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Die
Erfindung betrifft eine Spanneinrichtung zur Befestigung eines Werkzeugs
an einer Werkzeugmaschine, insbesondere in der Form einer Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme
für zylindrische, insbesondere
kreiszylindrische Werkzeuge, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, sowie auf eine Spannvorrichtung zum Spannen von
Werkzeugen mittels des Schrumpffutters.
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In
der spanabhebenden Metallverarbeitung wird heute hauptsächlich auf
Werkzeugmaschinen mit einem hohen Automatisierungsgrad gefertigt.
Einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität von Werkstücken sowie
auf die Effizienz der Fertigungsabläufe haben dabei die eingesetzten
Spann- und Greifsysteme, in welche die Einsatzwerkzeuge eingespannt sind
und die ihrerseits wiederum in entsprechenden Aufnahmen der Werkzeugmaschine,
beispielsweise genormten Zylinderschaftaufnahmen oder HSK-(Hohlschaftkegel)-Zangen, gehalten
sind.
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Mit
Schrumpffutter-Werkzeugaufnahmen lassen sich gegenüber herkömmlichen
Spannmitteln wie beispielsweise Dreibackenfuttern oder Dehnfuttern
eine erhöhte
Steifigkeit der Werkzeug/Werkzeugaufnahme-Einheit und ein erhöhtes übertragbares
Drehmoment erzielen. Somit können
sowohl Oberflächenverbesserungen
am Werkstück,
eine Erhöhung
der Fertigungspräzision
und Standzeiterhöhungen
des Werkzeugs erreicht werden, als auch Fertigungsverfahren mit
extrem hohen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten realisiert
werden, wie etwa beim sogenannten High-Speed-Cutting (HSC).
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Marktübliche Geräte zum Einspannen
von Einsatzwerkzeugen in Schrumpffutter sehen eine Heizung vor,
beispielsweise mit Heissluft oder unter Zuhilfenahme einer Induktionsspule,
mittels der eine Werkzeugaufnahme aufgeweitet wird, so dass das (noch
kalte) Werkzeug in den Schacht der Werkzeugaufnahme eingebracht
werden kann. Nach dem Abkühlen
und dem damit einhergehenden Einschrumpfen der Werkzeug-Aufnahme
ist das Werkzeug fest eingespannt. Auf diese Weise werden niedrige
Paarungstoleranzen der Paarung Werkzeug – Werkzeugaufnahme und ein
entsprechend fester Sitz des Werkzeugs erreicht.
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Derartige
gattungsgemäße Spanneinrichtungen,
insbesondere Schrumpffutter, und Spannvorrichtungen, die auch als
Schrumpfgeräte
bezeichnet werden, sind z.B. in den Dokumenten
DE 101 38 107 A1 und
EP 830917 B1 beschrieben.
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Damit
das noch kalte Werkzeug sauber an das Schrumpffutter angesetzt werden
kann, hat der Werkzeugschaft in der Regel eine Anfasung. Zum Erleichtern
des Einsetzvorgangs hat die zur Aufnahme des Werkzeugschafts vorgesehene
Ausnehmung des Schrumpffutters gemäß
EP 830917 B1 einen Einführabschnitt, mit dem der Werkzeugschaft
im noch kalten Zustand der Werkeugaufnahme vorpositioniert werden
kann.
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Im
bekannten Fall ist die Anordnung so getroffen, dass der Einführabschnitt
das Werkzeug so lange hält,
bis die Temperatur des Schrumpfabschnitts bzw. des Schrumpffutters
ausreichend hoch geworden und damit die Innenausnehmung in der Weite
bzw. im Durchmesser so weit angewachsen ist, dass sie das Außenmaß des Schafts
erreicht und sogar übersteigt.
Wenn das Werkzeug und damit das Schrumpffutter vertikal im Schrumpfgerät ausgerichtet
ist, gleitet das Werkzeug unter der Einwirkung der Schwerkraft in
das Schrumpffutter.
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Es
hat sich allerdings gezeigt, dass diese automatische, unkontrollierte
Bewegung des Werkzeugs unerwünscht
sein kann, beispielsweise dann, wenn es darauf ankommt, die Werkzeugschneiden und
damit den Werkzeugschaft in ganz exakter Lagezuordnung zum Spannfutter
zu positionieren, damit der automatisierte Einsatz des Werkzeugs
vereinfacht ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spanneinrichtung
zur Befestigung eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine, insbesondere
in der Form einer Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme für zylindrische,
insbesondere kreiszylindrische Werkzeuge, zu schaffen, mit der nach
wie vor eine einfache Handhabung des Werkzeugs vor dem Einschrumpfen
sichergestellt ist, gleichzeitig aber mehr Kontrolle für den eigentlichen
Einführvorgang des
Werkzeugs in die Innenausnehmung des Schrumpffutters verbleibt.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Schrumpfgeräts, mit dem
eine verbesserte Handhabung beim Einschrumpfvorgang des Werkzeugs
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Spanneinrichtung durch die Merkmale
des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Schrumpfgeräts durch die Merkmale des Anspruchs
6 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine
Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme
für zylindrische,
insbesondere kreiszylindrische Schaftwerkzeuge, geschaffen, mit
einem Befestigungsschaft für
den Anschluss an eine Werkzeugmaschine und mit einem thermisch aufweitbaren
Schrumpfabschnitt, der eine Innenausnehmung zur vorzugsweise zentrierten
Aufnahme eines Werkzeugschafts und einen dieser über eine Stufe vorgeschalteten,
eine geringe axiale Erstreckung aufweisenden Vorpositionierungsabschnitt aufweist.
