Dämpfungselemente für Werkzeugspannsysteme
Die Erfindung betrifft Dämpfungselemente für Werkzeugspannsysteme zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die bei einer kraftschlüssigen Klemmung von Werkzeugen in einer Werkzeugaufnahme oder am Werkzeug selbst bei einer spanenden Bearbeitung auftreten.
Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente für die unterschiedlichsten technischen Gebiete zum Einsatz kommen. Formgedächtniselemente auf der Grundlage des pseudoelastischen Verhaltens werden z. B. als Feder-Dämpfungselemente und als Festkörperelemente eingesetzt, da sich die Komponenten aus Formgedächtnismaterial an eine durch eine Glühbehandlung zuvor eingeprägte Form erinnern. So werden das hohe Verformungsvermögen der Formgedächtniselemente und das gegenüber vielen Metallen hohe Dämpfungsvermögen genutzt, um beispielsweise bei Sportgeräten durch einfache Feder- Dämpfungssysteme die auf die Sportgeräte wirkenden stoß- und schwingungsartigen Belastungen bei ihrem Einsatz zu dämpfen, wie in der DE 10 2011 016 463 AI beschrieben.
Es ist bekannt, dass in Werkzeugspannsystemen Schwingungen durch die spanende Bearbeitung auftreten. Diese Schwingungen werden durch das Werkzeug in das Spannsystem eingeleitet und führen zu einer geringeren Standzeit des Werkzeuges und zu einer schlechteren Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Werkstückes. Die Reduzierung von Schwingungen in Werkzeugen und Werkzeugspannsystemen ist deshalb eine wichtige technische und ökonomische Zielsetzung. Bekannte Systeme zur Schwingungsreduzierung sind vielfach sehr aufwendig aufgebaut.
Insbesondere aktive Systeme auf der Basis von Piezokeramiken benötigen eine technisch aufwendige und kostenintensive Elektronik. Zudem wird für diese Systeme eine externe elektrische Energieanbindung benötigt, deren Zuführung meistens schwierig ist. Es ist bekannt, dass Formgedächtniselemente zwei unterschiedliche Effekte aufweisen. Einmal den thermischen Effekt, der auf der pseudoplastischen Verformung im martensitischen Zustand und der im Vergleich zum Austenit geringen Festigkeit des
Martensits beruht. Die Formänderung ist dabei bleibend. Erwärmt man anschließend das Material über die Phasen-Umwandlungs-Temperatur hinaus, so stellt sich während der Umwandlung in die austenitische Phase die ursprüngliche Form der Probe wieder ein, man spricht hier auch vom sogenannten Formgedächtnis- oder Memoryeffekt. Dieser Effekt eignet sich vorwiegend für Stellelemente bzw. Aktoren. In einem Werkzeugspannsystem kann ein solches Stellelement die Spannwirkung verstärken, indem es ab einer bestimmten Temperatur eine Form annimmt, die den Einschub eines Werkzeuges erlaubt und danach eine Form annimmt, welche die Haltekraft, die auf das Werkzeug ausgeübt wird, verbessert.
Der Fachmann unterscheidet dabei zwischen zwei verschiedenen Arten des Formgedächtnisses, nämlich dem Einweg-Effekt und dem Zweiweg-Effekt. Der Einweg- Effekt bezeichnet das Verhalten eines Formgedächtniselements, welches beim Überschreiten einer bestimmten Temperaturgrenze eine bestimmte Form annimmt. Ein deformiertes Formgedächtniselement„erinnert" sich so zu sagen an seine frühere Formgebung und kehrt beim Überschreiten der Temperaturgrenze zu dieser zurück. Wirken auf das Formgedächtniselement keine weiteren Kräfte ein bleibt diese Form auch beim Absinken der Temperatur erhalten. Der Zweiwegeffekt beschreibt ein Verhalten, bei dem ein Formgedächtniselement sowohl beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur, als auch beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur selbstständig eine bestimmte Form annimmt. Ein solches Formgedächtniselement kann also sowohl durch Erwärmen, als auch Kühlen zu einer Formänderung angeregt werden.
Bei dem anderen Effekt, der als mechanischer oder pseudoelastischer Effekt bezeichnet wird, kann man ohne Einfluss einer äußeren Temperaturänderung jedoch bei Einwirken einer äußeren Kraft reversible Dehnungen von maximal 8% erreichen. Dieser pseudoelastische Bereich ist dem Bereich der konventionellen elastischen Verformung nachgelagert. Die Verformung erfolgt dabei in der austenitischen Phase und basiert auf einer durch mechanische Spannung induzierte Martensitbildung. Nimmt man nach der Verformung die martensitbildende Kraft auf das Formgedächtniselement wieder weg, so vollzieht sich eine Rückumwandlung des Martensits in Austenit und die Dehnung geht bei nahezu konstanter Spannung wieder zurück. Es stellt sich also wieder die ursprüngliche Form des Formgedächtniselementes ein, es wandelt also mechanische in potentielle Energie um und gibt diese auch wieder frei. Während dieser spannungsinduzierten Martensitbildung stellt sich im Gegensatz zu einer konventionellen elastischen Verformung eine Umwandlungshysterese
ein. Das Maß der Hysterese entspricht dabei der dissipierten Energie. Dieses Phänomen kann demzufolge zur Dämpfung von mechanischer Energie genutzt werden und diese Eigenschaft erlaubt somit die Herstellung von sehr kompakten Festkörperdämpfungselementen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch eine Veränderung der Legierungszusammensetzung oder der thermomechanischen Vorbehandlung des Materials die Hysteresefläche und damit das Dämpfungsverhalten zu verändern. Eine weitere Veränderung des Dämpfungsverhaltens kann auch durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur hervorgerufen werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Legierungselemente bekannt, aus denen sich eine erfindungsgemäße Formgedächtnislegierung hergestellt werden kann. Beispielhaft ohne abschließende Wirkung seien als bekannte Formgedächtnismaterialien bzw. Materialzusammensetzungen genannt: Ag-Cd, Au-Cd, Cu-Al-Ni, Cu-Sn Cu-Zn, Cu-Zn-Si, C- Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Fe-Pt, Mn-Cu, Fe-Mn-Si, Co-Ni-Al, Co-Ni-Ga, Ni-Fe-Ga, Ti-Pd, Ni-Ti, Ni-Ti-Nb, Ni-Mn-Ga, wobei insbesondere Formgedächtnislegierungen auf Basis von Nickel (Ni) und Titan (Ti) für eine erfindungsgemäße Verwendung geeignet sind. Sei darauf hingewiesen, dass ein erfindungsgemäßes Formgedächtniselement nicht vollständig aus einer Formgedächtnislegierung bestehen muss, sondern auch andere Bestandteile aufweisen kann, z.B. einen Stahlkern, der dann an einer dazu vorgesehenen Seite mit einem Formgedächtnismaterial beschichtet oder vollständig umhüllt wird.
