WO2009092365A1 - Dehnspanneinrichtung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Dehnspanneinrichtung und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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Peter Tausend
Ralf Gerstenberger
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WTE Präzisionstechnik GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a Dehnspanninnate, which consists of a base body and a thin-walled expansion sleeve made of steel, which is connected to form a closed, annular pressure chamber by means of a solder at least at its axial end portions with the base body, wherein the pressure chamber under elastic deformation of the expansion with a Pressure medium can be acted upon to realize a clamping action for a male tool or workpiece.
  • the expansion-tensioning device provided in a working spindle of a machine tool or with an interface is in turn capable of e.g.
  • Dehnspannfutter Clamping shank tools by internal clamping (drill, end mill) or external clamping (side milling cutter, workpiece bore) to receive fixing.
  • Such expansion chucks are then referred to as Dehnspannfutter or Dehnspanndorne.
  • the invention relates to a method for producing such a Dehnspann appearance.
  • Dehnspann headphonesen are well known in various embodiments and are used for high-precision clamping of components, in particular tool shanks or convincedinnenfact.
  • the expansion bush which is located on the base body radially inward (expansion chuck) or outside (Dehnspanndorn) deformed and thus the tension cylindrical or equipped with a bore components completed (DE 100 07 074 A1).
  • these components can be both tools and workpieces to be machined.
  • the Dehnspann headphones may be formed directly on the work spindle or machine side with a correspondingly formed machine interface, with which it is connected to the work spindle, are equipped.
  • the object of the present invention is to propose a Dehnspann worn and a method for their production, which ensure a high-strength, but elastic connection of the base body and expansion sleeve.
  • a Dehnspann driving is provided with a solder joint, in which by about the Stengelkristallite each other "toothed" joint partners approximately the strength of the process-influenced base material, in particular with regard to the static and dynamic strength and the shear strength is achieved In the axial direction, a high elasticity of the solder joint is maintained., As a result, a Dehnspann nails be provided, with the larger torques are transferable to the components to be clamped.Furthermore, it is possible by reducing the soldering length at the tool end of the Dehnspann nails, a to achieve a much stiffer arrangement of the part to be clamped.
  • Advantageous developments of the invention are characterized in the claims 2 and 3.
  • Fig. 1 is a sectional side view of a Dehnspann raised invention in the form of a Dehnspannfutter in a first embodiment
  • Fig. 2 is a sectional side view of a Dehnspann raised invention in the form of a Dehnspannfutters in another embodiment
  • Fig. 3 is a solder joint on the Dehnspann engaged invention with trained stem crystallites in the magnification 200: 1
  • FIGS. 1 and 2 show an expansion chuck 1 which is shown by way of example as a stretch chuck (DIN 69893-1 part 7).
  • This consists of a base body 2 and a thin-walled expansion sleeve 3, which is inserted into a receiving bore 4 provided on the base body 2 and connected to the base body 2 to form a closed, annular pressure chamber 5 by means of a solder 6 at least at its axial end regions 7.
  • the pressure chamber 5 by means of a pressure element via feed channels for elastic deformation of the expansion sleeve 3 with a pressure medium 8, preferably hydraulic oil, acted upon to realize a clamping action for a male tool or workpiece (not shown). If the pressure is correspondingly reduced, the expansion sleeve 3 springs back into its starting position and the object can be removed.
  • the design of the solder joint can have a wide variety of shapes, such as also shown in Fig. 2, have.
  • further connection points between body 2 and expansion sleeve 3 can be equipped with the soldering.
  • the joining partners, the base body 2 and the expansion sleeve 3, consist of steels 10, 11 with different carbon and / or chromium content, Fe-C clusters and / or Fe-Cr clusters separate from the carbon and high-temperature brazing alloys
  • columnar crystallites 9 grow over the soldering seam to the lower-alloyed joining partner, which is alloyed accordingly.
  • Differences in the C content of 0.2 to 2.5% and / or in the Cr content of 4 to 28% are particularly advantageous between the joining partners.
  • the carbon-bearing and / or chromium-poor steel 10 is used for the base body 2 and the carbon and / or chromium-rich Steel 11 for the expansion sleeve 3, so obtained after tempering a composite material of a "soft" body 2 to protect the machine interface with a hard wear-resistant expansion sleeve 3 allows for component picking.
