DE4232790C1 - Standardschaft für rotierende Bearbeitungswerkzeuge zur unmittelbaren Aufnahme in eine Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Standardschaft für rotierende Bearbeitungswerkzeuge nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1, wie er in der industriellen Großserienfertigung spa­ nender Formgebung mit Transferstraßen bekannt ist.

Bei derartigen Anwendungsfällen werden vorteilhafterweise die vielen zu bestückenden Arbeitsspindeln mit einheitlichen Aufnah­ meöffnungen zur unmittelbaren Aufnahme der Bearbeitungswerkzeuge versehen, um teure Spannfutter und eine Einbuße an Spanngenauig­ keit und Rundlauffehler zu vermeiden. Eine hohe Rundlaufgenauig­ keit ist wichtig, um lange Standzeiten der Bearbeitungswerkzeuge erreichen zu können. Damit jedoch die in der Größe recht unter­ schiedlichen Bearbeitungswerkzeuge in den standardisierten Auf­ nahmeöffnungen einsetzbar sind, muß an den Werkzeugschaft eines jeden Bearbeitungswerkzeuges jeweils ein als Adapter dienender Standardschaft angebracht werden, wobei die gegenseitige Verbin­ dung selbstverständlich mit größtmöglicher Rundlaufgenauigkeit, hoher Spannkraft und bei geringem Bauvolumen realisiert werden muß.

Bei herkömmlichen Standardschäften muß das Bearbeitungswerkzeug

• - in die Aufnahmebohrung des Standardschaftes eingelötet oder eingeklebt werden; weder die Löt- noch die Klebeverbindung sind in der Weise wieder lösbar, daß der Standardschaft wie­ derverwendbar wäre, oder
• - durch einen sehr strammen Preßsitz in die auf Untermaß ge­ fertigte Aufnahmebohrung des Standardschaftes eingepreßt oder die Aufnahmebohrung des Standardschaftes durch Erwärmen und anschließendes Abkühlen auf den Schaft des Bearbeitungswerk­ zeuges aufgeschrumpft werden, so daß das Bearbeitungswerkzeug aus dem Standardschaft nicht mehr zerstörungsfrei entfernt werden kann.

Zwar sind die eben erwähnten Aufnahmetechniken eines Bearbei­ tungswerkzeuges sehr platzsparend und ausreichend rundlaufgenau, wenn die Bearbeitungsflächen des Bearbeitungswerkzeuges erst nach dessen Einsetzen und Fixieren in den Standardschaft und bei Auf­ nahme des Gesamtwerkzeuges an dem Fügezylinder des Standard­ schaftes in der Werkzeugschleifmaschine geschliffen werden. In allen diesen Fällen muß jedoch nach vollständigem Verschleiß oder Bruch des Bearbeitungswerkzeuges auch der Standardschaft ver­ schrottet werden. Im übrigen ist das Einlöten nur bei bestimmten Werkzeugwerkstoffen, nämlich Hartmetallen und auch bei diesen nur unter Inkaufnahme bestimmter Gefügebeeinträchtigungen reali­ sierbar.

Eine zwar denkbare Klemmung der Bearbeitungswerkzeuge in dem Standardschaft mittels Spannzange wäre nicht praxistauglich, weil eine solche Klemmung

• - nur eine zu geringe Rundlaufgenauigkeit reproduzieren läßt,
• - eine nicht ausreichende Fixierung des Bearbeitungswerkzeugs im Standardschaft erbringt sowie
• - bei ausreichender Stabilität nur mit einem großen Bauvolumen insbesondere in radialer Hinsicht realisierbar wäre.

Die gleichen Gründe gelten im Prinzip auch für das Klemmen der Bearbeitungswerkzeuge in einem Standardschaft mittels einer hy­ draulisch beaufschlagbaren Metallmanschette (vgl. z. B. DE-OS 39 09 630 oder DE-PS 26 39 320), wobei hier die Nachteile eines großen Bauvolumens und einer in Grenzen schwimmenden Halterung des Bearbeitungswerkzeuges besonders durchschlagen; ferner ist hier ein über die gesamte Lebensdauer des Bearbeitungswerkzeuges hinweg gleichbleibend hohes Aufrechterhalten des hydraulischen Spanndruckes sehr problematisch und für die Praxis nicht über­ zeugend gelöst.

