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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen
von einen Werkzeugschaft aufweisenden Werkzeugen, mit einer Werkzeugaufnahme,
die eine Hülse
aus elektrisch leitendem Werkstoff zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts
aufweist, und mit einer die Hülse der
Werkzeugaufnahme umfassenden, mit einem vorzugsweise mittel- oder
hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbaren, eine mehrlagige Wicklung aufweisenden
Induktionsspule zum Erwärmen
der Hülse,
wobei die Wicklung auf einen Wicklungsbereich eines Spulenkörpers der
Induktionsspule aufgewickelt ist, nach der Gattung des Schutzanspruchs 1
und des Schutzanspruchs 4.
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Solche
Vorrichtungen dienen dazu, Werkzeuge wie beispielsweise Bohrer oder
Fräser
in die Werkzeugaufnahme einzuspannen oder aus dieser auszuspannen.
In beiden Fällen
wird die Hülse
der Werkzeugaufnahme durch eine mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom beaufschlagbaren
Induktionsspule erwärmt,
wodurch sich die Bohrung der Hülse
erweitert und der mit gegenüber
dieser Bohrung im kalten Zustand mit Übermaß gefertigte Werkzeugschaft
in die Bohrung der Hülse
eingesetzt werden kann. Nach Abkühlung
der Hülse
wird der Werkzeugschaft dann in der geschrumpften Bohrung reibschlüssig und
insbesondere drehfest gehalten. Die Wicklungen solcher Induktionsspulen
bestehen in der Regel aus einer Hochfrequenzlitze.
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Zum
Ausspannen wird die Hülse
erneut durch Bestromung der Induktionsspule erwärmt, wodurch sich aufgrund
des zeitlich bedingten Wärmeübergangs
von außen
nach innen, also von der Hülse auf
den Werkzeugschaft zunächst
die Hülse
erwärmt und
sich ausdehnt, wodurch der demgegenüber noch kältere Werkzeugschaft aus der
Bohrung der Hülse herausgezogen
werden kann. Dieser Vorgang funktioniert bei Werkzeugen aus Hartmetall
wesentlich unproblematischer als bei solchen aus HSS (High Speed
Steel), da bei ersteren die thermisch bedingten Dehnungen wesentlich
geringer sind als bei letzteren. Weiterhin kann nicht ausgeschlossen
werden, dass der geeignete Zeitpunkt verpasst wird, an dem die Hülse soweit
erwärmt
und der Werkzeugschaft noch so kalt ist, dass ein problemloses Ausspannen möglich ist.
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Um
Probleme beim Ausspannen von Stahlwerkzeugen aus den genannten Werkzeugaufnahmen
zu vermeiden, schlägt
die gattungsgemäße
DE 200 08 675 U1 vor,
die Induktionsspule an ihrer dem freien Ende der Hülse benachbarten
Stirnseite von einem eine zentrale Durchgangsöffnung für das Werkzeug aufweisenden
schiebenförmigen
Polschuh aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht leitendem
Werkstoff zu übergreifen.
Der Effekt dieser Maßnahmen
soll darin bestehen, dass die elektromagnetischen Streufelder im
Bereich des freien Endes der Hülse
soweit herabgesetzt würden,
dass eine Aufheizung des in der Werkzeugaufnahme befindlichen Werkzeugs
vermieden wird. Insbesondere würde
mit diesen Maßnahmen
erreicht, dass die magnetischen Feldlinien an der Stirnseite der
Induktionsspule im Polschuh konzentriert werden, so dass der über die
Werkzeugaufnahme überstehende
Teil des Werkzeugs gegenüber
elektromagnetischen Streufeldern abgeschirmt sei. Diese Abschirmmaßnahmen sind
jedoch unter anderem dadurch teuer, als abhängig von verschiedenen Durchmessern
der an das jeweilige Werkzeug angepassten Hülsen jeweils ein anderer Polschuh
eingebaut werden muss, was die Rüstzeiten
der Werkzeugmaschine unvorteilhaft erhöht und eine entsprechend aufwändige Bevorratung von
Polschuhen unterschiedlicher Größe bedingt. Außerdem ist
nicht auszuschließen,
dass die Bedienperson den falschen Polschuh an der Werkzeugaufnahme
montiert und dadurch der gewünschte
Effekt vermindert oder gar nicht zum Tragen kommt. Nicht zuletzt
steht der Polschuh mit der Werkzeugaufnahme in wärmeleitendem Kontakt und erwärmt sich
dadurch unerwünscht,
was höhere
Verluste und damit auch eine höhere
elektrische Leistung der Induktionsspule bedingt.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art
derart weiter zu bilden, dass die oben genannten Nachteile vermieden
werden. Darüber
hinaus soll die Vorrichtung kompakter und günstiger zu fertigen sein.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruchs 1 und des Schutzanspruchs
4 gelöst.