In der automatischen spanabhebenden Fertigung sind Spannwerkzeuge bekannt, deren Spannkraft über ein Druckmedium und eine radial verformbare Dehnbüchse bzw. Schrumpfmanschette auf das Werkstück übertragen wird. So ist aus der DE3909630C2 ein Spannwerkzeug zum kraftschlüssigen und hochpräzisen Klemmen von Werkstücken an definiert bearbeiteten Anlageflächen des Werkstückes mittels eines innerhalb des Spannwerkzeuges vorgesehenen Dehnelementes aus einer Legierungen mit Formerinnerungsvermögen bekannt, welches in entspanntem Zustand spielarm, aber beweglich mit dem Werkstück zusammengepasst und großflächig radial mit einer Kraft beaufschlagt ist. Um eine hohe Dehnrate des Dehnelementes bei einer geschlossenen Ausbildung zu erreichen und um die Werkstücke mit gröberen Toleranzen mit den Spannwerkzeugen zusammenzupassen, besteht das Dehnelement aus einer Formgedächtnislegierung, die so gewählt ist, dass bei der Einsatztemperatur des Spannwerkzeuges der Bereich der reversiblen, spannungsinduzierbaren
austenitisch/martensitischen Gefügeumwandlung, auch pseudoelastischer oder superelastischer Bereich genannt, vorliegt. Aus der DE 198 60 254 Cl ist weiterhin ein Spannfutter zum Spannen eines Schaftes mit einer den Schaft aufnehmenden elastischen Klemmhülse und mit einer die Klemmhülse bei geringem Spiel umgebenden Schrumpfmanschette aus einer Formgedächtnislegierung bekannt, wobei die Schrumpfmanschette auch als ein- oder mehrgängige Wendel ausgebildet ist, um ein schnelles Auswechseln von Teilen im Spannfutter zu ermöglichen, da sonst das Erwärmen des unterkühlten Spannfutters längere Zeit in Anspruch nimmt. Die Schrumpfmanschette auf der Basis von Formgedächtnislegierungen arbeitet dabei mit dem thermischen Formgedächtniseffekt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Dämpfungselemente für einfache oder modular aufgebaute Werkzeugspannsysteme zur Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die in einer Werkzeugaufnahme oder einem Werkzeug bei einer spanenden Bearbeitung auftreten, zu schaffen, die diese Schwingungen, die durch das Werkzeug oder durch die Werkzeugmaschinenspindel in das Spannsystem eingeleitet werden und zu einer geringeren Standzeit des Werkzeuges und zu einer schlechteren Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Werkstückes führen, reduzieren. In weiteren, bevorzugten Ausführungsformen wird dabei zusätzlich der Formgedächtniseffekt genutzt, um die auftretende Spannkraft zwischen Werkzeug und Werkzeughalter zu verbessern bzw. den Spalt zwischen Werkzeug und Aufnahme in der Löseposition besser zu überbrücken. Außerdem verbessert das Aufbringen von Formgedächtnislegierungen den Korrosionsschutz. Aus der US 6749376 B2 ist bereits eine Werkzeugaufnahme bekannt, die für das Einspannen von Werkzeugschäften auf Formgedächtniselemente zurückgreift. Der Erfindungsgedanke beschränkt sich dabei aber auf das Erzeugen einer ausreichenden Haltekraft. Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführungsform ist zudem, dass für die beschriebenen Werkzeughalter ein gesondertes Einspannverfahren notwendig ist, welches den Anwender zwingt spezielle Kühlvorrichtungen zum Ein- und Ausspannen anzuschaffen. Im Gegensatz dazu, kann die beschriebene Erfindung mit bereits bekannten Futtertypen verwirklicht werden. Einem Anwender ist es dadurch möglich sein bisheriges Einspannverfahren beizubehalten, ein aufwendiger und teurer Umstieg ist nicht nötig.