Denkbar wäre auch, das Einspannen des Bearbeitungswerkzeuges in den Standardschaft mittels einer sog. "Whistle Notch"-Verbindung (whistle notch = Flötenkerbe) zu bewerkstelligen, wie sie auch für die Einspannung des Standardschaftes in die Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine vorgesehen ist. Eine solche "Flötenkerbe" ist durch eine Schrägfläche am Schaftumfang gebildet, die um etwa 2°, nach innen gerichtet, schräggestellt ist und auf die eine orthogonal dazu in der Wandung der Arbeitsspindel angeordnete Wurmschraube einwirkt. Diese Verbindungstechnik ist jedoch nur für größere Schaftdurchmesser tauglich; im übrigen stellt sie für die spindelseitige Einspannung einen unvermeidbaren Kompromiß zwischen den Forderungen nach hoher Rundlaufgenauigkeit - hier gerade noch vertretbar - einerseits und rascher sowie einfacher Lösbarkeit der Einspannung mit üblichen Werkstattmitteln - hier gegeben - andererseits dar. Eine nochmalige Anwendung einer "Whistle Notch"-Verbindung in derselben Werkzeugeinspannung wür­ de die unvermeidbaren Rundlauffehler unzulässig stark kummulie­ ren lassen; außerdem soll die Verbindung zwischen Bearbeitungs- Werkzeug und Standardschaft nicht mit einfachen Werkstattmitteln lösbar sein. Aus diesen Gründen kommt eine Anwendung von sog. "Whistle Notch"-Verbindungen zwischen Bearbeitungswerkzeug und Standardschaft nicht in Betracht.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten Standardschaft dahingehend zu verbessern, daß er das zu spannende Bearbeitungswerkzeug zwar ohne weiteres lösbar aufnehmen kann und dadurch der Standardschaft ohne weiteres mehrfach wiederverwend­ bar ist, daß aber gleichwohl bei kleinem Bauvolumen der Spann­ einrichtung das Bearbeitungswerkzeug mit hoher Haltekraft und bei hoher, reproduzierbarer Rundlaufgenauigkeit festgehalten wird. Außerdem soll durch die Art der neuen Werkzeugspannung die Werk­ zeugstandzeit keinesfalls beeinträchtigt, sondern nach Möglich­ keit günstig beeinflußt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach wird die Lösbarkeit des Bearbeitungswerkzeuges aus dem Standardschaft durch die Anwendung des an sich bekannten, aber bei üblicher Ausbildung für die vor­ liegende Werkzeugspannung aus mehreren Gründen unzureichenden Spannzangenprinzips geschaffen. Die vorliegend dennoch damit er­ zielbare hohe Spannkraft und die reproduzierbar hohe Spanngenau­ igkeit bei geringem radialen Bauvolumen resultieren überraschen­ der Weise aus der Verwendung einer Schrumpfmanschette aus Form­ gedächtnislegierung. Aufgrund des hohen, gleichmäßig über die gesamte Leibungsfläche der Klemmhülse wirksamen Klemmdruckes kann die Genauigkeit der Leibungsfläche voll bei der Werkzeugspannung wirksam werden. Bei der durch Erwärmen bewirkten Umwandlung des Werkstoffgefüges der Schrumpfmanschette von martensitisch - un­ terkühlt - in austenitisch - raumwarm - schrumpft die Schrumpf­ manschette aufgrund des Formerinnerungsvermögens der Legierung im Durchmesser zusammen, wobei sie sich mit hoher Kraft außenseitig an die Klemmhülse anlegt. Durch die hohe Rundlaufgenauigkeit sind Restunwuchten und somit die Anregung zu Unwuchtschwingungen des Werkzeuges sehr gering, was sich günstig auf die Bearbeitungsge­ nauigkeit und die Werkzeugstandzeit auswirkt. Die erfindungsgemäße Werkzeugspannung hat sich überdies als erstaun­ lich schwingungsdämpfend erwiesen, was ebenfalls die Bearbei­ tungsgenauigkeit und die Werkzeugstandzeit verbessert. Die schwingungsdämpfende Wirkung kommt zum einen durch die die beiden konzentrischen, zylindrischen Paßflächenpaare aufgrund einer Einspannhysterese und zum anderen aufgrund der guten Dämpfungs­ eigenschaft des Formgedächtniswerkstoffes der Schrumpfmanschette selber zustande.

Bei einer breiten Anwendung der Erfindung in der spangebenden Großserienfertigung eines großen Betriebes ergibt sich eine ganze Reihe von Vorteilen:

• - Der Standardschaft ist bei Bruch oder nach voller Ausnutzung der Nachschleifreserve des darin aufgenommenen Bearbeitungs­ werkzeuges ohne weiteres wiederverwendbar;
• - wegen des für sich im Vergleich zum Einzelpreis des Bearbei­ tungswerkzeuges etwa doppelt so teuren Standardschaftes und wegen dessen Wiederverwendbarkeit ist bei einer großen Anzahl von Standardschäften in einer Großserienfertigung ein großes Einsparpotential gegeben;
• - trotz Lösbarkeit des Bearbeitungswerkzeuges kann es bei re­ produzierbar hoher Rundlaufgenauigkeit und hoher Haltekraft in den Standardschaft eingespannt bzw. darin festgehalten werden;
• - da die Werkzeugspannung bei - niedrigen - Temperaturen er­ folgt, bei der das Werkstoffgefüge aller üblichen Schneid­ werkzeug-Werkstoffe völlig unverändert bleibt und auch keine hohen Temperaturdehnungen durchlaufen werden, können mit dem erfindungsgemäßen Standardschaft Werkzeuge aus allen denkba­ ren Werkstoffen, insbesondere auch aus dem relativ preiswer­ ten Hochschnellschnittstahl oder aus den besonders verschleiß­ beständigen Schneidkeramiken gespannt werden;
• - der Standardschaft ermöglicht im Vergleich mit herkömmlichen Wechselspannwerkzeugen
• - eine unerreicht hohe Haltekraft,
• - eine unerreicht hohe Rundlaufgenauigkeit (< 15 µm), die auch nach wiederholten Spannungen reproduzierbar ist und
• - ein unerreicht geringes Bauvolumen insbesondere in radi­ aler Hinsicht, was für eine Bearbeitung in beengten Umge­ bungsverhältnissen eines Werkstückes besonders wichtig ist;
• - hohe Dämpfungswirkung der aus Formgedächtnislegierung beste­ henden Schrumpfmanschette gegen Radialschwingungen;
• - unabhängig davon ferner Dämpfungswirkung durch zwei konzen­ trisch ineinander liegende Fügeflächenpaare aufgrund einer Einspannhysterese;
• - aufgrund der hohen Dämpfungswirkung der Werkzeugspannung ge­ gen Radialschwingungen des Werkzeuges sind mit dieser höhere Werkzeugstandzeiten als mit bekannten, weniger gut dämpfenden Werkzeugspannungen erreichbar;
• - die Klemmverbindung zwischen Bearbeitungswerkzeug und Stan­ dardschaft ist zwar relativ einfach lösbar (Unterkühlen durch Einlegen in Trockenschnee [CO₂] oder Eintauchen in flüssigen Stickstoff), sie kann jedoch vom Maschinenführer einer Transferstraße mit den dort vor Ort üblichen Werkstattmitteln nicht, auch nicht versehentlich gelöst werden, so daß eine langzeitsichere Werkzeugeinspannung gegeben ist;
• - es können standardisierte und somit billigere und kurzfristig nachlieferbare Bearbeitungswerkzeuge in bereits fertig ge­ schliffenem Zustand vom Kunden bzw. Anwender der Werkzeuge in den Standardschaft aufgenommen und fixiert werden, so daß eine kostspielige und langfristig disponierte Vorratshaltung von teuren Sonderwerkzeugen beim Anwender entfallen kann;
• - der Standardschaft erlaubt - wenn er hohlgebohrt ist - ohne gesonderte Abdichtung ein sicheres und verlustfreies Leiten von Kühl- und Schmieremulsion durch die Klemmung des Bearbei­ tungswerkzeug hindurch.

