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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Patentanspruchs. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Werkzeug,
das manuell oder automatisch in eine Werkzeugmaschine einspannbar
ist, so dass es gegen andere Werkzeuge ausgetauscht werden kann. Die
Werkzeugmaschine kann allgemein eine CNC-Maschine für mehr
oder minder automatischen Betrieb sein. Es kann sich insbesondere
um eine Bohr-, Fräs-, Dreh- oder Schleifmaschine handeln. Es
kann eine ”Ultraschallmaschine” in dem Sinne sein,
dass der herkömmlichen translatorischen oder rotatorischen
Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug eine hochfrequent
schwingende Bewegung überlagert ist.
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1d zeigt
schematisch eine Werkzeugmaschine 100, in der die Erfindung
eingesetzt werden kann. Sie weist einen Maschinenrahmen 101 auf,
der in sich vergleichsweise stabil und verwindungssteif gegenüber
statischen und dynamischen Beanspruchungen ist. 102 kennzeichnet
einen Werkstücktisch, auf dem ein Werkstück 199 zur
Bearbeitung durch ein Werkzeug 109a aufgespannt ist. 103 bezeichnet
eine oder mehrere translatorische oder rotatorische Betätigungsachsen,
durch die der Werkstücktisch 102 gegenüber
dem Maschinenrahmen 101 in seiner translatorischen Lage
und in seiner Winkellage eingestellt werden kann. Die Einstellung kannelektronisch
gesteuert oder geregelt erfolgen und damit auch wäh rend
des Betriebs variabel sein. 104 symbolisiert einen oder
mehrere steife Arme, die letztlich ein Werkzeug 109a gegenüber
dem Maschinenrahmen 101 halten. 105 bezeichnet
abermals eine oder mehrere translatorische und/oder rotatorische
Achsen, die der Verstellung des Werkzeugs 109a gegenüber
dem Maschinenrahmen 101 längs einer oder mehrerer
translatorisch oder rotatorischer Achsen dienen. 107a und 107b bezeichnet
einen oder mehrere Aktoren, mit denen ein Werkzeug angetrieben werden
kann, insbesondere in Drehbewegung versetzt werden kann, beispielsweise
bei einer Bohrmaschine oder einer Fräse. Es können
mehrere Aktoren 107a, 107b vorgesehen sein, beispielsweise ein
Drehantrieb 107a für kontinuierlich umlaufenden Drehantrieb
und ein Schwingantrieb 107b für reversible Bewegungen
mehr oder minder hoher Frequenzen. Die Frequenzen können
hier im Hz- oder kHz-Bereich liegen, bspw. über 100 Hz
oder über 1 kHz oder über 10.000 Hz oder über
20.000 Hz. Die Schwingung kann eine rotatorische oder eine translatorische
Schwingung sein. An der Antriebsseite des Drehantriebs 107a,
ggf. also an der Antriebsseite des Schwingantrieb 107b,
liegt eine Schnittstelle 106. Es kann sich um eine standardisierte,
automatisch betätigbare Schnittstelle (z. B. SK, HSK) handeln.
Das Werkzeug 109a wird mit der sich insgesamt ergebenden
Bewegung angetrieben und wirkt dann so auf das Werkstück 199 ein.
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110 bezeichnet
ein Werkzeugmagazin, das verschiedene Werk zeuge 109b ... 109e ggf
zusammen mit Aktorik 107, z. B. einem Schwingantrieb 107b,
hält. Es kann maschinell automatisch anfahrbar sein, so
dass ein Werkzeug ggf. mit zugehöriger Aktorik 107b an
der Schnittstelle 106 auch automatisch ausgewechselt werden
kann. 108 bezeichnet eine herkömmliche Werkzeugeinspannung.
Mittels der Werkzeugeinspannung 108 kann das Werkzeug 109 kraftschlüssig
mit der Aktorik 107 verspannt werden, so dass von der Aktorik 107 die
Bewegung definiert auch unter Last ans Werkzeug 109 weitergegeben
werden kann.
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111 symbolisiert
allgemein eine elektronische Steuerung, die über zugehende
und abgehende Verbindungen 112 mit der Maschine und sonstigen Komponenten
verbunden ist. Die Verbindungen 112 können elektrische
und elektronische Verbindungen für elektrische Sensorik
und Aktorik sein. Darüber hinaus kann auch Pneumatik und
Hydraulik vorgesehen sein.
