DE102016123728A1

DE102016123728A1 - Dehnspannhülse, Werkzeughalter mit einer solchen Dehnspannhülse sowie Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs

Info

Publication number: DE102016123728A1
Application number: DE102016123728.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kunschir; Michael Hacker; Günter EBERT
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-07
Also published as: FR3059579A1; AT519493A2; HUP1700510A2; MX2017015262A; CN108161044A; US20180154454A1; AT519493A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dehnspannhülse für ein Dehnspannfutter, mit einem ersten und einem zweiten Lagerabschnitt, einem Spannabschnitt, der an einem Werkzeugschaft angreifen kann, und einem Schubabschnitt, der zwischen dem Spannabschnitt und dem ersten Lagerabschnitt angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Werkzeughalter mit einer solchen Dehnspannhülse, wobei eine Anlagefläche für einen werkzeugseitigen Anschlag vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs mittels eines Dehnspannfutters, bei dem in einem ersten Schritt ein Schaft des Werkzeugs in das Dehnspannfutter eingesetzt wird, dann das Dehnspannfutter mit Druck beaufschlagt wird, so dass ein Spannabschnitt des Dehnspannfutters den Werkzeugschaft in radialer Richtung spannt und ein Schubabschnitt des Dehnspannfutters den Werkzeugschaft in axialer Richtung verschiebt, so dass ein werkzeugseitiger Anschlag gegen eine Anlagefläche eines Werkzeughalters mit einer axialen Mindestspannkraft beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dehnspannhülse für ein Dehnspannfutter, mit einem ersten und einem zweiten Lagerabschnitt sowie einem Spannabschnitt, der an einem Werkzeugschaft angreifen kann. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Werkzeughalter mit einer solchen Dehnspannhülse sowie ein Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs.
Dehnspannfutter für Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie dienen dazu, ein Werkzeug in einem Werkzeughalter einzuspannen. Sie weisen allgemein ausgedrückt eine Druckkammer auf, die mit einem unter hohen Druck stehenden Medium beaufschlagt werden kann (meist Hydrauliköl), sodass die Dehnspannhülse elastisch verformt wird. Dadurch greift sie an einen Schaft des Werkzeugs an, der in die Dehnspannhülse eingesetzt ist. Hierdurch ergibt sich eine reibschlüssige Verbindung zwischen dem Werkzeugschaft und der Dehnspannhülse.
Zusätzlich können mechanische Verriegelungsmittel verwendet werden, um den Werkzeugschaft in einer bestimmten Position zu arretieren und/oder das übertragbare Drehmoment zu erhöhen.
Der Vorteil von hydraulischen Dehnspannfuttern liegt darin, dass die Werkzeuge mit geringem Aufwand zuverlässig gespannt werden können. Der Nachteil besteht allerdings darin, dass die Steifigkeit, mit der die Werkzeuge in dem Spannfutter aufgenommen werden, nicht für alle Anwendungen optimal ist. Weiterhin müssen die Dehnspannfutter, um die Steifigkeit zu erhöhen, vergleichsweise große Abmessungen haben. Daher werden für einige Anwendungen, beispielsweise das Bearbeiten von Ventilsitzen, Werkzeugaufnahmen verwendet, die auf dem Eingriff von zwei Kegelflächen ineinander beruhen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Dehnspannfutter zu schaffen, das geringe Abmessungen aufweist und es ermöglicht, ein Werkzeug mit hoher Steifigkeit einzuspannen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Dehnspannfutter der eingangs genannten Art ein Schubabschnitt vorgesehen, der zwischen dem Spannabschnitt und dem ersten Lagerabschnitt angeordnet ist. Die Aufgabe wird auch gelöst durch einen Werkzeughalter mit einer solchen Dehnspannhülse, wobei eine Anlagefläche für einen werkzeugseitigen Anschlag vorgesehen ist. Schließlich wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs mittels eines Dehnspannfutters, bei dem in einem ersten Schritt ein Schaft des Werkzeugs in das Dehnspannfutter eingesetzt wird, dann das Dehnspannfutter mit Druck beaufschlagt wird, sodass ein Spannabschnitt des Dehnspannfutters den Werkzeugschaft in radialer Richtung spannt und ein Schubabschnitt des Dehnspannfutters den Spannabschnitt und damit den Werkzeugschaft in axialer Richtung verschiebt, sodass ein werkzeugseitiger Anschlag gegen eine Anlagefläche eines Werkzeughalters beaufschlagt wird.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, den Druck, der in der Druckkammer des Dehnspannfutters wirkt, in zwei verschiedene Verformungen der Dehnspannhülse umzusetzen: eine radiale Verformung des Spannabschnittes, mittels der der Werkzeugschaft gespannt wird, und eine axiale Verschiebung des Spannabschnittes, hervorgerufen durch eine Verformung des Schubabschnittes. Durch die axiale Verschiebung des Spannabschnittes wird der Werkzeugschaft und damit das Werkzeug insgesamt in axialer Richtung verschoben, sodass es gegen eine werkzeugseitige Anlagefläche gespannt werden kann. Die werkzeugseitige Anlagefläche kann dazu dienen, das zwischen dem Werkzeughalter und dem Werkzeug übertragbare Drehmoment zu erhöhen. Insbesondere dient die werkzeugseitige Anlagefläche aber dazu, die Steifigkeit zu erhöhen, mit der das Werkzeug im Werkzeughalter eingespannt ist.