Die Dämpfungselemente sind dabei so auszubilden, dass sie einfach, kompakt und energieautark ausgebildet sind und die Dämpfungseigenschaften im Betriebszustand temporär veränderbar sind. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die Formgedächtnislegierungen und Formgedächtniselemente so ausgewählt und angebracht sind, dass ein angestrebtes Verhalten bei Raumtemperatur eintritt und/oder bei den Temperaturen die während der Bearbeitung oder während des Ein- und Ausspannvorgangs eintreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein aus einer Formgedächtnislegierung mit mechanischem Effekt bestehendes Dämpfungselement in einem Werkzeugspannsystem oder am Werkzeug selbst vorgesehen, derart, dass das im gespannten Zustand im Kraftfluss der gespannten Elemente vorgesehene Dämpfungselement durch eine mechanische Krafteinwirkung und der damit verbundenen kristallinen Umwandlung über seine Vorspannung in einer reversiblen und hysteresebehafteten Verformung vorliegt und zu einer Dissipation von mechanischer Energie führt, wobei die zu dämpfende mechanische Energie eine zyklische Schwingung ist oder eine nichtzyklische Überlast darstellt, die in Form der Stöße übertragen wird.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, durch eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Dämpfungselementes dessen Dämpfungsverhalten zu verändern und damit an neue Systemzustände anzupassen. Die Veränderung der Eigenschaften ist werkstoffbedingt und wird über eine Temperaturänderung initiiert. Bei einer Erhöhung der Temperatur wird dabei die Spannungs-Dehnungs-Hysterese der pseudoelastischen als Dämpfungselemente ausgebildeten Formgedächtniselemente verkleinert und die Steifigkeit der Elemente erhöht, so dass höhere Temperaturen ein weniger dämpfendes und steiferes Verhalten der Dämpfungselemente bewirken. In besonderen Fällen kann aber durch geeignete Auswahl und Behandlung der Formgedächtnislegierung auch der gegenteilige Effekt erzielt werden.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Dämpfungselemente auf Basis von Formgedächtnislegierungen verschiedene Bauformen aufweisen. Als Bauformen kommen
beispielsweise Unterlegscheiben, Tellerfedern, Ringe, Voll- oder Hohlzylinder, Biegestreifen oder Torsionsstäbe zum Einsatz. So ist dass das aus Formgedächtnismaterial vorgesehene Dämpfungselement z. B. hülsenförmig ausgebildet und entweder zwischen einem zylindrischen Schaft eines Werkzeuges und einem Aufnahmeelement einer Werkzeugaufnahme angeordnet und der zylindrische Schaft des Werkzeuges wird kraftschlüssig in einer zylinderförmigen Ausnehmung des Dämpfungselementes gehalten, oder das hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement ist zwischen einer Spannzange und dem zylindrischen Schaft des Werkzeuges angeordnet, wobei mittels einer an der Spannzange vorgesehenen Schraube eine axiale Kraft erzeugt wird, so dass das Dämpfungselement mit dem zylindrischen Schaft des Werkzeuges verbunden ist.
Bevorzugt ist für modular ausgebildete Werkzeugspannsysteme vorgesehen, dass die Werkzeugaufnahme, bei der in einem Basishalter ein Werkzeugmodul mit seinem Schaft gehalten ist, das aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement zwischen Anlageflächen im Werkzeugmodul vorgesehen ist oder dass bei einem Werkzeugspannsystem mit der Werkzeugaufnahme, bei der ein Bohrstangenhalter mit einer Bohrstange und mit einem Flansch an einem Aufnahmeelement der Werkzeugaufnahme befestigt ist, ringförmige aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselemente in axialer Anordnung an Verbindungselementen im Aufnahmeelement der Werkzeugaufnahme vorgesehen sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich am Außenumfang des Werkzeughalters ein Formgedächtniselement. Idealerweise umschließt ein solches Formgedächtniselement den Werkzeughalter ringförmig im hinteren Einspannbereich. Als besonders zweckmäßig hat sich bei einer solchen Ausgestaltung ein keilförmiger Querschnitt erwiesen, dessen Spitze in Richtung des Werkzeuges zeigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass ein nicht aus Formgedächtnismaterial bestehendes Trägerelement zum Zwecke der Dämpfung mit Formgedächtnismaterial beschichtbar ist oder das die Verbindungselemente selbst oder Teilbereiche der Verbindungselemente aus Formgedächtnismaterial ausgebildet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die Dämpfungselemente vollständig aus Formgedächtnismaterial ausgebildet sind oder dass die
Formgedächtniselemente im Kern aus einem Material ohne Formgedächtniseigenschaften ausgebildet sind, welches mit Formgedächtnismaterial beschichtet ist.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die Dämpfungselemente auf dem mechanischen oder pseudoelastischen Formgedächtniseffekt basieren. Durch ihre besonderen elastischen Eigenschaften benötigen die passiven Dämpfungselemente auf der Basis von Formgedächtnislegierungen zum einen deutlich weniger Bauraum als herkömmliche Dämpfungsprinzipien. Auch das mit dem Gewicht und der Baugröße der Dämpfungselemente verbundene Trägheitsmoment ist damit deutlich geringer als bei herkömmlichen Dämpfungselementen. Dies sorgt für geringere Unwuchten im System. Der Vorteil der sehr kompakten Bauweise von aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementen besteht darin, dass ohne eine Zunahme der Abmessungen von Werkzeugen oder Spannsystemen und ohne eine Zuführung von externer elektrischer Energie Werkstücke mit einer besseren Oberflächenqualität bei gleichzeitig verbesserter Werkzeugstandzeit gefertigt werden kann.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der Erwärmungsprozess zur Veränderung bzw. Justierung der Dämpfungseigenschaften mittels einer elektrischen Bestromung auf der Basis des Eigenwiderstandes des Formgedächtniselementes extern regelbar oder steuerbar vorgesehen ist.
