DE19915412A1 - Vorrichtung zum Spannen von Werkzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen (16) in einer Werkzeugaufnahme (10). Die Werkzeugaufnahme (10) weist zu diesem Zweck eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie (12) auf, die zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts (14) bestimmt ist. Der Werkzeugschaft wird dabei in die Bohrung (20) der Hülsenpartie (12) eingeschrumpft. Zu diesem Zweck ist eine die Hülsenpartie der Werkzeugaufnahme (10) umfassende, mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbare Induktionsspule (26) zum Erwärmen der Hülsenpartie (12) vorgesehen. Um Streufelder zu vermeiden, mit denen eine unerwünschte Aufheizung des Werkzeugs (16) bewirkt werden könnte, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die Induktionsspule (26) an ihrer dem freien Ende der Hülsenpartie (12) benachbarten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung (36) für das Werkzeug (16) aufweisenden Polschuh (34) aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergriffen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von einen Werkzeugschaft aufweisenden Werk­ zeuge, mit einer Werkzeugaufnahme, die eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie aus elektrisch leiten­ dem Werkstoff zur reibschlüssigen Aufnahme des Werk­ zeugschafts aufweist, und mit einer die Hülsenpartie der Werkzeugaufnahme umfassenden, mit einem vorzugswei­ se hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbaren, als Ring- oder Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule zum Erwärmen der Hülsenpartie.

Vorrichtungen dieser Art sind dazu bestimmt, das bei­ spielsweise als Fräser oder Bohrer ausgebildete Werk­ zeug in die Werkzeugaufnahme einzuspannen oder aus die­ ser auszuspannen. Hierzu wird die Werkzeugaufnahme mit Hilfe der Induktionsspule im Bereich der Hülsenpartie erwärmt, so daß sich die Bohrung der Hülsenpartie ver­ größert. Das Werkzeug wird mit seinem Schaft in die durch die Erwärmung vergrößerte Aufnahme eingeführt. Beim anschließenden Abkühlen der Hülsenpartie wird der Werkzeugschaft in der durch die Abkühlung geschrumpften Bohrung der Hülsenpartie reibschlüssig gehalten. Die Durchmesser des Werkzeugschafts und der Hülsenpartie sind dabei so gewählt, daß beim Abkühlen eine kraft­ schlüssige und verdrehfeste Verbindung entsteht, die beim schnellen Drehen aufgrund der Fliehkräfte nicht gelöst wird. Zum Ausspannen wird die Hülsenpartie er­ neut durch die Induktionsspule erwärmt, bis das Werk­ zeug aus der Aufnahme herausgezogen werden kann. Das Ausspannen ist nur deshalb möglich, weil die Erwärmung sich von außen nach innen ausbreitet, so daß zunächst die Hülsenpartie erwärmt wird, bevor die Wärme auf den eingespannten Werkzeugschaft gelangt. Dadurch wird er­ reicht, daß sich zunächst der Hülsenabschnitt dehnt, so daß das noch kältere Werkzeug beim Ausspannen aus der Aufnahme gelöst werden kann. Dies funktioniert jedoch nur dann, wenn Werkzeuge mit geringer thermischer Aus­ dehnung und/oder mit niedriger elektrischer Leitfähig­ keit, beispielsweise aus Hartmetall oder Keramik ver­ wendet werden. Bei der Verwendung von Einsteckwerkzeu­ gen aus Werkzeugstahl kommt es dagegen immer wieder zu Problemen beim Ausspannvorgang.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die be­ kannte Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dahin­ gehend zu entwickeln, daß auch Werkzeuge mit größerer thermischer Ausdehnung und/oder aus elektrisch leitfä­ higem Material mit Hilfe der Induktionsheizung zuver­ lässig ein- und ausgespannt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vor­ geschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Mate­ rial durch den nicht unerheblichen Streuanteil der her­ kömmlichen Induktionsspulen im Bereich ihrer Einspann­ stelle so schnell aufgeheizt werden, daß das Ausspannen erschwert oder unmöglich gemacht wird. Um dies zu ver­ hindern, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die elektromagnetischen Streufelder im Bereich des freien Endes der Hülsenpartie soweit herabzusetzen, daß eine Aufheizung des in der Werkzeugaufnahme befindlichen Werkzeugs vermieden wird. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Induktionsspule an ihrer dem freien Ende der Hülsenpartie benachbarten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung für das Werkzeug aufweisenden Polschuh aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergriffen ist. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß die magne­ tischen Feldlinien an der betreffenden Stirnseite der Induktionsspule im Polschuh konzentriert werden, so daß auch der über die Werkzeugaufnahme überstehende Teil des Werkzeugs wirksam gegenüber elektromagnetischen Streufeldern abgeschirmt wird.

