DE19964591B4

DE19964591B4 - Werkzeughalter für ein um eine Drehachse drehbares Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug

Info

Publication number: DE19964591B4
Application number: DE19964591A
Authority: DE
Inventors: Franz Haimer
Original assignee: Franz Haimer Maschinenbau KG
Current assignee: Franz Haimer Maschinenbau KG
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2019-06-25
Also published as: DE19928995B4; DE19928995A1

Abstract

Werkzeughalter für ein um eine Drehachse (3) drehbares Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug, umfassend einen Spannschaft (1), der in einem endseitigen Schaftbereich (7) eine zur Drehachse (3) zentrische Aufnahmeöffnung (9) zur Aufnahme eines Halteschafts (11) des Werkzeugs aufweist, wobei am Umfangsmantel der Aufnahmeöffnung (9) Spannflächen zur Presssitzhalterung des Halteschafts (11) des Werkzeugs angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der endseitige Schaftbereich (7) des Spannschafts (1) in Umfangsrichtung verteilt mehrere Zugspeichen (13h; 13i; 13k; 13l; 13m) aufweist, auf die zur radialen Auseinanderspreizung der Spannflächen eine im wesentlichen nach radial außen gerichtete Zugkraft ausübbar ist, wobei die besagte Zugbelastung der Zugspeichen durch Erzeugung mechanischer Wärmespannungen in dem Spannschaft (1) erzielt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für ein um eine Drehachse drehbares Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug.
Bei rotierenden Hochpräzisionswerkzeugen, wie z. B. Bohrern oder Fräsern, ist eine hohe Rundlaufgenauigkeit erforderlich, um ungleiches Schneiden an den Schnittkanten des Werkzeugs zu vermeiden. Zur rundlaufgenauen Einspannung solcher Werkzeuge ist von der Firma Schunk GmbH & Co. KG ein unter der Bezeichnung ”Tribos” vertriebener Werkzeughalter bekannt, der in einer ringförmig geschlossenen Endhülse eines Spannschafts eine zur Rotationsachse zentrische Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Halteschafts des Werkzeugs aufweist. Die Aufnahmeöffnung besitzt eine polygonale Querschnittsform, an deren Polygonseiten der Innenumfangsmantel der Endhülse Spannflächen zur Presssitzhalterung des Halteschafts aufweist. Zum Einsetzen oder Abnehmen des Werkzeugs wird in den Eckbereichen des Polygons eine nach radial innen gerichtete Druckkraft auf die Endhülse aufgebracht, durch die der Querschnitt der Aufnahmeöffnung in eine den Presssitz aufhebende Kreisform gebracht wird. Eine Querschnittsvergrößerung der Aufnahmeöffnung findet hierbei im Wesentlichen nicht statt. Vielmehr ist im Wesentlichen nur eine Querschnittsverformung zu beobachten. Der Halteschaft des Werkzeugs kann in diesem Zustand leicht eingesetzt bzw. abgenommen werden. Bei Entlastung der Endhülse von der Druckkraft kehrt die Aufnahmeöffnung wieder in ihre polygonale Querschnittsform zurück.
Diese Schunk-Lösung, deren Funktionsweise beispielsweise in einem Prospekt ”Tribos-Kraftschrumpftechnik” der Firma Fritz Schunk GmbH & Co. KG, Prospekt-Nr. 9901074-7,5M-9/98 so wie im deutschen Patent DE 19521 755 C1 erläutert ist, ist an das Vorhandensein einer polygonalen Querschnittsform der Aufnahmeöffnung gebunden. Dies ist akzeptabel, sofern keine allzu hohen Anforderungen an die Klemmkraft gestellt werden, mit der das Werkzeug in dem Werkzeughalter eingespannt wird. Bei der Schunk-Lösung findet eine Klemmung des Werkzeugs nämlich nur im Bereich der Polygonseiten statt. In den Eckbereichen des Polygons weist der Innenumfangsmantel der Endhülse radialen Abstand vom Halteschaft des Werkzeugs auf, weswegen hier keine Klemmkräfte übertragen werden. In manchen Fällen ist jedoch eine Klemmung des Werkzeugs am gesamten Umfang des Halteschafts erwünscht, um besonders hohe Klemmkräfte übertragen zu können, beispielsweise wenn Werkstücke mit einer hohen Schnitttiefe oder mit hohen Schnittkräften bearbeitet werden sollen. Für solche Fälle eignet sich der angesprochene Schunk-Werkzeughalter aufgrund seines Funktionsprinzips nicht.