Der Schubabschnitt kann, in einem Querschnitt betrachtet, mindestens einen sich schräg zur Mittelachse des Spannabschnittes erstreckenden Schenkel aufweisen. Mit einer solchen Geometrie kann eine radiale Verformung des Schenkels mit sehr geringem Aufwand in eine axiale Verschiebung des Spannabschnittes umgesetzt werden.
Vorzugsweise weist der Schubabschnitt zwei Schenkel auf, die ineinander übergehen und sich vorzugsweise in entgegengesetzten Richtungen schräg zur Mittelachse des Spannabschnittes erstrecken. Die beiden Schenkel bilden zusammen eine Ausbauchung, sodass ein freier Ringraum auf der Innenseite der Schenkel um den Werkzeugschaft herum gebildet ist. Wenn von außen ein Druck ausgeübt wird, wirken die beiden Schenkel ähnlich wie ein Kniehebelmechanismus, der den Spannabschnitt vom ersten Lagerabschnitt weg beaufschlagt.
Zwischen den beiden Schenkeln kann innenseitig eine Entlastungsnut vorgesehen sein, um eine Kerbwirkung an dieser Stelle zu verringern. Über die Verringerung der Kerbwirkung hinaus kann mit der Entlastungsnut auch die Steifigkeit des Schubabschnittes eingestellt werden. Für die optimale Spannwirkung muss darauf geachtet werden, dass der Spannabschnitt im Werkzeugschaft zuerst in radialer Richtung spannt, bevor der Schubabschnitt den Spannabschnitt in axialer Richtung verstellt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Schubabschnitt an den ersten Lagerabschnitt angrenzt. Dieser kann sich wiederum an einem Widerlager im Werkzeughalterkörper in axialer Richtung abstützen. Bei dieser Gestaltung können die sich beim axialen Verschieben des Spannabschnittes ergebenden Reaktionskräfte ohne Umweg direkt im Werkzeughalterkörper abgestützt werden.
Eine Entlastungsnut kann auch angrenzend an den Schubabschnitt vorgesehen sein. Falls der Schubabschnitt zwei Schenkel aufweist, können auf den beiden Seiten des Schubabschnittes entsprechende Entlastungsnuten vorgesehen sein. Diese dienen wie auch die innenseitig vorgesehene Entlastungsnut dazu, Kerbspannungen zu vermeiden. Außerdem kann durch die Abmessungen der Entlastungsnut die Spannkraft beeinflusst werden, bei der der Schubabschnitt die gewünschte axiale Verschiebung erzeugt.
Vorzugweise ist vorgesehen, dass der zweite Lagerabschnitt axial außerhalb des Spannabschnittes angeordnet ist. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der zweite Lagerabschnitt in axialer Richtung im Werkzeughalterkörper festgelegt ist. Diese Geometrie erleichtert es dem Spannabschnitt, sich vom ersten Lagerabschnitt weg zu verschieben.
Vorzugsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass zwischen dem zweiten Lagerabschnitt und dem Spannabschnitt ein sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckender, ringförmiger Federabschnitt angeordnet ist. Der Federabschnitt dient dazu, den Spannabschnitt in radialer Richtung steif zu lagern, während gleichzeitig die gewünschte axiale Verschiebung zugelassen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Lagerabschnitt einen zum ersten Lagerabschnitt gewandten Kragen aufweist. Der Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, dass eine definierte Fläche zum druckdichten Verbinden der Dehnspannhülse mit dem Werkzeughalterkörper definiert ist. Beispielsweise kann die Dehnspannhülse mit dem Werkzeughalterkörper verlötet werden.
Die am Werkzeughalter vorgesehene Anlagefläche ist vorzugsweise ein Konus. Mit diesem kann eine automatische Zentrierung des Werkzeugs erzielt werden, wenn es mittels des Spannabschnittes gegen die Anlagefläche beaufschlagt wird. Außerdem kann durch die Keilwirkung eines Konus das maximal übertragbare Drehmoment besonders stark gesteigert werden.
Vorzugsweise ist der zweite Lagerabschnitt mittels seiner Umfangsfläche fest im Werkzeughalterkörper aufgenommen. Dies erhöht bei Belastungen in radialer Richtung die Steifigkeit, mit der das Werkzeug im Werkzeughalter aufgenommen ist.
Die Dehnspannhülse kann grundsätzlich unmittelbar in den Werkzeughalterkörper eingesetzt und dort dicht mit diesem verbunden werden, sodass zwischen der Dehnspannhülse und dem Werkzeughalterkörper die Druckkammer gebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, um die Dehnspannhülse herum eine Dichthülse anzuordnen, sodass ein in sich abgeschlossenes Dehnspannfutter gebildet ist, das nach Art einer Kartusche in einem Werkzeughalterkörper eingesetzt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesem zeigen:

- 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Werkzeughalter mit darin aufgenommenen Werkzeug;
- 2 in einer vergrößerten Ansicht die im Werkzeughalter von 1 aufgenommene Dehnspannhülse;
- 3 in einer Schnittansicht eine Dehnspannhülse mit darin aufgenommenem Werkzeugschaft vor dem Spannen; und
- 4 in einer Ansicht entsprechend derjenigen von 3 die Dehnspannhülse und den Werkzeugschaft nach dem Spannen.

In 1 ist in einem Schnitt ein Werkzeughalter 1 gezeigt, der einen Werkzeughalterkörper 2 aufweist. Mittig durch den Werkzeughalter erstreckt sich eine Aufnahmeöffnung 9, in die ein Schaft 3 eines hier schematisch angedeuteten Werkzeugs 4 eingesetzt werden kann.
Bei dem Werkzeug kann es sich beispielsweise um einen Bohrer oder einen Fräser handeln. Grundsätzlich kann jedes Bearbeitungswerkzeug eingesetzt werden, das präzise so gespannt werden soll, dass hohe Dreh- und Biegemomente übertragen werden können.
Am Werkzeug 4 ist ein Anschlag 5 vorgesehen, der hier als Außenkonus ausgebildet ist. Der Anschlag 5 liegt, wenn das Werkzeug 4 im Werkzeughalter 1 angespannt ist, an einer Anlagefläche 7 auf, die am Werkzeughalterkörper vorgesehen ist. Die Anlagefläche ist hier als Innenkonus ausgeführt. Der Konuswinkel der Anlagefläche 7 und des Anschlags 5 betragen in der Größenordnung von 3 bis 45°. Alternativ kann der Anschlag auch als axiale Plananlage, als Kegel-Plananlage oder als Zylinder-Plananlage ausgeführt werden.
Das Werkzeug 1 ist hier als Dehnspannfutter ausgebildet. Zu diesem Zweck ist im Werkzeughalterkörper 2 eine Dehnspannhülse 10 angeordnet, die zwischen sich und dem Werkzeughalterkörper 2 einen Druckraum 12 abgrenzt. Dieser kann in an sich grundsätzlich bekannter Weise mittels eines Mediums (beispielsweise Hydrauliköl) unter Druck gesetzt werden, sodass der Werkzeugschaft 3 in radialer Richtung innerhalb der Dehnspannhülse gespannt wird.
Der Aufbau der Dehnspannhülse 10 wird nachfolgend mit Bezug auf 2 von links nach rechts beschrieben, also beginnend auf der Außenseite zum Inneren des Werkzeughalters hin.