Zwar sind beispielsweise aus der DE-OS 30 07 307 reversibel lös­ bare Schrumpfverbindungen unter Verwendung von Schrumpfmanschet­ ten aus Formgedächtnislegierung bekannt, jedoch handelt es sich dabei um die Verbindung von stumpf aneinander stoßenden, zylin­ drischen Teilen, insbesondere von Rohren, die durch eine unmit­ telbar auf den beiden Rohrenden aufliegende, den Stoß überbrückende Schrumpfmanschette verbunden werden. Angesichts der hohen Genauigkeitsforderungen für Werkzeugeinspannungen war es für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann nicht vorhersehbar, daß die auf dem Gebiet des Stahlbaues bekannte Schrumpfverbindung bei einer Anwendung auf eine Spannzange, die für die vorliegende An­ wendung nicht die erforderliche Spanngenauigkeit erbringt, trotz­ dem hier hinsichtlich aller zu erfüllender Erfordernisse voll be­ friedigt. Die Übertragung auf ein völlig anderes Sachgebiet bei einer modifizierten und unter der gestellten Aufgabe als abwegig anzusehenden Anwendung der Schrumpfmanschetten aus Formgedächt­ nislegierung muß als originell, fachunüblich und überdurch­ schnittlich angesehen werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprü­ chen entnommen werden. Durch die Längenbeschränkung der Längs­ schlitze der Klemmhülse nach Anspruch 6 soll die Klemmung des Werkzeugschaftes gegen Verlust bzw. vorzeitigen Austritt von Kühl- und Schmieremulsion wirkungsvoll abgedichtet werden.

Die Erfindung ist an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch das vordere Ende der Arbeits­ spindel einer Werkzeugmaschine mit einem darin aufge­ nommenen Standardschaft einschließlich Bearbeitungs­ werkzeug,

Fig. 2 eine vergrößerte Einzeldarstellung der Einzelheit II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung von Standardschaft alleine und gleichachsig aufsteckbereit dazu gezeigter Schrumpfmanschette,

Fig. 4 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel des Standard­ schaftes zur lösbaren Aufnahme eines Bearbeitungswerk­ zeuges mit Mittelbohrung an einem Spanndorn mit Ver­ drängungsstopfen,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Standardschaftes mit längsgeschlitzter, aber stabilisierter Klemmhülse und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit längsgenuteter Klemmhülse.

In Fig. 1 ist das werkzeugseitige Ende einer Arbeitsspindel 4 einer nur angedeuteten Werkzeugmaschine 5 insbesondere der span­ gebenden Großserienfertigung dargestellt, z. B. einer Transfer­ straße. Die Arbeitsspindel weist an ihrem vordere Ende eine hin­ sichtlich Form und Rundlaufgenauigkeit präzise gefertigte, für alle Arbeitsspindeln gleicher Größe einer Transferstraße gleiche, also standardisierte Aufnahmeöffnung 3 auf. Die je nach zugedach­ ter Arbeitsoperation unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeuge sol­ len in der Arbeitsspindel unmittelbar, d. h. ohne Zwischenfügung eines veränderbaren Spannfutters aufgenommen werden. Deshalb müssen die Bearbeitungswerkzeuge alle einen an die standardi­ sierte Aufnahmeöffnung 3 angepaßten, als Adapter dienenden, zy­ lindrischen Standardschaft 1 tragen, der mit dem jeweiligen Be­ arbeitungswerkzeug mittels einer zylindrischen Preßverbindung 10 dauerhaft fixiert ist. An den Außenumfang des Standardschaftes 1 ist ein präziser, nur ein geringes Untermaß (beispielsweise etwa 1 bis 4 µm) gegenüber der zylindrischen Aufnahmeöffnung 3 in der Arbeitsspindel 4 aufweisender Fügezylinder 14 angeschliffen. Aus Gründen der Arbeitsgenauigkeit und aus Standzeitgründen muß für eine höchstmögliche Rundlaufgenauigkeit der Arbeitsflächen 13 des Bearbeitungswerkzeuges 2 gegenüber dem Fügezylinder 14 des Stan­ dardschaftes 1 gesorgt werden. Eine hohe Rundlaufgenauigkeit ist auch zur Vermeidung von Unwuchten wichtig, widrigenfalls solche bei den häufig sehr hohen Spindeldrehzahlen zu einer dynamischen Radialverformung des Werkzeugs und letztere wiederum zu - zu­ sätzlicher - Arbeitsungenauigkeit und Standzeitverlust führen würde. Zur Bildung der zylindrischen Preßverbindung 10 zwischen Standardschaft 1 und Bearbeitungswerkzeug 2 ist standardschaft­ seitig eine monolithisch mit dem Standardschaft 1 verbundene, ra­ dial nachgiebige Klemmhülse 15 vorgesehen, die innenseitig mit einer Aufnahmebohrung 24 definierten Durchmessers versehen ist. Zum radialen Spannen der Klemmhülse 15 ist sie von einer Schrumpfmanschette 18 aus Formgedächtnislegierung umgeben, die durch Temperaturänderung im Werkstoffgefüge und somit geringfügig in den Abmessungen reversibel verändert werden kann und mit der demgemäß hohe Radialkräfte reversibel ausgeübt werden können. Werkzeugseitig ist ein zylindrischer Werkzeugschaft 12 vorgese­ hen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Einspannen des Standardschaftes in die Aufnahmeöffnung 3 der Arbeitsspindel 4 mittels einer sog. "Whistle Notch"-Verbindung (whistle notch = Flötenkerbe). Eine solche "Flötenkerbe" ist durch eine Schräg­ fläche 6 am Schaftumfang gebildet, die um etwa 2°, nach innen gerichtet, schräggestellt ist und auf die eine orthogonal dazu in der Wandung der Arbeitsspindel 4 angeordnete Wurmschraube 7 ein­ wirkt. Diese Verbindungstechnik hat sich für größere Schaft­ durchmesser bewährt; allerdings stellt sie für die spindelseitige Einspannung des Standardschaftes einen unvermeidbaren Kompromiß zwischen den Forderungen nach hoher Rundlaufgenauigkeit - hier gerade noch vertretbar - einerseits und rascher sowie einfacher Lösbarkeit der Einspannung mit üblichen Werkstattmitteln - hier gegeben - anderseits dar.

