DE3909630A1 - Spannwerkzeug zum kraftschluessigen und hochpraezisen spannen von werkstuecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannwerkzeug zum kraftschlüs­ sigen und hochpräzisen Spannen von Werkstücken nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE-OS 27 00 934 oder aus der DE-PS 25 18 382 als bekannt hervorgeht.

In der automatischen Fertigung, insbesondere in der span­ abhebenden Fertigung kommen Spannaufgaben eine besondere Bedeutung zu. Zur präzisen Aufnahme von Werkstücken mit zentrischer Bohrung oder zylindrischer Außenfläche haben sich Spannwerkzeuge bewährt, deren Spannkraft über ein Druckmedium und eine radial verformbare Dehnbüchse bzw. Schrumpfmanschette auf das Werkstück übertragen wird. Die Druckerzeugung kann dabei durch manuelle oder maschinelle Betätigung eines Kolbens innerhalb des Spannwerkzeuges als auch durch Druckeinleitung seitens eines Hydraulikaggre­ gates erfolgen. Derartige Dehnspannwerkzeuge zeichnen sich durch eine sehr gute Dauerrundlaufgenauigkeit von weniger als zwei Mikrometer bei gleichzeitig hoher Spannkraft aus.

Eine andere Möglichkeit zur radialen Verformung des Dehn­ elementes besteht darin, das Dehnelement axial gegen Ko­ nusflächen zu pressen. Diese Konusflächen können in Form eines Gewindes ausgebildet sein, wodurch die Wandstärke des Dehnelementes im gesamten Bereich bei zylindrischer Außenfläche gleich groß ist und wodurch außerdem eine ein­ fache Montierbarkeit gegeben ist. Auch Spannwerkzeuge mit dieser mechanischen Art der Dehnelement-Verformung zeigen ebenfalls eine gute Rundlaufgenauigkeit, erreichen jedoch infolge der inneren Reibung zwischen Grundkörper und Dehn­ element häufig nicht die hohe Präzision hydraulisch betä­ tigter Spannelemente. Die hier erwähnte Art von Spannwerk­ zeugen kann sowohl zur Herstellung von Spannfuttern als auch von Spanndornen verwendet werden. Auf Einzelheiten Ihrer Konstruktion soll im folgenden nicht näher einge­ gangen werden, weil diese Spannwerkzeuge an sich bekannt sind. Die beschriebenen Spannwerkzeuge können im übrigen auch zum Spannen unrunder Werkstücke oder zur Lösung an­ derer Spannaufgaben herangezogen werden. Ein rotations­ symmetrischer Aufbau des Spannelementes ist keineswegs eine Grundvoraussetzung der Anwendbarkeit dieses Typs von Spannwerkzeugen. Die Klemmflächen können auch eben ausge­ bildet sein, dann nämlich, wenn die Werkzeuge ebenfalls ebene Anlageflächen aufweisen. Auch lassen sich vorteilhaft dauerhafte Klemmverbindungen im Bereich von Maschinenele­ menten wie Lager oder Welle/Nabe-Verbindungen mit Dehnele­ menten dieser Art bewerkstelligen. Ein Nachteil der bisher beschriebenen Spannwerkzeuge bzw. Klemmverbindungen be­ steht in der nur verhältnismäßig geringen möglichen Durchmesseränderung des Dehnelementes. Die maximal zuläs­ sige Durchmesseränderung wird durch die noch zulässige maximale Vergleichsspannung bestimmt, die bei einer Ver­ formung des Dehnelementes bei der Spannkrafterzeugung ent­ steht. Üblicherweise wird das Dehnelement aus Stahl her­ gestellt. Zur Gewährleistung einer möglichst hohen Lebens­ dauer bzw. einer möglichst hohen Anzahl der durchführbaren Klemmungen mittels des Spannwerkzeuges darf die maximal zulässige Durchmesseränderung des Dehnelementes nur etwa drei Promille des Spanndurchmessers betragen. Ein sicheres Spannen kann daher nur erreicht werden, wenn die zu span­ nenden Werkstücke oder Werkzeuge in hinreichend guter Passungsqualität hergestellt werden. In vielen Fällen be­ deutet die Einhaltung dieser Forderungen erhebliche Mehr­ kosten, insbesondere bei kleinen Spanndurchmessern. Bei mechanisch erzeugter Spannkraft ist es zwar möglich, durch axiales Schlitzen des Dehnelementes eine größere Dehnrate zu realisieren, dies geschieht jedoch auf Kosten der Rund­ laufgenauigkeit.