  • the same high-strength, elastic soldered connection is formed even in the choice of the higher-alloyed steel 11 for the main body 3 and the lower-alloyed steel 10 for the expansion sleeve 2. This may be either alone to the C content, the Cr content or both Act ingredients in combination.
  • a Dehnspann trails 1 an expansion sleeve 3, preferably from 1.2379 (X155CrVMo 12-1) with a C content of 1, 55% and a Cr content of 12%, in a receiving bore 4 of a lower alloyed body 2, preferably from 1.2343 (X38CrMoV 5-1) with a C content of 0.38% and a Cr content of 5%, to be soldered high-strength with pure Cu solder.
  • the base body 2 is a steel 10 with lower carbon and chromium content
  • the expansion sleeve 3 is made of a steel 11 exists, which has a higher carbon and chromium content compared to the base body.
  • the soldering gap width is in a range of 10 to 50 ⁇ m.
  • the expansion sleeve 3 and body 2 are vacuum-soldered in a temperature range from 900 0 C to 1200 0 C and a holding time of 5 to 30 min. This results in a high-strength solder joint, as shown in Figure 3 in an enlargement.
  • this connection has strength values similar to those of the basic body 2.
  • the inventive configuration of the soldering results in a structure according to FIG. 3, wherein the soldering 4 is designed such that a tooth-like soldering structure with soldering partners connecting through columnar crystallites 9 builds up through the parameters according to the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dehnspanneinrichtung, welche aus einem Grundkörper und einer dünnwandigen Dehnbüchse aus Stahl besteht, die unter Bildung einer geschlossenen, ringförmigen Druckkammer mittels eines Lotes zumindest an ihren axialen Endbereichen mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei die Druckkammer unter elastischer Verformung der Dehnbüchse mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, um eine Spannwirkung für ein aufzunehmendes Werkzeugs zu realisieren. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dehnspanneinrichtung. Während es Aufgabe der Erfindung ist, eine Dehnspanneinrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen, die eine hochfeste, aber elastische Verbindung von Grundkörper und Dehnbüchse absichern, wird diese bei einer gattungsgemäßen Dehnspanneinrichtung dadurch gelöst, dass der Grundkörper (2) und die Dehnbüchse (3) aus Stählen mit unterschiedlichen Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt bestehen, so dass bei der Verbindung von Grundkörper (2) und Dehnbüchse (3) durch Löten ein hochfester Fügeverbund durch Bildung von Stengelkristalliten (9) infolge des Auflegierens des Stahles (10) mit dem geringeren Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt entsteht. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Dehnspanneinrichtung, bei dem ein Grundkörper mit einer Dehnbüchse durch Hochtemperaturlöten verbunden wird, erfolgt die Lösung der Aufgabenstellung dadurch, dass für den Grundkörper (2) und die Dehnbüchse (3) Stähle mit unterschiedlichen Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt verwendet werden, der Lötspalt 10 bis 150μm beträgt, die Lötung in einem Temperaturbereich von 900-1200°C und bei einer Haltezeit der Löttem eratur 1 bis 30 min erfolgt.

Description

Dehnspanneinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Dehnspanneinrichtung, welche aus einem Grundkörper und einer dünnwandigen Dehnbüchse aus Stahl besteht, die unter Bildung einer geschlossenen, ringförmigen Druckkammer mittels eines Lotes zumindest an ihren axialen Endbereichen mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei die Druckkammer unter elastischer Verformung der Dehnbüchse mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, um eine Spannwirkung für ein aufzunehmendes Werkzeug oder Werkstück zu realisieren. In Abhängigkeit davon, ob die Dehnbüchse durch ihre elastische Verformung den Durchmesser einer Bohrung verringert oder den Durchmesser einer zylindrischer Aufnahme vergrößert, ist die in einer Arbeitspindel einer Werkzeugmaschine oder mit einer Schnittstelle versehene Dehnspanneinrichtung in der Lage ihrerseits z.B. spanende Schaftwerkzeuge durch Innenspannung (Bohrer, Schaftfräser) bzw. Außenspannung (Scheibenfräser, Werkstückbohrung) fixierend aufzunehmen. Derartige Dehnspanneinrichtungen werden dann als Dehnspannfutter bzw. Dehnspanndorne bezeichnet. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dehnspanneinrichtung.