Eine ebenso bevorzugte Ausführungsform wird auch darin gesehen, dass der Erwärmungsprozess zur Veränderung bzw. Justierung der Dämpfungseigenschaften autark durch eine Temperaturänderung der Umgebung vorgesehen ist. In diesem Fall zeigt das Dämpfungselement adaptive Funktionalitäten, da es sich in Bezug auf seine Dämpfungseigenschaften an seine Umgebung anpassen kann.
Zusätzlich zu den hier beschriebenen Dämpfungseigenschaften wird in besonders bevorzugten Ausführungsformen auch eine Verbesserung der Spannkraft durch den Formgedächtniseffekt erzielt. Die dazu nötigen Temperaturänderung werden dabei idealerweise in die üblichen Anwendungen integriert. Eine Möglichkeit besteht zum Beispiel darin, eines oder mehrere Formgedächtniselemente in ein Schrumpffutter zu integrieren. Je nach Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung werden dann verschiede Effekte
genutzt. In einem ersten Schritt wird das Schrumpffutter erwärmt um durch die dadurch entstehende Aufweitung einen Werkzeugschaft einführen zu können. Das mindestens eine Formgedächtniselement ist dabei entweder so im Schrumpffutter angebracht, dass es der Dehnbewegung des Werkzeughalters folgen muss, oder es nimmt durch die Temperaturänderung unabhängig von der Dehnbewegung des Schrumpffutters eine Form an, die es erlaubt einen Werkzeugschaft einzuführen. Kühlt das Schrumpffutter bei eingesetztem Werkzeugschaft ab, verändert sich die Form des mindestens einen Formgedächtniselements in einer Art und Weise, dass dieses besonders stark an dem Werkzeugschaft anliegt. Neben der bereits beschriebenen Dämpfungseigenschaft wird dadurch auch die Presskraft auf den Werkzeugschaft verstärkt.
Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Verwendung von Formgedächtniselementen nicht auf die Nutzung in Schrumpffuttern erschöpft. Als Beispiel für ein nicht thermisches Verfahren sei hier ein so genanntes Hydrodehnspannfutter beschrieben. Da bei diesem Futtertyp während des Einspannvorgangs keine Temperaturänderung erfolgt, kommt dem Formgedächtnis an anderer Stelle Bedeutung zu. Durch die Verwendung von Kühlmitteln, die entweder durch den Werkzeugschaft oder durch das Futter geführt werden, entsteht im Spannbereich des Werkzeugschaftes eine Temperatur die geringer ist als die im Allgemeinen übliche Raum- bzw. Umgebungstemperatur. Dies ist insbesondere der Fall wenn zur Kühlung Fluide oder Gase verwendet werden, die bei niedrigen Temperaturen gelagert werden und/oder bei Verdampfung der Umgebung Wärme entziehen. Als Beispiel sei hier die Werkzeugkühlung mit Kohlenstoffdioxid (C02) genannt. Durch das Unterschreiten einer bestimmten Temperatur im Spannbereich des Werkzeugschafts verändert mindestens ein, im Werkzeughalter angebrachtes, Formgedächtniselement seine Form in einer Art und Weise, dass dieses besonders stark an dem Werkzeugschaft anliegt. Neben der bereits beschriebenen Dämpfungseigenschaft wird dadurch auch die Haltekraft auf den Werkzeugschaft verstärkt.
Eine weitere erfindungsgemäße Umsetzung ergibt sich aus der Kombination von Formgedächtniselementen mit einem Spannfutter mit CFK-Hülse, eine solche Werkzeugaufnahme ist z.B. der DE 10 2013 108 209 zu entnehmen. Bei diesem Futtertyp wird nicht auf den Werkzeughalter sondern auf einen Werkzeugschaft thermisch Einfluss genommen. Durch ein starkes Abkühlen eines Werkzeugschaftes verringert sich dessen
Außendurchmesser. Dieser„geschrumpfte" Werkzeugschaft wird dann in den Werkzeughalter eingesetzt. Durch ein Ausdehnen des Werkzeugschafts bei Raumtemperatur entsteht in der Folge eine Haltekraft zwischen Werkzeug und Werkzeughalter. Dieser Spannvorgang kann durch das Aufbringen einer Formgedächtnislegierung oder das Einbringen von Formgedächtniselementen in den Werkzeugschaft unterstützt werden. Durch das Abkühlen nimmt die Formgedächtnislegierung bzw. mindestens ein Formgedächtniselement eine Form an, welche die Verringerung des Außendurchmessers unterstützt. In der Praxis kann dies etwa durch ein stab förmiges Formgedächtniselement erfolgen, dass außen am Werkzeugschaft aufgebracht ist. Bei Raumtemperatur hat dieses Formgedächtniselement eine Formgebung durch welche es den Außendurchmesser erhöht. Wird der Außendurchmesser des Werkzeugschaftes durch Abkühlen verringert, nimmt das Formgedächtniselement eine Form an, die kleiner oder gleich dem Außendurchmesser des übrigen Werkzeugschaftes ist. Dadurch kann der Abschnitt auf dem das Formgedächtniselement aufgebracht ist in den Werkzeughalter eingeführt werden.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Formgedächtnislegierung die bei Wiedererreichen der Raumtemperatur oder bei Erreichen der Arbeitstemperatur eine Form annimmt, die die Haltekraft zwischen Werkzeugschaft und Werkzeughalter verstärkt. Durch das Bestreben, wieder seine ursprüngliche Form anzunehmen, kommt es zu einer verstärkten Anlage zwischen dem Werkzeugschaft mit dem aufgebrachten Formgedächtniselement und dem Werkzeughalter.