Es ist auch bekannt (vgl. DE-OS 38 00 696), in den Spann­ werkzeugen der angesprochenen Art die Dehnelemente aus Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Damit erhält man zwar ein Spannwerkzeug, welches sich durch eine zulässige Durchmesseränderung bis ca. 1%, also durch eine über dreimal so große Dehnrate gegenüber Dehnelementen aus Stahl auszeichnet. Nachteilig bei diesem Aufbau ist jedoch die herstellungsbedingte, relativ schlechte Rundlaufge­ nauigkeit, hervorgerufen durch Unregelmäßigkeiten des Faserverlaufes beim Fertigungsprozeß; ferner ist die Kraft­ übertragung zwischen Grundkörper und Dehnelement problema­ tisch. Der unvermeidbare Rundlauffehler beträgt hier etwa das Fünffache gegenüber dem mit Stahl-Dehnelementen er­ reichbaren Rundlauffehler. Bei einem konstruktiven Aufbau dieser Art und hydraulischer Betätigung kommen Dichtungs­ probleme zusätzlich noch hinzu. Die sehr schlechte Ver­ schleißfestigkeit des aus Kunststoff bestehenden Dehnele­ mentes steht ebenfalls einer breiten Anwendung entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsge­ mäß zugrundegelegte Spannwerkzeug mit metallischen Dehn­ elementen, welches sich durch eine hohe Rundlauf- bzw. Zentriergenauigkeit, hohe Verschleißbeständigkeit und hohe Spannkraft auszeichnet, dahingehend weiterzubilden, daß die Anforderungen an die Paßgenauigkeit der werkstücksei­ tigen Anlageflächen bzw. der werkzeugseitigen Klemmflächen wesentlich geringer gehalten werden können als bisher.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausge­ staltungen der Erfindung können den Unteransprüchen ent­ nommen werden.

Erfindungsgemäß wird das Dehnelement aus Metallegierungen mit Formerinnerungsvermögen hergestellt. Legierungen die­ ses Typs sind an sich bekannt. Der Kern der Erfindung liegt darin, diesen Legierungstyp für die Dehnelemente der gat­ tungsgemäßen Spannwerkzeuge in vorteilhafter Weise einzusetzen. Die Legierungszusammensetzung für die Dehn­ elemente wird dabei so gewählt, daß im Arbeitstemperatur­ bereich des Spannwerkzeuges - normalerweise Raumtemperatur - sogenannte Pseudoelastizität vorliegt. Materialien mit Formerinnerungsvermögen, sogenannter Shape Memory Effect, zeigen oberhalb einer kritischen Temperatur, die von der Zusammensetzung der Gedächtnislegierung abhängt, eine we­ sentlich höhere reversible Dehnbarkeit in der Größenord­ nung von etwa 8% im Vergleich zu Stahl mit maximal drei Promill oder im Vergleich zu anderen metallischen Legie­ rungen mit maximal etwa fünf Promill. Ein weiterer Vorteil dieser Legierungen besteht in der vorhandenen Grundfestig­ keit und Härte des Materials, die es trotz der enormen Elastizität aufweist. Eine ausreichend gute Bearbeitkeit durch Spanabhebung und eine ausreichend gute Schweißbar­ keit der Legierung stellen weitere vorteilhafte Eigen­ schaften dar, die erst einen sinnvollen Einsatz dieses Werkstoffes zur Herstellung von Dehnelementen für hydrau­ lisch oder mechanisch betätigte Spannwerkzeuge ermögli­ chen. Ein zusätzlicher Korrosionsschutz ist meist nicht erforderlich, weil viele dieser Legierungen von Hause aus korrosionsbeständig sind. Zur Erhöhung der Widerstandsfä­ higkeit gegenüber abrasivem Verschleiß kann das Dehnele­ ment zusätzlich mit einer verschleißbeständigen Beschich­ tung versehen werden. Dabei ist zu beachten, daß eine aus­ reichende Haftung der Beschichtung bei der angestreben maximalen Dehnrate des Dehnelementes gewährleistet ist. Hier kommen beispielsweise chemische Nickelbeschichtungen oder im Plasmaverfahren aufgebrachte mikroporöse Beschichtungen oder im PVD- oder CVD-Verfahren oder im Plasmanitrierverfahren oder durch ein Ionen-Implantations­ verfahren aufgebrachte Beschichtungen infrage. Die letzt­ genannten Verfahren haben den Vorteil, daß durch das Ein­ bringen von Ionen in das Kristallgitter Fehlstellen er­ zeugt werden, die zu Druckspannungen im Bereich der Ober­ fläche führen und damit zu einer Erhöhung der Dauerwechsel­ festigkeit beitragen.

