druckme­ dium 13, vorzugsweise Öl, befindet. Der Ringraum 12 wird radial nach außen durch die Innenwand des Aufnahmeraumes 3 begrenzt. Der Ringraum 12 erstreckt sich geringfügig über die Werkzeugauf­ nahme 2 bis in den Flansch 10 der Hülse 9.

Die Hülse 9 liegt einem Boden 14 des Aufnahmeraumes 3 mit einem Boden 15 mit geringem axialem Abstand gegenüber. Vom Boden 15 ausgehend ist der Außendurchmesser der Hülse 9 verringert, so daß eine zum Boden 15 offene, umlaufende Vertiefung 16 gebildet wird, in der ein Ring 17 liegt. Der Außendurchmesser des Ringes 17 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Aufnahmeraumes 3, so daß zwischen dem Ring 17 und der Innenwand des Aufnahme­ raumes 3 ein schmaler, ringförmiger Dämpfungsspalt 18 gebildet wird, der mit dem Ringraum 12 in Verbindung steht und in dem sich ebenfalls das Druckmedium befindet. Der Ring 17 liegt an einer radial nach außen gerichteten Ringschulter 19 der Hülse 9 an und steht ra­ dial über die Außenwandung der Hülse vor. Dadurch ist der Ringraum 12 radial breiter als der Dämpfungsspalt 18.

Da der Ringraum 12 sich axial geringfügig über die Werkzeugauf­ nahme 2 in den Flansch 10 der Hülse 9 erstreckt, wird zwischen der umlaufenden Vertiefung 11 und dem radial benachbarten Teil des Ringraumes 12 ein schmaler Ringsteg gebildet, der das statisch nachgiebige Element 5 bildet. Das Werkzeug 1 kann aufgrund dieses ringstegförmigen Elementes 5 relativ große Bewegungen gegenüber der Werkzeugaufnahme 2 bei radialer Belastung ausführen. Das Schaftende führt dementsprechend eine relativ große Bewegung aus, so daß im Aufnahmeraum 3 der Werkzeugaufnahme 2 das Dämp­ fungselement in Form des beschriebenen Öl-Verdrängersystems 12, 18 vorgesehen werden kann. Das im Ringraum 12 sowie im Dämp­ fungsspalt 18 befindliche Druckmedium 13 ergibt eine hervorragende Dämpfung. Aufgrund der beschriebenen elastischen Werkzeugein­ spannung mit der hohen Dämpfung lassen sich Ratterschwingungen des Werkzeuges 1 hervorragend unterdrücken. Die Werkzeugein­ spannung ist hervorragend für schlanke Werkzeuge geeignet, die wegen der geringen Biegesteifigkeit und Systemdämpfung während der Bearbeitung oft große Schwingungsamplituden ausführen, die in Form eines regenerativen Ratterns auftreten. Bei Einsatz der be­ schriebenen Werkzeugeinspannung können große Schnittiefen des Werkzeuges 1 zugelassen werden, ohne daß eine Ratterneigung zu befürchten ist. Auch für Ausbohroperationen mit Bohrstangen als Werkzeug 1 mit einem I/d-Verhältnis < 4 ist die Werkzeugeinspan­ nung hervorragend geeignet. Da eine Ratterneigung aufgrund der elastischen und gedämpften Werkzeugeinspannung nicht auftritt, wird die Leistungsfähigkeit solch langer und dünner Bohrstangen nicht beeinträchtigt.

Anstelle des beschriebenen Druckmedium-Verdrängersystems kann das Schaftende im Aufnahmeraum 3 der Werkzeugaufnahme 2 auch von wenigstens einem Gummielement und dergleichen als statisch nachgiebiges Element umgeben sein. Auch mit solchen mechani­ schen Bauteilen wird eine hervorragende Dämpfung erzielt.

Die elastische Werkzeugeinspannung führt zwar zu einer geringeren statischen Gesamtsteifigkeit an der Werkzeugspitze in radialer Rich­ tung, jedoch wird bei entsprechender Abstimmung von Einspannstei­ figkeit und Dämpfung zwischen der Werkzeugaufnahme 2 und dem Werkzeugschaft 4 die Resonanzerhöhung beträchtlich reduziert, bei­ spielsweise um den Faktor 5 bis 50.