Eine besonders wirksame Abschirmung wird dadurch er­ zielt, daß der Polschuh das freie Ende der Hülsenpartie teilweise übergreift und gegen das freie Ende der Hül­ senpartie axial und/oder radial anliegt. Die Durch­ trittsöffnung im Polschuh weist gegenüber dem Werk­ zeugdurchmesser Übermaß auf, so daß zum Werkzeug hin ein Luftspalt mit hohem magnetischen Widerstand ent­ steht. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch erzielt, daß der Polschuh einen zur Durch­ trittsöffnung hin partiell verjüngenden Querschnitt aufweist.

Der Polschuh kann als Ringscheibe ausgebildet sein, die eine zur Durchtrittsöffnung konzentrische konische Ein­ drehung aufweisen kann. Grundsätzlich ist es auch mög­ lich, daß der Polschuh durch mehrere, speichenartig an­ geordnete Radialstege gebildet ist.

Um bei möglichst geringer elektrischer Leistung eine rasche Erwärmung der Hülsenpartie zu erzielen, wird ge­ mäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung vorgeschlagen, daß die Induktionsspule an ihrer dem Polschuh gegenüberliegenden Stirnseite und/oder an ihrer äußeren Mantelfläche zusätzlich eine magnetische Abschirmung aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff trägt. Die stirnseitige mag­ netische Abschirmung kann dabei als Ringscheibe mit einer Durchtrittsöffnung für die Hülsenpartie der Werk­ zeugaufnahme ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die stirnseitige magnetische Abschirmung auch durch mehrere speichenartig angeordnete Radialstege gebildet sein.

Die mantelseitige Abschirmung ist zweckmäßig als Zylin­ derkäfig ausgebildet, der entweder in Umfangsrichtung geschlossen ist oder aus mehreren in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten achsparallelen Stegen gebildet sein kann.

Zur besseren Zentrierung der Induktionsspule gegenüber der Hülsenpartie ist es von Vorteil, wenn der Polschuh einen zur Durchtrittsöffnung konzentrischen, ringförmi­ gen Zentrieransatz zur Aufnahme des freien Endes der Hülsenpartie und/oder zur Abstützung in der Ringöffnung der Induktionsspule aufweist.

Um bei gegebener Heizleistung die Stromstärke möglichst klein zu halten, wird gemäß einer weiteren vorteilhaf­ ten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Induktionsspule eine vorzugsweise mehrlagig gewickelte Spulenwicklung aus einer Hochfrequenz-Litze aufweist. Es hat sich gezeigt, daß in diesem Falle die sonst üb­ liche Wasserkühlung der Spulenwicklung entbehrlich ist. Da der Aufheizvorgang nur wenige Sekunden erfordert, reicht gegebenenfalls eine Konvektionskühlung über die Umgebungsluft aus. Bei höheren Leistungsanforderungen kann die Spulenwicklung erforderlichenfalls mit Luft zwangsgekühlt werden.

Die Induktionsspule weist zweckmäßig einen Spulenkörper aus keramischem Material auf, der zugleich als Träger für den Polschuh und/oder die magnetischen Abschirmun­ gen verwendet werden kann.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Hülsenpartie in der Nähe ihres freien Endes weniger schnell aufgeheizt wird, als im mittleren Bereich. Um Fügeprobleme zu ver­ meiden, ist es deshalb von Vorteil, wenn die Hülsenpar­ tie eine Paßbohrung zur Aufnahme des Werkzeugschafts aufweist, an die sich zum freien Ende hin ein Abschnitt größeren Durchmessers anschließt. Die Hülsenpartie kann dabei eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Außen­ fläche aufweisen.

Die Werkzeugaufnahme kann entweder unmittelbar an einer schnelldrehenden Maschinenspindel angeordnet sein. Al­ ternativ dazu kann die Werkzeugaufnahme ein die Hülsen­ partie tragendes, mit einer schnelldrehenden Maschinen­ spindel verbindbares Kupplungselement tragen.

Die Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule werden nur zum Zwecke des Ein- und Ausspannens in die eingangs be­ schriebene Lage zueinander gebracht. Um eine einfache Handhabung zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn die Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule relativ zuein­ ander bewegbar sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Ein- und Aus­ spannen eines Werkzeugs in einer Werkzeugaufnahme mit einer als Induktionsspule ausgebildeten Heizvorrich­ tung.

Die in der Zeichnung dargestellte Werkzeugaufnahme 10 weist eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie 12 zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts 14 ei­ nes als Spiralbohrer ausgebildeten Werkzeugs 16 auf.