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Die 1a bis 1c zeigen
eine herkömmliche Werkzeugeinspannung 108 in verschiedenen
Ansichten. Es handelt sich dabei um ein Spannzangensystem gemäß DIN
ISO 15488. 1a und 1b zeigen
eine Spannzange in Seitenansicht und geschnittener Ansicht. 1c zeigt
die Einspannung der Spannzange. Die Figuren sind in Bezug aufeinander
nicht maßstäblich gezeichnet. 12 bezeichnet
ein Durchloch, dessen Durchmesser im entspannten Zustand der Spannzange
geringfü gig größer ist als der Durchmesser
eines Werkzeugschaftes. Ein Werkzeugschaft kann in das Durchloch 12 eingeführt
werden. Die 1a und 1b zeigen,
dass die Außenoberfläche 4 der Spannzange
in z-Richtung konisch geformt ist. Über den Umfang verteilt
sind mehrere in Längsrichtung laufende Schlitze 9a, 9b, 9c,
... vorgesehen, die in radialer Richtung bis zum Durchloch 12 laufen.
Sie bewirken, dass die einzelnen Klauen 8a, 8b, 8c,
... der Spannzange eine gewisse Elastizität in radialer
Richtung haben.
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Die
Spannzange aus 1a hat zwei konusähnliche
Flächen 4 und 5, die qualitativ gleich
aufgebaut sind, wobei aber die (gedachten) Spitzen des jeweiligen
Konus voneinander weg zeigen bzw. die dicken Enden aufeinander zu
zeigen. Auch die Oberfläche 5 ist diejenige eines
Konusmantels, und auch sie weist die genannten Schlitze auf, die
den sich ergebenden Klauen eine gewisse gewünschte Elastizität in
radialer Richtung verleihen.
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1c zeigt
eine Einspannung für die Spannzange 1. Die Einspannung
weist einen Hohlraum 11 auf, der im Wesentlichen formschlüssig
zur äußeren Form der Spannzange im gespannten
Zustand ist. Die Einspannung weist eine Aufnahme 2 und
eine Überwurfmutter 3 auf, die über ein
Gewinde 10 miteinander verschraubt werden können.
Im entspannten Zustand liegt die Spannzange 1 im Hohlraum 11 der
Aufnahme 2, und die Überwurfmutter 3 liegt
relativ weit rechts in der Zei chenebene. In diesem entspannten Zustand
wird der Werkzeugschaft in die Öffnung 12 eingeführt.
Dann wird die Überwurfmutter 3 auf die Aufnahme 2 aufgeschraubt,
so dass sie sich in der Zeichenebene nach links bewegt. Es kommen
dann die Flächen 4 und 5 der Spannzange 1 mit
den entsprechenden Flächen 6 und 7 der
Aufnahme 2 bzw. der Überwurfmutter 3 in
Kontakt, und über Keilwirkung werden die einzelnen Klauen 8 radial
nach innen gedrückt und spannen auf diese Weise den Werkzeugschaft
fest ein. Das Aufschrauben der Überwurfmutter 3 auf
die Aufnahme 2 kann manuell oder automatisch geschehen.
Auf diese Weise wird ein fester Werkzeugsitz in der Werkzeugaufnahme 108 erreicht.
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Die
Werkzeugaufnahme 108 ist, wie schon gesagt, mit der Aktorik 107 verbunden,
so dass über die feste Einspannung des Werkzeugs die von
der Aktorik 107 erzeugte Bewegung auf das Werkzeug 109 übertragen
wird. Bei verschiedenen Anwendungen, insbesondere aber bei den beschriebenen
Ultraschallanwendungen, hat die beschriebene Spannzangeneinspannung
aber doch merkliche Nachteile. Wegen der radial verlaufenden Schlitze 9 ist
die Einspannung gerade gegenüber Axial-, Radial- und Drehschwingungen
vergleichsweise weich und nachgiebig, so dass die hochfrequente
Schwingungsenergie nur unzureichend in das Werkzeug eingekoppelt werden
kann. Darüber hinaus führen die Schlitze zu einer
komplexen Geometrie, die ihrerseits zu komplexen Schwing- und Resonanzeigenschaften
der Einspannung führt, so dass unerwünschte Systemantworten,
ggf. modifiziert durch Lasteinwirkung vom Werkstück her,
auf eine Anregung hin eintreten können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Werkzeug anzugeben, das eine insbesondere
für Schwinganregung verbesserte Kopplung mit einem Werkzeugmaschinenantrieb
erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
gelöst. Abhängige Patentansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Ein
Werkzeug nach der Erfindung hat einen Werkzeugkopf zum Bearbeiten
eines Werkstücks oder eine Aufnahme hierfür und
einen damit verbundenen Haltebereich zum Halten des Werkzeugs in
einer Aktorik der Werkzeugmaschine. Der Haltebereich hat eine erste
und vorzugsweise auch eine zweite Außenoberfläche,
die als erste bzw. zweite Anlageflächen ausgebildet sind,
die zumindest bereichsweise flächig einer ersten bzw. zweiten
Mantelfläche eines ersten bzw. zweiten Konus folgen, wobei
sich der erste Konus in Richtung zum Werkzeugkopf hin verjüngt
und ggf. der zweite Konus sich in Richtung vom Werkzeugkopf weg
verjüngt.