Ist bei besonderen Forderungen, beispielsweise hinsichtlich enger Maßtoleranzen, bei der Bearbeitung durch das Werkzeug 1, die er­ höhte statische Nachgiebigkeit durch die elastische Einspannung während der Bearbeitung eines Werkzeuges nicht erlaubt, so kann die Nachgiebigkeit der Einspannung auch ausgeschaltet werden, wo­ bei allerdings dann der Vorteil einer erhöhten Dämpfung nicht mehr gegeben ist. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Ausbildung der elastischen Werkzeugeinspannung. Die Hülse 9 ist kürzer als beim vorigen Ausführungsbeispiel und hat einen konischen Mantel 20, dessen Durchmesser in Richtung auf den Flansch 10 der Hülse 9 stetig zunimmt. Dadurch wird zwischen der zylindrischen In­ nenwand des Aufnahmeraumes 3 der Werkzeugaufnahme 2 und der Hülse 9 ein in Richtung auf den Flansch 10 sich verjüngender Ring­ raum 12 gebildet, in dem sich das Druckmedium 13, vorzugsweise Öl, befindet. Dieser Ringraum 12 ist in Richtung auf den Boden 14 des Aufnahmeraumes 3 durch eine axial verstellbare Konushülse 21 geschlossen. Sie liegt mit ihrem zylindrischen Außenmantel 22 an der Innenwand des Aufnahmeraumes 3 an. Sie hat in ihrer der Hülse 9 zugewandten Stirnseite eine mittige Vertiefung 23, die sich in Rich­ tung auf die Hülse 9 konisch erweitert und einen entsprechenden ko­ nischen Ansatz 24 der Hülse 9 mit geringem Abstand umgibt. Zwi­ schen diesem Ansatz 24 und der Seitenwandung und dem Boden der Vertiefung 23 wird ein Dämpfungsraum 25 gebildet, der spaltförmig ausgebildet und mit dem Ringraum 12 verbunden ist. Dadurch befin­ det sich auch im Dämpfungsspalt 25 das Druckmedium 13.

Die Konushülse 21 ist an einem Träger 26 befestigt, der am freien Ende einer Stellstange 27 vorgesehen ist. Sie ragt in den Aufnahme­ raum 3 und erstreckt sich durch die Werkzeugaufnahme 2. Die Stell­ stange 27 kann mit einem (nicht dargestellten) Antrieb axial verscho­ ben werden. Dadurch läßt sich die Weite des kegelförmigen Dämp­ fungsraumes 25 einstellen. Wird die Konushülse 21 aus der Stellung gemäß Fig. 4 nach oben verschoben, vergrößert sich die Weite des konusförmigen. Dämpfungsspaltes 25. Dementsprechend wird die Dämpfung, die durch das darin befindliche Druckmedium erreicht wird, geringer, die Gesamtsystemdämpfung nimmt dabei jedoch zu. Wird die Stellstange 27 in der Darstellung gemäß Fig. 4 nach unten verschoben, wird die Spaltweite des Dämpfungsspaltes 25 verringert. Sie kann soweit herabgesetzt werden, daß das Schaftende fest in der Werkzeugaufnahme 2 eingespannt ist. Somit kann durch das Verstellelement in Form der Konushülse 21 die Systemdämpfung an den jeweiligen Einsatzfall optimal angepaßt werden. Wenn vom Be­ arbeitungsprozeß, zum Beispiel bei einer Präzisionsbearbeitung, eine starre Einspannung des Werkzeuges 1 in der Werkzeugaufnahme 2 gefordert wird, kann durch entsprechende Verringerung der Spalt­ weite des Dämpfungsspaltes 25 gegen Null das obere Werkzeugende fest eingespannt werden.

Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 ist der Flansch 10 der Spannhülse 9 gegenüber der Werkzeugaufnahme 2 abge­ dichtet. Das Druckmedium 13 ist vorzugsweise Hydraulikmedium, das sich in dem abgeschlossenen Raum 13, 18, 25 befindet oder das von der (nicht dargestellten) Bearbeitungsmaschine aus über (nicht dar­ gestellte) Bohrungen zugeführt werden kann. Die Werkzeugaufnah­ men 2 sind jeweils mit einer Greifernut 28 für einen Werkzeug­ wechsler versehen.