Die Besonderheit besteht darin, dass der Vorpositionierungsabschnitt
exzentrisch zur Innenausnehmung liegt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass
das Werkzeug, vorzugsweise ein kreiszylindrisches Schaftwerkzeug,
nach wie vor einfach vorpositioniert werden kann. Es stützt sich
zuverlässig
während
des Erwärmungsvorgangs
des Schrumpffutters auf der Stufe ab.
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Wenn
allerdings die Aufweitung des Innenausnehmung weit genug fortgeschritten
ist, fällt
das Werkzeug nicht automatisch und unkontrolliert nach unten, sondern
kippt zunächst
in eine Richtung, die von der Position der größten Breite der Stufe weg gerichtet
ist, so dass eine Art geringes Verkanten eintritt. Das Werkzeug
kann in diesem Zustand entweder von Hand erfasst oder von einer
Manipulationseinrichtung, wie z.B. einem Roboter oder einer Druckplatte
mit integriertem Messarm kontrolliert in die Innenausnehmung hinein
bewegt werden, bis es die vorbestimmte Endposition erreicht hat.
Dabei ergibt sich der zusätzliche
Vorteil, dass im Einsatz des Werkzeugs – selbst unter erschwerten
Bedingungen, wie z.B. beim Zerspanen von Gusswerkstoffen – im Bereich
des Vorpositionierungsabschnitts keine ausreichend große Volumina
verbleiben, die einer Verschmutzungsgefahr unterliegen. Denn dieser
im Querschnitt sichelförmige
Raum hat bei einer Axiallänge
von einigen mm lediglich eine Radialerstreckung im Bereich einiger
Hunderstel Millimeter. Verschmutzungsbedingte Probleme beim Lösen und Wiederherstellen
der Schrumpfverbindung treten somit nicht auf.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Besonders
günstige
Verhältnisse
ergeben sich dann, wenn der Vorpositionierungsabschnitt () die Innenausnehmung
jeweis von Kreiszylindermantelflächen
() gebildet sind.
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Wenn
die Stufe über
eine Anfasung abgeschrägt
ist, kann das Eindrücken
des Werkzeugs in die vorgewärmte
Innenausnehmung erleichtert werden.
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Ein
vorteilhaftes Schrumpfgerät
zum Spannen von Werkzeugen in einer erfindungsgemäßen Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme
ist Gegenstand des Anspruchs 6. Es hat eine Heizeinrichtung zur
Erwärmung
eines im wesentlichen vertikal ausgerichteten Schrumpffutters bei
vorpositioniertem Werkzeug (und eine oberhalb des Schrumpffutters
positionierbare Handhabungseinrichtung für das Werkzeug, wobei die Besonderheit
darin besteht, dass die Handhabungseinrichtung, wie z.B. eine Anschlagplatte oder
eine Zentrierhilfe mit dem Werkzeug derart zusammenwirkt, dass eine
beim Erwärmungsvorgang des
Schrumpffutters einsetzende Kippbewegung des Werkzeugs erlaubt wird.
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Vorteilhafterweise
hat das Schrumpfgerät zusätzlich eine
Einrichtung zur maßgenauen
Axialverschiebung des Werkzeugs in die Innenausnehmung des erwärmten Schrumpffutters.
Bei dieser Einrichtung kann es sich um eine Stelleinrichtung handeln,
die in der eigenen älteren
und offengelegten Patentanmeldung
DE 101 38 107 A1 beschrieben ist, deren Offenbarung
ausdrücklich
in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Schrumpffutters;
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2 eine
schematische Darstellung der Stirnseite des noch kalten Schrumpffutter
mit angesetztem Werkzeug;
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3 eine
der 2 entsprechende Darstellung der Anordnung aus
Schrumpffutter und Werkzeug, wenn das Schrumpffutter erwärmt ist;
und
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4 und 5 Stirnansichten
von Varianten des Schrumpffutters ().
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In 1 ist
mit dem Bezugszeichen 10 eine vertikal in einem nicht näher dargestellten
Schrumpfgerät
ausgerichtete Schrumpffutter-Werkzeugaufnahme für zylindrische, insbesondere
kreiszylindrische Schaftwerkzeuge bezeichnet. Sie hat einen Befestigungsschaft 12,
beispielsweise in Form eines nicht näher gezeigten Hohlschaftkegels, über den der
Anschluss an eine Werkzeugmaschine erfolgt. Mit 14 ist
ein thermisch aufweitbarer Schrumpfabschnitt bezeichnet, der eine
auf Passung mit dem Außendurchmesser
des einzusetzenden Werkzeugs gefertigte, vorzugsweise geschliffene
Innenausnehmung 16 zur zentrierten Aufnahme eines nicht
näher dargestellten
Werkzeugschafts hat. Die Innenausnehmung 16 ist von einer
Kreiszylindermantelfläche gebildet.
