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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Werkzeughalter zum lösbaren Halten
von verschiedenen Werkzeugen, wie beispielsweise Bohrern und Fingerfräsern.
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8 zeigt einen herkömmlichen
Werkzeughalter, der an der Spindel eines Bearbeitungszentrums lösbar befestigt
ist. Er hat einen Werkzeughalteteil 40 zum lösbaren Halten
eines Werkzeuges, einen Flansch 41, der so mit der Spindel 1 verkeilt
ist, dass das Drehmoment von der Spindel übertragen wird, und einen sich
verjüngenden
Schaft 42, der so ausgebildet ist, dass er in eine in der
Spindel 1 ausgebildete, sich verjüngende Bohrung 2 eingesetzt werden
kann. Am Ende des sich verjüngenden Schaftes 42 ist
ein Zugbolzen 43 vorgesehen.
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Der
Werkzeughalter wird an die Spindel 1 gekoppelt, indem der
sich verjüngende
Schaft 42 in die Bohrung 2 der Spindel eingesetzt
wird, der Zugbolzen 43 mit einer Klemme (nicht dargestellt),
die in der Spindel aufgenommen ist, ergriffen wird und eingezogen
wird.
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Es
gibt zwei Bauarten von Werkzeughaltern, d. h. eine Einflächenhalterungsbauart,
bei der nur eine sich verjüngende
Fläche
die Spindel 1 kontaktiert und eine Zweiflächenhalterungsbauart.
Die Einflächenhalterungsbauart
ist eine Bauart, bei der die sich verjüngende Außenfläche des sich verjüngenden
Schaftes 42 mit der Innenwand der sich verjüngenden
Bohrung 2 in enge Berührung
gebracht wird, wie dies in der 8 gezeigt
ist. Die Zweiflächenhalterungsbauart
ist eine Bauart, bei der die Stirnfläche des Flansches 41 mit
der Stirnfläche
der Spindel 1 in engen Kontakt gebracht wird und die sich
verjüngende
Außenfläche 42a des
sich verjüngenden
Schaftes 42 mit der sich verjüngenden Innenwand 2a der
sich verjüngenden
Bohrung 2 in engen Kontakt gebracht wird, wie dies in der 9 gezeigt ist.
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Die
Werkzeughalter beider Bauarten haben die folgenden Probleme. Wenn
die Spindel 1 beginnt, mit hoher Geschwindigkeit von ungefähr 20.000
Umdrehungen pro Minute zu rotieren, besteht die Tendenz, dass der
Durchmesser der Bohrung 2 sich unter der Zentrifugalkraft
vergrößert, wie
dies in den 8 und 9 durch die strichpunktierten
Linien a gezeigt ist. Somit bildet sich bei der in der 8 gezeigten Einflächenhalterungsbauart
ein Spalt zwischen der sich verjüngenden
Innenfläche 2a der
Bohrung und der sich verjüngenden
Außenfläche 42a des
sich verjüngenden
Schaftes 42. Der Spalt bewirkt, dass der Werkzeughalter
weiter in die Spindel eingezogen wird, so dass das Ende des Werkzeuges
T, das vom Werkzeughalter gehalten wird, die Tendenz hat, aus der
Achse zu laufen und/oder sich axial zu verschieben. Dies macht eine
exakte maschinelle Bearbeitung schwierig.
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Bei
der in der in der 9 gezeigten
Zweiflächenhalterungsbauart
bildet sich ebenfalls ein Spalt zwischen der sich verjüngenden
Innenfläche 2a der Bohrung 2 und
der sich verjüngenden
Außenfläche 42a des
sich verjüngenden
Schaftes 42, obwohl der Werkzeughalter nicht in die Spindel
eingezogen wird. Dadurch wird die Festigkeit des Werkzeughalters
gesenkt, wodurch eine exakte maschinelle Bearbeitung unmöglich gemacht
wird.