Die Dehnspannhülse 10 weist einen ersten Lagerabschnitt 14 auf, der in einem Aufnahmeabsatz 15 im Werkzeughalterkörper 2 liegt. Der erste Lagerabschnitt 14 dient in axialer Richtung als eine Begrenzung des Druckraumes 12.
Der Lagerabschnitt 14 ist ein Kreisring, der konzentrisch zur Mittelachse M angeordnet ist. Dies gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Abschnitte der Dehnspannhülse 10, die sich ebenfalls hülsenartig entlang der Mittelachse M und konzentrisch mit dieser erstrecken.
An den ersten Lagerabschnitt 14 schließt sich ein Schubabschnitt 16 an, der gebildet wird durch zwei schräg zur Mittelachse M ausgerichtete Schenkel 18, 20. Ausgehend vom ersten Lagerabschnitt 14 erstreckt sich der erste Schenkel 18 schräg nach außen, während sich der zweite Schenkel schräg nach innen streckt.
Der Winkel der Schenkel 18, 20 relativ zur Mittelachse beträgt in der Größenordnung von 3 bis 45°.
An das vom ersten Lagerabschnitt 14 abgewandte Ende des Schubabschnittes 16 schließt sich ein Spannabschnitt 22 an, der als Hülse mit im Wesentlichen konstantem Innendurchmesser ausgefüllt ist. Der Innendurchmesser des Spannabschnittes 22 und des ersten Lagerabschnittes 14 definiert im Wesentlichen den Durchmesser der Aufnahmeöffnung 9, die sich durch den Werkzeughalterkörper 2 erstreckt.
An das vom ersten Lagerabschnitt abgewandte Ende des Spannabschnittes 22 schließt sich ein Federabschnitt 24 an, der sich im Wesentlichen in radialer Richtung nach Außen erstreckt. In der Praxis kann der Federabschnitt geringfügig konisch angestellt sein, ähnlich wie eine Tellerfeder.
An den Außenumfang des ringförmigen Federabschnittes 24 schließt sich ein zweiter Lagerabschnitt 26 an. Der Lagerabschnitt 26 weist eine Umfangsfläche auf, mit der er in radialer Richtung am Außenumfang einer Abstütznut 28 anliegt, sowie einen Kragen 30, der beim gezeigten Ausführungsbeispiel dem ersten Lagerabschnitt 14 zugewandt ist und am Boden der Aufnahmenut anliegt.
Der Kontakt des Kragens 30 mit dem Boden der Aufnahmenut 28 begrenzt den Druckraum 12 auf der vom ersten Lagerabschnitt 14 abgewandten Seite.
Die Dehnspannhülse 10 ist mit dem Werkzeughalterkörper 2 im Bereich des ersten Lagerabschnittes 14 und des zweiten Lagerabschnittes 28 dicht verbunden. Insbesondere kann die Dehnspannhülse eingelötet sein.
Am Übergang zwischen dem ersten Lagerabschnitt 14 und dem ersten Schenkel 18, am Übergang zwischen den beiden Schenkeln 18, 20, am Übergang zwischen dem zweiten Schenkel 20 und dem Spannabschnitt 22 sowie am Übergang vom Federabschnitt 24 zum Lagerabschnitt 26 können Entlastungsnuten 38 vorgesehen sein.
Der Druckraum 12 kann über eine in 1 angedeutete Versorgungsbohrung 40 mit Druck beaufschlagt werden. Dies führt dazu, dass der Spannabschnitt 22 komprimiert wird, sodass er in radialer Richtung gegen den Werkzeugschaft 3 gespannt wird.
Wenn der Druck im Druckraum 12 weiter erhöht wird, werden auch die Schenkel 18, 20 nach innen zur Mittelachse M hingedrückt. Dadurch wird der Spannabschnitt 22 vom ersten Lagerabschnitt 14 weggeschoben, sodass auch der im Spannabschnitt 22 gespannte Werkzeugschaft 3 in axialer Richtung verschoben wird (siehe den Pfeil P in 4). Durch Vergleich der 3 und 4 ist diese Wirkung gut erkennbar.
In 3 ist der Ausgangszustand gezeigt, in dem sich der Schubabschnitt 16 nach außen ausbauchend um den Werkzeugschaft 3 herum erstreckt.
