DE20008937U1 - Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters - Google Patents

Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters

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Description

Patentanwälte Wenzel & Kalkoff
Postfach 2448 * 58414 Witten * 02302/914550
Anmeldeunterlagen:
Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters
IWT Induktive Wärmetechnik GmbH
58454 Witten
Anwaltsakte:
06532.7
- 1 (06532.7)
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters.
Als Spannfutter für Hochleistungs-Fräsmaschinen werden heute sog. Schrumpffutter verwendet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spannfutter-Vorrichtungen handelt es sich bei einem Schrumpffutter um eine Aufnahme ohne mechanisch bewegliche Teile. In einem solchen Schrumpffutter befindet sich eine Aufnahmebohrung für den Werkzeugschaft. Die Aufnahmebohrung ist so bemessen, daß sie einen geringfügig kleineren Durchmesser hat als der Schaft des aufzunehmenden Werkzeugs. Das Einsetzen bzw. Herausnehmen der jeweiligen Werkzeugschäfte aus dieser Aufnahme ist nur bei starker Erwärmung möglich. Dabei dehnt sich das Schrumpf futter so weit aus, daß der Durchmesser der Aufnahmebohrung groß genug wird, um den 0 Schaft des Werkzeugs einzustecken. Nach dem Abkühlen wird so eine hochgenaue, sehr feste Preßpassung erzielt.
Die Erwärmung wurde ursprünglich mit Heißluft durchgeführt. Dies wird weiterhin vor allem dort eingesetzt, wo der Werkzeugschaft und das Schrumpffutter aus unterschiedlichem Material gefertigt waren, wobei sich das Schrumpffutter stärker ausdehnte als der Schaft.
Mittlerweile ist es auch bekannt, die Erwärmung induktiv vorzunehmen. Damit ist eine sehr viel gezieltere Zuführung von Heizleistung möglich. Hierdurch können Schrumpfpassungen auch bei gleichem Material (z.B. Stahl-in-Stahl) hergestellt werden, da die Erwärmung so gezielt in das Futter eingebracht werden kann, daß innerhalb eines gewissen Zeitfen-5 sters - bevor zuviel Wärme auch auf den Werkzeugschaft über-
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geleitet wird - das Werkzeug aus der Aufnahmebohrung entnommen werden kann.
Die heute verwendeten Schrumpffutter, deren Gestaltung genormt ist, können aus der jeweiligen Bearbeitungsmaschine entnommen werden. Für den Werkzeugwechsel werden Vorrichtungen verwendet, bei denen das Schrumpffutter so plaziert wird, daß es sich im Bereich einer Induktorspule befindet. Mit Hilfe einer Versorgungsschaltung wird elektrische Wechselenergie in Form einer Wechselspannung an der Induktorspule erzeugt, so daß diese induktiv elektrische Heizleistung an das Schrumpffutter abgibt und dieses so heizt. Nach einer gewissen Heizzeit von z.B. 10 Sekunden ist das Schrumpffutter ausreichend erwärmt, so daß sich die Aufnahmebohrung darin so weit vergrößert hat, daß ein darin befindliches Werkzeug entnommen bzw. ein neues Werkzeug eingesetzt werden kann.
Derartige Vorrichtungen werden zum Werkzeugwechsel für sehr unterschiedliche Durchmesser von Schrumpffuttern verwendet. Hierbei ist allerdings die aufgenommene Heizleistung bei verschiedenen Durchmessern sehr unterschiedlich. Bei geringen Durchmessern sinkt sie bis auf einen Bruchteil der Nennleistung des Erwärmungsgeräts ab. Diese Abhängigkeit ist auch deshalb problematisch, weil bei Stahl-in-Stahl-Passungen stets definierte Zustände vorliegen müssen, da ein sehr genaues Zeitfenster eingehalten werden muß.
Als Lösung hierfür werden bereits unterschiedliche, wechsel-0 bare Induktoren eingesetzt, die für verschieden große zu erwärmende Schrumpffutter verschieden ausgelegt sind, d.h. z.B. verschiedene Windungszahl aufweisen oder andere geometrische Abmessungen, insbesondere unterschiedliche Spulendurchmesser .