An dem vom Bearbeitungswerkzeug abgewandten, in den Grund der Aufnahmeöffnung 3 der Arbeitsspindel 4 weisenden Stirnende des Standardschaftes 1 ist eine nur schwergängig im Standardschaft verschraubbare Einstellschraube 8 zum Justieren der Einstecktiefe des Standardschaftes 1 in die Aufnahmeöffnung 3 angeordnet. In ähnlicher Weise ist auch am Grund der Aufnahmebohrung 24, auf die weiter unten noch näher eingegangen werden soll, eine ebenfalls nur schwergängig im Standardschaft verschraubbare Einstell­ schraube 11 vorgesehen, mit der die Einstecktiefe T des Bearbei­ tungswerkzeuges 2 in die Aufnahmebohrung 24 - unabhängig von der zuvor erwähnten Tiefeneinstellmöglichkeit - eingestellt werden kann. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einstell­ schrauben 8 und 11 zentrisch axial auf ihrer ganzen Länge zum Durchlaß von Kühl- und Schmieremulsion durchbohrt - Bohrungen 9′ bzw. 9′′. Auch die Arbeitsspindel 4 ist, ebenso wie der Standard­ schaft 1 und das Bearbeitungswerkzeug 2, mit zentrischen Bohrun­ gen 9 versehen, so daß die Kühl- und Schmieremulsion bis in den Bereich der spanabhebenden Arbeitsflächen 13 des Bearbeitungs­ werkzeuges 2 geleitet werden kann. An dieser Stelle sei bereits bemerkt, daß in vorteilhafter Weise die Preßverbindung 10 zwi­ schen Standardschaft 1 und Bearbeitungswerkzeug 2 ohne weiteres ausreichend dicht ist und besondere Vorkehrungen gegen - vorzei­ tigen - Austritt bzw. Verlust von Kühl- und Schmieremulsion nicht erforderlich sind. Es müssen dazu lediglich die Längsschlit­ ze 23 in der Klemmhülse 15 in Einsteckrichtung des Bearbeitungs­ werkzeuges 2 kürzer - Länge L - ausgebildet werden, als die ge­ ringste Einstecktiefe T des Werkzeugschaftes 12 in die Aufnahme­ bohrung 24 des Standardschaftes 1.

Die erwähnte Preßverbindung 10 zwischen dem Standardschaft 1 und dem Bearbeitungswerkzeug 2 bzw. dem Werkzeugschaft 12 ist bei hoher Rundlaufgenauigkeit dadurch lösbar gestaltet, daß der Stan­ dardschaft 1 im vorderen axialen Bereich der Aufnahmebohrung 24 eine dünnwandige, längsgeschlitzte Klemmhülse 15 mit Längsschlit­ zen 23 aufweist, wobei die Klemmhülse 15 monolithisch mit dem son­ stigen Werkstoff des Standardschaftes 1 verbunden ist. Die Klemm­ hülse ist innenseitig durch die Aufnahmebohrung 24 gebildet, die maßlich mit hoher Genauigkeit gefertigt ist und die mit ihrer Maßgenauigkeit im wesentlichen die Rundlaufgenauigkeit der Preß­ verbindung 10 bestimmt. Aber auch auf ihrer Außenfläche 20 ist die Klemmhülse 15 mit einem definierten Außendurchmesser D ver­ sehen. Auf die Klemmhülse 15 ist eine Schrumpfmanschette 18 aus einer Formgedächtnislegierung, z. B. aus einer Nickel/Titan-Le­ gierung aufgeschoben, deren axiale Länge etwas geringer als die der Klemmhülse 15 ist. Zwar kann die Klemmhülse 15 eine relativ geringe Wandstärke s aufweisen, die jedoch aus Gründen einer Min­ deststabilität nicht beliebig klein gestaltet werden sollte. An­ dererseits darf die Klemmhülse auch nicht zu dickwandig ausgebil­ det sein, da sie sonst in Radialrichtung zu steif werden würde und sich nicht durch die Schrumpfmanschette mit genügend hoher Kraft an den Schaft des Werkzeuges anpressen ließe. Zwar könnte im Falle einer recht dickwandigen Klemmhülse diese sich durch eine noch stärker dimensionierte Schrumpfmanschette zusammendrüc­ ken lassen, jedoch würde dadurch die gesamte Klemmverbindung bau­ lich in Radialrichtung nicht nur unnötig groß werden, sondern die Schrumpfmanschette würde wegen des teuren Werkstoffes, aus dem sie besteht, auch recht teuer werden. Die Wandstärke S der Schrumpfmanschette 18 entspricht mindestens der Wandstärke S der Klemmhülse 15; vorzugsweise wird man die Wandstärke S des Schrumpfmanschette mindestens zu 15% des Durchmesser des Werk­ zeugschaftes 12 wählen. Aus diesem Grunde geht die Klemmhülse 15 außenseitig über eine Schulter 16 in den sonstigen Außenumfang des Standardschaftes 1 über, wobei der Übergang von der achssenk­ rechten Fläche 17 zur Klemmhülse 15 zwecks Abmilderung einer Kerbwirkung sauber ausgerundet und mit einer entsprechenden Aus­ rundung 21 versehen ist.

Formgedächtnislegierungen sind an sich bekannte Legierungstypen, über die auch eine spezielle Literatur existiert, auf die hier verwiesen werden soll. Es sei an dieser Stelle lediglich erwähnt, daß die Formgedächtnislegierung für den vorliegenden Anwendungs­ fall derart ausgewählt ist, daß deren Austenit-Finish-Temperatur unterhalb der Arbeitstemperatur, vorzugsweise bei etwa 10°C liegt. Dadurch ist der austenitische Gefügezustand der Schrumpf­ manschette bei Raum- bzw. Arbeitstemperatur gegeben, wogegen zum Überführen der Schrumpfmanschette in den martensitischen Gefüge­ zustand eine künstliche Abkühlung oder Unterkühlung erfolgen muß.