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In
der US-A-5,775,857 ist ein Werkzeughalter zum lösbaren Halten eines Werkzeuges
offenbart, siehe beispielsweise 3,
wobei der Werkzeughalter aufweist einen Schaft 32, der
in eine sich verjüngende
Bohrung K, die in einer Spindel S eines Maschinenwerkzeuges ausgebildet
ist, eingesetzt werden kann, einen Flansch F, der an der Stirnfläche der Spindel
anschlagen kann, wenn der Schaft in die Spindel eingezogen wird,
und einen Werkzeughalteteil V zum lösbaren Halten eines Werkzeuges,
wobei der Schaft an seinem rückwärtigen Ende
in der Nähe des
Flansches eine zylindrische Fläche
hat, der Halter ferner aufweist eine sich verjüngende Hülse 31, die auf dem
Schaft montiert ist, wobei die sich verjüngende Hülse mit einer sich verjüngenden
Außenfläche versehen
ist, die mit der sich verjüngenden
Innenfläche
der sich verjüngenden
Bohrung, die in der Spindel ausgebildet ist, in engen Kontakt gebracht werden
kann, und mit einer inneren Fläche
ausgebildet ist, die so ausgebildet ist, dass sie mit der zweiten zylindrischen
Fläche
des Schaftes in engen Kontakt gebracht werden kann, und wobei die
sich verjüngende
Hülse dünn genug
ist, um nach innen elastisch verformbar zu sein, indem sie mit der
sich verjüngenden
Innenfläche
der sich verjüngenden
Bohrung des Schaftes in Berührung
gelangt. Innerhalb des Hülsenkörpers 31,
der mit dem Flanschteil 15 aus einem Stück besteht, sind elastische
Mittel 37 vorgesehen, mittels welcher von innen auf den
Hülsenkörper 31 eine
Klemmkraft ausgeübt
werden kann. Bei Ziehen des Werkzeughalters in die Aufnahme K der
Spindel wird der Hülsenkörper 31 auch
von innen belastet und aufgrund seiner Elastizität fest gegen den inneren Konus
der Aufnahme K gepresst.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Werkzeughalter
zu schaffen, der seine Steifigkeit selbst dann aufrechterhalten
kann, wenn der Innendurchmesser der Schafteinsetzbohrung größer wird,
wenn die Spindel mit einer hohen Geschwindigkeit dreht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Werkzeughalter zum lösbaren Halten eines Werkzeuges
geschaffen, wobei der Werkzeughalter aufweist einen Schaft, der
so ausgebildet ist, dass er in eine sich verjüngende Bohrung eingesetzt werden kann,
die in einer Spindel eines Maschinenwerkzeuges ausgebildet ist,
einen Flansch, der so ausgebildet ist, dass er an einer Endfläche der
Spindel anschlägt,
wenn der Schaft in die Spindel eingezogen wird, und einen Werkzeughalteteil
zum lösbaren
Halten eines Werkzeuges, wobei der Schaft an seinem Außenumfang
eine erste zylindrische Fläche
in der Nähe
seines vorderen Endes ausgebildet hat und eine zweite zylindrische
Fläche
mit einem größeren Durchmesser
als derjenige der ersten zylindrischen Fläche an seinem rückwärtigen Ende
in der Nähe
des Flansches hat, wobei der Halter ferner aufweist eine sich verjüngende Hülse, die
auf dem Schaft montiert ist, federnde Mittel, die die sich verjüngende Hülse in Richtung
auf das vordere Ende des Schaftes zu vorspannen, und Mittel zum
Verhindern, dass die sich verjüngende
Hülse von
dem vorderen Ende des Schaftes löst,
wobei die sich verjüngende
Hülse mit einer
sich verjüngenden
Außenfläche ausgebildet
ist, die so ausgebildet ist, dass sie mit der sich verjüngenden
Innenfläche
der sich verjüngenden
Bohrung, die in der Spindel ausgebildet ist, in engen Kontakt gebracht
werden kann, und einer Innenfläche,
die so ausgebildet ist, dass sie mit der zweiten zylindrischen Fläche des
Schaftes in engen Kontakt gebracht werden kann und die sich verjüngende Hülse dünn genug
ist, dass sie federnd nach innen verformt werden kann, indem sie
mit der sich verjüngenden
Innenfläche
der sich verjüngenden
Bohrung des Schaftes in Berührung
gelangt, wenn sie durch die federnden Mittel axial vorgespannt bewegt
wird.
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Wenn
bei dieser Anordnung der Innendurchmesser der Schaftbohrung der
Spindel unter der Zentrifugalkraft bei hoher Geschwindigkeit größer wird, so
dass zwischen der sich verjüngenden
Innenwand der Spindelbohrung und der sich verjüngenden Außenfläche der sich verjüngenden
Hülse ein
Spalt gebildet wird, bewegen die federnden Mittel die sich verjüngende Hülse zwangsweise
axial in eine solche Richtung, dass der Spalt in engem Kontakt mit
der sich verjüngenden
Innenwand der Spindel beseitigt wird.