Die Härte und Festigkeit einer Legierung mit Formerinne­ rungsvermögen ist vergleichbar mit Stahl oder anderen ge­ bräuchlichen Werkstoffen. Bei Nickel-Titanlegierungen sind neben ausgezeichneten Korrosionseigenschaften und guter Ermüdungsfestigkeit außerdem die sehr großen reversiblen Formänderungseigenschaften bei der austenitisch-matensi­ tischen Phasenumwandlung für den erfindungsgemäßen Anwen­ dungsfall besonder interessant. Hinzu kommt, daß man bei diesem Legierungstyp die Umwandlungstemperatur zwischen martensitischem und austenitischem Gefüge im Bereich von -100°C bis +100°C durch entsprechende Legierungszusammen­ stellung nahezu frei einstellen kann.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele noch er­ läutert; dabei zeigen:

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Prinzipdiagramme des Spannungs-Dehnungsverlaufes von Shape Memory Legierungen in unterschiedlichen Tempera­ turbereichen,

Fig. 4 bis 6 drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Spanndornen mit Dehnelement,

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Spannfutters mit Schrumpfmanschette und eingelagerten Hartstoffleisten,

Fig. 8 und 9 Ansicht (Fig. 8) und Querschnitt (Fig. 9) eines weiteren Ausführungsbeispieles, und zwar eines vollständig aus einer Formgedächt­ nislegierung bestehenden Spanndornes und

Fig. 10 Spannwerkzeuge mit ebenen Klemmflächen.

Die Spannungs-Dehnungsdiagramme von Formgedächtnislegie­ rungen zeigen eine starke Abhängigkeit von der jeweiligen Temperatur. Dies hängt damit zusammen, daß temperaturab­ hängig in der Legierung martensitisches oder austeniti­ sches Gefüge vorliegen kann. Je nach Gefügeart ist das Spannungs-Dehnungs-Verhalten der Legierung unterschied­ lich. Auch bei Vorliegen eines austenitischen Gefüges zei­ gen die Legierungen temperaturabhängig unterschiedliches Verhalten. Und zwar gibt es einen Temperaturbereich, in dem Superelastizität bzw. Pseudoelastizität vorliegt; die­ ser Effekt verliert sich in einem oberhalb davon anschließen­ den Temperaturbereich.

Das in Fig. 1 widergegebene Spannungs-Dehnungs-Verhalten von Formgedächtnislegierungen entspricht dem sogenannten Tieftemperaturbereich, in dem martensitisches Gefüge vor­ liegt. Bei Belastung des Bauteils in diesem Temperaturbe­ reich steigt mit zunehmender Belastung zunächst die Deh­ nung entsprechend dem Hook′schen Gesetz linear steil an. Ab einem gewissen Spannungswert kommt es zu bleibenden Verformungen. Allerdings sind diese Verformungen durch Erwärmung des Bauteiles wieder reversibel. Durch die Er­ wärmung gelangt die Legierung vorübergehend in den auste­ nitischen Zustand; dies wird als Gedächtniseigenschaft bezeichnet. Das Bauteil schrumpft, solange es temperatur­ bedingt im austenitischen Zustand gehalten wird und so­ lange es nicht durch äußere mechanische Einflüsse behin­ dert wird, in den Ausgangszustand zurück. Nach der Abküh­ lung nimmt die Legierung wieder martensitisches Gefüge an.

Anders verhält sich die Legierung bei Belastung in dem Temperaturbereich, in dem austenitisches Gefüge vorliegt und zwar ein solches austenitisches Gefüge, welches span­ nungsinduziert umwandelbar ist. Bei diesem in Fig. 2 dar­ gestellten Belastungszustand steigt mit zunehmender Bela­ stung die Dehnung zunächst auch linear an. Oberhalb eines Spannungsgrenzwertes läßt sich das Bauteil in relativ wei­ ten Grenzen ohne nennenswerten Spannungsanstieg superelastisch oder pseudoelastisch dehnen. Nach Entla­ stung des Bauteiles geht jedoch diese Dehnung auf einer Hysteresekurve sofort wieder zurück. Im austenitischen Zustand dieser Art läßt sich das Bauteil bis etwa 8% dehnen; in manchen Literaturstellen werden Legierungen erwähnt, in denen angeblich eine Dehnung bis zu 12% mög­ lich sein soll.

Oberhalb des eben behandelten Temperaturbereiches liegt schließlich ein austenitisches Gefüge vor, in dem span­ nungsinduziert Gefügeumwandlungen nicht mehr möglich sind. In diesem für das Diagramm nach Fig. 3 geltenden Tempe­ raturbereich zeigt die Legierung normales Spannungs-Deh­ nungs-Verhalten mit einem steilen linearen Anstieg der Spannung und elastischer Dehnung entsprechend dem Hook′schen Gesetz und zunehmend bleibender Verformung bei weiterer Belastungssteigerung, die nicht mehr reversibel ist. In diesem angehobenen Temperaturbereich hat die Le­ gierung kein pseudoelastisches Verhalten mehr.