Es versteht sich dabei von selbst, dass die Formgebung des Formgedächtniselements dabei nicht auf stabförmig begrenzt ist, sondern verschiedenartig, etwa als Anordnung eines oder mehrerer ringförmig Elemente oder als eine den Schaft ganz oder teilweise umschließende Hülle.
Die vorteilhafte Verwendung von Formgedächtnislegierung auf Werkzeugschäfte ist dabei nicht auf dieses Beispiel begrenzt. Natürlich können auch Werkzeugschäfte die nicht zur Verwendung in Spannfuttern mit CFK-Hülse vorgesehen sind erfindungsgemäß um mindestens ein Element aus einem Formgedächtnismaterial ergänzt werden. Bevorzugt wird dabei auf das Dämpfungsverhalten des Schaftwerkzeugs im Werkzeughalter Einfluss genommen. Die Formgebung der Aufgebrachten Formgedächtniselemente kann dabei
abhängig von den jeweiligen Erfordernissen und/ oder den Schaftdurchmessern gewählt werden. Neben dem Aufbringen einer dünnen Schicht aus einem Formgedächtnismaterial, sind auch weitere Formgebungen zielführend, etwa einer oder mehrere quer zur Rotationsachse verlaufende ring- oder teilringförmige Formgedächtniselemente die den Werkzeugschaft im Einspannbereich ganz oder teilweise umschließen. Weiterhin sind auch stabförmige Formgedächtniselemente denkbar, die parallel zur Rotationsachse verlaufen oder hülsenförmige Formgedächtniselemente die den Schaft ganz oder teilweise umschließen. Es ist besonders bevorzugt, diese Formgedächtniselemente in dafür vorgesehene Nuten am Werkzeugschaft anzuordnen.
Eine weitere bevorzuge Ausführungsform sieht vor auf dem Schaft einer Werkzeuges verschiedenen Formgedächtniselementen anzuordnen, die nach den auftretenden Temperaturen das Verhalten der Werkzeuges positiv beeinflussen. Es können auch Werkzeugschäfte speziell für den Einsatz in Werkzeughaltern mit besonders starker Kühlung, etwa durch verflüssigtes Kohlenstoffdioxid (C02) legiert werden oder speziell für die Verwendung mit thermischen Spannverfahren.
Besonders zu betonen ist, dass eine Beschichtung mit einer Formgedächtnislegierung und/ oder das Aufbringen von Formgedächtniselementen auf einen Werkzeugschaft insbesondere dann von Vorteil ist, wenn es sich um den separaten Schaftabschnitt eines Einschraubwerkzeuges handelt. Zum einen, weil der separate Schaftabschnitt unabhängig vom einschraubbaren Arbeitsabschnitt bearbeitet, insbesondere legiert, werden kann; zum anderen, weil ein separater Schaftabschnitt über einen längeren Zeitraum verwendet wird, da bei Abnutzungserscheinungen im Regelfall nur der ein- und ausschraubbarem Arbeitsabschnitt ersetzt wird. Ein solches System aus einschraubbaren Fräserkopf und separatem Schaftabschnitt ist etwa in DE 10 2012 100 976 AI offenbart.
Die Beschichtung bestimmter Abschnitte bei Werkzeughaltern ist dabei nicht auf den Aufnahmebereich für Schaftwerkzeuge beschränkt. Auch der Einspannbereich mit dem der Werkzeughalter in die Werkzeugspindel eingespannt wird kann mit einem Formgedächtnismaterial optimiert werden. Bevorzugt wird dabei auf die Anlagefläche des Einspannbereichs des Werkzeughalters eine dünne Schicht aus einem Formgedächtnismaterial aufgebracht. Bein einem Einzug des Werkzeughalters in die Spindel befindet sich diese
Schicht dann zwischen dem Einspannbereich des Werkzeughalters und dem Anlageflächen der Spindel. Durch den pseudoelastischen Effekt kommt es sowohl zu einer Dämpfung zischen Spindel und Werkzeughalter, als auch zu einer verbesserten Anlage und schließlich auch zu einer Erhöhung der Haltekraft, die aus der elastischen Verformung resultiert.
Durch die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten von Formgedächtnismaterialien sowohl zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften als auch zur Erhöhung der Spannkraft, ebenso durch die Möglichkeit während der Verwendung auf verschiedene Temperaturbereiche zurückzugreifen, kann es sinnvoll sein, Elemente aus verschiedenen Formgedächtnislegierungen, mit zum Teil verschiedenen Eigenschaften in einem Werkzeughalter oder an einem Werkzeug zu verwenden. Diese unterschiedlichen Eigenschaften können dabei aus unterschiedlichen Legierungselementen, unterschiedlichen Anteilen bei der Zusammensetzung der Legierungselemente und/ oder verschiedenen Wärmebehandlungen resultieren.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, Formgedächtniselemente zur Dämpfung von auftretenden Schwingungen und Stößen auch in Kühlmittelführenden Bohrungen und/oder Nuten anzubringen. Verzugsweise wird hierzu eine Formgedächtnislegierung verwendet, die in Abhängigkeit von der Werkzeug- und/oder der Bearbeitungstemperatur den Ausfluss von Kühlmittel in einer Art und Weise regulieren, die zu einer besonders gewünschten Temperatur im Scheidenbereich führt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sie zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für Schaftwerkzeuge in einem Schrumpffutter mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für
Schaftwerkzeuge in einem Spannfutter mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für ein modulares Werkzeugsystem mit einem Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial;
Fig. 4 ein Werkzeugmodul mit einem Formgedächtniselement in Form einer
Tellerfeder;
Fig. 5 ein Werkzeugmodul mit einem Formgedächtniselement in Form einer
Unterlegscheibe;
Fig. 6 ein Werkzeugmodul mit konzentrisch angeordneten Formgedächtniselementen in Stiftform;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit koaxial angeordneten Formgedächtniselementen.