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Der
Haltebereich ist im Vergleich zur bekannten Spannzange vergleichsweise
massiv und starr. Eine erwünschtermaßen flexible
Konstruktion ist nicht vorgesehen. Insbesondere sind keine tiefen Schlitze
wie in 1b gezeigt vorgesehen.
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Der
Haltebereich ist Teil des Werkzeugs und mit diesem verbunden. Die
Verbindung kann unlösbar sein, beispielsweise durch Verlöten,
Verkleben oder Verschweißen oder durch von Anfang an einstückige
Herstellung. Die Verbindung kann aber auch lösbar sein,
etwa durch Verschraubung.
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Die
Außenoberfläche des Haltebereichs hat keine oder
zumindest keine tiefen in Längsrichtung (z-Richtung) laufende
Schlitze. In Umfangsrichtung liegt im eingespannten Zustand dann
die Außenoberfläche vorzugsweise kontinuierlich
an einer entsprechenden Fläche einer Einspannung an. Auch
in Längsrichtung betrachtet kann die Außenoberfläche kontinuierlich
an der entsprechenden Oberfläche der Einspannung anliegen.
Es können aber aus bestimmten Gründen Nuten oder Öffnungen
in der Außenoberfläche vorgesehen sein. Eine Nut
kann beispielsweise in Umfangsrichtung verlaufen. Es können
auch flache Nuten in Längsrichtung (z-Richtung) verlaufen.
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Die
Einspannung des Werkzeugs erfolgt, indem der Haltebereich des Werkzeugs
in die Aufnahme der Werkzeugmaschine eingesetzt und dann die Überwurfmutter
aufgeschraubt wird. Je nach Durchmesser des Werkzeugskopfs kann
die Überwurfmutter dauerhaft am Werkzeug angebracht sein
oder bei Bedarf über den Werkzeugkopf bis zum Haltebereich bzw.
bis zur Aufnahme vorgeschoben und dann auf diese aufgeschraubt werden.
Eine Komprimierung des Haltebereichs erfolgt hierbei praktisch nicht
oder nur in sehr geringem Umfang, da keine systematische Elastizität
vorgesehen ist.
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Nachfolgend
werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschreiben, es zeigen:
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1a–1d bekannte
Ausführungsformen,
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2 eine
Ausführungsform der Erfindung, und
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3 einen
Teil einer Werkzeugmaschine mit der Erfindung.
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Allgemein
zeigen in dieser Beschreibung gleiche Bezugsziffern gleiche Komponenten.
Merkmale der Erfindung sollen auch dann als miteinander kombinierbar
angesehen werden, wenn dies nicht ausdrücklich gesagt ist,
soweit eine Kombination nicht aus technischen Gründen unmöglich
ist.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Werkzeugs 20. Der
obere Teil und der rechte Teil sind eine einfache Draufsicht, während
der untere Teil eine geschnittene Darstellung ist. Das Werkzeug 20 der 2 entspricht
funktional einem der Werkzeug 109a bis 109e, wie
sie in 1d gezeigt sind. Es ist allerdings
anders aufgebaut. In 2 ist die rechte Seite das werkstückseitige
Ende des Werkzeugs 20. Die linke Seite ist das maschinenseitige
Ende.
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Das
Werkzeug 20 weist einen Werkzeugkopf 19, 28 und
einen Haltebereich 17 auf. Zwischen diesen kann ein mehr
oder minder deutlich unterscheidbarer Schaft 18 liegen.