Als wesentliche Vertreter geeigneter Formgedächtnislegie­ rungen seien Nickel-Titan-Basislegierungen, Kupferbasis­ legierungen und Eisenbasislegierungen erwähnt. Bei den Nickel-Titan-Basislegierungen können Kupfer und/oder Eisen in der Größenordnung von etwa 10% zulegiert sein. Bei den Kupferbasislegierungen ist häufig Zinn als wesentlicher Legierungsbestandteil verwendet, wobei Aluminium zulegiert sein kann. Ein weiterer Typ der Kupferbasislegierungen enthält Aluminium in relativ hoher Konzentration und Nickel als kleineren Bestandteil. Bei den Eisenbasisle­ gierungen ist häufig Nickel als zweitstärkster Legierungs­ bestandteil vorgesehen, wobei Aluminium als dritter Legie­ rungsbestandteil u. U. in Kombination mit Titan zulegiert sein kann. Eine andere Eisen-Nickellegierung dieses Types enthält Kobalt und Titan. Eine weitere Eisenbasislegierung verwendet Mangan und Silicium. Schließlich sind noch Eisen­ basislegierungen bekannt, bei denen Platin oder Paladium zulegiert werden, was natürlich diese Legierung sehr ver­ teuert. Die Eisenbasislegierungen hat man vor allen Dingen aus Preisgründen entwickelt.

Die vorliegende Erfindung stellt im Kern die Verwendung derartiger Formgedächtnislegierungen für Spannwerkzeuge der in Fig. 4 bis 7 dargestellten Art, und zwar für die darin verwendeten Dehnelemente dar. Diese Spannwerkzeuge 1, 2, 3 oder 4 dienen zum kraftschlüssigen und hochprä­ zisen Klemmen von Werkstücken 5 an definiert bearbeiteten, vorzugsweise rotationssymmetrischen Anlageflächen 6 des Werkstückes. Die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Spann­ werkzeuge sind als Spanndorn ausgebildet, bei denen ein hülsenförmiges Dehnelement 7, 7′, 7′′ auf einem Zapfen 10 (Fig. 4) bzw. auf einem Haltedorn 19, 19′ (Fig. 5 und 6) gehalten ist. Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbei­ spiel eines Spannwerkzeuges ist als Spannfutter 4 ausgebil­ det, bei dem das als Schrumpfmanschette ausgebildete Dehn­ element 25 innerhalb eines topfartigen Futterkörpers 23 gehalten ist. Das Spannfutter 4 dient zur präzisen Klem­ mung von Werkstücken mit nach außen zylindrischen An­ lageflächen. Die Dehnelemente 7, 7′, 7′′ und 25 der ver­ schiedenen Spannwerkzeuge sind in dem Bereich, in dem sie mit dem Werkstück 5 in Kontakt gelangen, präzise bearbei­ tet und zu den entsprechenden Anlageflächen 6 des Werk­ stückes formnegativ gestaltet. Die solcherart bearbeiteten Oberflächen des Spannwerkzeuges seien nachfolgend als Klemmflächen 8 (Fig. 4 bis 6) bzw. 8′′ (Fig. 7) bezeich­ net. In entspanntem Zustand des Dehnelementes passen die Klemmflächen 8, 8′′ des Spannwerkzeuges mit den Anlageflä­ chen 6 des Werkstückes aufgrund einer entsprechend prä­ zisen Fertigung spielarm aber beweglich zusammen. Auf der den Klemmflächen 8 bzw. 8′′ gegenüberliegenden Rückseite der Dehnelemente können diese in der Weise großflächig quer zur Klemmfläche mit Kraft beaufschlagt werden, daß die Wandung des Dehnelementes 7, 7′, 7′′ bzw. 25 sich re­ versibel verformt und die Klemmfläche 8, 8′′ an die Anla­ gefläche 6 des Werkstückes 5 angedrückt wird und das Werk­ stück dabei kraftschlüssig festklemmt. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im wesentlichen durch die Art der Kraftaufbringung bzw. die Halterung des Dehnelementes innerhalb des Spannwerkzeuges. Gemeinsam ist allen Ausführungsbeispielen, daß das Dehnelement 7, 7′, 7′′ bzw. 25 aus einer Formgedächtnislegierung besteht, deren Legierungszusammensetzung so gewählt ist, daß bei der Ein­ satztemperatur des Spannwerkzeuges der in Fig. 2 skizzier­ te austenitische Zustand der Formgedächtnislegierung vor­ liegt, in welchem Zustand die Legierung ein superelasti­ sches oder pseudoelastisches Verhalten zeigt. Das Dehnele­ ment 7, 7′, 7′′ kann bei Kraftaufbringung relativ stark, u. U. bis zu 8% im Durchmesser gedehnt werden und nach Ent­ lastung ebenso rasch wieder in seinen Ausgangszustand zu­ rückkehren. Dadurch können auch relativ grob tolerierte Werkstücke kraftschlüssig und präzise mit hoher Rundlaufge­ nauigkeit und hoher Spannkraft gespannt werden. Dank der rasch einleitbaren Kräfte können ebenso rasch Verformungen an dem Dehnelement 7, 7′, 7′′ hervorgerufen und dement­ sprechend die Werkstücke rasch gespannt bzw. entspannt werden. Entsprechendes gilt auch für das Spannfutter 4 nach Fig. 7.