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Diese Lösung ist allerdings recht aufwendig. Dies gilt insbesondere dann, wenn - wie bei Erwärmungsvorrichtungen, die mit einem Parallelschwingkreis arbeiten üblich - eine Wasserkühlung der Induktorspule vorgesehen ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bekannte Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters so weiterzubilden, daß damit Schrumpffutter verschiedenen Durchmessers erwärmt werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Meßvorrichtung zur Ermittlung eines Meßwerts vorgesehen, der ein Maß für die von der Induktorspule aufgenommene Leistung ist. Vorrichtungen zur Leistungsmessung sind dem Fachmann bekannt. Im einfachsten Fall kann - bei bekannter Spannung - der Strom gemessen werden, 0 wobei dessen Meßwert dann ein Maß für die Leistung darstellt . Ebenso können selbstverständlich Strom und Spannung an geeigneten Punkten gemessen werden, um die Leistung direkt zu ermitteln.
5 Die Versorgungsschaltung dient zum Zuführen elektrischer Leistung in Form von Wechselspannung bzw. Strom zur Induktorspule. Hierbei ist grundsätzlich zwischen Vorrichtungen mit Reihen- und Parallelschingkreis zu unterscheiden. Während bei Reihenschwingkreisen eine verhältnismäßig hohe Spannung, jedoch ein vergleichsweise geringer Strom verwendet wird, wird bei Vorrichtungen mit Parallelschwingkreisanordnung eine relativ geringe Spannung verwendet, während ein sehr hoher Strom fließt.
Bekannte Versorgungsschaltungen bestehen aus einer Schal-
tendstufe, die eine mittel- bis hochfrequente Wechselspannung zur Verfügung stellt. Die Primärseite eines Transformators ist an diese Wechselspannung angeschlossen. Die Sekundärseite des Transformators ist mit der Induktorspule bzw. mit dem entsprechenden Schwingkreis verbunden.
Die Meßvorrichtung kann an verschiedenen Stellen der Versorgungsschaltung angeschlossen sein. Vorteilhafterweise befindet sie sich im Primärkreis. Dort kann bei bekannter Spannung durch einfache Messung des Stroms die Leistung sehr einfach ermittelt werden. Die Versorgungsschaltung kann durch eine Anzahl von dem Fachmann bekannten Mitteln steuerbar ausgebildet sein. Als besonders einfache Ausgestaltung kann der Transformator zwischen Primär- und Sekundärkreis mit verschiedenen Abgriffen versehen sein.
Die verschiedenen Abgriffe entsprechen jeweils einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen auf der Sekundärseite des Transformators. Durch die Auswahl der verschiedenen Abgriffe wird also sekundärseitig (bei primärseitig konstanter Spannung) eine unterschiedlich hohe Spannung ausgewählt.
Bei vertretbarem Aufwand lassen sich beispielsweise bis zu 5 Abgriffe realisieren, in einem besonders einfachen Fall reichen aber auch zwei Abgriffe bereits aus. Bevorzugt wird eine Ausführung mit drei Abgriffen. Die Steuereinrichtung kann in diesem Fall Relais umfassen, die ansteuerbar jeweils einen der Abgriffe mit dem Sekundärkreis verbindet.
Die Steuereinrichtung kann, wie für den Fachmann leicht ersichtlich, auf sehr verschiedene Arten aufgebaut sein. Bevorzugt wird der Einsatz einer CPU-Steuerung, d.h. eine Steuerung mit einem Mikrocontroller, der ein Steuerprogramm ausführt. Diese Ausführung ist besonders variabel und trotzdem kostengünstig herstellbar.
Im Betrieb eines erfindungsgemäßen Gerätes wird dieses zur Erwärmung eines Spannfutters zunächst mit voreingestellten Werten für die Wechselspannung (bzw. den Strom) durch die Induktorspule betrieben. Die hierdurch aufgenommene Leistung wird ermittelt. Gemäß einer Weiterbildung wird die Leistung mit einem Sollwert verglichen. Ergibt der Vergleich eine zu hohe Abweichung, wird diese Abweichung entgegengesteuert. Wenn also beispielsweise eine zu geringe Leistung aufgenommen wird, wird die Versorgungsschaltung so angesteuert, daß die Leistung erhöht wird, beispielsweise durch Erhöhung der Spannung im Sekundärkreis.
So ist es möglich, ohne Induktorwechsel sehr verschiedene Durchmesser von Schrumpffuttern in der Vorrichtung gezielt und definiert zu erwärmen. Auch bei geringen Durchmessern kann die Vorrichtung so betrieben werden, daß sie die volle Nennleistung als Heizleistung abgibt. Dabei erfolgt die Einstellung vollständig automatisch, d.h. das Bedienpersonal braucht hier keine Eingriffe vorzunehmen. Insbesondere ist 0 auch kein Wechsel der Induktorspule notwendig, die deshalb fest an die elektrische Stromversorgung und ggfs auch an die Kühlmittelzuführung angebracht sein kann, was einen einfachen Aufbau ermöglicht.