Dehnspanneinrichtungen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen allgemein bekannt und werden zum hochgenauen Spannen von Bauteilen, insbesondere Werkzeugschäften oder Werkzeuginnenaufnahmen eingesetzt. Zum Spannen wird die Dehnbüchse, die sich am Grundkörper befindet radial nach innen (Dehnspannfutter) oder außen (Dehnspanndorn) verformt und damit die Spannung zylindrischer oder mit einer Bohrung ausgestatteter Bauteile vollzogen (DE 100 07 074 A1). Bei diesen Bauteilen kann es sich sowohl um Werkzeuge als auch zu bearbeitende Werkstücke handeln. Dabei kann die Dehnspanneinrichtung direkt an der Arbeitsspindel ausgebildet sein oder maschinenseitig mit einer entsprechend ausgebildeten Maschinenschnittstelle, mit der sie mit der Arbeitsspindel verbunden wird, ausgestattet werden.
Bei den bekannten Dehnspanneinrichtungen sind der Grundkörper und die Dehnbüchse aus demselben Stahlwerkstoff, insbesondere hinsichtlich des Kohlenstoff- und/oder Chromgehaltes, bestehend und an ihren axialen Endbereichen durch Hochtemperaturlöten miteinander verbunden. Dabei hat sich das Hochtemperaturlöten unter Schutzgas oder im Vakuum durchgesetzt und es wird eine relativ fehlerfreie Lötverbindung erzielt. Die Festigkeit der Verbindung liegt allerdings nur bei ca. 25% der Festigkeit des Grundwerkstoffes, weil die Lötverbindung durch getrennte Bereiche der zu verbindenden Bauteile der Dehnspanneinrichtung (Grundkörper, Dehnbüchse) durch das dazwischen liegende Lot gekennzeichnet ist. Weiterhin macht sich in axialer Erstreckung eine große Verbindungslänge der Lötung erforderlich, damit zumindest die vorstehenden Festigkeitsanforderungen erfüllt werden können.
Diese Lötverbindungsstelle wird durch die auftretenden hohen Drücke, der Wechselbelastung im Betrieb und durch Wärmespannungen während der Herstellung der Verbindung stark beansprucht, was zum Bruch der Fügeverbindung führen kann. Die Verbindungsstelle zwischen Grundkörper und Dehnbüchse stellt somit eine hauptsächliche Schwachstelle der Dehnspanneinrichtung dar. Die Festigkeit dieser bestimmt entscheidend die Druckbeaufschlagbarkeit der Dehnbüchse und begrenzt somit das für den Spannvorgang relevante übertragbare Drehmoment zwischen Dehnspanneinrichtung und zu dem zu spannenden Bauteil.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Dehnspanneinrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung vorzuschlagen, die eine hochfeste, aber elastische Verbindung von Grundkörper und Dehnbüchse absichern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Dehnspanneinrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das zur Aufgabenlösung beitragende Verfahren aus dem Patentanspruch 4 hervorgeht.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine Dehnspanneinrichtung mit einer Lötverbindung zur Verfügung gestellt wird, bei der durch die über die Stengelkristallite ineinander „verzahnten" Fügepartner annähernd die Festigkeit des verfahrensbeeinflussten Grundwerkstoffes, insbesondere hinsichtlich der statischen und dynamischen Festigkeit und der Scherfestigkeit, erzielt wird. In Axialrichtung wird eine hohe Elastizität der Lötverbindung beibehalten. Im Ergebnis kann eine Dehnspanneinrichtung zur Verfügung gestellt werden, mit der größere Drehmomente auf die zu spannenden Bauteile übertragbar sind. Weiterhin ist es möglich, durch die Verringerung der Lötlänge am werkzeugseitigen Ende der Dehnspanneinrichtung, eine deutlich steifere Anordnung des zu spannenden Teiles zu erzielen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 charakterisiert.