Der Erfindung liegt demnach das technische Problem zugrunde, einen Werkzeughalter für ein rotierendes Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug, bereitzustellen, der einen breiten Einsatzbereich bietet.
Zur Lösung dieser Problemstellung geht die Erfindung aus von einem Werkzeughalter für ein um eine Drehachse drehbares Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug, umfassend einen Spannschaft, der in einem endseitigen Schaftbereich eine zur Drehachse zentrische Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Halteschafts des Werkzeugs aufweist, wobei am Umfangsmantel der Aufnahmeöffnung Spannflächen zur Presssitzhalterung des Halteschafts des Werkzeugs angeordnet sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der endseitige Schaftbereich des Spannschafts in Umfangsrichtung verteilt mehrere Zugspeichen aufweist, auf die zur radialen Auseinanderspreizung der Spannflächen eine im Wesentlichen nach radial außen gerichtete Zugkraft ausübbar ist, wobei die gewünschte Zugbelastung der Zugspeichen durch Erzeugung mechanischer Wärmespannungen in dem Spannschaft erzeugt wird.
Bei einem solchen Werkzeughalter werden die Zugspeichen auf Zug belastet, um den durch die Spannflächen definierten Spanndurchmesser des Werkzeughalters zu vergrößern und den Presssitz des Halteschaffs des Werkzeugs – sofern dieses in den Werkzeughalter eingespannt ist – aufzuheben. Es hat sich gezeigt, dass durch eine derartige Zugbelastung der Zugspeichen elastische Verformungen des Spannschafts erzielbar sind, mit denen nicht nur eine Auslenkung der Spannflächen nach radial außen einhergeht, sondern insgesamt eine Querschnittsvergrößerung der Aufnahmeöffnung feststellbar ist. Dieses Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Lösung ist nicht an eine spezielle Querschnittsgestaltung der Aufnahmeöffnung gebunden. Insbesondere ist ein Kreisquerschnitt der Aufnahmeöffnung möglich, der es erlaubt, den Halteschaft des Werkzeugs am gesamten Umfang zu klemmen und dementsprechend hohe Klemmkräfte zu übertragen. Die durch Zugbelastung der Zugspeichen hervorgerufenen Verformungen des Spannschafts sind reversibel, weshalb bei Entlastung der Zugspeichen die Spannflächen wieder in ihre der Presspassung des Halteschafts des Werkzeugs entsprechende Ursprungsposition zurückkehren.
Wenngleich die Aufnahmeöffnung des Spannschafts vorzugsweise der Form des Halteschafts des Werkzeugs angepasst ist und dement sprechend Konus- oder Zylinderform besitzt, ist prinzipiell nicht ausgeschlossen, dass die Aufnahmeöffnung – wie bei der Schunk-Lösung – eine polygonale Querschnittsform besitzt. Der Spannschaft kann unmittelbar durch eine Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine gebildet sein. Es kann sich bei dem aber auch um einen in die Arbeitsspindel einsetzbaren Werkzeughalter, beispielsweise einen Steilkegel-Werkzeughalter oder einen Hohlschaftkegel-Werkzeughalter, handeln.
Um das Verformungsverhalten des Spannschafts gezielt beeinflussen zu können, ist es sogar denkbar, dass mindestens ein Teil der Zugspeichen unterschiedliche Querschnittsform oder/und Querschnittsgröße besitzt.
