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Werkzeughalter
mit einem werkzeugseitigen Schaft für ein Werkzeug und einem rückwärtigen kegeligen
Maschinenschaft zum Einsetzen in eine komplementär gestaltete Aufnahme einer
Spindel einer Werkzeugmaschine und einem dazwischen angeordneten
Flansch, dessen dem Maschinenschaft zugewandte Ringfläche an einer
Stirnfläche
der Spindel einerseits zur Plananlage bringbar ist.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 44 02 483 A1 ist ein derartiger Werkzeughalter
bekannt, bei dem zwischen einem werkzeugseitigen Schaft für die Aufnahme
eines Werkzeugs und einem rückwärtigen kegeligen
Maschinenschaft zum Einsetzen in eine Aufnahme einer Spindel einer
Werkzeugmaschine ein ringförmiger
Flansch angeordnet ist, dessen dem Maschinenschaft zugewandte Ringfläche an einer
Stirnfläche
der Spindel einerseits zur Plananlage bringbar ist und andererseits
der Maschinenschaft unter elastischer Verformung von zwischen dem
Flansch und dem Ende des Maschinenschaftes angeordneten Teilen desselben
in der Aufnahme verspannbar ist, wenn von der Spindel her ein in
den Maschinenschaft ragender und mit einem Widerlager in Wirkverbindung
stehender Spannbolzen gezogen wird. Der Werkzeughalter ist zweiteilig
aus den beiden Schäften
zusammengesetzt und der Maschinenschaft quer durchbohrt, um das
Widerlager bzw. die Druckübertragungselemente
am Spannbolzen montieren zu können.
Zweiteilige Schäfte
haben naturgemäß eine geringere
Steifigkeit als einstückige Werkzeughalter.
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Unter
dem Handelsnamen BIG-PLUS SPINDLE SYSTEM ist ein Werkzeughalter
für komplementär gestaltete
Big-Plus Maschinen oder Spindeln bekannt geworden, dessen Kegelneigung
am Maschinenschaft 7/24 ist. Dieser Steilkegel (SK) ist genormt
gemäß der deutschen
DIN 69871 AD und der japanischen JIS-BTV sowie der Isonorm 40/50. Vorläufer des
heute gehandelten Systems sind beispielsweise in der deutschen Patentschrift
DE 42 37 618 C2 dargestellt.
Der einstückige
Werkzeughalter hat einen passgenau geschliffenen Steilkegel für eine komplementäre Aufnahme
einer Spindel. Die üblichen
Toleranzen an der Kragenstirnfläche,
die dem Maschinenschaft zugewandt ist, sind sehr eng toleriert,
so dass die am Anmeldetag geltenden Normen, bzw. deren Toleranzwerte,
unterschritten werden und so nach Einsetzen des Maschinenschaftes
in der Spindel zu der Kragenstirnfläche bzw. dem Flansch für die Plananlage
an die Spindel eine sehr geringe Distanz verbleibt. An der Rückseite
des Maschinenschaftes sind Spannzugbolzen angebracht, mit Hilfe derer
von der Maschine der Maschinenschaft soweit in die Spindel eingezogen
wird, dass die Kragenstirnfläche
bzw. der Flansch am Maschinenschaft zur Anlage an die Spindelstirnfläche gelangt.
Damit erhält man
ein überbestimmtes
System mit zwei Anlageflächen,
einmal an der Stirnfläche
des Kragens bzw. des Flansches zur Plananlage und zum zweiten an dem
Steilkegel in der Aufnahme der Spindel. Dies funktioniert bei dem
genau gefertigten System nur, indem die Spindel faktisch um sehr
geringe Beträge aufgeweitet
wird.
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Zwar
kann die Big-Plus Spindel auch mit konventionellen Werkzeughaltern
gekoppelt werden, jedoch verbleibt dann ein Restspalt an der Kragenstirnfläche von
1 – 2
mm. Ähnliches
geschieht, wenn eine konventionelle Spindel mit einem Werkzeughalter
des Big-Plus-Systems kombiniert wird. Die bis zum Anmeldetag der
zitierten deutschen Patentschrift geltenden Normen ließen gegebenenfalls
eine noch größere Toleranz
zu, wenn konventionelle Spindeln mit konventionellen Werkzeughaltern
kombiniert wurden.