Damit die Schrumpfmanschette 18 die ihr zugedachte Funktion bei der lösbaren Gestaltung der Preßverbindung 10 ausüben kann, muß die Schrumpfmanschette folgende Bearbeitungszustände durchlaufen, die die Schrumpfmanschette aufgrund der Formgedächtniseigenschaft des Werkstoffes "erinnern" kann. Dabei kann die Schrumpfmanschet­ te 18 als einzelne Buchse oder auch als zusammenhängendes Rohr in der nachfolgend geschilderten Weise behandelt sein, wobei die Bearbeitung als längeres Rohr den Vorteil hat, das mehrere glei­ che Schrumpfmanschetten gleichzeitig bearbeitet werden können. Aus dem solcherart vorbehandelten Rohr brauchen dann lediglich noch einzelne kürzere Schrumpfmanschetten auf der Drehbank abge­ stochen oder in sonstiger Weise abgelängt zu werden.

Ausgehend von einem austenitischen Gefügezustand des Werkstoffes der Schrumpfmanschette 18 bzw. eines entsprechenden Rohres muß die der Klemmhülse 15 zugewandte Innenfläche 19 der Schrumpfman­ schette auf ein deutliches Untermaß gegenüber dem Außendurchmes­ ser D der Klemmhülse 15 bearbeitet werden, so daß sich bei der Paarung der Schrumpfmanschette 18 mit der Außenfläche 20 der Klemmhülse 15 rechnerisch eine hohe Vorspannung darauf ergibt. Dieses Bearbeiten im austenitischen Gefügezustand kann spanabhe­ bend oder auch durch Massivumformung, bspw. durch Ziehen durch eine Ringdüse hindurch oder durch freies Streckziehen erfolgen.

Die anschließende Bearbeitung muß im martensitischen Gefüge zu­ stand durchgeführt werden, die durch Unterkühlen herbeigeführt werden kann und - sofern nicht eine Formgedächtnislegierung mit sog. aufgeweiteter Hysterese verwendet wird - durch ständiges Kühlhalten aufrechterhalten werden muß. Die Bearbeitung im mar­ tensitischen Gefügezustand darf nur durch Massivumformung erfol­ gen. Und zwar wird die Schrumpfmanschette zweckmäßigerweise bei unbehinderter Axialkontraktion soweit in Umfangsrichtung gedehnt, daß in entlastetem Zustand der Durchmesser der Innenfläche 19 der Schrumpfmanschette 18 bzw. eines entsprechenden Rohres ein ge­ ringes Übermaß gegenüber der Klemmhülse 15 bzw. ihrer Außenfläche 20 aufweist und die Schrumpfmanschette 18 auf der Klemmhülse 15 ohne großen Kraftaufwand verschiebbar ist.

Die im martensitischen Gefügezustand vorzunehmende Massivumfor­ mung der Schrumpfmanschette kann bei sorgfältiger Vorgehensweise auch folgendermaßen durchgeführt werden: Zunächst wird ein Werk­ zeugschaft 12 in die Aufnahmebohrung 24 einer Klemmhülse 15 ohne Schrumpfmanschette eingesteckt. Anschließend wird die Schrumpf­ manschette 18 in martensitischem Zustand vorsichtig in einer Preßeinrichtung auf die Außenfläche 20 der Klemmhülse axial auf­ geschoben, wobei die Schrumpfmanschette plastisch im Durchmesser aufgeweitet wird. Anschließend muß die Schrumpfmanschette durch geeignete gemeinsame Temperaturbehandlung von Schrumpfmanschette, Werkzeug und Standardschaft noch in den austenitischen Gefügezu­ stand überführt werden. Bei Formgedächtnislegierung mit aufge­ weiteter Hysterese muß die genannte Baueinheit dazu also einmal bis über die Austenit-Finish-Temperatur erwärmt werden und kann dann auf die Arbeitstemperatur, meist die Raumtemperatur, abküh­ len. Bei der eben kurz geschilderten vereinfachten, zweiten Be­ arbeitungsstufe der Schrumpfmanschette wird diese gewissermaßen durch ihren erstmaligen Gebrauch in noch "jungfräulichem" Zustand massivumformend zuendebearbeitet.

Um die länger andauernde Bearbeitung der martensitischen Schrumpfmanschette nicht bei niedrigen Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes durchführen zu müssen, ist es - wie gesagt - zweckmäßig, für die Schrumpfmanschetten eine Formgedächtnisle­ gierung mit sog. aufgeweiteter Hystere zu verwenden, bei der die Nartensit-Start- und die Austenit-Start-Temperatur um wenigstens 50 bis 80 Grad der Kelvinskala auseinanderliegen. Bei einer sol­ chen Legierung kann bei geeigneter Lage der Umwandlungsbereiche innerhalb des Temperaturspektrums und bei geeigneter Vorbehand­ lung der Schrumpfmanschette auch bei Raumtemperatur noch marten­ sitisches Gefüge vorliegen, obwohl bei Abkühlung die Umwandlung in den martensitischen Gefügezustand erst bei wesentlich niedri­ geren Temperaturen erfolgen mag. Aufgrund dessen kann die bei diesem Gefügezustand erforderliche Bearbeitung in vorteilhafter Weise bei Raumtemperatur vorgenommen werden.