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Vorteile der
Erfindung
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Indem
gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Schutzanspruchs 1 die Wicklung der Induktionsspule
zumindest teilweise aus einer Folie aus elektrisch leitendendem
Material besteht, welche sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Wicklungsbereichs
erstreckt, können
wegen der größeren Packungsdichte
der Folie gegenüber
der üblicherweise
verwendeten Litze wesentlich größere Wicklungsquerschnitte
erzielt werden. Damit kann gemessen an der gleichen Induktionsleistung
eine kleinere Induktionsspule mit geringerem Spulenvolumen verwendet
werden, was gegenüber
bekannten Lösungen
Kosten und Gewicht spart. Zusätzlich
wird die Feldankopplung verbessert, d. h. die Erwärmung erfolgt
bei gleicher Leistung der Stromquelle schneller und die Spulenerwärmung wird
geringer gehalten.
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Gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Schutzanspruchs 4 besteht die Wicklung der Induktionsspule
aus einer Hauptwicklung und wenigstens einer weiteren Wicklung,
wobei die Hauptwicklung und die wenigstens eine weitere Wicklung
derart angeordnet und erregt sind, dass sich die elektromagnetischen
Felder der Hauptwicklung und der wenigstens einen weiteren Wicklung
in Gegenphase befinden und eine Trennebene zwischen der Hauptwicklung
und der wenigstens einen weiteren Wicklung im Bereich des freien
Endes der Hülse angeordnet
ist, wobei bezogen auf die Trennebene die Hauptwicklung zum Werkzeugschaft
und die wenigstens eine weitere Wicklung zum freien Ende des Werkzeugs
weist. Unter „im
Bereich des freien Endes der Hülse" ist zu verstehen,
dass die Trennebene nicht genau mit dem freien Ende bzw. mit der
Stirnfläche der
Hülse fluchten
muss, sondern von dieser auch einen gewissen axialen Abstand in
beiden Richtungen aufweisen kann. Vermittels dieser Maßnahme wird durch
die weitere Wicklung in Bezug zur Hauptwicklung ein magnetisches
Gegenfeld erzeugt, welches das magnetische Feld der Hauptwicklung
im Bereich des freien Endes der Hülse schwächt, in welcher der Werkzeugschaft
gehalten ist. Dadurch lässt
sich das Werkzeug leichter ausspannen, da es sich in diesem, für die Klemmwirkung
wesentlichen Bereich weniger stark erwärmt.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
unabhängigen Schutzansprüchen angegebenen
Erfindung möglich.
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Eine
Weiterbildung des Gegenstands von Schutzanspruch 1 sieht vor, dass
die Folie eine Kupferfolie ist, wobei den Lagen oder Windungen eine Isolationsschicht
zwischengeordnet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
Gegenstands von Schutzanspruch 4 sind die Hauptwicklung und die
wenigstens eine weitere Wicklung elektrisch in Reihe geschaltet.
Beide Wicklungen können
von derselben Stromquelle gespeist werden. Das magnetische Gegenfeld
wird am besten und einfachsten dadurch erzeugt, dass die weitere Wicklung
in Gegenrichtung zur Hauptwicklung gewickelt wird.
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Eine
besonders einfache und kostengünstige
Realisierung der vorgenannten Ausführungsform kann darin bestehen,
dass die Hauptwicklung und die weitere Wicklung auf separaten, bezogen
auf die Längserstreckung
des Spulenkörpers
hintereinander angeordneten Wicklungsbereichabschnitten des Spulenkörpers aufgewickelt
und die Wicklungsbereichabschnitte durch einen Steg axial voneinander getrennt
sind, der zumindest teilweise aus einem ferritischen Material besteht
sind. Mit dem Steg kann der Verlauf der beiden magnetischen Felder örtlich besser
definiert werden, wobei der Steg die Werkzeugaufnahme bzw. die Hülse nicht
berührt.
Um das magnetische Feld nicht über
die gesamte Länge
der Induktionsspule abzuschwächen,
sondern lediglich im Bereich des freien Endes der Hülse, ist
der Wicklungsbereichabschnitt der weiteren Wicklung kürzer als
der Wicklungsbereichabschnitt der Hauptwicklung.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist die Hauptwicklung mehrlagig und besteht aus einer
Folie aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus
einer Kupferfolie und die weitere Wicklung besteht aus einer Hochfrequenzlitze,
wobei die Anzahl der Lagen oder Windungen der weiteren Wicklung
im wesentlichen zwischen 5% und 15 % der Anzahl der Lagen oder Windungen
der Hauptwicklung beträgt, vorzugsweise
10%.