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit einem Formgedächtniselementen in Form einer innenliegenden Hülse und einem im Querschnitt keilförmigen, ringförmigen Dämpfungselement aus einem Formgedächtnismaterial am Außenumfang.
Fig.9 ein Ausführungsbeispiel mit stabförmigen Formgedächtniselementen in einer
Werkzeugaufnahme .
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel mit ringförmigen Formgedächtniselementen in einer
Werkzeugaufnahme .
Fig. IIa und Fig. IIb ein Ausführungsbeispiel mit stabförmigen
Formgedächtniselementen an einem Werkzeugschaft in zwei verschiedenen Zuständen.
Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel mit einer HSK-Schnittstelle mit einer aufgebrachten
Legierung aus Formgedächtnismaterial.
Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel mit einer Messerkopfaufnahme mit einer aufgebrachten Legierung aus Formgedächtnismaterial.
Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel mit eines Messerkopfes mit stabförmigen
Formgedächtniselementen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme für Schaftwerkzeuge im gespannten Zustand. Die Werkzeugaufnahme kann z. B. als thermisches Schrumpffutter, Hydrodehnspannfutter oder für dergleichen Werkzeugspannsysteme mit radialer Spannkraftrichtung auf einen zylindrischen Werkzeugschaft vorgesehen werden. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Schneidwerkzeug 1 (Fräs-, Bohr-, Gewindeschneidwerkzeug) mit einem zylindrischen Schaft 2 in einer Werkzeugaufnahme 3 aufgenommen. In einem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 ist in einer zylinderförmigen Ausnehmung 5 ein hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildetes Dämpfungselement 6 vorgesehen, das mit seiner Mantelfläche 7 in der zylinderförmigen Ausnehmung 5 des Aufnahmeelementes 4 kraftschlüssig durch eine Pressverbindung befestigt ist. in der zylinderförmigen Ausnehmung 8 des hülsenförmigen Formgedächtniselementes 6 ist der zylindrischem Schaft 2 beispielsweise eines Schneidwerkzeuges 1 kraftschlüssig durch eine Pressverbindung befestigt, so dass das hülsenförmige Dämpfungselement 6 zwischen dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 und dem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 angeordnet ist. Durch diese Anordnung des erfindungsgemäßen hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementes 6 erfährt das im Kraftfluss liegende Dämpfungselement 6 über seine Vorspannung eine reversible und hysteresebehaftete Verformung und bewirkt aufgrund seiner pseudoelastischen Eigenschaften die Dämpfung von Schwingungen und Stößen, die an den Anlageflächen des Schneidwerkzeuges 1 in der Werkzeugaufnahme 3 bei einer spanenden Bearbeitung auftreten.
In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Werkzeugaufnahme mittels einer Spanneinrichtung dargestellt. In dem Aufnahmeelement 4 der Werkzeugaufnahme 3 ist eine Kegelbohrung 9 angeordnet, in die in herkömmlicher Weise eine Spannzange 10 eingesetzt ist. Zwischen der Spannzange 10 und dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 ist ebenfalls das hülsenförmig aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 6 angeordnet. Durch Betätigung einer zentralen Schraube 11 wird eine axiale Kraft erzeugt und die Spannzange 10 in die Kegelbohrung 9 gezogen, so dass sich Spannsegmente 12 der
Spannzange 10 an das hülsenförmige aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 6 anlegen und das Dämpfungselement 6 zusammen mit dem zylindrischen Schaft 2 des Schneidwerkzeuges 1 radial verspannt wird. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung des Dämpfungselementes 6 erfährt das im Kraftfluss liegende Dämpfungselement 6 über seine Vorspannung eine reversible und hysteresebehaftete Verformung und bewirkt aufgrund seiner pseudoelastischen Eigenschaften die Dämpfung von Schwingungen und Stößen.
Die Figuren 3, 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für Einsatz eines aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselementes 13 in modularen Werkzeugsystemen. Die Werkzeugaufnahme 3 besteht in dem modular aufgebauten Werkzeugsystem aus einem Basishalter 14 mit einer Innenbohrung 15 und einer radial angeordneten Spannschraube 16 , in die ein Werkzeugmodul 17 mit seinem Schaft 18 eingesteckt und mittels Spannschraube 16 z. B. mit einer Kegelspitze durch Einschrauben in eine Kegelbohrung 19 eines Schaftes 18 des Werkzeugmoduls 17 befestigt wird. Zwischen Anlageflächen 20 und 21 des Werkzeugmoduls 17 und des Basishalters 14 ist das aus Formgedächtnismaterial ausgebildete Dämpfungselement 13 angeordnet. Das Dämpfungselement 13 ist beispielsweise entsprechend 4 als Tellerfeder, entsprechend 5 als Unterlegscheibe oder entsprechend 6 als Stift ausgebildet. Im gespannten Zustand befindet sich das Dämpfungselement 13 im Kraftfluss der gespannten Elemente und erfährt eine reversible und hysteresebehaftete Verformung.