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Die
Kosten für
die BIG-PLUS-Spindel sind entsprechend hoch. Vorteile bei konventionellen Spindeln
ergeben sich kaum. Probleme treten mit zunehmendem Verschleiss der
Spindel bzw. Maschinenkegelschaftes auf. Beim Werkzeugwechsel sorgen
die Spannzugkräfte
dafür,
dass mit der Entspannung ein Entspannungsruck an der Maschine entsteht,
welcher langfristig an der Spindel bzw. deren Lagerung zu Schäden führen könnte. Häufig ist
ein Löseimpuls
bzw. ein Ausstoßen
des Werkzeughalters erforderlich, insbesondere bei älteren Spindeln
/ Schäften,
um die Presspassung außer
Eingriff zu bringen.
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Die
Verteilung der Zugkräfte
beim Betätigen der
Zugstange auf die Plananlage und die Spindelaufnahme ist stark abhängig von
der tatsächlich
realisierbaren oder realisierten Toleranz von Werkzeughalter und
Spindel, d.h. der jeweiligen Toleranzpaarung und genauen Toleranzverteilung
zwischen Plananlage und Anlage im Kegelbereich.
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Bei
Standardspindeln, die für
moderne Hohlschaftkegel (HSK) ausgebildet sind, können Big-Plus-Systeme
nur für
relativ geringe Drehzahlen eingesetzt werden.
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Generell
gilt, dass eine Plananlage des Werkzeughalters an der Spindel auch
unter Belastung erwünscht
ist. Dies hängt
damit zusammen, dass über
die Werkzeugquerkraft aufgrund der Reaktionskräfte bei spanender Bearbeitung
in den Werkzeughalter eingeleitete Grenzbiegemomente dazu führen, dass
ein einseitiges Abheben der Plananlagefläche zu beobachten ist. Ab dem
kritischen Belastungsmoment wird die Verbindung biegeweicher. An diesem
Punkt reicht dann die Spannkraft nicht mehr aus, den vollständigen Kontakt
der Plananlagefläche mit
der Spindelstirnfläche
aufrechtzuerhalten. Die Größe dieses
Abhebemomentes wird somit im entscheidenden Maße von der Spannzugkraft bestimmt; das
verwendete Spannsystern und die Art der Spannung hat darauf keinen
Einfluss.
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Anzugbolzen
sind beispielsweise dargestellt in Patent Abstract of Japan Nr.
07308809 A und 07185983 A. Diese Spannbolzen sind durch einen Querstift
und/oder entsprechende Gewinde in dem Maschinenschaft verankert,
um die hohen Spannzugkräfte
aufzubringen.
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Von
daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die Vorteile der
HSK-Schäfte, vornehmlich ihre
Eignung für
hohe Drehzahlen bei standardisierten Spindeln, mit den Vorteilen
der Steilkegelschäfte, vornehmlich
der guten Plananlage und der im Prinzip höheren Steifigkeit, zu kombinieren
in einem neu zu schaffenden Werkzeughalter.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Patentansprüche
1 und 14. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfasst.