Die Formgedächtnislegierung des Dehnelementes 7, 7′, 7′′ bzw. 25 ist so zusammengesetzt, daß - bei häufiger Wie­ derholung, z. B. bei 50000 Spannungen - eine reversible Dehnung von wenigstens 0,5%, vorzugsweise von wenigstens 1% möglich ist. Hierfür sind Nickel-Titan-Basislegie­ rungen geeignet, wobei auch noch Kupfer und/oder Eisen zulegiert sein kann. Mit einer Legierung dieser Art konn­ ten an einem Ring mit Rechteckquerschnitt durch Einpressen eines 30°-Kegels Durchmesseraufweitungen bis zu 10% vor­ genommen werden, ohne daß nach Entlastung eine bleibende Verformung an dem Ring feststellbar war.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Spanndornes wird die quer zu der Klemmfläche 8 gerichtete Aufweitungskraft mechanisch aufgebracht. Und zwar sind auf dem zwischen Spitzen gehaltenen Zapfen 10 axial hinter­ einander kleine schlanke Konen angeformt, die allerdings nicht umfangsmäßig separate Einzelkonen darstellen, sondern die nach Art eines zusammenhängenden Gewindeganges mit ihren Kegelmantelflächen ineinander übergehen. Dadurch ist ein Konusgewinde 11 auf den Zapfen geschaffen, dessen Gewindeprofil stark asymmetrisch mit einer flach geneigten Gewindeflanke und einer steilen Gewindeflanke ausgebildet ist. Auf der Innenseite des Dehnelementes 7 ist ein ent­ sprechendes mutterartiges Gewinde eingearbeitet, so daß sich das hülsenartige Dehnelement 7 auf das Konusgewinde 11 des Zapfens 10 aufschrauben läßt. Die flach geneigten Gewindeflanken sind auf derjenigen Seite des Gewindepro­ fils angeordnet, die zu einem stirnseitig an den Zapfen 10 angebrachten Gewindezapfen 13 hinweist, auf dem eine Spann­ mutter 12 verschraubbar ist. Mit dieser Spannmutter kann das Dehnelement 7 auf den geneigten Flanken des Konusgewin­ des 11 verschoben und durch die Konuswirkung auf der gesam­ ten Länge und auf dem gesamten Umfang mit Kraft beaufschlagt werden. Diese quer zu der Klemmfläche 8 gerichtete, mecha­ nisch aufgebrachte Kraft führt zu einer Aufweitung des Dehnelementes 7 und dementsprechend zu einem Festklemmen des aufgeschobenen Werkstückes 5 durch den Spanndorn 1.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Spanndornes 2 wird die quer zur Klemmfläche 8 gerichtete Kraft zum Aufweiten des Dehnelementes 7′ hydraulisch auf­ gebracht. Und zwar ist das Dehnelement 7′ druckdicht auf dem Haltedorn durch Schweißnähte 17 befestigt, was vor­ aussetzt, daß die Werkstoffe des Dehnelementes 7′ und des Haltedornes 19 miteinander verschweißbar sind. Radial in­ nerhalb des Dehnelementes 7′ ist eine hohlzylindrische Druckkammer 14 eingearbeitet die über einen Druckkanal 15 von außen mit Fluiddruck beaufschlagbar ist. Die stirn­ seitigen Endkanten des Dehnelementes 7′ sind mit Randver­ dickungen 16 versehen; im Bereich dieser Randverdickungen 16 ist das Dehnelement 7′ mit dem Haltedorn 19 verschweißt. Die Schweißnähte sind dabei derart ausgerichtet bzw. ange­ ordnet, daß die Schweißnahtwurzel nicht unmittelbar in die Druckkammer 14 übergeht, sondern durch Werkstoff des Halte­ dornes 19 überdeckt ist. Dadurch können keine Schweiß­ spritzer oder Metalldämpfe in das Innere der Druckkammer 14 gelangen. Die Randverdickungen 16 dienen dazu, die Auf­ weitung des Dehnelementes 7′ im Bereich seiner Befestigung mit dem Haltedorn 19 zu beseitigen und eine exakte Halte­ rung des Dehnelementes auch in aufgeweitetem Zustand zu gewährleisten. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist - allerdings bei starker Überhöhung - die Verformungslinie 18 des Dehnelementes 7′ bei Druckbe­ aufschlagung der Druckkammer 14 und ohne aufgeschobenes Werkstück dargestellt. Selbstverständlich würde sich bei aufgeschobenem Werkstück das Dehnelement 7′ nicht so stark aufweiten, sondern sich vorher mit entsprechender Kraft an die Anlagefläche 6 des Werkstückes anlegen und dort eine hochbelastbare Spannverbindung zwischen Klemmfläche 8 und Anlagefläche 6 bewirken.