Bevorzugte verfahrentechnische Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen 5 und 6 hervor.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dehnspanneinrichtung in Form eines Dehnspannfutters in einer ersten Ausführungsform
Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Dehnspanneinrichtung in Form eines Dehnspannfutters in einer weiteren Ausgestaltungsform
Fig. 3 eine Lötverbindung an der erfindungsgemäßen Dehnspanneinrichtung mit ausgebildeten Stengelkristalliten in der Vergrößerung 200:1
In den Fig. 1 und 2 ist eine beispielhaft als Dehnspannfutter (DIN 69893-1 Teil 7) dargestellte Dehnspanneinrichtung 1 dargestellt. Diese besteht aus einem Grundkörper 2 und einer dünnwandigen Dehnbüchse 3, welche in eine am Grundkörper 2 vorgesehene Aufnahmebohrung 4 eingesetzt ist und unter Bildung einer geschlossenen, ringförmigen Druckkammer 5 mittels eines Lotes 6 zumindest an ihren axialen Endbereichen 7 mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Dabei ist die Druckkammer 5 mittels eines Druckelementes über Zuführkanäle zur elastischen Verformung der Dehnbüchse 3 mit einem Druckmedium 8, vorzugsweise Hydrauliköl, beaufschlagbar, um eine Spannwirkung für ein aufzunehmendes Werkzeug oder Werkstück (nicht dargestellt) zu realisieren. Wird der Druck entsprechend vermindert federt die Dehnbüchse 3 in ihre Ausgangslage zurück und der Gegenstand kann entnommen werden.
Die Gestaltung der Lötverbindung kann dabei unterschiedlichste Formen, wie u. a. auch in Fig. 2 dargestellt, aufweisen. Alternativ können auch nicht gezeigte weitere Verbindungsstellen zwischen Grundkörper 2 und Dehnbüchse 3 mit der Lötung ausgestattet werden. Dadurch, dass die Fügepartner, der Grundkörper 2 und die Dehnbüchse 3, aus Stählen 10,11 mit unterschiedlichen Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt bestehen, scheiden sich beim Hochtemperaturlöten Fe-C-Cluster und/oder Fe-Cr-Cluster vom kohlenstoff- und/oder chromreicheren Fügepartner ab, es erfolgt eine Stengelkristallbildung in deren Ergebnis Stengelkristallite 9 über die Lötnaht hinweg zum niedrigerlegierten Fügepartner wachsen, der entsprechend auflegiert wird. Besonders vorteilhaft sind zwischen den Fügepartnern Unterschiede im C-Gehalt von 0,2 bis 2,5% und/oder im Cr-Gehalt von 4 bis 28% anzusehen. Dabei wird das Bestreben der unterschiedlich legierten Stähle genutzt, einen Legierungsgleichgewichtszustand zu erreichen. Das Lot 6 dient hierbei als Verbindungsmedium zwischen Grundkörper 2 und Dehnbüchse 3. Im Ergebnis entsteht eine hochfeste Lötverbindung mit ineinander „verzahnten" Fügepartnern, die neben einer hohen Elastizität in Axialrichtung annähernd die Festigkeit (deutlich höhere statische und dynamische Festigkeit, Torsionsbelastbarkeit, Scherfestigkeit und Dauerfestigkeit) des verfahrensbeeinflussten Grundwerkstoffes erreicht. Durch eine derartige Verbindung ist es möglich, die Druckbeaufschlagung der Dehnbüchse 3 zu erhöhen, um wesentlich höhere Drehmomentübertragungen von der Dehnspanneinrichtung 1 auf das zu spannende Bauteil zu erreichen. Weiterhin kann die bisher benötigte große Verbindungslänge der Lötung deutlich reduziert werden. Somit wird insbesondere am werkzeugseitigen Ende der Dehnbüchse 3 einer deutlich steiferen Anordnung erreicht. Verwendet man den kohlenstoff- und/oder chromärmeren Stahl 10 für den Grundkörper 2 und den kohlenstoff- und/oder chromreicheren Stahl 11 für die Dehnbüchse 3, so erzielt man nach dem Vergüten einen Werkstoffverbund der einen „weichen" Grundkörper 2 zum Schutz der Maschinenschnittstelle mit einer harten verschleißfesteren Dehnbüchse 3 für die Bauteilaufnahme ermöglicht. Entsprechend der Erfindung entsteht die gleiche hochfeste, elastische Lötverbindung auch bei der Wahl des höherlegierten Stahles 11 für den Grundkörper 3 und des niedrigerlegierten Stahles 10 für die Dehnbüchse 2. Dabei kann es sich sowohl allein um der C-Gehalt, den Cr-Gehalt oder beide Bestandteile in Kombination handeln.