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Die
Lösung
bei einem gattungsgemaßen Werkzeughalter
mit einem werkzeugseitigen Schaft für ein Werkzeug und einem rückwärtigen kegeligen Maschinenschaft
zum Einsetzen in eine komplementär
gestaltete Aufnahme einer Spindel einer Werkzeugmaschine und einem
dazwischen angeordneten Flansch, dessen dem Maschinenschaft zugewandte Ringfläche an einer
Stirnfläche
der Spindel einerseits zur Plananlage bringbar ist und andererseits
der Maschinenschaft unter elastischer Verformung von zwischen dem
Flansch und dem Ende des Maschinenschaftes angeordnetem Hülsenteil
desselben in der Aufnahme verspannbar ist mittels eines von der Werkzeugmaschine
her in eine Bohrung im Maschinenschaft bis mindestens in den Hülsenteil
ragenden und mit einem in dem Hülsenteil
angeordneten Widerlager in Wirkverbindung stehenden unter Zugspannung
setzbaren Spannbolzens, besteht darin, dass die Schäfte, der
Werkzeugschaft und der Maschinenschaft, mit dem Flansch einstückig ausgebildet
sind, der der elastische dehnbare Hülsenteil des Maschingnschaftes
außen
ein Untermaß hat
im Vergleich zum Sollmaß des
Innenkegels der Aufnahme und die Bohrung am Ende des Maschinenschaftes zum
Einbringen von Druckübertragungselementen
in einen Hohlraum des Maschinenschaftes größer als die innere Abmessung,
in der Regel der Achsen nahe innere Durchmesser, des Widerlagers
ist.
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Diese
Bauweise ermöglicht
es, alle für
das Spannen des Maschinenschaftes in der Spindel, d.h. das Verspannen
des Innenkegelmantels der Spindel mit dem Außenkegelmantel des Maschinenschaftes durch
die Bohrung in das Hülsenteil
einzubringen und dort zu montieren. Damit erreicht man eine Doppelverspannung
des Halters an der Planfläche
der Spindel und in der Aufnahme, ohne dass Toleranzen wie bei bisherigen
HSK- oder SKWerkzeughaltern erforderlich sind. Die Spindel ist im
Maß etwas
größer als der
komplementäre
Mantelteil des Maschinenschaftes; eine Toleranz von - 0 bis – 0,5 mm,
vorzugsweise aber nur wenige 1 /1000 mm im Durchmesser am Maschinenschaft,
wird dabei erfindungsgemäß vorgesehen.
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Damit
erreicht man also auch eine Verspannung des Halters ähnlich dem
BIG-Plus-System bei dem die Paarungspassung Schaft und Spindelaufnahme
praktisch durch Übermaß erreicht
wird, jedoch kann bei der Erfindung auf die BIG-Plus-Spindel verzichtet
und die gewünschte
Doppeleinspannung auch mit konventionellen Spindeln realisiert werden. Beim
Stand der Technik war für
derartige Verspannungen eine Teilung des Werkzeughalters und / oder ein
Durchbruch im Maschinenschaft erforderlich, um die zum Spannen des
Hülsenteiles
erforderlichen Elemente im Maschinenschaft montieren zu können.
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Ein
erfindungsgemäßer einstückiger Werkzeughalter
ist natürlich
stabiler und kann auch für hohe
Drehzahlen bei der Bearbeitung eingesetzt werden.
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Das
Hülsenteil
im mittleren Abschnitt des Maschinenschaftes zwischen dem Flansch
und dem Ende des Maschinenschaftes ist elastisch gestaltet. Es hat
ein Widerlager, welches ringförmig
an der Innenwandung des Hülsenteiles
gestaltet und angebracht ist, vorzugsweise einstückig mit dem Hülsenteil.
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Das
Widerlager hat in einer Ausführungsform
innen, der Mittelachse der Bohrung im Schaft zugewandt, mit einer
Nut oder einer Vielzahl von Taschen rund um die Mittelachse für die Aufnahme
von Kugeln und / oder Toroidabschnitten, die einzeln durch die Bohrung
eingebracht und in die Nut Taschen gesetzt werden können. In
dieser Version wird auf das in das Hülsenteil ragende Ende des Spannbolzens,
im Folgenden auch wegen seiner Funktion Zugstange genannt, eine
Druckhülse
aufgesetzt, bzw. die Zugstange in die Druckhülse geschraubt und dort festgesetzt,
wobei der Außendurchmesser
der Druckhülse
geringfügig
kleiner als die innere Abmessung des Widerlagers ist. Das Festsetzen
kann außer
durch Schrauben auch durch eine andere formschlüssige Verbindung realisiert
werden.