Fig. 5 zeigt in einer Gegenüberstellung die wesentlichen Unterschie­ de zwischen der bekannten Standard-Einspannung der Werkzeuge, die ungedämpft erfolgt, und der beschriebenen gedämpften Werk­ zeugeinspannung.

In der oberen Abbildung ist die Sprungantwort in einem Diagramm dargestellt. Bei der ungedämpften Werkzeugeinspannung führt das Werkzeug (Original-Werkzeug) bei der Bearbeitung sehr starke Schwingungen aus, die nur langsam abklingen. Diese ungedämpften Schwingungen führen zum nachteiligen Rattern des Werkzeuges während der Bearbeitung. Völlig andere Verhältnisse liegen bei der gedämpften Werkzeugeinspannung vor. Die Schwingungen des ge­ dämpften Werkzeuges klingen sehr rasch ab, so daß die Gefahr, für Rattern des Werkzeuges, selbst wenn es sehr lang und schmal ist, bei der Bearbeitung beträchtlich reduziert wird.

Bei der ungedämpften Werkzeugeinspannung ergibt sich für das Werkzeug eine sehr starke Resonanzüberhöhung, während beim ge­ dämpft eingespannten Werkzeug die Resonanzüberhöhung stark re­ duziert wird (Bild 5, Mitte).

Entsprechend der Reduktion der Resonanzüberhöhung wird auch der negative Realanteil der Nachgiebigkeitsortskurve bei der gedämpften Werkzeugeinspannung im Vergleich zur ungedämpften Einspannung gravierend verringert. Da die ratterfrei mögliche Schnittiefe sich um­ gekehrt proportional zu diesem negativen Realanteil (Bild 5, unten) verhält, ergibt sich durch die gedämpfte Werkzeugeinspannung eine enorme Leistungserhöhung, die im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa um den Faktor 5 bis 10 höher liegt als bei einem ungedämpft eingespannten Werkzeug.

Claims (15)

1. Einspannung eines Werkzeuges in einer Werkzeugaufnahme, in deren Aufnahmeraum ein Schaft des Werkzeuges eingespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kraftfluß zwischen dem Werkzeug (1) und der Werkzeugaufnahme (2) mindestens ein statisch nachgiebiges Element (5, 8) eingefügt ist, das eine hohe Dämpfung aufweist.

2. Einspannung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das statisch nachgiebige Element (5, 8) eine federnde Einspannstelle aufweist.

3. Einspannung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das statisch nachgiebige Element (5, 8) zumindest teilweise an einer Spannhülse (9) vorgesehen ist.

4. Einspannung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannhülse (9) eine Wandver­ schwächung zur Bildung eines Gelenkes aufweist.

5. Einspannung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandverschwächung ein Ringsteg der Spannhülse (9) ist.

6. Einspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des Schaftes (4) des Werkzeuges (1) im Aufnahmeraum (3) der Werkzeugauf­ nahme (2) mindestens ein Dämpfungselement (8) vorgesehen ist.

7. Einspannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (8) ein Squeeze-Film-Dämpfer ist.

8. Einspannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (8) ein gummielastischer Ring ist.

9. Einspannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder des Dämpfungsele­ mentes (8) eine Membranfeder, eine Biegefeder und dergleichen ist.

10. Einspannung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (8) ein Druckmedium, vorzugsweise Hydrauliköl, aufweist.

11. Einspannung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (13) in einem die Spannhülse (9) umgebenden Raum (12) untergebracht ist.

12. Einspannung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmediumraum (12) mit einem Dämpfungsspalt (18, 25) verbunden ist.

13. Einspannung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des Dämpfungsspaltes (25) einstellbar ist.

14. Einspannung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsspalt (25) durch einen Druckkörper (21) einstellbar ist.

15. Einspannung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkörper (21) durch eine die Werkzeugaufnahme (2) axial durchsetzende Stellstange (27) axial verstellbar ist.