Gemäß einer verfahrensmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist es zur Herstellung einer Dehnspanneinrichtung 1 vorgesehen, eine Dehnbüchse 3, vorzugsweise aus 1.2379 (X155CrVMo 12-1) mit einem C-Gehalt von 1 ,55% und einem Cr-Gehalt von 12%, in einer Aufnahmebohrung 4 eines niedrigerlegierten Grundkörpers 2, vorzugsweise aus 1.2343 (X38CrMoV 5-1) mit einem C-Gehalt von 0,38% und einem Cr-Gehalt von 5%, hochfest mit reinem Cu-Lot zu verlöten. Somit handelt es sich beim Grundkörper 2 um einen Stahl 10 mit geringeren Kohlenstoff- und Chromgehalt, während die Dehnbüchse 3 aus einem Stahl 11 besteht, der gegenüber dem Grundkörper einen höheren Kohlenstoff- und Chromgehalt aufweist. Die Lötspaltbreite liegt in einem Bereich von 10 bis 50μm. Die Dehnbüchse 3 und Grundkörper 2 werden vakuumverlötet in einem Temperaturbereich von 9000C bis 12000C und bei einer Haltezeit von 5 bis 30 min. Dabei entsteht eine hochfeste Lötverbindung, wie sie in der Figur 3 in einer Vergrößerung dargestellt ist. Diese Verbindung weist durch die festigkeitssteigernden Stengelkristalitte 9 Festigkeitswerte ähnlich dem Werkstoff des Grundkörpers 2 auf. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lötung entsteht eine Struktur entsprechend der Fig. 3, wobei die Lötung 4 derart ausgebildet ist, dass sich durch die erfindungsgemäßen Parameter eine verzahnungsähnliche Lötstruktur mit sich durch Stengelkristallite 9 verbindenden Lötpartnern aufbaut.
Bezugszeichenliste
1 Dehnspanneinrichtung
2 Grundkörper 3 Dehnbüchse
4 Aufnahmebohrung
5 Druckkammer
6 Lot
7 Endbereich 8 Druckmedium
9 Stengelkristallite
10 kohlenstoff- und/oder chromärmerer Stahl
11 kohlenstoff- und/oder chromreicherer Stahl

Claims

Patentansprüche
1. Dehnspanneinrichtung, welche aus einem Grundkörper und einer dünnwandigen Dehnbüchse aus Stahl besteht, die unter Bildung einer geschlossenen, ringförmigen Druckkammer mittels eines Lotes zumindest an ihren axialen Endbereichen mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei die Druckkammer unter elastischer Verformung der Dehnbüchse mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, um eine Spannwirkung für ein aufzunehmendes Werkzeugs zu realisieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) und die Dehnbüchse (3) aus Stählen mit unterschiedlichen Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt bestehen, so dass bei der Verbindung von Grundkörper (2) und Dehnbüchse (3) durch Löten ein hochfester Fügeverbund durch Bildung von Stengelkristalliten (9) infolge des Auflegierens des Stahles (10) mit dem geringeren Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt entsteht.
2. Dehnspanneinrichtung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) den Stahl (10) mit dem geringeren und die Dehnbüchse (3) den Stahl (11) mit dem höheren Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt beinhaltet.
3. Dehnspanneinrichtung nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnbüchse (3) den Stahl (10) mit dem geringeren und der Grundkörper (2) den Stahl (11) mit dem höheren Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt beinhaltet.
4. Verfahren zur Herstellung einer Dehnspanneinrichtung, bei dem ein Grundkörper mit einer Dehnbüchse durch Hochtemperaturlöten verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den Grundkörper (2) und die Dehnbüchse (3) Stähle mit unterschiedlichen Kohlenstoff- und/oder Chromgehalt verwendet werden, der Lötspalt 10 bis 150μm beträgt, die Lötung in einem Temperaturbereich von 900-12000C und bei einer Haltezeit der Löttemperatur 1 bis 30 min erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Dehnspanneinrichtung nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied im Kohlenstoffgehalt zwischen Grundkörper (2) und Dehnbüchse (3) 0,1% bis 2,5% beträgt.
6. Verfahren zur Herstellung einer Dehnspanneinrichtung nach Patentanspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied im Chromgehalt zwischen Grundkörper (2) und Dehnbüchse (3) 4% bis 28% beträgt.
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