Die Werkzeugaufnahme 10 ist bei dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel als Adapter ausgebildet, der an seinem rückwärtigen Ende ein als Hohlschaft mit kegelförmiger Außenfläche ausgebildetes Kupplungselement 18 für den Anschluß an eine nicht dargestellte, schnelldrehende Maschinenspindel aufweist. Die Hülsenpartie 12 weist eine in der Paßbohrung 20 für den zylindrischen Werk­ zeugschaft 14 sowie eine kegelstumpfförmige Mantelflä­ che 22 auf. Stirnseitig ist die Hülsenpartie 12 durch eine umlaufende Ringfläche 24 begrenzt. Der Durchmesser der Paßbohrung weist bei Umgebungstemperatur gegenüber dem Werkzeugschaft 14 Untermaß auf. Das Ein- und Aus­ spannen des Werkzeugs 16 ist daher nur bei erhöhter Temperatur der Hülsenpartie 12 bis ca. 450°C möglich.

Die Erwärmung der Hülsenpartie 12 erfolgt mit Hilfe ei­ ner Induktionsspule 26, die mit einem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbar ist. Die Hülsenpartie 12 besteht zu diesem Zweck aus einem elektrisch leitenden Material, in das die Feldlinien 28 der Induktionsspule 26 im Mantelbereich eindringen und durch Erzeugung von Wirbelströmen zu einer Erwärmung führen. Die Werkzeug­ aufnahme wird zu diesem Zweck mit ihrer Hülsenpartie 12 in die zentrale Öffnung 30 der als Zylinderspule ausge­ bildeten Induktionsspule 26 eingeführt. Die Indukti­ onsspule enthält einen aus keramischem Material beste­ henden Spulenkörper 32. Auf dem Spulenkörper befindet sich eine mehrlagige Wicklung 33 aus Hochfrequenzlitze, die mit dem hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagt wird. Die Induktionsspule 26 ist an ihrem dem freien Ende der Hülsenpartie 12 benachbarten Ende durch einen auf den Spulenkörper 32 aufgelegten Polschuh 34 abge­ schlossen, der aus einem magnetisch leitenden und elek­ trisch nicht leitenden Material besteht und der eine Zentralöffnung 36 für den Durchtritt des Werkzeugs 16 aufweist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Polschuh 34 als Ringscheibe ausgebildet, die die Ring­ fläche 24 der Hülsenpartie 12 partiell von außen her übergreift und die zur Zentralöffnung 36 hin eine koni­ sche Eindrehung 38 aufweist. Der Polschuh 34 liegt auf der Ringfläche 24 auf und begrenzt zum Werkzeugschaft 14 hin einen den magnetischen Widerstand erhöhenden ringförmigen Luftspalt 40. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß die von der Spulenwicklung 33 kommenden Feldlinien 28 im Polschuh 34 konzentriert und unmittel­ bar über die Ringfläche 24 in die Hülsenpartie 12 ein­ geleitet werden. Der über die Ringfläche 24 der Hülsen­ partie 12 überstehende Teil des Werkzeugs 16 wird auf diese Weise wirksam gegenüber dem elektromagnetischen Streufeld abgeschirmt. Dadurch wird erreicht, daß auch Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Material, bei­ spielsweise aus Werkzeugstahl, verwendet werden können, ohne von den elektromagnetischen Streufeldern aufge­ heizt zu werden. Letzteres ist notwendig, um ein zuver­ lässiges Ausspannen zu ermöglichen.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads ist die In­ duktionsspule 26 an ihrer dem Polschuh 34 gegenüberlie­ genden Stirnseite und an ihrer zylindrischen Mantelflä­ che mit je einer magnetischen Abschirmung 42,44 aus ma­ gnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werk­ stoff versehen. Die stirnseitige magnetische Abschir­ mung 42 ist dabei als Ringscheibe mit einer Durch­ trittsöffnung 46 für die Innenwand 48 des Spulenkörpers 32 versehen, während die mantelseitige Abschirmung 44 als Zylinderkäfig ausgebildet ist. In den Abschirmungen 42, 44 werden die Feldlinien 28 konzentriert, so daß die Streufeldverluste minimiert werden. Der Polschuh 34 und die Abschirmungen 42, 44 bestehen aus einem weichmagne­ tischen, insbesondere aus weichferritischem, oxidkera­ mischem Werkstoff, in welchem wegen der elektrisch iso­ lierenden Eigenschaften geringe oder keine Wirbelstrom­ verluste auftreten.