Um mittels einer solcherart präparierten Schrumpfmanschette 18 einen Werkzeugschaft 12 an der Preßverbindung 10 mit dem Stan­ dardschaft 1 verbinden zu können, wird der Werkzeugschaft 12 in die Aufnahmebohrung 24 auf die gewünschte Tiefe T eingesteckt und anschließend die in martensitischem Gefügezustand vorliegende Schrumpfmanschette 18 auf die Klemmhülse 15 aufgeschoben, wobei während des Aufschiebens gegebenenfalls darauf zu achten ist, daß der martensitische Gefügezustand zunächst noch erhalten bleibt, d. h. nicht durch Erwärmung an der Umgebungsluft und/oder an dem Standardschaft selbsttätig eine auch nur teilweise Gefügeumwand­ lung in den austenitischen Zustand eintritt. Beim Aufschieben der Schrumpfmanschette 18 auf die Klemmhülse 15 sollte, sofern die Schrumpfmanschette im aufgeschobenen Zustand sonst keine Ansatz­ flächen für eine Abzugsvorrichtung bietet, darauf geachtet wer­ den, daß zwischen der achssenkrechten Fläche 17 der Schulter 16 und der gegenüberliegenden Stirnseite 27 der Schrumpfmanschette 18 ein in axialer Richtung ausreichend großer Spalt zum Ansetzen der Krallen einer Abzugsvorrichtung verbleibt. Um die Preßver­ bindung herzustellen, muß die Schrumpfmanschette in den austeni­ tischen Gefügezustand umgewandelt werden, was durch Erwärmen auf Raumtemperatur geschieht. Hierbei kann die Schrumpfmanschette vom freien Ende her, also vom Bearbeitungswerkzeug 2 her erwärmt werden, so daß die Gefügeumwandlung von martensitisch in austenitisch vom freien Ende her axial durch die Schrumpfman­ schette hindurch fortschreitet und die Preßverbindung 10 sich vom freien Ende der Schrumpfmanschette her zu schließen beginnt; es kommt also zu einem peristaltischen Aufschrumpfen der Schrumpf­ manschette vom freien Ende her in Richtung auf die Schulter 16 hin. Durch das Aufschrumpfen der Manschette 18 auf die Klemmhülse 15 kommt es zu einem sehr strammen Festklemmen des Werkzeug­ schaftes 12 in der Klemmhülse 15, wodurch ein stabiler tragfä­ higer Verbund zwischen Standardschaft 1, Klemmhülse 15 und Schrumpfmanschette 18 zustande kommt. Dank der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Preßverbindung 10 kann der Werkzeugschaft trotz der geringen baulichen Abmessungen der Preßverbindung insbeson­ dere in radialer Hinsicht bei hoher Klemmkraft und hoher Rund­ laufgenauigkeit festgehalten werden.

Um die Preßverbindung 10 wieder lösen zu können, braucht der Standardschaft 1 mit dem darin aufgenommenen Bearbeitungswerkzeug 2 lediglich in Trockenschnee - Kohlendioxid - oder in flüssige Luft bzw. flüssigen Stickstoff gelegt zu werden. Durch die sol­ cherart herbeiführbare Unterkühlung des Werkzeuges wird der Werkstoff der Schrumpfmanschette 18 in den martensitischen Gefü­ gezustand überführt, wodurch die Schrumpfmanschette, zumindest wenn sie "trainiert" ist, was jedoch durch einem mehrmaligen Werkzeugwechsel selbsttätig erfolgt, sich in den in diesem Ge­ fügezustand herbeigeführten Maßzustand mit einem größeren Durch­ messer zurückerinnert, d. h. die Schrumpfmanschette wächst im Durchmesser auf und gibt die Preßverbindung frei. Dadurch kann der Werkzeugschaft 12 ohne großen Kraftaufwand aus der Klemmhülse 15 bzw. der Aufnahmebohrung 24 herausgezogen werden. Solange die Schrumpfmanschette noch nicht "trainiert" ist, kommt es aufgrund des geringeren Elastizitätsmoduls und der geringeren Streckgrenze des - nun martensitischen - Manschettenwerkstoffes sowie aufgrund der radial nach außen gerichteten, entlastend wirkenden Kräfte der Klemmhülse 15 zu einer ganz deutlichen Entlastung der Klem­ mung, so daß der Werkzeugschaft in jedem Fall aus dem Standardschaft beschädigungsfrei entnommen werden kann. Mit zunehmender Anzahl von Werkzeugwechseln wird die Schrumpfmanschette mehr und mehr "trainiert" und es wird der Entlastungseffekt nach Umwand­ lung der Schrumpfmanschette in den martensitischen Zustand immer besser. Auf diese Weise ist ein Werkzeugwechsel in dem Standardschaft 1 leicht und rasch durchführbar, wenn auch nur in einer besonderen Werkstatt, wo die entsprechenden Unterkühlungsmittel vorhanden sind. Abgesehen von dem Fall einer noch "untrainierten" Schrumpfmanschette kann eine gewisse axiale Schwergängigkeit der radial aufgeweiteten Schrumpfmanschette auf der Klemmhülse auch dadurch entstehen, daß die Schrumpfmanschette auf der Klemmhülse durch angetrocknetes und/oder verharztes Kühlmittel festgeklebt ist oder dadurch, daß die Oberflächen beider Teile örtlich durch molekulare Adhäsion aneinander haften. Um trotz einer solchen Schwergängigkeit die in den aufgeweiteten Zustand überführte Schrumpfmanschette von der Klemmhülse axial abziehen zu können, wird die Schrumpfmanschette durch eine an sie angesetzte Abzugsvorrichtung abgezogen, wofür der weiter oben erwähnte Um­ fangsspalt zwischen achssenkrechter Fläche 17 und Manschetten- Stirnseite 27 belassen worden war. Vor Ort an der Werkzeugma­ schine ist in jedem Fall mit den dort üblichen Werkstattmitteln ein Austausch der Bearbeitungswerkzeuge innerhalb eines Stan­ dardschaftes nicht, auch nicht versehentlich möglich, was durch­ aus beabsichtigt ist. Trotz der Möglichkeit des gewaltfreien Lösens der Preßverbindung 10 sitzt diese bei Raumtemperatur je­ doch dauerhaft fest.