5 Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Schrumpffutters, das in 0 einer Erwärmvorrichtung aufgenommen ist,
Fig. 2 das Schaltbild einer Versorgungsschaltung, einer Meßvorrichtung, einer Steuereinrichtung und der Induktorspule,
35
Fig. 3 ein Schaltbild einer Wechselspannungsversorgung.
Fig. 1 zeigt Teile einer Erwärmvorrichtung 10, in der ein Spannfutter 12 aufgenommen ist.
5
Die Vorrichtung 10 weist einen ringförmigen Halter 14 auf, in den das Spannfutter 12 so eingesteckt ist, daß es fest positioniert ist und sich in einer definierten Lage befindet . Die Vorrichtung 10 weist ferner eine fest angebrachte Induktorspule 16 auf, in der das Spannfutter aufgenommen ist. Die in Fig. 1 gezeichnete Lage kann hierbei beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß die Induktorspule 16 auf das im Halter 14 aufgenommene Spannfutter abgesenkt wird. Die Induktorspule 16 ist in diesem Fall verschiebbar gehalten. Sie ist jedoch weiterhin fest, d.h. nicht wechselbar, mit den elektrischen Anschlüssen und der Kühlwasserversorgung verbunden.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Spule fest-0 steht und der Halter 14 in Richtung auf die feststehende Induktorspule 16 nach oben geschoben wird.
In dieser beispielhaft gezeigten Auführungsform handelt es sich um einen Induktionserwärmer mit Parallelschwingkreis.
Die Induktionsspule hat eine vergleichsweise geringe Anzahl Windungen, im gezeigten Beispiel lediglich sechs Stück. Aufgrund des relativ hohen fließenden Stroms sind die Windungen hohl, so daß Kühlwasser durch das Innere der Windungen geleitet werden kann.
Die Induktorspule 16 weist Anschlüsse 18 auf, mit denen die Induktorspule an die Versorgungsschaltung innerhalb des nur symbolisch dargestellten Gehäuses 20 angeschlossen ist.
Die Versorgungsschaltung 22 ist als Schaltbild in Fig. 2
&bull; dargestellt. Sie weist eine - an sich bekannte - Wechselspannungsversorgung 24, beispielsweise einen MF-Umrichter mit IGBT-Endstufe auf.
Ein solcher Umrichter ist in Fig. 3 dargestellt. Er besteht aus einem Netzfilter 26, einer Gleichrichtereinheit 28 und zwei abwechselnd schaltenden Halbbrücken 30. Die gefilterte, gleichgerichtete Netzspannung wird durch wechselseitiges Schalten der Halbleiterschalter 30 (z.B. MOSFETs oder IGBTs) in eine Wechselspannung an den Anschlüssen X und Y umgeformt .
Zurück in Fig. 2 sind die Anschlüsse X und Y an die Primärseite eines Transformators 32 angeschlossen. Der Transformator 32 weist primärseitig eine feste Windungsanzahl von beispielsweise 20 Windungen auf. Sekundärseitig weist der Transformator 32 einen Anschluß 34 sowie Abgriffe 36a, 36b, 36c auf, die jeweils verschiedenen Windungszahlen entsprechen.
Im dargestellten Beispiel ist die sekundärseitige Windungszahl für den Abgriff 36a 10 Windungen, für den Abgriff 36b 8 Windungen und für den Abgriff 3 6c 6 Windungen.
An den Abgriffen 36a, 36b, 36c sind Relais-Schalter 38a, 38b, 38c angeschlossen. Diese sind über Steuerleitungen 40 mit einer CPU-Einheit 42 verbunden. Je nach Ansteuerung der Relais-Schalter 38a, 38b, 38c wird jeweils einer der Abgriffe 36a, 36b, 36c mit dem sekundärseitigen Schaltkreis 0 verbunden.
Im sekundärseitigen Schaltkreis befinden sich ein Filter 44 und der Schwingkreis 46. Der Schwingkreis 46 weist einen Schwingkreiskondensator 48 (im dargestellten Beispiel ca. 5 ßf) sowie die Induktorspule 16 in Parallelschaltung auf.