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird das Dehn­ element 7′′ ebenfalls hydraulisch aufgeweitet; in den Halte­ dorn 19′ sind ebenfalls eine Druckkammer 14′ und Druckka­ näle 15′ eingearbeitet. Allerdings ist das Dehnelement 7′′ lösbar mit dem Haltedorn 19′ verbunden und gegen ihn mit­ tels Dichtungen 20 im Bereich der Randverdickungen 16′ abgedichtet. Diese Bauweise kann notwendig werden, wenn die Werkstoffe des Dehnelementes 7′′ und des Haltedornes 19′ nicht miteinander verschweißbar sind oder wenn aus Verschleiß- oder sonstigen Gründen ein Austausch des Dehn­ elementes möglich sein soll. Zum sicheren Fügen des Dehn­ elementes im Dicht- und Einspannbereich dient zum einen eine Überwurfmutter 21 und - am anderen Ende - eine An­ drückmutter 22, die auf einen stirnseitigen Gewindezapfen des Haltedornes 19′ aufgeschraubt ist. Sowohl die Überwurf­ mutter 21 als auch die Andrückmutter 22 übergreifen zu­ mindest teilweise die Randverdickungen 16′ am Außenumfang bzw. im Bereich eines Absatzes, so daß das Dehnelement 7′ im Bereich der Randverdickungen 16′ auch durch die ent­ sprechenden Muttern 21, 22 gegen radiale Aufweitung ge­ hindert ist. Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungs­ beispiel des Spanndornes 3 ist außerdem noch die Möglich­ keit dargestellt, den Spanndorn durch eine aufgeschobene Buchse 9 mit einer Klemmfläche 8′ an ein anderes Werkstück anpassen zu können. Auch diese Buchse 9 besteht zweckmäßi­ gerweise aus einer Formgedächtnislegierung. Selbstverständ­ lich ist es auch denkbar, diese Buchse aus normalem Stahl herzustellen und in Längsrichtung abwechselnd von der einen und von der anderen Stirnseite her mehrfach axial zu schlitzen, so daß die Stahlbüchse sich aufgrund dieser Dehn­ schlitze relativ stark aufweiten kann. Erfahrungsgemäß ist jedoch eine solche Buchse nur unter peripherem Gleitschlupf in den gegenseitigen Kontaktflächen an die veränderte Form anpaßbar wobei ein solcher Gleitschlupf eine gewisse Be­ einträchtigung der möglichen Rundlaufgenauigkeit verur­ sacht.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Spannfutter 4 wird die Klemmkraft ebenfalls hydraulisch auf das manschettenartige Dehnelement 25 übertragen. Auch hier sind in den Futter­ körper 23 eine Druckkammer 14′′ und Druckkanäle 15′′ einge­ arbeitet. Im Bereich der Randverdickungen 16′′ ist das Dehn­ element 25 mittels Schweißnähten 17′, deren Wurzelbereich überdeckt ist, mit dem Futterkörper 23 verschweißt. Bei Druckbeaufschlagung der Druckkammer 14′ wird das nach Art einer Schrumpfmanschette ausgebildete Dehnelement 25 ra­ dial zusammengedrückt und legt sich mit seiner Klemmfläche 8′ außenseitig an eine entsprechende zylindrische Anlage­ laufgenauigkeit und hoher Spannkraft sicher fest. Bei die­ sem Ausführungsbeispiel ist auch noch die Möglichkeit dar­ gestellt, die Verschleißbeständigkeit des Dehnelementes 25 im Bereich der Klemmflächen 8′ zu erhöhen. Und zwar sind flächendeckend Formstücke aus verschleißfestem Werkstoff in Form von Leisten 24 in das Dehnelement 25 eingelassen. Diese Formstücke können aus Keramik oder aus Hartmetall bestehen. Weiter oben wurde bereits auf die Möglichkeit hingewiesen, das Dehnelement durch eine verschleißresisten­ te Oberflächenlage bzw. Beschichtung zu verbessern, was insbesondere bei kleineren Dehnelementen zweckmäßig ist, bei denen sich Formstücke weniger gut in das Material des Dehnelementes einbetten lassen.