Das Prinzip der lösbaren Klemmverbindung 10 ist auch gewisserma­ ßen umkehrbar, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist. Der dortige Standardschaft 1′ dient zur Aufnahme eines scheibenförmigen Be­ arbeitungswerkzeuges 2′ mit einer zentrischen Bohrung 26, die über eine Preßverbindung 10′ rundlaufgenau und bei hoher Halte­ kraft mit dem Standardschaft 1′ verbunden werden soll. Zu diesem Zweck ist an dem Standardschaft ebenfalls eine Klemmhülse 15′ angebracht, die das Bearbeitungswerkzeug 2′ unmittelbar auf ihrer Außenseite nach Art eines Spanndornes aufnimmt. In das Innere des solcherart gebildeten Spanndornes ist ein Verdrängungstopfen 25 aus Formgedächtnislegierung eingesteckt, der axial an einer Schulter 16′ anliegt. In austenitischem Gefügezustand weist der Verdrängungstopfen 25 ein deutliches Übermaß gegenüber der Boh­ rung innerhalb der Klemmhülse 15′ auf, wogegen aufgrund einer entsprechenden Vorbehandlung der Verdrängungsstopfen 25 in mar­ tensitischem Gefügezustand in der Öffnung innerhalb der Klemm­ hülse 15′ verschiebbar ist. Es soll hier lediglich angedeutet werden, daß das gleiche Spannprinzip, wenn auch baulich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 umgekehrt, bei Bearbei­ tungswerkzeugen 2′ mit zentrischer Bohrung 26 angewendet werden kann.

Grundsätzlich ist es denkbar, die Klemmhülse auch ganz ohne Längsschlitze auszubilden, und zwar dann, wenn die Aufnahmeboh­ rung 24 darin besonders spielarm mit dem Werkzeugschaft 12 zusam­ mengepaßt, die Klemmhülse besonders dünnwandig und die Schrumpf­ manschette 18 vergleichsweise sehr kräftig gestaltet ist. Eine solche Ausgestaltung würde der Forderung nach hoher Spanngenauig­ keit in mehrerlei Hinsicht entgegenkommen, und zwar zum einen durch das spielarme Zusammenpassen der Aufnahmebohrung mit dem Werkzeugschaft, zum weiteren durch die entsprechend geringeren Klemmwege und schließlich durch die höhere Eigensteifigkeit der ungeschlitzten Klemmhülse. Allerdings wird eine ungeschlitzte Klemmhülse bis an die Grenzen ihrer Elastizität beansprucht und es besteht die Gefahr, daß eine solche Klemmhülse Risse bekommt. Durch das Anbringen von Längsschlitzen 23, 23′′ oder von Längsnu­ ten 30 wird die Radialelastizität der Klemmhülse 15, 15′′ bzw. 15′′′ ganz erheblich gesteigert, aber durchgehende Längsschlitze 15 beeinträchtigen zugleich die Biegesteifigkeit der Klemmhülse, was sich ungünstig auf die Spanngenauigkeit der ganzen Einrich­ tung auswirken kann. In den Fig. 5 und 6 sind Möglichkeiten angedeutet, wie die Klemmhülse 15′′ bzw. 15′′′ trotz ihrer Schlit­ zung biegesteifer gestaltet werden kann.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die an der Klemmhülse 15′′ des Standardschaffes 1′′ angebrachten Längs­ schlitze 23′′ nicht bis zum freien Ende der Klemmhülse durchge­ fräst, sondern es ist beim Fräsen mit einem Scheibenfräser am freien Ende der Klemmhülse 15′′ ein zwickelförmiger oder dreieckiger Reststeg 28 stehengelassen, der in Bezug auf die Biegestei­ figkeit der Klemmhülse 15′′ sehr stabilisierend auf die beiden in Umfangsrichtung an den Längsschlitz 23′′ angrenzenden zylindri­ schen Schalen der Klemmhülse 15′′ wirkt; die Klemmhülse 15′′ nach Fig. 5 ist also wesentlich biegesteifer als die durchgehend längsgeschlitzte Klemmhülse 15 nach Fig. 1. Außerdem verhindert der Reststeg 28 ein Eindringen von Schmutz oder Fremdkörpern in den Längsschlitz 23′′ und in den Bereich des Kontaktflächenpaares zwischen Werkzeugschaft und Aufnahmebohrung zum einen und zwi­ schen Klemmhülse und Schrumpfmanschette zum anderen. Zwar ist die Klemmhülse 15′′ nach Fig. 5 in ihrem freien Endbereich gewisser­ maßen als in Umfangsrichtung geschlossener Ring ausgebildet und unterliegt in diesem Bereich beim Aufschrumpfen der Schrumpfman­ schette 18 der Gefahr von Anrissen. Dies wäre jedoch nicht weiter tragisch, weil die Risse auf einen engen Bereich lokalisiert blie­ ben und daher im Endeffekt unschädlich bleiben würden; außerdem würde die stabilisierende Wirkung der Reststege trotz etwaiger Risse zumindest bei fest aufgeschrumpfter Schrumpfmanschette er­ halten bleiben.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Standardschaftes 1′′′ ist die Klemmhülse 15′′′ mit Längsnuten 30 versehen, die im Bereich des Nutgrundes in der Wandung der Klemmhülse 15′′′ einen Nutgrundsteg 29 belassen, der ebenfalls stabilisierend auf die in Umfangsrichtung an eine Längsnut angrenzenden Wandungs­ partien der Klemmhülse 15′′′ wirken. Eine solche Klemmhülse wäre sehr stabil und infolgedessen auch sehr spanngenau. Wenn die Längsnuten 30 in ausreichender Anzahl und in ausreichender Breite angebracht werden, so kann sich gleichwohl ohne allzugroße Gefahr einer Rißbildung in der Klemmhülse 15′′′ eine genügend große Radi­ alelastizität derselben ergeben. Wenn der Nutgrundsteg 29 in Ra­ dialrichtung sehr dünn und in Umfangsrichtung sehr breit gehalten wird - dadurch wird das Klemmhülsenprofil an ein Keilwellenprofil angenähert -, so werden die Nutgrundstege sich beim Aufschrumpfen der Schrumpfmanschette 18 mit ihren mittleren, längsverlaufenden Bereichen alle rinnenartig nach außen wölben können, und zwar ohne die Gefahr, daß die Grenzelastizität ihres Werkstoffes überschritten wird. Gleichwohl können die Nutgrundstege 29 auch bei einer solchen Ausgestaltung die Klemmhülse 15′′′ zumindest in nicht oder in noch nicht vollständig geklemmtem Zustand wirksam stabilisieren und ein Festklemmen in einer genau ausgerichteten Werkzeugstellung bewirken.