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Damit
alle Teile durch die Bohrung in den Maschinenschaft einbringbar
und dort montierbar sind ist die Druckhülse aus zwei einzelnen Hülsen zusammengesetzt.
Zunächst
wird die zweite Hülse
mit aufgesetzter Feder platziert, dann werden die Kugeln oder Toroidabschnitte
eingelegt und sodann die erste Hülse
mit der zweiten Hülse
gefügt,
z.B. durch Schrauben. Bei Verwendung von Kleber werden die Hülsen miteinander
unlösbar
zu einer Druckhülse verbunden.
Andere Fügeverfahren
sind anwendbar.
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Der
Spannbolzen ist dann gegen eine auf die Druckhülse und / oder den Spannbolzen
wirkende Feder (Rücksteilfeder)
unter Spannung gesetzt. Die in die Nut oder Taschen des Widerlagers
einsetzbaren Kugeln und / oder Toroidabschnitte werden im Betrieb,
d.h. beim Spannen des Werkzeughalters in der Werkzeugmaschine durch
einen Außenkegel
an der Druckhülse
in die Taschen gepresst, sobald die Zugstange gezogen wird. Das
Pressen erzeugt dann ein geringfügiges
Ausstülpen
des Maschinenschaftes oder genauer Dehnen des elastischen Hülsenteiles
des Schaftes und somit eine Durchmesservergrößerung mit entsprechendem Spanneffekt
in der Aufnahmekegelbohrung der Spindel. Da zuvor durch das Ziehen
an der Zugstange wegen des geringeren Widerstandes der Flansch des
Werkzeughalters zur Plananlage an der Stirnfläche der Spindel gelangte, erhält man die
gewünschte – nachträgliche Verspannung
des Halters an zwei Spannflächen,
an der Stirn der Spindel und in deren Aufnahme nach Dehnen des Maschinenschaftes.
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Die
Plananlagekraft an der Stirn der Spindel entspricht etwa der Anzugskraft,
während
die Radialkraft bis an die Grenzen der Materialfestigkeit gesteigert
werden kann und nicht von der vorgegebenen Übermaßtoleranz in der Kegelpaarung
Spindel /Schaft abhängt.
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Außerdem lässt sich
der erfindungsgemäße Werkzeughalter
leichter aus der Spindel lösen,
da zunächst
bei Verringerung der Anzugskraft die Presspassung der Kegelpaarung
Spindel / Schaft nachlässt
und dabei sich wieder die Untermaßtoleranz einstellt. Ein Ausstoßen des
Halters mit entsprechendem Löseimpuls
ist nicht erforderlich; das schont die Kegeloberflächen in
der Spindel und am Werkzeughalter.
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Bevorzugt
ist, dass der Winkel des Außenkegels
der Druckhülse
dabei 300 bis 85",
am Besten etwa 45" bis
60" beträgt-, damit
erreicht man optimale Druckpressung auf die Kugeln und somit ein
Ausdehnen des Maschinenschaftes. Die Zahl derartiger Kugeln kann
auf den Grad der Elastizität
des Schaftes und den erwünschten
Spanndruck sowie die Zugkraft an dem Spannbolzen angepasst werden.
Aus dem Stand der Technik ist auch die Verwendung von segmentförmigen Ringabschnitten,
richtiger: Toroidabschnitten, für
eine derartige Spannaufgabe bekannt.
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Eine
andere erfindungsgemäße Version
des Werkzeughalter weist ein Widerlager auf, das ringförmig gestaltet
ist und innen eine konzentrisch zur Bohrung angeordnete Gewindebohrung
aufweist, in die ein mit komplementärem Gewinde ausgestattetes Ende
des Spannbolzens einschraubbar ist. Hier wird auf ein zwischengeschaltetes
Druckübertragungselementenpaar,
die Druckhülse
und die Kugeln verzichtet. Das Widerlager ist so gestaltet, das über die
Gewindeverbindung zwischen Zugstange und Widerlager, integraler
Teil des Hülsenteils
des Maschinenschaftes, dessen Verspannung in der Aufnahme der Spindel
erreicht wird.