Figur 7 zeigt den Einsatzbereich von beispielsweise zwei aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten hülsenförmigen Dämpfungselementen 26 in einem lang auskragenden Bohrstangenhalter eines modular ausgebildeten Werkzeugsystems. Eine Bohrstange 22 wird mit einem Flansch 23 an einem Aufnahmeelement 24 der Werkzeugaufnahme 3 mittels Schrauben 25 oder Gewindeelementen befestigt und zwischen den Schrauben 25 und dem Aufnahmeelement 24 sind hülsenförmige Dämpfungselemente 26 angeordnet, so dass sich die hülsenförmigen Dämpfungselemente 26 im Kraftfluss der Spannelemente in koaxialer Anordnung befinden. Die dargestellten Dämpfüngselemente 26 werden auf Druck beansprucht. Die Ausführung für eine Biegebeanspruchung ist ebenfalls vorgesehen. Im gespannten Zustand befinden sich die Dämpfungselemente 26 im Kraftfluss der gespannten Elemente und erfahren eine reversible und hysteresebehaftete Verformung. In einer weiteren
nicht näher dargestellten Ausführungsform ist eine konzentrische Anordnung der Dämpfungselemente 26 vorgesehen. Die Schrauben 25 oder Teilbereiche der Schrauben 25 können in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Formgedächtnismaterial bestehen. Figur 8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Werkzeugaufnahme 3 ohne eingespanntes Werkzeug. Ein hülsen- oder teilhülsenförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial 6 ist im hinteren Bereich des Aufnahmeelements 4 befestigt. Zusätzlich ist die Werkzeugaufnahme 3 noch von einem im Querschnitt keilförmigen, ringförmigen Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial 13b umschlossen um das Schwingungsverhalten zusätzlich zu verbessern.
Die Figur 9 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Werkzeugaufnahme 3, bei der stabförmige Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6b in dafür vorgesehenen zylinderförmigen Ausnehmungen 5b des Aufnahmeelementes 4 angebracht sind. Die Darstellung zeigt dabei die ausgedehnten Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6b überzeichnet um ihre Funktion besser verständlich zu machen. Wird ein nicht dargestellter Werkzeugschaft in die Aufnahmeöffnung eingeführt, würden die Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6b durch eine elastische Verformung zwischen Aufnahmeelement 4 und dem nicht gezeigten Werkzeugschaft verspannt. In einer alternativen Ausführungsform nehmen die Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6b durch das Einwirken von thermischer Energie bei einem Einspannvorgang mit einem Schrumpffutter eine zur Rotationsachse hin flachere Form an. Vorzugsweise weisen die zylinderförmigen Ausnehmungen 5b des Aufnahmeelementes 4 an ihren beiden entsprechend freie Bereiche auf um entsprechende Dehnung bzw. Umformung resultierend aus dem Formgedächtniseffekt nicht zu behindern. Weiterhin kann das Aufnahmeelement 4 zusätzliche, parallel zu den stabförmigen Dämpfungselementen aus Formgedächtnismaterial 6b verlaufende Entlastungsnuten 27 aufweisen. Die Nute 27 können in der Verbindung mit der Kühlmitteldurchgangsbohrung 28 auch als kühlmittelführende Nuten verwendet werden. Sie 27 würden in diesem Fall durch den nicht gezeigten Schaft eines Schaftwerkzeuges begrenzt.
Die Figur 10 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform einer Werkzeugaufnahme 3, bei der (teil-)ringförmige Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6c in dafür vorgesehenen ringförmigen Ausnehmungen 5 c des Aufnahmeelementes 4 angebracht sind.
Die Darstellung zeigt dabei die ausgedehnten Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6c überzeichnet um ihre Funktion besser verständlich zu machen. Wird ein nicht dargestellter Werkzeugschaft in die Aufnahmeöffnung eingeführt, würden die Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6c durch eine elastische Verformung zwischen Aufnahmeelement 4 und dem nicht gezeigten Werkzeugschaft verspannt. In einer alternativen Ausführungsform nehmen die Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6c durch das Einwirken von thermischer Energie bei einem Einspannvorgang mit einem Schrumpffutter eine zur Rotationsachse hin flachere Form an. Vorzugsweise sind die Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial 6c dazu teilringförmig ausgebildet und weise zwischen ihren Enden einen Freiraum auf, die um entsprechende Dehnung bzw. Umformung resultierend aus dem Formgedächtniseffekt nicht zu behindern. Weiterhin kann das Aufnahmeelement 4 zusätzliche, parallel zu den (teil-)ringförmigen Dämpfungselementen aus Formgedächtnismaterial 6c verlaufende Entlastungsnuten 27 aufweisen. Die Figuren I Ia und I Ib zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsform am Werkzeugschaft eines Schneidwerkzeuges 1. In diesem Ausführungseispiel, weißt der Werkzeugschaft mindestens eine Nut 5d auf die so ausgebildet ist, dass sie ein Formgedächtniselement 6d aufnehmenden kann. Um das Verständnis zu erleichtern ist dabei das Maß in dem das stabförmige Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form I 6d den weiteren Außenumfang des Werkzeugschaftes überragt übertrieben dargestellt. In diesem Beispiel sind mehrere stabförmige Dämpfungselemente aus Formgedächtnismaterial in Form I 6d am Werkzeugschaft angebracht. Durch thermische Einflussnahme, also durch ein Abkühlen oder Erhitzen wird das Formgedächtnismaterial dazu angerecht seine Form zu verändern. Es wandelt sich somit zu einem stabförmigen Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form II 6e. Durch diese Verringerung des Außenumfangs wird ein Einführen in die Aufnahme einer Werkzeugaufnahme erleichtern, wenn nicht sogar erst ermöglicht. Durch eine erneute Temperaturveränderung, vorzugsweise die Rückkehr zur Raumtemperatur oder das Erreichen der Arbeitstemperatur verändert das Formgedächtniselement seine Form wieder zu einem stabförmigen Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form I 6d. Da der ursprüngliche Außenumfang des Abschnitts mit mindestens einem solchen stabförmige Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form I 6d den Innendurchmesser einer, in dieser Figur nicht gezeigten, Werkzeugaufnahme vorzugsweise leicht übersteigt, kommt es neben der Dämpfungswirkung auch zu Verstärkung
der Haltekraft. Es versteh sich von selbst, dass die Formgebung des Formgedächtniselementes nicht auf diese Stabform begrenzt ist, sondern auch verschiedentlich, etwa ring-, teilringförmig, hülsen- oder teilhülsenförmig ausgebildet sein kann. Insbesondere sei auch darauf verwiesen, dass das Formgedächtniselement auch nur als eine dünne Schicht am Werkzeugschaft ausgeprägt sein kann.