Beim Ausführungsbeispiel eines Spanndornes 26 nach den Fig. 8 und 9 bildet das Dehnelement 27 mit dem es tra­ genden kernartigen Stützkörper 28 ein einziges einstückig zusammenhängendes Werkstück, welches aus dem "vollem" gear­ beitet ist, indem eine kreisförmig angeordnete Gruppe von Bohrungen 29 in geringem Abstand zur Klemmfläche 30 ange­ bracht ist; außerdem sind die Bohrungen auch unter einem geringen gegenseitigen peripheren Abstand angebracht. Hier besteht der gesamte Spanndorn aus einer Formgedächtnisle­ gierung der angesprochenen Art. Die Bohrungen sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel von der freien Stirnsei­ te des Spanndornes 26 her gebohrt, wobei die offene Seite der Bohrungen verschlossen ist. Zu diesem Zweck ist in die Stirnseite des Spanndornes 26 eine im Querschnitt annähernd quadratische Ringnut eingearbeitet, in die ein elastischer Rundschnurdichtring 31 dichtend eingedrückt ist. Dieser wird durch eine auf dem stirnseitig angebrachten Gewinde­ zapfen 33 aufgeschraubte Mutter 32 axial gesichert. Im Nutgrund ist noch eine kleine Rille 35 axial eingedreht, die die Bohrungen 29 in Umfangsrichtung fluidisch miteinan­ der verbindet. Auf der in Fig. 8 links befindlichen Halte­ rungsseite des Spanndornes 26 sind Druckkanäle 34 eingear­ beitet, durch die wenigstens zwei diametral gegenüberlie­ gende Bohrungen unmittelbar mit Fluiddruck beaufschlagt werden können; über die erwähnte Rille 35 kann sich ein solcher Druck rasch auch in die anderen Bohrungen aus­ breiten. Durch eine Druckbeaufschlagung aller Bohrungen 29 wird das Dehnelement 27 zumindest an den Stellen der ge­ ringsten Wandstärke zwischen Bohrung 29 und Klemmfläche 30 nach außen gewölbt; die Klemmfläche 30 wird also in druck­ beaufschlagtem Zustand des Spanndornes 26 in Umfangsrich­ tung eine Wellenform annehmen. Wenn die Bohrungen 29 in Umfangsrichtung einen sehr engen gegenseitigen Abstand aufweisen und der zwischen ihnen verbleibende, im achs­ senkrechten Querschnitt bikonvexe Steg sehr schmal ist, wird sich auch der Klemmflächenbereich zwischen zwei Boh­ rungen bei Druckbeaufschlagung nach außen verlagern, so daß sich das Dehnelement 27 als ganzes im Durchmesser auf­ weiten wird. Je nachdem, ob die Bohrungen 29 einen ge­ ringeren radialen Abstand zur Klemmfläche 30 hin oder ei­ nen geringeren peripheren Abstand zur Nachbarbohrung hin aufweisen, wird die wellenförmige Klemmflächenverformung oder die Durchmesseraufweitung der Klemmfläche 30 über­ wiegen. Diese beiden Verformungsarten können bei geschick­ ter Anordnung der Bohrung gezielt auch kombiniert angewen­ det bzw. ausgenützt werden. Der Vorteil des einteiligen Spanndornes 26 liegt in einer relativ einfachen Bauweise und erscheint insbesondere für Spannaufgaben an kleineren Werkstücken geeignet. Entscheidend dabei ist, daß die Boh­ rungen 29 ihrer Lage nach präzise angebracht werden und die verbleibende Querschnitte zwischen ihnen und zur Klemm­ fläche 30 hin für alle Bohrungen gleich groß sind, so daß sich an allen Stellen gleiche Verformungen bei Druckbeauf­ schlagung ergeben.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 zeigt Spannwerkzeuge 36 und 36′ mit ebenen Klemmflächen 37 zum Spannen eines im wesentlichen quaderförmigen Werkstückes 38 beispielsweise auf einem Aufspanntisch 39. Die im wesentlichen ebenfalls quaderförmigen Spannwerkzeuge 36 bzw. 36′ sind entspre­ chend der Werkstückabmessung auf dem Aufspanntisch 39 po­ sitioniert und dort jeweils mittels Schrauben festge­ spannt. Auf der dem Werkstück 38 zugekehrten Flachseite der Spannwerkzeuge 36, 36′ ist ein Dehnelement 40 bzw. 40′ aus einer Formgedächtnislegierung angeschweißt, wobei un­ terhalb des Dehnelementes eine Druckkammer 41 eingearbei­ tet ist, die über einen Druckkanal 42 mit Fluiddruck be­ aufschlagbar ist. Das Werkstück 38 kann zwischen den Spann­ werkzeugen 36, 36′ ähnlich wie mit einem Schraubstock auf dem Aufspanntisch 39 bei hoher reproduzierbarer Aufspannge­ nauigkeit und Spannkraft festgehalten werden. Nach Druck­ entlastung der Dehnelemente 40, 40′ ist ein rascher Werk­ stückwechsel möglich. Selbstverständlich ist es auch mög­ lich, anstelle eines der beiden Spannwerkzeuge 36, 36′ lediglich eine passive Spannbacke auf dem Aufspanntisch 39 festzuspannen und ein aktives Spannen des Werkstückes le­ diglich von einer Seite her vorzunehmen.