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In
beiden Fällen
wird vorzugsweise der Werkzeughalter so gestaltet, dass das ringförmige Widerlager
am Hülsenteil
eine dem Flansch zugewandte Deckfläche unter einem Winkel von
+ 300 bis – M' bezogen auf eine
Lotrechte auf den Kegelmantel des Maschinenschaftes aufweist. Ergänzend soll
das ringförmige
Widerlager am Hülsenteil
eine dem Ende des Maschinenschaftes zugewandte Unterfläche unter
einem Winkel von 00 bis 30' bezogen
auf eine Lotrechte auf den Kegelmantel des Maschinenschaftes aufweisen.
Damit erreicht man eine günstige
Krafteinleitung über
das Widerlager in das Hülsenteil
wie sich in der Praxis herausgestellt hat.
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Anhand
einer Zeichnung mit einer Figur von einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung
näher erläutert werden.
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Der
einstückige
Werkzeughalter mit Werkzeugschaft 1, von dem ein Abschnitt
mit Kühlmittelleitung 11 zu
sehen ist, Flansch 2 mit Greifernut 21 und Orientierungsnut 23 und
Maschinenschaft 3 kann mit Hilfe eines nicht dargestellten
Werkzeugwechslers, der in die Greifernut 21 und die Orientierungsnut 23 fasst,
in die Spindel 8 in Richtung Achse A eingefügt werden.
Der besseren Obersicht wegen ist nur einseitig ein Abschnitt der
Spindel 8 dargestellt. Der Spannbolzen 4 in der
Aufnahme 80 der Spindel 8 kann dann von der nicht
dargestellten Werkzeugmaschine gezogen werden bis der rückwärtige ringförmige Flanschbereich 22 an
der Stirnfläche 82 der Spindel 8 anliegt.
Bei weiterem Zug, moderne Maschinen bringen meist eine Zugkraft
von 80 – 200
kN auf, wird dann der Maschinenschaft 3 im Bereich des Hülsenteils 30 solange
von innen aufgeweitet, bis eine Presspassung zwischen dem Innenkegel 81 der Spindel 8 und
dem äußeren Mantel
am Hülsenteil 30 entsteht,
wobei das Hülsenteil
in diesem Beispiel ein Untermaß von
3/1000 mm im Durchmesser gegenüber
dem Innenkegel 81 aufweist, während die Planflächen 22 und 82 Kontakt
haben.
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Zu
diesem Spann-Zweck ist der hohle Maschinenschaft 3 mit
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
ausgestattet. Der Spannbolzen 4 weist eine Greifnut 41 für ein Zuggerät der Werkzeugmaschine auf.
Mit Bund 42 liegt der Spannbolzen 4 beim Einsetzen
in die Spindel 8 an der Planfläche am Ende 35 des
Maschinenschaftes 3 an. Die dort eingebrachte Bohrung 34 mit
18,05 mm Durchmesser führt
den unteren Teil 57 einer ersten Hülse 50 einer zusammengesetzten
Druckhülse 5.
In dem unteren Teil 57 wird ein Abschnitt 43 des
Spannbolzens 4 der in der ersten Hülse 50 mit einem Gewindestück 44 endet,
geführt.
Auf das Gewindestück 44 ist
die erste Hülse 50 der
Druckhülse 5 mit
entsprechendem Innengewinde 56 aufgeschraubt.
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Die
erste Hülse 50 ist
mit Außengewinde 53 in
eine zweite Hülse 51 zu
einer zusammengesetzten Druckhülse 5 verschraubt.
Die Gewindeverbindung 53 der ersten und zweiten Hülsen 50, 51 sind
bei der Montage unlösbar
miteinander verbunden, z.B. verklebt oder sonst wie gesichert, worden.
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Die
Hülse 51 weist
ein Kegelstück 52 mit
60° Neigung
und einen Durchmesser auf, der knapp unter dem der Bohrung 34 liegt.