Claims (9)

1. Standardschaft für rotierende Bearbeitungswerkzeuge der span­ gebenden Fertigung zur Aufnahme in eine hinsichtlich Form und Rundlaufgenauigkeit präzise gefertigte, vorzugsweise zylindrische Aufnahmeöffnung in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine oder zur Aufnahme in eine entsprechende Aufnahmeöffnung eines in eine Arbeitsspindel einsetzbaren Adapters, insbesondere Steilkegela­ dapters,

• - an dem in die Aufnahmeöffnung der Arbeitsspindel oder des Adapters einsetzbaren Ende des Standardschaftes ist ein an seinem Umfang präzise bearbeiteter, rotationssymmetrischer, vorzugsweise zylindrischer Fügezapfen angeschliffen, wobei im Falle einer zylindrischen Aufnahmeöffnung und eines Fügezy­ linders letzterer nur ein geringes Untermaß gegenüber der zy­ lindrischen Aufnahmeöffnung in der Arbeitsspindel aufweist,
• - im Standardschaft ist seinerseits das Bearbeitungswerkzeug mittels einer zylindrischen Preßverbindung dauerhaft fixiert, wobei für eine höchstmögliche Rundlaufgenauigkeit der Arbeits­ flächen des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber dem Fügezylinder des Standardschaftes gesorgt ist,
• - die zylindrische Preßverbindung zwischen Standardschaft und Bearbeitungswerkzeug ist standardschaftseitig durch eine zy­ lindrische, auf einen definierten Durchmesser bearbeitete Aufnahmebohrung und werkzeugseitig durch einen zylindrischen, im Durchmesser auf die Aufnahmebohrung abgestimmten Werkzeug­ schaft gebildet,
  gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit folgender Merkmale:
• - der Standardschaft (1) weist im vorderen axialen Bereich der Aufnahmebohrung (24) eine dünnwandige Klemmhülse (15) auf, die monolitnisch mit dem sonstigen Werkstoff des Standardschaf­ tes (1) verbunden und - auch - an ihrem Umfang mit einer zy­ lindrischen Außenfläche (20) definierten Außendurchmessers versehen ist,
• - auf die Klemmhülse (15) ist eine Schrumpfmanschette (18) aus einer Formgedächtnislegierung aufgeschoben, deren axiale Län­ ge höchstens etwa der der Klemmhülse (15) entspricht,
• - die Formgedächtnislegierung ist bezüglich ihrer Zusammenset­ zung (Legierungstyp) so ausgewählt, daß deren Austenit-Fi­ nish-Temperatur unterhalb der Arbeitstemperatur liegt,
• - die Schrumpfmanschette (18) hat folgende für die ihr zuge­ dachte Funktion relevante und aufgrund der Formgedächtnisei­ genschaft ihres Werkstoffes "erinnerbare", herstellungsbe­ dingte Zustände durchlaufen:
• - die der Klemmhülse (15) zugewandte Innenfläche (19) der Schrumpfmanschette (18) ist - ausgehend von einem auste­ nitischen Gefügezustand des Werkstoffes der Schrumpfman­ schette (18) - auf ein deutliches Untermaß gegenüber dem Außendurchmesser (D) der Klemmhülse (15) bearbeitet, so daß sich bei Paarung der Schrumpfmanschette (18) mit der Außenfläche (20) der Klemmhülse (15) rechnerisch eine hohe Vorspannung darauf ergibt,
• - die anschließend durch Unterkühlen in den martensitischem Gefügezustand überführte Schrumpfmanschette (18) ist in Umfangsrichtung so weit gedehnt worden, daß der Durchmes­ ser der Innenfläche (19) der Schrumpfmanschette (18) in martensitischem Gefügezustand ein geringes Übermaß gegen­ über der Klemmhülse (15) aufweist und die Schrumpfmanschet­ te (18) auf der Klemmhülse (15) verschiebbar ist.

2. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmhülse (15) mit Längsschlitzen (23, 23′′) oder mit Längsnuten (30) versehen ist.

3. Standardschaft nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (23′′) der Klemmhülse (15′′) mit schlitzüber­ brückenden Reststegen (28) versehen sind, die vorzugsweise ört­ lich am freien Ende der Klemmhülse (15′′) angeordnet sind (Fig. 5).

4. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmhülse (15) mit einer Schulter (16) in die Außenflä­ che des Standardschaftes übergeht und daß der Übergang von deren achssenkrechter Fläche (17) zur Klemmhülse (15) zur Abmilderung einer Kerbwirkung sauber ausgerundet ist (Ausrundung 21).

5. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Grund der Aufnahmebohrung (24) des Standardschaftes (1) eine nur schwergängig im Standardschaft (1) verschraubbare Ein­ stellschraube (11) zum Justieren der Einstecktiefe (T) des Bear­ beitungswerkzeuges (2) in die Aufnahmebohrung (24) angeordnet ist, die vorzugsweise zentrisch auf ihrer ganzen Länge zum Durch­ laß von Kühl- und Schmieremulsion axial durchbohrt (9′′) ist.

6. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (23) in der Klemmhülse (15) in Einsteck­ richtung des Bearbeitungswerkzeuges (2) kürzer (Länge L) sind als die Einstecktiefe (T) des Werkzeugschaftes (12) in die Aufnahme­ bohrung (24) des Standardschaftes (1).

7. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrumpfmanschette (18) aus einer Nickel/Titan-Legierung besteht.

8. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrumpfmanschette (18) aus einer Formgedächtnisle­ gierung mit sog. aufgeweiteter Hysterese besteht, bei der die Martensit-Start-Temperatur und die Austenit-Start-Temperatur um wenigstens 50 bis 80 Grad der Kelvinskala auseinanderliegen.

9. Standardschaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (S) der Schrumpfmanschette (18) mindestens der Wandstärke (s) der Klemmhülse (15), entspricht.