Die Werkzeugaufnahme 10 und die Induktionsspule 26 sind zum Zwecke des Ein- und Ausspannens des Werkzeugs rela­ tiv zueinander bewegbar. Neben der die Induktionsspule 26 umfassenden Aufheizstation ist zweckmäßig eine nicht dargestellte Abkühlstation vorgesehen, in welcher der Einspannvorgang beschleunigt werden kann.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfin­ dung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von Werkzeugen 16 in einer Werkzeugaufnahme 10. Die Werkzeugaufnahme 10 weist zu diesem Zweck eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie 12 auf, die zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts 14 be­ stimmt ist. Der Werkzeugschaft wird dabei in die Boh­ rung 20 der Hülsenpartie 12 eingeschrumpft. Zu diesem Zweck ist eine die Hülsenpartie der Werkzeugaufnahme 10 umfassende, mit einem hochfrequenten Wechselstrom be­ aufschlagbare Induktionsspule 26 zum Erwärmen der Hül­ senpartie 12 vorgesehen. Um Streufelder zu vermeiden, mit denen eine unerwünschte Aufheizung des Werkzeugs 16 bewirkt werden könnte, wird gemäß der Erfindung vorge­ schlagen, daß die Induktionsspule 26 an ihrer dem frei­ en Ende der Hülsenpartie 12 benachbarten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung 36 für das Werk­ zeug 16 aufweisenden Polschuh 34 aus magnetisch leiten­ dem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergrif­ fen ist.

Claims (24)

1. Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von einen Werk­ zeugschaft (14) aufweisenden Werkzeugen (16), mit einer Werkzeugaufnahme (10), die eine an ihrem freien Ende (24) offene Hülsenpartie (12) aus elek­ trisch leitendem Werkstoff zur reibschlüssigen Auf­ nahme des Werkzeugschafts (14) aufweist, und mit einer die Hülsenpartie (12) der Werkzeugaufnahme (10) umfassenden, mit einem vorzugsweise hochfre­ quenten Wechselstrom beaufschlagbaren, als Ring- oder Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule (26) zum Erwärmen der Hülsenpartie (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (26) an ih­ rer dem freien Ende der Hülsenpartie (12) benach­ barten Stirnseite von einem eine zentrale Durch­ trittsöffnung (36) für das Werkzeug (16) aufweisen­ den Polschuh (34) aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff übergriffen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Polschuh (34) das freie Ende (Ringfläche 24) der Hülsenpartie (12) teilweise übergreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Polschuh (34) gegen das freie En­ de der Hülsenpartie (12) axial und/oder radial an­ liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (36) des Polschuhs (34) gegenüber dem Werk­ zeugdurchmesser Übermaß aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polschuh einen zur Durchtrittsöffnung (36) hin partiell verjüngenden Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polschuh (34) als Ringscheibe ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ringscheibe eine zur Durchtrittsöff­ nung (36) konzentrische konische Eindrehung auf­ weist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polschuh (34) durch mehrere speichenartig angeordnete Radialstege ge­ bildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der die Induktionsspule (26) an ihrer dem Polschuh gegenüberliegenden Stirnseite und/oder an ihrer äußeren Mantelfläche eine magnetische Abschirmung (42, 44) aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff trägt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die stirnseitige magnetische Abschirmung (42) als Ringscheibe mit einer Durchtrittsöffnung (46) für die Hülsenpartie (12) der Werkzeugaufnahme (10) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die stirnseitige magnetische Abschirmung (42) durch mehrere speichenartig angeordnete Ra­ dialstege gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die mantelseitige Ab­ schirmung (44) als Zylinderkäfig ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zylinderkäfig in Umfangsrichtung ge­ schlossen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zylinderkäfig aus mehreren, in Um­ fangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten, achsparallelen Steg gebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polschuh aus weichmag­ netischem, insbesondere aus einem weichferriti­ schen oxidkeramischen Werkstoff besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschir­ mung (42, 44) aus weichmagnetischem, insbesondere aus einem weichferritischen oxidkeramischen Werk­ stoff besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß der Polschuh (34) einen zur Durchtrittsöffnung (36) konzentrischen, ring­ förmigen Zentrieransatz zur Aufnahme der freien En­ den der Hülsenpartie (12) und/oder zur Abstützung in der Ringöffnung der Induktionsspule (26) auf­ weist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (26) eine vorzugsweise mehrlagig gewickelte Spulenwick­ lung (33) aus einer Hochfrequenz-Litze aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spulenwicklung (33) luftgekühlt ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (26) einen Spulenkörper (32) aus keramischem Material aufweist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hülsenpartie (12) ei­ ne Paßbohrung zur Aufnahme des Werkzeugschafts (14) aufweist, an die sich zum freien Ende hin ein Ab­ schnitt größeren Durchmessers anschließt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hülsenpartie (12) ei­ ne zylindrische oder kegelstumpfförmige Mantelflä­ che (22) aufweist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahme (10) ein die Hülsenpartie (12) tragendes, mit einer dre­ henden Maschinenspindel verbindbares Kupplungsstück (18) aufweist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß die Werkzeugaufnahme (10) und die Induktionsspule (26) relativ zueinander be­ wegbar sind.