Wenn sich die Zugspeichen bei Zugbelastung nach radial außen verlagern, wandern zugleich die Angriffsstellen der Brückenelemente nach radial außen. Dies bewirkt eine Vergrößerung der zwischen den Angriffsstellen gemessenen Sehnenlänge der Brückenelemente. Letztere sind so ausgeführt, dass sie eine solche Vergrößerung ihrer Sehnenlänge gestatten.
Es ist möglich, durch Erzeugung mechanischer Wärmespannungen in dem Spannschaft die gewünschte Zugbelastung der Zugspeichen zu erzielen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht demgemäß vor, dass – ausgehend von den aus DE 199 28 995 A1 bekannten und dort durch die 1 bis 11 illustrierten Konstruktionen – die Brückenelemente Teil eines die Zugspeichen umschließenden, zugfest mit diesen insbesondere einstückig verbundenen Zugrings sind und dass dem Werkzeughalter eine Heizeinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher der Zugring zur Zugbelastung der Zugspeichen thermisch radial aufweitbar ist. Es hat sich gezeigt, dass bei rascher und kurzzeitiger Erhitzung des Zugrings radiale Temperaturdifferenzen und in deren Folge mechanische Wärmespannungen zwischen dem Zugring und den Zugspeichen auftreten, welche die Zugspeichen nach radial außen ziehen und eine Durchmesservergrößerung der Aufnahmeöffnung bewirken. Die Wärmeeinleitung durch die Heizeinrichtung kann gleichmäßig über den gesamten Umfang des Spannschafts erfolgen. Denkbar ist auch, die Wärmeeinleitung lokal zu konzentrieren, insbesondere vorrangig auf die Bereiche zwischen den Zugspeichen.
Die entstehenden Zugkräfte auf die Zugspeichen sind besonders stark, wenn thermische Barrieren eine Erwärmung radial innerer Bereiche des Spannschafts verhindern oder zumindest einschränken. Zur Hemmung des Wärmeflusses zu den radial inneren Bereichen des Spannschafts können in Umfangsrichtung zwischen zumindest einem Teil der Zugspeichen liegende Bereiche des Zugrings durch Isolierkammern von radial inneren Bereichen des endseitigen Schaftbereichs des Spannschafts thermisch getrennt sein. Um eine zusätzliche Kühlung zu erzielen, können die Isolierkammern zumindest beim Einsetzen oder bei der Abnahme des Werkzeugs sogar mit einem Kühlmittel gefüllt werden oder eine Zwangsluftströmung in ihnen erzeugt werden.
Die radiale Auseinanderspreizung der Spannflächen kann dadurch erleichtert werden, dass ein die Spannflächen bildender radial innerer Umfangsbereich des Spannschafts in mehrere voneinander getrennte Umfangssegmente aufgeteilt ist, von denen jedes mit je mindestens einer Zugspeiche verbunden ist.
Konstruktiv einfach kann der endseitige Schaftbereich des Spannschafts von einer ringförmig geschlossenen, insbesondere einstückigen Endhülse gebildet sein, deren Innenumfangsmantel die Spannflächen bildet. Zur Bildung der Zugspeichen kann dabei in Umfangsrichtung verteilt eine Mehrzahl zumindest angenähert axial sich erstreckender, zum Außenumfangsmantel der Endhülse radial insbesondere geschlossener Ausnehmungen in die Endhülse eingearbeitet sein. Die in Umfangsrichtung zwischen den Ausneh mungen verbleibenden Materialstege der Endhülse bilden dann die Zugspeichen.
Die Ausbildung der Zugspeichen in der Endhülse ist besonders einfach zu bewerkstelligen, wenn die Endhülse gesondert von einem Grundkörper des Spannschafts hergestellt und fest mit diesem verbunden ist. Die Endhülse kann so von beiden axialen Stirnseiten her bearbeitet werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
12: eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform mit allseitig rundem Querschnitt;
13: eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform mit annähernd polygonaler, nämlich viereckigen Außenkontur;
14 bis 16: verschiedene alternative Ausführungsbeispiele für die Speichen.