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Besonders
bevorzugt ist der Spulenkörper derart
ausgebildet, dass der radiale Abstand der weiteren Wicklung vom
Werkzeug geringer ist als der radiale Abstand der Hauptwicklung
vom Werkzeug, wodurch der Einfluss des magnetischen Gegenfeldes der
weiteren Wicklung verstärkt
wird oder die Anzahl der Windungen der weiteren Wicklung herabgesetzt werden
kann.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den in den restlichen Unteransprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Zeichnungen
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung
einer Induktionsspule einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung
einer Induktionsspule gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung
einer Induktionsspule gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine stark schematische
Darstellung von Wicklungen und magnetischen Feldern der Induktionspulen
von 2 und 3.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Ein- und Ausspannen von einen Werkzeugschaft
aufweisenden Werkzeugen 3 beinhaltet gemäß 1 eine Werkzeugaufnahme 1,
die eine Hülse 2 aus
elektrisch leitendem Werkstoff zur reibschlüssigen Aufnahme des Werkzeugschafts 5 aufweist,
und eine die Hülse 2 der
Werkzeugaufnahme 1 umfassende, mit einem vorzugsweise hochfrequenten
Wechselstrom beaufschlagbare und eine mehrlagige Wicklung 4 aufweisende
Induktionsspule 6 zum Erwärmen der Hülse 2.
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Die
Wicklung 4 der Induktionsspule 6 ist auf einen
Wicklungsbereich 8 eines Spulenkörpers 10 aufgewickelt,
welcher aus hitzebeständigem
Material, beispielsweise aus PA66 oder PEEK gefertigt ist. Die Wicklung 4 besteht
zumindest teilweise aus einer Folie 12 aus elektrisch leitendendem
Material, welche sich gemäß eines
ersten Aspekts der Erfindung nach 1 im
wesentlichen über
die gesamte Länge des
Wicklungsbereichs 8 der Induktionsspule 6 erstreckt.
Unter Wicklungsbereich 8 soll dabei der Bereich des Spulenkörpers 10 verstanden
werden, welcher ausschließlich
für die
Wicklung 4 vorgesehen ist. Die Folie 12 ist bevorzugt
eine Kupferfolie, wobei den Lagen oder Windungen eine aus Maßstabsgründen nicht
gezeigte Isolationsschicht zwischengeordnet sein kann. Die Länge der
Induktionsspule 6 in Axialrichtung entspricht vorzugsweise
der Länge
des zu spannenden Werkzeugschafts 5.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung nach den 2 und 3 besteht
die Wicklung 4 der Induktionsspule 6 aus einer
Hauptwicklung 16 und wenigstens einer weiteren Wicklung 18,
wobei die Hauptwicklung 16 und die wenigstens eine weitere
Wicklung 18 bezogen auf die Längserstreckung des Wicklungsbereichs 8 derart
in Reihe hintereinander angeordnet und erregt sind, dass sich die
elektromagnetischen Felder der Hauptwicklung 16 und der wenigstens
einen weiteren Wicklung 18 in Gegenphase befinden und eine
Trennebene 20 zwischen der Hauptwicklung 16 und
der wenigstens einen weiteren Wicklung 18 im Bereich des freien
Endes 22 bzw. der Stirnfläche der Hülse 2 angeordnet ist,
die zum freien Ende des Werkzeugs 5 weist. Bezogen auf
die Trennebene 20 weist die Hauptwicklung 16 dann
zum Werkzeugschaft 3 und die wenigstens eine weitere Wicklung 18 zum
freien Ende des Werkzeugs 3.
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Dann
ist die Hauptwicklung 16 auf einen ersten Wicklungsbereichabschnitt 24 aufgewickelt,
welcher länger
ausgebildet ist als ein zweiter, sich an den ersten Wicklungsabschnitt 24 anreihender
Wicklungsbereichabschnitt 26 im Bereich der Trennebene 20,
der die weitere Wicklung 18 trägt. Die beiden Wicklungsbereichabschnitte 24, 26 sind
durch einen Steg 28 des Spulenkörpers 10 voneinander
getrennt, der zumindest teilweise aus einem ferritischen Material
bestehen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Hauptwicklung 16 mehrlagig und besteht wie beim Ausführungsbeispiel
nach 1 aus einer Folie 12 aus
einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise aus einer Kupferfolie
und die weitere Wicklung 18 besteht aus einer Hochfrequenzlitze,
wobei die Anzahl der Lagen oder Windungen der weiteren Wicklung 18 bevorzugt
im wesentlichen etwa 10% der Anzahl der Lagen oder Windungen der
Hauptwicklung 16 beträgt.
Das Verhältnis
der Anzahl der Windungen od. Lagen der Hauptwicklung 16 und
der weiteren Wicklung 18 hängt von mehreren Faktoren ab
und kann fallweise angepasst werden.