In 4 ist zu sehen, dass der Schubabschnitt 16 in radialer Richtung komprimiert wurde, wodurch der Spannabschnitt 22 in axialer Richtung (bezogen auf 4) nach rechts verschoben wurde. Dies ist insbesondere daran zu erkennen, dass der Federabschnitt 24 an seinem radial inneren Umfang ebenfalls nach rechts verschoben wurde.
Aufgrund der axialen Bewegung des im Spannabschnitt aufgenommenen Werkzeugschaftes wird der Anschlag 5 des Werkzeugschaftes 3 fest in die Anlagefläche 7 des Werkzeughalters 1 gezogen, sodass das Werkzeug 4 dort präzise und mit hoher Steifigkeit fixiert ist.
Die sich beim Spannen ergebende Verformung der Dehnspannhülse 10 ist in 4 zur Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt. Der axiale Hub des radial innenliegenden Endes des Federabschnittes 24 beträgt in der Praxis in der Größenordnung von 10 bis 100 Mikrometern.

Claims

Dehnspannhülse (10) für ein Dehnspannfutter, mit einem ersten und einem zweiten Lagerabschnitt (14, 26) sowie einem Spannabschnitt (22), der an einem Werkzeugschaft (3) angreifen kann, gekennzeichnet durch einen Schubabschnitt (16), der zwischen dem Spannabschnitt (22) und dem ersten Lagerabschnitt (14) angeordnet ist.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubabschnitt (16), in einem Querschnitt betrachtet, mindestens einen sich schräg zur Mittelachse (M) des Spannabschnittes (22) erstreckenden Schenkel (18, 20) aufweist.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere schräg angeordnete Schenkel (18, 20) vorgesehen sind.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubabschnitt zwei Schenkel (18, 20) aufweist, die ineinander übergehen und sich in entgegengesetzten Richtungen schräg zur Mittelachse (M) des Spannabschnittes (22) erstrecken.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (18, 20) eine Ausbauchung der Dehnspannhülse definieren.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Schenkeln (18, 20) innenseitig eine Entlastungsnut (38) vorgesehen ist.
Dehnspannhülse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schubabschnitt (16) an den ersten Lagerabschnitt (14) angrenzt.
Dehnspannhülse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schubabschnitt (16) eine Entlastungsnut (38) angrenzt.
Dehnspannhülse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerabschnitt (26) radial außerhalb des Spannabschnittes (22) angeordnet ist.
Dehnspannhülse (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Lagerabschnitt (26) und dem Spannabschnitt (22) ein sich im wesentlichen in radialer Richtung erstreckender, ringförmiger Federabschnitt (24) angeordnet ist.
Dehnspannhülse (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerabschnitt (26) einen zum ersten Lagerabschnitt (14) gewandten Kragen (30) aufweist.
Dehnspannfutter mit einer Dehnspannhülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei radial außerhalb des Spannabschnittes und des Schubabschnittes eine Dichthülse angeordnet ist, so dass zwischen der Dehnspannhülse und der Dichthülse eine Druckkammer abgegrenzt ist.
Werkzeughalter (1) mit einer Dehnspannhülse (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlagefläche (7) für einen werkzeugseitigen Anschlag (5) vorgesehen ist.
Werkzeughalter (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnspannhülse (10) in einem Werkzeughalterkörper (2) aufgenommen ist und die Anlagefläche (7) am Werkzeughalterkörper (2) angeordnet ist.
Werkzeughalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagefläche (7) ein Konus ist.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lagerabschnitt (14) an einem Widerlager (15) im Werkzeughalterkörper (2) axial anliegt.
Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 13 bis 16 in Kombination mit Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerabschnitt (26) mittels seiner Umfangsfläche fest im Werkzeughalterkörper (2) aufgenommen.
Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs (4) mittels eines Dehnspannfutters, bei dem in einem ersten Schritt ein Schaft (3) des Werkzeugs (4) in das Dehnspannfutter eingesetzt wird, dann das Dehnspannfutter mit Druck beaufschlagt wird, so dass ein Spannabschnitt (22) des Dehnspannfutters den Werkzeugschaft (3) in radialer Richtung spannt und ein Schubabschnitt (16) des Dehnspannfutters den Spannabschnitt (22) und damit den Werkzeugschaft (3) in axialer Richtung verschiebt, so dass ein werkzeugseitiger Anschlag (5) gegen eine Anlagefläche (7) eines Werkzeughalters (1) beaufschlagt wird, wodurch eine axiale Vorspannung erzeugt wird.