Der Schaft 18 kann seinerseits eine lösbare Kupplung/Verbindung
zwischen Werkzeugkopf 19/28 und Haltebereich 17 aufweisen. Der
Werkzeugkopf 28 kann in bekannter Weise ausgeführt
sein. Es kann sich um ein Wekzeug mit geometrisch bestimmter oder
unbestimmter Schneide handeln, wie z. B. ein Fräser, Schaftfräser,
Bohrer, Hohlbohrer, Schleifstift, Topfscheibe Umfangsschleifscheibe
etc.. Das Werkzeug 20 kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch
gebaut sein, wobei die Rotationsachse die Längsachse 29 in
z-Richtung wäre. Der Haltebereich 17 dient dem
festen, kraftschlüssigen Halten des Werkzeugs in der Maschinenaktorik,
die, wie schon gesagt, einen mehr oder minder herkömmlichen
Drehantrieb einer Spindel sowie ggf. auch einen hochfrequenten Schwingantrieb
(”Ultraschallmaschine”, translatorische Schwingung und/oder
rotatorische Schwingung längs bzw. um z-Achse) aufweist.
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Der
Werkzeugkopf kann mit dem Haltebereich 17 dauerhaft und
unlösbar verbunden sein, beispielsweise indem ein Schaft 27 in
die entsprechende Öffnung des Haltebereichs 17 eingeklebt
oder eingelötet oder eingeschweißt ist, oder indem
der Gesamtaufbau einstückig hergestellt ist. Die Verbindung kann
aber auch lösbar sein, beispielsweise indem ein Schaft 27 des
Werkzeugkopfs 28 in ein entsprechendes Gewinde im Haltebereich
eingeschraubt ist, oder indem, wie schon gesagt, nochmals ein lösbarer Schnellverbinder
vorgesehen ist.
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Die
Außenkontur bzw. Außenfläche des Haltebereichs
kann ganz oder teilweise wesentlichen Flächen einer standardisierten
Aufnahme folgen. Die standardisierte Aufnahme kann diejenige gemäß DIN ISO
15488 sein, wie sie in 1c gezeigt
ist. Der Haltebereich 17 weist eine als erste Anlagefläche ausgebildete
erste Außenoberfläche 21 auf, die zumindest
bereichsweise flächig einer ersten Mantelfläche 7 eines
ersten Konus folgt, der sich in Richtung zum Werkzeugkopf hin verjüngt.
Die Außenoberfläche 21 weist keine tiefen
Schlitze auf und kann insbesondere in Umfangsrichtung kontinuierlich
an der komplementären Fläche 7, wie sie
in 1c an der Überwurfmutter 3 angedeutet
ist, anliegen. Flache Nuten oder Schlitze in Längsrichtung
können aber vorgesehen sein, wobei „flach” eine
Tiefe von höchstens 10% des maximalen Durchmessers des
Haltebereichs sein kann.
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Darüber
hinaus kann der Haltebereich 17 eine als zweite Anlagefläche
ausgebildete zweite Außenoberfläche 22 aufweisen,
die zumindest bereichsweise flächig einer zweiten Mantelfläche 5 eines
zweiten Konus folgt, der sich in Richtung vom Werkzeugkopf weg verjüngt.
Das dicke Ende des zweiten Konus ist dem dicken Ende des ersten
Konus zugewandt. Die zweite Außenoberfläche 22 des Werkzeugs
ist damit ganz oder bereichsweise komplementär zur Innenoberfläche 6 der
Aufnahme 2 der 1c ausgebildet.
Sie weist insbesondere keine oder nur flache Schlitze auf, die in
z-Richtung laufen würden.
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Durch
diese Konstruktion ist der Haltebereich zum einen mechanisch steifer
und kann dadurch insbesonders hochfrequente Schwingungen effektiver übertragen.
Zum anderen ist der Körper des Haltebereichs 17 mechanisch
weniger komplex geformt, so dass die Systemantwort auf eine Anregung
weniger überraschend ist. Insbesondere sind womöglich
auftretende Resonanzen deutlicher vorhersehbar und dadurch konstruktiv
vermeidbar.
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Die
erste Außenoberfläche 21 und/oder die zweite
Außenoberfläche 22 können, müssen
aber den jeweils komplementären Konusmantelflächen der
zugehörigen Aufnahme nicht vollständig folgen. Sie
können in Umfangsrichtung laufende Nuten aufweisen, und
sie können auch Löcher oder in Längsrichtung
(z-Richtung) verlaufende flache Nuten aufweisen.