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Besonders
bevorzugt sind die Hauptwicklung 16 und die weitere Wicklung 18 elektrisch
in Reihe geschaltet. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert
sein, dass eines der Enden der Folie 12 der Hauptwicklung 16 entlang
ihrer gesamten Breite ein Ende der Hochfrequenzlitze der weiteren
Wicklung 18 angelötet
wird. Werden die Hauptwicklung 16 und die weitere Wicklung 18 über an den
jeweils freien Enden angeordneten Einspeisungsstellen 19, 21 bestromt,
so sind die magnetischen Felder der Hauptwicklung 16 und
der weiteren Wicklung 18 einander entgegengerichtet, wenn
beispielsweise die weitere Wicklung 18 in Gegenrichtung
zur Hauptwicklung 16 gewickelt wird, wie insbesondere in 4 schematisch dargestellt
ist. Dadurch wird durch die weitere Wicklung 18 in Bezug
zur Hauptwicklung 16 ein magnetisches Gegenfeld erzeugt,
welches das magnetische Feld der Hauptwicklung 16 im Bereich
des freien Endes 22 der Hülse 2 schwächt, in
welcher der Werkzeugschaft 5 gehalten ist, wie die gegenläufigen,
die jeweilige Richtung des magnetischen Feldes symbolisierenden
Pfeile in 4 veranschaulichen. Dann
lässt sich
das Werkzeug 3 leichter ausspannen, da es sich in diesem,
für die
Klemmwirkung wesentlichen Bereich weniger stark erwärmt.
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Um
das magnetische Feld nicht über
die gesamte Länge
der Induktionsspule 6 abzuschwächen, sondern lediglich im
Bereich des freien Endes 22 der Hülse 2 , ist der zweite,
der weiteren Wicklung 18 zugeordnete Wicklungsbereichabschnitt 26 wesentlich kürzer und
als der erste, der Hauptwicklung 16 zugeordnete Wicklungsbereichabschnitt 24 und
auf den Bereich der Trennebene 20 beschränkt.
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Gemäß der Ausführungsform
von 2 ist die radial
innere Umfangsfläche
bzw. die Öffnung 30 des
Spulenkörpers 10 für die Hülse 2 glattzylindrisch, so
dass beide Wicklungsbereichabschnitte 24, 26 den
gleichen Innendurchmesser aufweisen. Im Unterschied dazu hat die Öffnung 30 des
Spulenkörpers 10 gemäß der Ausführungsform
von 3 die Form einer
Stufenbohrung, wobei der der weiteren Wicklung 18 zugeordnete
zweite Wicklungsbereichabschnitt 26 einen kleineren radial
inneren Durchmesser aufweist als der der Hauptwicklung 16 zugeordnete
erste Wickelbereichsabschnitt 24. Damit liegt die weitere
Wicklung 18 dem Werkzeugschaft bzw. dem Werkzeug 3 radial
näher als
die Hauptwicklung 16, wodurch dort der Einfluss des magnetischen
Gegenfeldes der weiteren Wicklung 18 verstärkt wird.
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Gemäß einer
weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform kann bei ansonsten
gleicher Ausbildung im Vergleich zu den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Spulenkörper 10 auch
mit kegelförmiger
Innenbohrung versehen sein, wobei das Ende mit dem kleineren Innendurchmesser
zum freien Ende 22 der Hülse 2 weist, welche
dann komplementär
kegelstumpfförmig
ausgebildet ist. In diesem Fall hat die weitere Wicklung 18 ebenfalls
einen geringeren Radialabstand zur Hülse 2 bzw. zum Werkzeug 3 als
die Hauptwicklung 16, wodurch das von ihr erzeugte magnetische
Gegenfeld dort eine größere Wirkung
entfaltet.
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Anstatt
durch eine Kupferfolie 12 kann die Hauptwicklung 16 auch
durch eine Hochfrequenzlitze gebildet werden. Nicht zuletzt können anstatt
einer einzigen weiteren Wicklung auch mehrere solcher zusätzlichen
Wicklungen, parallel oder seriell zueinander angeordnet und verschaltet,
vorhanden sein.
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Darüber hinaus
kann im Bereich der Induktionsspule 6 ein kleiner Ventilator
angeordnet sein, wobei die Versorgungsenergie der Hauptwicklung 16 entnommen
wird. Die Induktionsspule 6 wird dann während des Erwärmungsvorgang
automatisch gekühlt.
Reicht dies nicht aus, kann die Induktionsspule 6 auch
mit variabler Spannung bzw. variablem Strom betrieben werden, wenn
sich kein Werkzeug 3 in der Werkzeugaufnahme 1 befindet.
Darüber
hinaus könnten
am Spulenkörper 10 Kühlrippen
angeordnet sein, welche eine Kühlung
der Induktionsspule 6 fördern,
die dann mit höherer
Leistung betrieben werden kann.