DE20022816U1

DE20022816U1 - Vorrichtung zum Spannen von Werkzeugen

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Publication number: DE20022816U1
Application number: DE20022816U
Authority: DE
Original assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHB; Bilz Werkzeugfabrik GmbH and Co KG
Current assignee: INNOVAT GES fur SONDERMASCHB; Bilz Werkzeugfabrik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2010-03-11

Description

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" Wolf & Lutz "M ·; \ &idiagr;·&udigr;.

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INNOVAT Gesellschaft für Sondermaschinenbau,

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Vorrichtung zum Spannen von Werkzeugen

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09.03.2000

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Büro Baden-Biitfcn*Zt{)pelinS(¹r!tße*'iO*D-7653ö*B*a*den-Bacfen -Ye'lefon 07221*38520"· Telefax 07221-38525

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Vorrichtung zum Spannen von Werkzeugen Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von einen Werkzeugschaft aufweisenden Werkzeugen in einer Werkzeugaufnahme, die eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie aus elektrisch leitendem Werkstoff zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts aufweist, mit einer die Hülsenpartie der Werkzeugaufnahme umfassenden, mit einem vorzugsweise hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbaren, als Ring- oder Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule zum Erwärmen der Hülsenpartie. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der US-A-5,311,654 bekannt.

Vorrichtungen dieser Art sind dazu bestimmt, das beispielsweise als Fräser oder Bohrer ausgebildete Werkzeug in die Werkzeugaufnahme einzuspannen oder aus dieser auszuspannen. Hierzu wird die Werkzeugaufnahme mit Hilfe der Induktionsspule im Bereich der Hülsenpartie erwärmt, so daß sich die Bohrung der Hülsenpartie vergrößert. 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 kraftschlüssige und verdrehfeste Verbindung entsteht, die beim schnellen Drehen aufgrund der Fliehkräfte nicht gelöst wird. Zum Ausspannen wird die Hülsenpartie erneut durch die Induktionsspule erwärmt, bis das Werkzeug 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 erreicht, 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 Ausdehnung und/oder mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Hartmetall oder Keramik verwendet werden. Bei der Verwendung von Einsteckwerkzeugen aus Werkzeugstahl kommt es dagegen immer wieder zu Problemen beim Ausspannvorgang.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dahingehend zu entwickeln, daß auch Werkzeuge mit größerer thermischer Ausdehnung und/oder aus elektrisch leitfähigem Material mit Hilfe der Induktionsheizung zuverlässig ein- und ausgespannt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Werkzeuge aus elektrisch leitfähigem Material durch den nicht unerheblichen Streuanteil der herkömmlichen Induktionsspulen im Bereich ihrer Einspannstelle so schnell aufgeheizt werden, daß das Ausspannen erschwert oder unmöglich gemacht wird. Um dies zu verhindern, 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 magnetischen 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.
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Eine besonders wirksame Abschirmung wird dadurch erzielt, daß der Polschuh das freie Ende der Hülsenpartie teilweise übergreift und gegen das freie Ende der Hülsenpartie axial und/oder radial anliegt. Die Durchtrittsöffnung im Polschuh weist gegenüber dem Werkzeugdurchmesser Übermaß auf, so daß zum Werkzeug hin ein Luftspalt mit hohem magnetischen Widerstand entsteht. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch erzielt, daß der Polschuh einen zur Durchtrittsöffnung hin partiell verjüngenden Querschnitt aufweist.

Der Polschuh kann als Ringscheibe ausgebildet sein, die eine zur Durchtrittsöffnung konzentrische konische Eindrehung aufweisen kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, daß der Polschuh durch mehrere, speichenartig angeordnete Radialstege gebildet ist.

Um bei möglichst geringer elektrischer Leistung eine rasche Erwärmung der Hülsenpartie zu erzielen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung 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 magnetische Abschirmung kann dabei als Ringscheibe mit einer Durchtrittsöffnung für die Hülsenpartie der Werkzeugaufnahme ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die stirnseitige magnetische Abschirmung auch durch mehrere speichenartig angeordnete Radialstege gebildet sein. Die mantelseitige Abschirmung ist zweckmäßig als Zylinderkäfig 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, ringförmigen 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 vorteilhaften 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 übliche 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 Abschirmungen 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 vermeiden, ist es deshalb von Vorteil, wenn die Hülsenpartie 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 Außenfläche aufweisen.