ALLO1162
Im Primärkreis ist ein Stromsensor 50 angeordnet. Im vorliegenden Fall handelt es sich hierbei um einen induktiven Stromsensor. Ebenso können andere dem Fachmann bekannte Mittel zur Strommessung eingesetzt werden. Der Stromsensor 50 ist mit einer - nicht dargestellten - Meßeinheit verbunden. Diese ermittelt den Meßwert für den Strom Ip im Primärkreis. Der Meßwert wird in geeigneter Weise der CPU-Einheit 4 2 zugeführt.
Die Funktionsweise der dargestellten Vorrichtung ist die folgende:
Zunächst wird - wie in Fig. 1 gezeigt - das jeweils zu erwärmende Spannfutter 12 in die Aufnahme 14 eingesteckt und innerhalb der Induktorspule 16 positioniert. Dann wird die Beheizung eingeschaltet, wobei ein vergleichsweise hoher Induktionsstrom durch die Windungen der Induktorspule 16 fließt. Hierdurch wird das Spannfutter 16 lokal an den Wandungen 52 sehr stark erwärmt. Diese dehnen sich durch die 0 Erwärmung aus, so daß sich der Durchmesser einer darin gebildeten Aufnahmebohrung 54 vergrößert. Während der Durchmesser der Aufnahmebohrung 54 bei Raumtemperatur geringfügig kleiner ist als der Schaft 56 des einzuspannenden Werkzeugs, ist es im erwärmten Zustand möglich, den Schaft 56 in die Aufnahmebohrung 54 einzustecken. Nach Abkühlung bildet sich eine hochgenaue und sehr feste Preßpassung.
Nach dem Einschalten der Heizung ist die Funktionsweise der Schaltung aus Fig. 2 die folgende:
Die Wechselspannungsversorgung 24 erzeugt eine Wechselspannung von beispielsweise 20-60 kHz, bevorzugt von 50 kHz, im Primärkreis des Transformators 32. Im Grundzustand ist zunächst der Relais-Schalter 38c geschlossen, während die Relais-Schalter 38a, 38b geöffnet sind. Der Transformator 32
wird also sekundärseitig mit der niedrigsten Windungszahl, also dem niedrigsten Spannungsübertragungsverhältnis betrieben. Der Strom auf der Sekundärseite des Transformators 32 fließt über den Filter 44 und den Schwingkreis 46. Hierbei fließt ein sehr hoher Induktionsstrom durch die Induktorspule 16. Ein Maß für die hierbei von der Induktorspule 16 an das Spannfutter abgegebene Heizleistung ist der Strom Ip im Primärkreis.
Der Strom Ip wird über den Stromsensor 50 gemessen. Dieser Meßwert wird an die CPU-Einheit 42 weitergegeben, die den Meßwert mit einem voreingestellten Sollwert vergleicht.
Ist beispielsweise der Durchmesser des Spannfutters 50 mm, d.h. wird die Induktorspule vollständig durch das Spannfutter ausgefüllt, so gibt die Vorrichtung im wesentlichen bereits bei dem als Anfangseinstellung vorgewählten Übertragungsverhältnis des Transformators 32 die gesamte Nennleistung von beispielsweise 8 KW (abgesehen von Wärmeverlusten etc.) als Heizleistung an das Spannfutter ab. Befindet sich jedoch innerhalb der Induktorspule lediglich ein Spannfutter von sehr geringem Durchmesser, beispielsweise 35 mm, beträgt die abgegebene Heizleistung - so lange Relais-Schalter 38c geschlossen bleibt - beispielsweise nur noch ca. 5 KW und liegt damit erheblich unter der Nennleistung des Gerätes. Die aufgenommene Heizleistung ist etwa zum Quadrat des Durchmessers des Spannfutters proportional.
In diesem Fall ist auch der mit dem Stromsensor 50 ermittel-0 te Wert für Ip erheblich geringer. Dies erkennt die CPU-Einheit 42 durch Vergleich mit einem voreingestellten Sollwert . Je nach dem Ergebnis dieses Vergleiches steuert sie über die Steuerleitungen 40 die Relais-Schalter 38a, 38b, 38c so an, daß der Sekundärkreis mit einem anderen Abgriff 5 3 6a, 3 6b, 3 6c verbunden wird.