Das Ende 55 der zweiten röhrenförmigen Hülse 51 wird in dem
Loch 37 des Maschinenschaftes 3 geführt und
hat Luft am Ende des Loches für
eine axiale Beweglichkeit von Spannbolzen 4 und Druckhülse 5.
Teil 55 der Druckhülse 5 ist
vieleckig ausgebildet oder mit Keilnuten in Loch 37 geführt, damit
er sich nicht drehen kann. An der zweiten Hülse 51 ist ein Abschnitt 54 angeordnet
der eine Feder 6 trägt,
weiche die Druckhülse 5 samt
Spannbolzen 4 in der gezeigten Stellung hält, nämlich spielfrei
mit dem Kegelstück 52 an
den am Umfang der Druckhülse 5 bzw.
des Widerlagers 31 verteilten Kugeln 7. Diese
sind in Nuten 33 des Widerlagers 31, genauer:
am inneren Durchmesser 32 mit einer Weite von knapp 18
mm angeordnet, in diesem Fall etwa achtzehn Kugeln von 3 mm Durchmesser.
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Das
Widerlager 31 ist einstückig
mit dem Hülsenteil 30 gestaltet
und wird von einer ringförmigen
Deckfläche 39 und
einer ähnlichen
Unterfläche 38 begrenzt.
Beide Flächen
weisen eine Neigung von etwa – 30°bzw. +10° zur Lotrechten
auf die innere Mantelfläche
der Spindel 8 bzw. die äußere Mantelfläche des
Maschinenschaftes 3 auf, um gezielt über entsprechenden Kraftfluss
vom Spannbolzen 4 über das
Widerlager 31 Innendruck auf den Hülsenteil 30 zu übertragen.
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Das
Ende 57 der Druckhülse 5 und
das Ende 35 des Maschinenschaftes 3 sind nach
dem Zusammenbau der Druckhülse 5 plan
geschliffen worden, damit beim Einschrauben des Spannbolzens 4 dieser die
erste Hülse 50 nicht
deformieren kann.
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Sobald
der Spannbolzen 4 in Richtung Werkzeugmaschine entlang
Achse A gezogen wird, legt sich die Planfläche 22 des Flansches 2 an
die Planfläche 82 der
Spindel 8 an. Da eine weitere Bewegung des Werkzeughalters
insgesamt in Achsrichtung A nicht möglich ist, zieht der Spannbolzen 4 die Druckhülse 5 nach;
diese gerät
mit ihrem Kegelstück 52 auf
den Widerstand der Kugeln 7 in der Nut 33 des Widerlagers 31.
Bei weiterem Zug pressen die Kugeln auf das Widerlager und weiten
dieses ringförmig auf.
Damit dehnt sich der Hülsenteil 30 und überbrückt das
Untermaß von
wenigen z.B. 3/1000 mm bis das Hülsenteil 30 in der
stählernen
Spindel 8 an dem Innenkegelmantel 81 der Aufnahme 80 anliegt und
dort verspannt ist. Weiterer Zug am Spannbolzen vergrößert die
anliegende Fläche
des elastischen stählernen
Hülsenteils 30 am
Innenkegel 81 bis zu einem kraftbedingten Maximum. Für den Werkzeugwechsel
wird der Spannbolzen 4 frei gegeben und die Kugeln 7 entspannen
sich soweit Feder 6 dies zulässt. Der Kontakt des Maschinenschaftes
3 zum Innenkegelmantel 81 der Spindel reißt ab und
der Werkzeughalter löst
sich von der Aufnahme 80 und kann ausgestoßen werden,
um einem anderen Halter Platz zu machen.
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Durch
den Spannbolzen 4, die Druckhülse 5, den Flansch 2 und
den Werkzeugschaft 1 kann Kühlmittel im Kanal 11 einem
Werkzeug zugeführt
werden. Eine Dichtung 9 verhindert den Rückfluss
des Kühlmittels
entlang Hülse 51.