Die 12 bis 16 zeigen Varianten, bei denen die Zugspeichen nicht durch äußere Krafteinleitung in die Brückenelemente nach radial außen gezogen werden, wie bei den Konstruktionen nach DE 199 28 995 A1 , sondern eine thermische Aufweitung der Aufnahmeöffnung durch Wärmeeinleitung in die Endhülse erzielt wird. Hierzu ist in 12 eine Heizeinrichtung 49h schematisch angedeutet, die in einen den Außenumfangsmantel der Endhülse 7h bildenden, vergleichsweise dickwandigen Ringbereich 20h der Endhülse 7h kurzzeitig und rasch eine solche Wärmemenge einleitet, dass mechanische Wärmespannungen in der Endhülse 7h entstehen, welche die Zugspeichen 13h nach radial außen ziehen. Die Heizeinrichtung 49a kann gleichmäßig über den Umfang der End hülse 7h verteilt Wärme in diese einleiten. Es kann auch ausreichend sein, wenn die Heizeinrichtung 49h ihre Wärmeeinleitung im Wesentlichen auf diejenigen Umfangsbereiche der Endhülse 7h beschränkt, die sich zwischen den Zugspeichen 13h befinden. Dementsprechend sind in 12 Heizdüsen 53h angedeutet, die in gegenseitigem Abstand um die Endhülse 7h verteilt sind. Die Heizdüsen 53h können beispielsweise Warmluft oder heißen Dampf ausstoßen. Selbstverständlich können anstelle solcher Heizdüsen andere Heizaggregate verwendet werden, beispielsweise Induktionsspulen.
Die Hohlkammern 17h sorgen für eine thermische Isolierung des Ringbereichs 20h gegenüber den radial inneren Bereichen der Endhülse 7h, so dass diese radial inneren Bereiche der Endhülse 7h vor Erwärmung gut geschützt sind und entsprechend große mechanische Wärmespannungen entstehen können. Die Isolierwirkung der Hohlkammern 17h kann sogar durch eine Kühlmittelfüllung oder eine kühlende Luftzirkulation in den Hohlkammern 17h gefördert werden.
Auch die thermisch bedingte Aufweitung der Endhülse 7h ist reversibel. Nach Beendigung der Wärmeeinleitung engt sich die Aufnahmeöffnung 9h deshalb wieder auf ihr Presspassungsmaß ein.
Wahrend 12 eine Variante mit kreisförmiger Außenumfangskontur der Endhülse 7h und mit fünf Zugspeichen 13h zeigt, ist in 13 eine Variante mit annähernd polygonaler, nämlich viereckiger Außenumfangskontur der Endhülse 13i und mit vier Zugspeichen 13i dargestellt. Die Kammern 17i des Ausführungsbeispiels der 13 sind als in einem achsnormalen Querschnitt betrachtet längliche, gewünschtenfalls ovale Schlitze ausgebildet, welche längs der Polygonseiten angeordnet sind.
14 zeigt eine Variante mit Kammern 17k, welche in einem achsnormalen Schnitt betrachtet als im Wesentlichen radial sich erstreckende längliche Schlitze ausgebildet sind. Dabei ist eine große Zahl von Zugspeichen 13k gebildet, beispielsweise zwischen 10 und 20.
Die Variante der 15 besitzt Kammern 17l, die in einem achsnormalen Querschnitt betrachtet annähernd eiförmig ausgebildet sind und sich nach radial innen hin verjüngen. Die den radial inneren Hülsenbereich segmentierenden Trennschnitte oder -schlitze 33l sind in Umfangsrichtung zwischen den Kammern 17l angeordnet und reichen in radialer Richtung bis weit in den Bereich zwischen benachbarten Kammern 17l hinein. Diese Gestaltung führt dazu, dass zwischen jedem Paar benachbarter Kammern 17l zwei jeweils durch einen Trennschlitz 33l getrennte Zugspeichen 13l gebildet sind und jedes der radial inneren Hülsensegmente 35l mit zwei Zugspeichen 13l verbunden ist.
Die Variante der 16 entspricht dem Ausführungsbeispiel der 15 mit dem Unterschied, dass die Kammern 17m statt eines ovalen Querschnitts einen sich nach radial innen hin verjüngenden, annähernd trapezförmigen Querschnitt besitzen.