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Als Regelalgorithmus können hier verschiedene Varianten gewählt werden. Einerseits kann beim Unterschreiten des Sollwerts immer zunächst die nächst höhere Windungszahl, d.h. der jeweils nächste Abgriff angesteuert werden. Wenn also bei geschlossenem Relais-Schalter 38c (geöffnete Relais-Schalter 38a, 38b) die aufgenommene Leistung (ermittelt anhand von Ip) zu gering ist, wird Relais-Schalter 38c geöffnet und Relais-Schalter 38b geschlossen. Dann wird erneut gemessen. Ist die aufgenommene Leistung immer noch zu gering, wird Relais-Schalter 38b geöffnet und Relais-Schalter 38a geschlossen.
Eine andere Variante ist es, direkt anhand der Differenz zwischen dem gemessenen Wert von Ip und dem eingestellten Sollwert zu entscheiden, welcher der Abgriffe 36a, 36b, 36c verwendet werden, d.h. welcher der Relais-Schalter 38a, 38b, 38c geschlossen werden soll.
Die CPU-Einheit 42 umfaßt einen handelsüblichen Mikrocontroller, der das Steuerprogramm ausführt. Hierbei kann der Sollwert fest programmiert sein, er kann jedoch auch variabel von außen vorgegeben werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines Spannfutters (12),
- mit einer Induktorspule (16), in der das Spannfutter (12) aufgenommen wird
- und einer Versorgungsschaltung (22) zur Erzeugung und Zuführung elektrischer Wechselenergie zu der Induktorspule (16)
dadurch gekennzeichnet, daß
- eine Meßvorrichtung (50) vorgesehen ist, die einen Meßwert ermittelt, der ein Maß für die von der Induktorspule (16) aufgenommene Leistung ist
- und eine Steuereinrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) die in Abhängigkeit von dem Meßwert die Versorgungsschaltung (22) steuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der
- der Betrag einer Wechselspannung, die von der Versorgungsschaltung (22) an die Induktorspule (16) angelegt wird, variabel ist,
- und wobei die Steuereinrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) die Versorgungsschaltung (22) so ansteuert, daß der Betrag in Abhängigkeit von dem Meßwert gewählt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der
- die Steuereinrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) Mittel zum Vergleich des Meßwerts mit einem Sollwert aufweist
- und beim Unterschreiten dieses Sollwerts die Versorgungsschaltung (22) so ansteuert, daß die Spannung erhöht wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Versorgungsschaltung (22) einen Transformator (32) mit mehreren Abgriffen (36a, 36b, 36c) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Steuereinrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) diese Abgriffe (36a, 36b, 36c) so ansteuert, daß die Induktorspule (16) jeweils über einen dieser Abgriffe angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Meßvorrichtung ein Stromsensor (50) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Meßvorrichtung ein induktiver Stromsensor (50) ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Induktorspule (16) Teil eines Parallelschwingkreises (46) ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuervorrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) eine Zentraleinheit (42) aufweist, die ein Steuerprogramm ausführt, das den vor der Meßvorrichtung (50) gelieferten Wert auswertet und die Versorgungsschaltung (22) entsprechend ansteuert.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der
- die Versorgungsschaltung (22) einen Transformator 32 aufweist,
- der in einem Primärkreis geschaltet ist, wo er an eine Wechselspannungsversorgung (24) angeschlossen ist,
- und der in einem Sekundärkreis geschaltet ist, in dem er an die Induktorspule (16) angeschlossen ist,
- wobei der Transformator (32) mehrere Abgriffe (36a, 36b, 36c) hat,
- wobei jeder der Abgriffe (36a, 36b, 36c) einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen entspricht
- und die Abgriffe (36a, 36b, 36c) über eine ansteuerbare Relais-Schaltung (38a, 38b, 38c) jeweils einzeln mit dem Sekundärkreis verbindbar sind
- und die Meßvorrichtung (50) den Strom im Primärkreis mißt,
- und die Steuervorrichtung (42, 40, 38a, 38b, 38c) den im Primärkreis gemessenen Strom mit einem Sollwert vergleicht
- und beim Unterschreiten des Sollwerts die Relais- Schaltung (38a, 38b, 38c) so ansteuert, daß ein solcher Abgriff (36a, 36b, 36c) des Transformators (32) mit dem Sekundärkreis verbunden wird, daß die Spannung an der Induktorspule (16) erhöht wird.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Induktorspule so in der Vorrichtung angebracht ist, daß sie fest mit den elektrischen Anschlüssen verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der eine Aufnahme (14) für das zu erwärmende Spannfutter vorgesehen ist.
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