Der Vollständigkeit halber sei abschließend noch darauf hingewiesen, daß die Festhaltekraft der Spannwerkzeuge an den Werkstücken dadurch erhöht werden kann, daß an den Klemmflächen der Spannwerkzeuge Feinpartikel aus einem harten Werkstoff dauerhaft befestigt sind. Es kann sich dabei um Diamantstaub, um Keramik- oder Korundstaub oder um Hartmetallstaub handeln. Die Staubkörner haben eine unregelmäßige und scharfkantige Außenkontur. Vorzugsweise liegen sie in der gleichen Größenordnung oder sind nur geringfügig größer als die Oberflächenrauheit der Klemm­ fläche. Eine dauerhafte Befestigung kann durch Kleben, durch Aufschießen in einen Gasstrahl oder durch Einlagern von Staubkörnern in die Legierung und oberflächiges Frei­ ätzen erfolgen. Mit der solchereart geschaffenen rauhen Oberfläche krallt sich im Feinbereich die Klemmfläche des Spannwerkzeuges an der Anlagefläche des Werkstückes ein und hält dieses umso sicherer fest. Außerdem ist durch die Einlagerung von harten Feinpartikeln in die Klemmfläche diese widerstandsfähiger gegen abrasiven Verschleiß.

Claims (17)

1. Spannwerkzeug zum kraftschlüssigen und hochpräzisen Klemmen von Werkstücken an definiert bearbeiteten, vor­ zugsweise rotationssymmetrischen Anlageflächen des Werk­ stückes, mit einem innerhalb des Spannwerkzeuges gehal­ terten, im Bereich der mit dem Werkstück in Kontakt ge­ langenden, präzise bearbeiteten Klemmflächen formnegativ im Vergleich zu den Anlageflächen des Werkstückes gestal­ teten metallischen Dehnelement, welches in entspanntem Zustand bezüglich der Klemmflächen mit den Anlageflächen des Werkstückes spielarm aber beweglich zusammengepaßt ist und welches auf der den Klemmflächen gegenüberliegenden Rückseite in der Weise großflächig quer zur Klemmfläche mit Kraft beaufschlagbar ist, daß die Wandung des Dehn­ elementes sich reversibel verformt und mit der Klemmfläche an die Anlagefläche des Werkstückes anlegt und dieses da­ bei kraftschlüssig festspannt, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) aus einer Legierung mit Formerinnerungsvermögen besteht, wobei die Legierungszusammensetzung so gewählt ist, daß bei der Einsatztemperatur des Spannwerkzeuges (1, 2, 3, 4, 26, 36, 36′) der Bereich der reversiblen, spannungsinduzierbaren austenitisch/martensitischen Gefügeumwandlung, auch pseu­ doelastischer oder superelastischer Bereich genannt, vor­ liegt.

2. Spannwerkzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, ins­ besondere nach dem vollständigen Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7′′) eine aufgeschobene oder einge­ schobene Buchse (9) zur Durchmesseranpassung an andere Werkstückabmessungen enthält, die ebenfalls aus einer Le­ gierung mit Formerinnerungsvermögen besteht (Fig. 6).

3. Spannwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (27) und der es tragende Stützkörper (28) des Spannwerkzeuges (26) aus einem einzigen, ein­ stückig zusammenhängenden Werkstück besteht und daß zwi­ schen Dehnelement (27) und Stützkörper (28) eine Gruppe von druckbeaufschlagbaren Bohrungen (29) in dichtem ge­ genseitigen Abstand und in geringem Abstand zur Klemmflä­ che 3(30) des Dehnelementes (27) angebracht ist (Fig. 8 und 9).

4. Spannwerkzeug nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Dehnelement (25) im Bereich seiner Klemmflächen (8′′) Formstücke, vorzugsweise Leisten (24) aus einem wenigstens im Bereich der mit dem Werkstück in Berührung gelangenden Oberfläche verschleißfesten Werkstoff dauer­ haft eingelassen oder aufgesetzt sind (Fig. 7).

5. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) oder die Buchse (9) im Bereich der Klemmflächen (8, 8′, 8′′, 30, 37) zumindest partiell mit einer verschleißresistenten Ober­ flächenschicht bzw. Beschichtung versehen ist.

6. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Klemmfläche (8, 8′, 8′′, 30, 37) oder an der Oberfläche der Formstücke (Leiste 24) Feinpartikel aus einem harten Werkstoff dauerhaft befestigt sind.

7. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungszusammensetzung des Dehnelementes (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) so eingestellt bzw. gewählt ist, daß - bei häufiger Wiederholung - eine reversible Dehnung von wenigstens 0,5%, vorzugsweise von wenigstens 1% mög­ lich ist.

8. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) aus einer Nickel-Titan-Basislegierung besteht.

9. Spannwerkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel-Titan-Basislegierung auch noch Kupfer und/ oder Eisen enthält.

10. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) aus einer Kupferbasislegierung besteht, wobei vorzugsweise Zink oder Zink und Aluminium oder Aluminium und Nickel zulegiert sind.

11. Spannwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dehnelement (7, 7′, 7′′, 25, 27, 40, 40′) aus einer Eisenbasislegierung besteht.

12. Spannwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung Nickel zulegiert ist.

13. Spannwerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung auch noch Aluminium zulegiert ist.

14. Spannwerkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung auch noch Titan zulegiert ist.

15. Spannwerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung auch noch Kobalt und Titan zulegiert sind.

16. Spannwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung Mangan und Silicium zulegiert sind.

17. Spannwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenbasislegierung Platin oder Palladium zule­ giert ist.