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Zwischen
den beiden Außenoberflächen 21 kann eine
umlaufende Nut 24 liegen, die entsprechend der DIN
ISO 15488 ausgestaltet sein kann. Die Außenoberflächen 21 und/oder 22 können
in Richtung der Konushöhe (z-Richtung) auch nur einen Teil der
Fläche der zugehörigen Aufnahme einnehmen, z. B.
nur weniger als 70% oder weniger als 50% der Höhe, etwa
wenn bei einem kleinen Werkzeug auch nur vergleichsweise geringe
Reaktionskräfte zu erwarten sind.
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Neben
den eigentlichen Halteteilen mit den Außenoberflächen 21 und 22 kann
der Haltebereich 17 weitere konstruktive Elemente aufweisen,
zum Beispiel eine mehr oder minder zylindrische Fortsetzung 23 ausgehend
von der ersten Außenoberfläche 21 in
Richtung auf den Werkzeugkopf 19 zu, wie in 2 gezeigt.
Der Außendurchmesser ist kleiner als der Innendurchmesser
der Öffnung der Überwurfmutter 3.
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Wie
schon gesagt kann das Werkzeug einen Werkzeugkopf 19, 28 aufweisen
oder stattdessen eine Kupplung oder Aufnahme oder einen Schnellverbinder
für einen Werkzeugkopf. Dies kann insbesondere für
kleine Wekzeugköpfe mit geringen Massen und Reaktionskräften
vorteilhaft sein.
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Das
Werkzeug kann eine in 2 nur teilweise gezeigte Kühlmittelführung
aufweisen. Die Kühlmittelführung kann drehinvariant
ausgebildet sein. Sie kann einen zur Achse 29 konzentrisch
verlaufenden Kanal 25 aufweisen, der in die Bohrung 26 mündet,
die den Schaft 27 aufnimmt. Der Schaft 27 kann
(in 2 nicht gezeigt) seinerseits einen Kühlmittelkanal
aufweisen, der auf den Werkzeugkopf 28 zuläuft.
Am Werkzeugkopf 28 können Kühlmittelauslässe
vorgesehen sein, so dass das Kühlmittel nicht zurückgeführt
werden muss.
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3 zeigt
einen Teil einer Werkzeugmaschine, der in 1d in
etwa den Bezugszeigen 106, 107, 108 und 109 entspricht.
Mit 17, 18 und 19 sind die schon in 2 gezeigten
Teile des Werkzeugs 20 bezeichnet. Das Werkzeug ist in
eine Aufnahme 2, 3 eingefügt und dort
festgesetzt. Die Aufnahme 2, 3 ist, wie in 1c gezeigt,
ausgebildet. Die Aufnahme 2, 3 steht nach links
betrachtet mit Aktorik in Verbindung. Die Aktorik kann einen Ultraschallschwingungsgeber 31 aufweisen,
der eine Drehschwingung um die z-Achse und/oder eine translatorische Schwingung
längs der z-Achse erzeugt, die sich dann über
den Haltebereich 17 an den Werkzeugkopf überträgt.
Nach links kann die Schwingeinheit 31 mit einem Drehantrieb 32 verbunden
sein. Es kann sich hierbei um eine herkömmliche Spindel
handeln. Das Werkzeug und insbesondere der Werkzeugkopf erfährt
dann die überlagerte Bewegung aus kontinuierlichem Drehantrieb
der Spindel 32 und reversiblem Antrieb des Schwingantriebs 31.
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Der
Gesamtaufbau kann eine Kühlmittelführung aufweisen,
die Kühlmittel vom Maschinengestell her durch die Spindel 32 und
den Schwingantrieb 31 hindurch dem Werkzeug 20 zuführt,
wo es wie beschreiben zum Werkzeugkopf geführt wird.
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Durch
den beschriebenen Aufbau des Haltebereichs ist dieser ein vergleichsweise
massiver und homogener und weitgehend oder völlig drehinvarianter
Körper. Er ist dadurch sehr laufruhig. Auf diese Weise
kann sowohl die Drehbewegung als auch die ggf. vorhandene Schwingbewegung
in definierter Weise auf das Werkstück einwirken. Durch
die Steifigkeit aufgrund des vergleichsweise massiven Aufbaus wird
im übrigen die Einkopplung der Schwingung verbessert, so
dass diese effizienter an der Schnittstelle zwischen Werkzeugkopf
und Werkstück zur Verfügung steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - DIN ISO 15488 [0005]
- - DIN ISO 15488 [0024]
- - DIN ISO 15488 [0028]