Bei allen vorstehenden Ausführungsformen wird durch äußere Wärmeeinleitung eine Zugwirkung an den Zugspeichen hervorgerufen, die zu einer radialen Ausdehnung der Endhülse und zu einer Aufhebung des Presssitzes führt. Die Querschnittsform der Endhülse und die Gestaltung der Zugspeichen, Brückenelemente und Hohlkammern sind in weitem Umfang variabel. Abhängig von der Gestalt der Hohlkammern können beispielsweise die Zugspeichen in radialer Richtung stark unterschiedliche Länge und Position besitzen. Ebenso ist die Zahl der Zugspeichen und der Hohlkammern variierbar. Im Einzelfall wird die konkrete Gestaltung des Werkzeughalters unter anderem von der gewünschten Klemmkraft, von der gewünschten Stärke der radialen Aufweitung der Aufnahmeöffnung und vom Material des Spannschafts und dessen Verformungseigenschaften abhängen.

Claims

Werkzeughalter für ein um eine Drehachse (3) drehbares Werkzeug, insbesondere ein Bohr-, Fräs- oder Reibwerkzeug, umfassend einen Spannschaft (1), der in einem endseitigen Schaftbereich (7) eine zur Drehachse (3) zentrische Aufnahmeöffnung (9) zur Aufnahme eines Halteschafts (11) des Werkzeugs aufweist, wobei am Umfangsmantel der Aufnahmeöffnung (9) Spannflächen zur Presssitzhalterung des Halteschafts (11) des Werkzeugs angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der endseitige Schaftbereich (7) des Spannschafts (1) in Umfangsrichtung verteilt mehrere Zugspeichen (13h; 13i; 13k; 13l; 13m) aufweist, auf die zur radialen Auseinanderspreizung der Spannflächen eine im wesentlichen nach radial außen gerichtete Zugkraft ausübbar ist, wobei die besagte Zugbelastung der Zugspeichen durch Erzeugung mechanischer Wärmespannungen in dem Spannschaft (1) erzielt wird.
Werkzeughalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenelemente (19h) Teil eines die Zugspeichen (13h) umschließenden, zugfest mit diesen insbesondere einstückig verbundenen Zugrings (20h) sind und dass dem Werkzeughalter eine Heizeinrichtung (49h) zugeordnet ist, mittels welcher der Zugring (20h) zur Zugbelastung der Zugspeichen (13h) thermisch radial aufweitbar ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwischen zumindest einem Teil der Zugspeichen (13h) liegende Bereiche des Zugrings (20h) durch Isolierkammern (17h) von radial inneren Bereichen des endseitigen Schaftbereichs (7h) des Spannschafts thermisch getrennt sind.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Spannflächen bildender radial innerer Umfangsbereich des Spannschafts in mehrere voneinander getrennte Umfangssegmente (35h; 35i; 35l; 35m) aufgeteilt ist, von denen jedes mit je mindestens einer Zugspeiche (13h; 13i; 13l; 13m) verbunden ist.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der endseitige Schaftbereich (7) des Spannschafts (1) von einer ringförmig geschlossenen, insbesondere einstückigen Endhülse gebildet ist, deren Innenumfangsmantel die Spannflächen bildet, und dass in die Endhülse zur Bildung der Zugspeichen (13h; 13i; 13k; 13l; 13m) in Umfangsrichtung verteilt eine Mehrzahl zumindest angenähert axial sich erstreckender, zum Außenumfangsmantel der Endhülse radial insbesondere geschlossener Ausnehmungen (17h; 17i; 17k; 17l; 17m) eingearbeitet sind.
Werkzeughalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Endhülse gesondert von einem Grundkörper (27) des Spannschafts (1) hergestellt und fest mit diesem verbunden ist.
Werkzeughalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (9) im entlasteten Zustand der Zugspeichen (13h; 13i; 13k; 13l; 13m) im wesentlichen Kreisquerschnitt besitzt.