Die Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform an der Schnittstelle eines Werkzeughalters 3 mit einer nicht gezeigten Spindel. Im vorliegenden Beispiel wurde auf eine so genannte HSK-Schnittstelle ein Dämpfungselement in Form einer Beschichtung aus Formgedächtnismaterial 6f aufgebracht. Für die erfindungsgemäße Verwendung wird vorzugsweise nur eine dünne Schicht an den Anlagestelle mit der Spindel aufgebracht. Es versteht sich von selbst, dass die Eigenschaften und die Materialdicke Formgedächtnislegierung so gewählt werden, dass zwar die Dämpfungswirkung eintritt, der Werkzeughalter aber nicht in einem Maße federnd nachgibt, das die Einspanngenauigkeit beeinträchtigt. Durch den pseudoelastischen Effekt kommt es sowohl zu einer Dämpfung zischen Spindel und Werkzeughalter 3, als auch zu einer verbesserten Anlage und schließlich auch zu einer Erhöhung der Haltekraft, die aus der elastischen Verformung resultiert.
Die Figur 13 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform an den Anlageflächen eines Werkzeughalters 3 zur Aufnahme von Messerköpfen. Auf den Anlagebereich zwischen der Messerkopfaufnahme und einem, wie in Figur 14 gezeigten Messekopf lb, wird am Werkzeughalter ein Dämpfungselement in Form einer Beschichtung aus Formgedächtnismaterial 6f aufgebracht. Weiterhin können die Mitnehmersteine 29 ebenfalls mit einem Formgedächtnismaterial beschichtet werden, oder als ein Formgedächtniselement ausgebildet sein, das ganz oder teilweise aus einem Formgedächtnismaterial besteht.
Durch den pseudoelastischen Effekt kommt es sowohl zu einer Dämpfung zischen Werkzeughalter 3 und Messerkopf lb, als auch zu einer verbesserten Anlage und schließlich auch zu einer Erhöhung der Haltekraft, die aus der elastischen Verformung resultiert.
Die Figur 14 zeigt die Umsetzung der Erfindung an einem Messerkopf lb. Da bei einem Messekopf lb das Werkzeug auf den Zapfen 30 einer Messerkopfaufnahme aufgeschoben wird, befinden sich die erfindungsgemäßen Dämpfungselemente 6b in den Nuten 5b an der
Innenseite des Messerkopfs lb. Dadurch wird eine erfindungsgemäße Dämpfung zwischen Werkzeughalter 3 und dem Werkzeug, in diesem Fall einem Messerkopf lb erreicht. Weitere Vorteile ergeben sich ähnlich den Beschreibung zu den Figuren 9, 10 und 11. Es versteht sich von selbst, dass es ebenso möglich ist die Anbringung der Dämpfungselemente 6b innerhalb des Systems umzukehren, das heißt, die Nuten 5b sowie die zugehörigen Dämpfungselemente 6b am Zapfen 30 des Werkzughalters 3 auszubilden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Ausführungsbeispiele, sondern ist im Einsatz der aus Formgedächtnismaterial ausgebildeten Dämpfungselemente variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmale bzw. Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus den Zeichnungen entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind. Weiterhin geht es eindeutig aus der Beschreibung hervor, das die erfindungsgemäße Lehre sich sowohl in einem Werkzeughalter, an einem Werkzeug, als auch an einem Messekopf verwirklichen lässt.
Bezugszeichenliste
1 S chneidwerkzeug
lb Messerkopf
2 zylindrischer Schaft
3 Werkzeugaufnahme
4 Aufnahmeelement
5 zylinderförmige Ausnehmung des Aufnahmeelementes
5b zylinderförmige Ausnehmung des Aufnahmeelementes
5c ringförmige Ausnehmung des Aufnahmeelementes
5d zylinderförmige Ausnehmung des Aufnahmeelementes
6 hülsenförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
6b stabförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
6c (teil-)ringförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
6d stabförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form I
6e stabförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial in Form II
f Dämpfungselement in Form einer Beschichtung aus Formgedächtnismaterial Mantelfläche
8 zylinderförmige Ausnehmung des Formgedächtniselementes
Kegelbohrung
10 Spannzange
11 zentrale Schraube
12 Spannsegmente
13 ring- oder stiftförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial 13b ringförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial außen 14 Basishalter
15 Innenbohrung
16 Spannschraube
17 Werkzeugmodul
18 Schaft des Werkzeugmoduls
19 Kegelbohrung
20 Anlagefläche des Werkzeugmoduls
21 Anlagefläche des Basishalters
22 Bohrstange
23 Flansch
24 Aufnahmeelement
25 Schraube
26 hülsenförmiges Dämpfungselement aus Formgedächtnismaterial
27 Entlastungs- oder Kühlmittelnut
28 Kühlmitteldurchgangsbohrung
29 Mitnehmersteine
30 Zapfen