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Die
Axialbewegung der sich verjüngenden Hülse vermindert
auch ihren Innendurchmesser, so dass die sich verjüngende Hülse mit
Eingriff auf die zweite zylindrische Fläche des Schaftes passt. Dies stellt
sicher, dass Werkstücke
mit dem Werkzeug mit hoher Präzision
bearbeitet werden können.
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Der
Innendurchmesser der sich verjüngenden
Hülse an
ihrem kleinen Durchmesserende sollte im Wesentlichen gleich dem
Durchmesser der ersten zylindrischen Fläche des Schaftes sein, um die
Zentripetaltendenz und die Stabilität des Werkzeughalters aufrecht
zu erhalten.
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Das
Vorsehen der hinterschnittenen Teile an dem Ende mit großem Durchmesser
der sich verjüngenden
Hülse macht
diese nach innen elastisch verformbar, wenn sie, vorgespannt durch
die federnden Mittel, in Kontakt mit der sich verjüngenden
Innenwand der Schaftaufnahmebohrung der Spindel axial bewegt wird.
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Andere
Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden
Beschreibung anhand der begleitenden Zeichnungen hervor, in welchen
zeigt:
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 eine Vorderansicht im
Vertikalschnitt eines Werkzeughalters, der diese Erfindung verkörpert;
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2 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht
des Werkzeughaltes gemäß 1;
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3 eine Schnittansicht des
Zustandes des Werkzeuges, wenn die Spindel elastisch verformt ist;
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4A eine Vorderansicht im
Vertikalschnitt einer anderen, sich verjüngenden Hülse, die die Erfindung verkörpert;
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4B eine Seitenansicht derselben;
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5A eine Vorderansicht im
Vertikalschnitt einer weiteren Bauart der sich verjüngenden
Hülse, die
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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5B eine Seitenansicht derselben;
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6A eine Schnittansicht einer
weiteren Ausführungsform
des Werkzeughalters;
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6B eine Schnittansicht des
Zustandes des Werkzeughalters, wenn die Spindel elastisch verformt
ist;
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7 eine Schnittansicht einer
weiteren Ausführungsform
des Werkzeughalters;
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8 eine Schnittansicht eines
herkömmlichen
Werkzeughalters; und
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9 eine Schnittansicht eines
weiteren, herkömmlichen
Werkzeughalters.
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DETAILLIERTE
BECHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben. Wie in der 1 gezeigt, hat der Werkzeughalterkörper 10 einen
Schaft 11, der in eine sich verjüngende Bohrung 2 eingesetzt
ist, die in der Spindel 1 eines Maschinenwerkzeuges ausgebildet
ist, einen Flansch 12, der an der Stirnfläche der
Spindel 1 anschlagen kann, wenn der Schaft 11 eingezogen
ist, und einen Werkzeughalteteil 13 zum lösbaren Halten eines
Werkzeuges. Ein Werkzeug T ist lösbar
an dem Werkzeughalteteil 13 mittels eines Spannfutters,
wie beispielsweise eines Zangenspannfutters, befestigt.
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Der
Flansch 12 hat diametral einander gegenüberliegende Keilnuten 14,
in welchen Antriebskeile 3 aufgenommen werden können, die
an dem Ende der Spindel 1 vorgesehen sind. Wenn die Antriebskeile 3 in
die Keilnuten 14 eingreifen, kann von der Spindel auf den
Werkzeughalterkörper 10 Drehmoment übertragen
werden. An der Oberfläche
des Flansches 12 ist um den Schaft 11 eine Federaufnahmeaussparung 15 ausgebildet.
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Der
Schaft 11 hat ein Gewindeloch 16, das zu dessen
Ende hin offen ist. Ein Gewindebolzen 18 am rückwärtigen Ende
eines Zugbolzens 17 wird in das Gewindeloch 16 eingeschraubt.
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Von
seinem vorderen Ende bis zu seinem rückwärtigen Ende hat der Schaft 11 an
seinem Außenumfang
eine erste zylindrische Fläche 19,
eine sich verjüngende
Fläche 20 und
eine zweite zylindrische Fläche 21.