Die Achse der Innenausnehmung 16 ist mit A16 bezeichnet.
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Dieser
Innenausnehmung 16 hat einen Durchmesser D16, der an den
Außendurchmesser der
Werkzeugs derart angepasst ist, dass ein Schrumpfsitz gewährleistet
wird. Der Innenausnehmung 16 ist über eine Stufe 18 ein
Vorpositionierungsabschnitt 20 vorgeschaltet, der eine
geringe axiale Erstreckung EA von einigen mm hat.
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Der
Vorpositionierungsabschnitt 20 ist ebenfalls von einer
Kreiszylindermantelfläche
gebildet, allerdings mit einer Achse E20, die zur Achse E16 um das
Exzentrizitätsmaß E/2 parallel
versetzt liegt. Der Innendurchmesser D20 (vgl. 4 und 5)
des Vorpositionierungsabschnitts 20 ist geringfügig größer als
der Innendurchmesser 16 der Innenausnehmung 16 und
zwar derart, dass das kalte Werkzeug mit Spielpassung in das noch
kalte Schrumpffutter 10 eingesetzt werden kann.
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Dieser
Zustand ist in 2 angedeutet. Das Werkzeug bzw.
der Werkzeugschaft ist mit 22 bezeichnet. Er sitzt in dem
exzentrischen Vorpositionierungsabschnitt 20, so dass er
mit seiner vorzugsweise angefasten Stirnseite 24 an der
Stufe 18 aufliegt. Die Stufe hat bedingt durch die Exzentrizität der Flächen 16 und 20 eine
Sichelform (vgl. 4), deren größte Breite der doppelten Exzentrizität, also
E entspricht. Die Achse A22 des Werkzeugschafts ist um das Maß E/2 zur
Achse A16 der Innenausnehmung 16 versetzt.
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Die
exzentrizität
ist in den Figuren selbstverständlich übertrieben
dargestellt. Sie liegt in der Größenordnung
von nur einigen 1/100 steln Millimetern. Dementsprechend klein ist
auch die Breite der Stufe 18.
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Die
Stufe 18 kann über
eine nicht näher
dargestellte Anfasung zusätzlich
abgeschrägt
sein.
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Wenn
nun im Schrumpfgerät
eine Erwärmung
des Schrumpffutters 14 erfolgt, dehnt sich die Innenausnehmung 16 und
der Vorpositionierungsabschnitt 20 aus. Durch die Auflage
des Werkzeugschafts an der sichelförmigen Stufe 18 gleitet
aber das Werkzeug nicht axial in die Innenausnehmung 16,
sondern kippt seitlich weg, wie dies in 3 schematisch
und übertrieben
dargestellt ist, und zwar in eine Richtung, die von der größten Erstreckung
der Stufe (mit dem Maß E)
weg gerichtet ist.
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In
diesem Moment kann eine oberhalb des Schrumpffutters
14 positionierbare,
in
3 strichpunktiert angedeutete Handhabungseinrichtung
30 in Form
einer Messarm-Anschlagplatte für
das Werkzeug
22 in Funktion treten und das Werkzeug
22 – wie mit
dem Pfeil
32 angedeutet – nach unten in die vorgeweitete
Innenausnehmung
16 drücken
bzw. bewegen, wobei eine durch eine Messeinrichtung überwachte
Abstützung
auf einem antreibbaren Stellkörper
34 erfolgen
kann, wie dies beispielsweise in der eigenen älteren und offengelegten Patentanmeldung
DE 101 38 107 A1 beschrieben
ist, deren Offenbarung ausdrücklich
in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.
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Alternative
kann das Werkzeug auch von Hand manipuliert werden. Es kann auch
eine Zentrierhilfe an einem Ständer 36 des
Schrumpfgeräts vorgesehen
sein, wobei in diesem Fall dafür
gesorgt sein muß,
dass die seitliche Kippbewegung nicht behindert wird.
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Es
entsteht auf diese Weise ein Schrumpfgerät mit einer Einrichtung zur
maßgenauen
Axialverschiebung des Werkzeugs 22 in die Innenausnehmung 16 des
erwärmten
Schrumpffutters 14.
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4 zeigt
in vergrößertem Maßstab die Stirnansicht
des Schrumpffutters 10 der 1 bis 3.
Man erkennt die sichelförmige
Stufe 18 die auf der der größten Breite E abgewandten Seite
stufenlos in die Innenoberfläche
der Innenausnehmung 16 übergeht.
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Eine
Variante ist in 5 gezeigt. Die Exzentrizität zwischen
Innenausnehmung 116 und Vorpositionierungsabschnitt 120 ist
in diesem Fall kleiner, so dass eine umlaufende Stufe 118 entsteht,
deren Breite zwischen den Werten E1 und E2 variiert.