Die Werkzeugaufnahme kann entweder unmittelbar an einer schnelldrehenden Maschinenspindel angeordnet sein. Alternativ dazu kann die Werkzeugaufnahme ein die Hülsenpartie tragendes, mit einer schnelldrehenden Maschinenspindel verbindbares Kupplungselement tragen.
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Die Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule werden nur zum Zwecke des Ein- und Ausspannens in die eingangs beschriebene Lage zueinander gebracht. Um eine einfache Handhabung zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn die Werkzeugaufnahme und die Induktionsspule relativ zueinander bewegbar sind.

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

Die in der Zeichnung dargestellte Werkzeugaufnahme 10 weist eine an ihrem freien Ende offene Hülsenpartie 12 zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts 14 eines als Spiralbohrer ausgebildeten Werkzeugs 16 auf. Die Werkzeugaufnahme 10 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel 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 Werkzeugschaft 14 sowie eine kegelstumpfförmige Mantelfläche 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 Ausspannen des Werkzeugs 16 ist daher nur bei erhöhter Temperatur der Hülsenpartie 12 bis ca. 450⁰C möglich.

Die Erwärmung der Hülsenpartie 12 erfolgt mit Hilfe einer 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 Werkzeugaufnahme wird zu diesem Zweck mit ihrer Hülsenpartie 12 in die zentrale Öffnung 30 der als Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule 26 eingeführt. Die Induktionsspule enthält einen aus keramischem Material bestehenden 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 abgeschlossen, der aus einem magnetisch leitenden und elektrisch 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 Ringfläche 24 der Hülsenpartie 12 partiell von außen her übergreift und die zur Zentralöffnung 36 hin eine konische 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 unmittelbar über die Ringfläche 24 in die Hülsenpartie 12 eingeleitet werden. Der über die Ringfläche 24 der Hülsenpartie 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, beispielsweise aus Werkzeugstahl, verwendet werden können, ohne von den elektromagnetischen Streufeldern aufgeheizt zu werden. Letzteres ist notwendig, um ein zuverlässiges Ausspannen zu ermöglichen.

Zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads ist die Induktionsspule 26 an ihrer dem Polschuh 34 gegenüberliegenden Stirnseite und an ihrer zylindrischen Mantelfläche mit je einer magnetischen Abschirmung 42,44 aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem Werkstoff versehen. Die stirnseitige magnetische Abschirmung 42 ist dabei als Ringscheibe mit einer Durchtrittsöffnung 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 weichmagnetischen, insbesondere aus weichferritischem, oxidkeramischem Werkstoff, in welchem wegen der elektrisch isolierenden Eigenschaften geringe oder keine Wirbelstromverluste auftreten.

Die Werkzeugaufnahme 10 und die Induktionsspule 26 sind zum Zwecke des Ein- und Ausspannens des Werkzeugs relativ 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 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

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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.

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Claims

1. Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von einen Werkzeugschaft (14) aufweisenden Werkzeugen (16) in einer Werkzeugaufnahme (10), die eine an ihrem freien Ende (24) offene Hülsenpartie (12) aus elektrisch leitendem Werkstoff zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts (14) aufweist, mit einer die Hülsenpartie (12) der Werkzeugaufnahme (10) umfassenden, mit einem vorzugsweise hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbaren, als Ring- oder Zylinderspule ausgebildeten Induktionsspule (26) zum Erwärmen der Hülsenpartie (12), dadurch gekennzeichnet, 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.

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

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (34) gegen das freie Ende der Hülsenpartie (12) axial und/oder radial anliegt.

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

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

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

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe eine zur Durchtrittsöffnung (36) konzentrische konische Eindrehung aufweist.

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

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch 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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, daß die stirnseitige magnetische Abschirmung (42) durch mehrere speichenartig angeordnete Radialstege gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mantelseitige Abschirmung (44) als Zylinderkäfig ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkäfig in Umfangsrichtung geschlossen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkäfig aus mehreren, in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordneten, achsparallelen Steg gebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh aus weichmagnetischem, insbesondere aus einem weichferritischen oxidkeramischen Werkstoff besteht.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Abschirmung (42, 44) aus weichmagnetischem, insbesondere aus einem weichferritischen oxidkeramischen Werkstoff besteht.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Polschuh (34) einen zur Durchtrittsöffnung (36) konzentrischen, ringförmigen Zentrieransatz zur Aufnahme der freien Enden der Hülsenpartie (12) und/oder zur Abstützung in der Ringöffnung der Induktionsspule (26) aufweist.

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

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

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

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenpartie (12) eine Paßbohrung zur Aufnahme des Werkzeugschafts (14) aufweist, an die sich zum freien Ende hin ein Abschnitt größeren Durchmessers anschließt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülsenpartie (12) eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Mantelfläche (22) aufweist.

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

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