Die sich verjüngende
Fläche 20 kann weggelassen
werden und die zweite zylindrische Fläche 21, die einen
größeren Durchmesser
als die erste zylindrische Fläche 19 hat,
kann am rückwärtigen Ende
der ersten zylindrischen Fläche 19 vorgesehen sein.
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Auf
dem Schaft 11 ist eine sich verjüngende Hülse 22 montiert. Sie
ist in Richtung auf das vordere Ende des Schaftes mittels einer
Anzahl von Tellerfedern 23 vorgespannt, die zwischen ihrer
Stirnfläche mit
dem großen
Durchmesser und dem Boden der Aussparung 15 montiert sind,
und ist durch einen Sprengring 25, der in einer in der
ersten zylindrischen Fläche 19 ausgebildeten
Nut 24 montiert ist, daran gehindert, dass sie vom Schaft
rutscht.
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Die
sich verjüngende
Hülse 22 hat
eine sich verjüngende
Außenfläche 26,
die mit der sich verjüngenden
Innenfläche 2a der
Bohrung 2 in engen Kontakt gebracht werden kann und eine
zylindrische Innenfläche 27,
die mit der zweiten zylindrischen Fläche 21 des Schaftes 11 in
engen Kontakt gebracht werden kann. Die Innenfläche 27 kann statt
dessen leicht sich verjüngend
sein. An ihrem Ende mit dem kleinen Durchmesser hat die sich verjüngende Hülse 22 einen
Durchmesser, der ungefähr
gleich dem Außendurchmesser
der ersten zylindrischen Fläche 19 ist.
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Um
diesen Werkzeughalter zu montieren, wird die sich verjüngende Hülse 22 in
die Bohrung 2 der Spindel 1 eingesetzt und der
Werkzeughalter wird dann durch Ergreifen des Zugbolzens 17 mit
einer Klemme, die im Inneren der Spindel 1 montiert ist,
in die Spindel gezogen.
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2 zeigt den Werkzeughalter
in dem in die Spindel eingezogenen Zustand. In diesem Zustand liegt
die Stirnfläche
des Flansches 12 eng an der Stirnfläche der Spindel 1 an
und die sich verjüngende
Außenfläche 26 der
sich verjüngenden
Hülse 22 befindet
sich in engem Kontakt mit der sich verjüngenden Innenfläche 2a der
Bohrung 2, wobei zwischen dem vorderen Ende der sich verjüngenden Hülse 22 und
dem Sprengring 25 ein vorbestimmter Spalt S gebildet ist.
Die Innenfläche 27 der
sich verjüngenden
Hülse 22 befindet
sich mit der zweiten zylindrischen Fläche 21 des Schaftes 11 in
engem Kontakt.
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Somit
ist der Werkzeughalter sowohl in axialer als auch in radialer Richtung
gehalten.
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Wenn
bei dem wie dargestellt montierten Werkzeughalter die Spindel 1 mit
geringer Geschwindigkeit, beispielsweise 3.000 Upm gedreht wird,
wird ihre Rotation über
die Antriebskeile 3 auf den Werkzeughalter übertragen.
Der Werkzeughalter dreht somit mit hoher Genauigkeit.
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Wenn
die Spindel 1 auf eine hohe Geschwindigkeit von ungefähr 20.000
Upm beschleunigt wird, kann der Innendurchmesser der Bohrung 2 unter
der Zentrifugalkraft größer werden.
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Wenn
dies auftritt, bildet sich zwischen der sich verjüngenden
Innenfläche 2a der
Bohrung 2 und der sich verjüngenden Außenfläche 26 der sich verjüngenden
Hülse 22 ein
Spalt. Sobald sich ein derartiger Spalt bildet, wird die sich verjüngende Hülse 22 durch
die Tellerfedern 23 in axialer Richtung gezwängt, bis
dieser Spalt verschwindet und ihre sich verjüngende Außenfläche 26 wieder in engen
Kontakt mit der sich verjüngenden
Innenfläche 2a der Bohrung 2 gelangt,
wie dies in der 3 gezeigt
ist.
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Wenn
die sich verjüngende
Hülse 22 axial bewegt
wird, wird der Durchmesser der Innenfläche 27 kleiner und
sitzt an der zweiten zylindrischen Fläche 21 fest im Presssitz.
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Der
Werkzeughalter bleibt somit gesperrt und hält seine hohe Stabilität bei. Auf
diese Art und Weise ist die hochpräzise Bearbeitung von Werkstücken möglich.
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Um
den Durchmesser der sich verjüngenden Hülse 22 zu
vermindern und um diese gegen die zweite zylindrische Fläche 21 zu
pressen, wenn die sich verjüngende
Hülse 22 durch
die Tellerfedern 23 axial bewegt wird, sollte die Hülse an ihrem
Ende mit großem
Durchmesser für
die elastische Verformung eine ausreichend kleine Wanddicke von
vorzugsweise 5 mm oder darunter haben.
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Wie
in den 4A und 4B gezeigt, können in der
zylindrischen Innenfläche 27 der
sich verjüngenden
Hülse 22 in
Winkelabständen
axiale Nuten 28 ausgebildet sein, um außerhalb der Nuten 28 dünnwandige
Teile 29 zu definieren, die die radial nach innen gerichtete
elastische Verformung der sich verjüngenden Hülse 22 erleichtern.
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Wie
in den 5A, 5B gezeigt, können in
der sich verjüngenden
Hülse 22 in
Winkelabständen
axiale Bohrungen 30 ausgebildet sein, die sich zu dem Ende
mit dem großen
Durchmesser der Hülse
hin öffnen,
um die radial nach innen gerichtete elastische Verfor mung der sich
verjüngenden
Hülse 22 zu
erleichtern. Bei diesem Beispiel ist die Innenfläche 27 in Richtung
auf das Ende mit dem großen
Durchmesser der Hülse
schräg
ausgebildet und eine zylindrische Innenfläche der Hülse 22 mit einem größeren Durchmesser
als die erste zylindrische Außenfläche 19 des
Schaftes 11 ist in der Nähe des vorderen Endes in Fortsetzung
der Innenfläche 27 ausgebildet.
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Bei
der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform
kann der Sprengring 25, der die sich verjüngende Hülse 22 gegen
ein Herabgleiten hält,
sich unter der Zentrifugalkraft bei hoher Geschwindigkeit ausdehnen
und aus der Nut 24 gelangen. Um dies zu verhindern, ist
bei der Anordnung gemäß der 6A, 6B an dem Ende mit kleinem Durchmesser
der sich verjüngenden
Hülse 22 eine
rohrförmige
Rippe 31 ausgebildet, um dem Sprengring 25 gegenüber zu liegen.
Die rohrförmige
Rippe 31 verhindert, dass der Sprengring 25 herausspringt,
indem die Ausdehnung des Sprengringes beschränkt wird.
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Die
Länge der
Rippe 31 ist so, dass die Rippe 31 nicht die sich
verjüngende
Hülse 22 an
der axialen Bewegung behindert, wenn die sich verjüngende Hülse 22 durch
die Tellerfedern 23 nach oben gezwängt wird, wie dies in der 6B gezeigt ist.
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Um
das Herausspringen des Springringes 25 zu verhindern, ist
in dem in der 7 gezeigten Werkzeughalter
der radiale Spalt 32 zwischen der inneren Umfangsfläche der
in der Spindel 1 ausgebildeten Bohrung 2 und dem
Außenumfang
des Sprengringes 25 kleiner als die Tiefe der Nut 24,
um das Maß zu
begrenzen, um welches der Durchmesser des Sprengringes 25 zunehmen
kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie vorstehend angegeben, wenn der Durchmesser der Schafteinsetzbohrung,
die in der Spindel ausgebildet ist, während der Hochgeschwindigkeitsumdrehung der
Spindel größer wird,
selbst wenn zwischen der sich verjüngenden Außenfläche der sich verjüngenden
Hülse und
der sich verjüngenden
Innenfläche
der Schafteinsetzbohrung ein Spalt bildet, die sich verjüngende Hülse durch
die federnden Mittel in eine solche Richtung bewegt, dass der Spalt
verschwindet, so dass die sich ver jüngende Außenfläche mit der sich verjüngenden
Innenfläche
in einen engen Kontakt gebracht wird.
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Wenn
die sich verjüngende
Hülse axial
bewegt wird, vermindert sich auch der Durchmesser ihrer Innenfläche und
die sich verjüngende
Hülse presst
gegen die zweite zylindrische Fläche
des Schaftes, so dass die Stabilität des Werkzeughalters aufrechterhalten
wird. Werkstücke
können
somit immer mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden.