Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ein- und/oder Ausspannen von einen Werkzeugschaft aufweisenden Werkzeugen in ein Werkzeugspannfutter mittels Schrumpfverbund zwischen dem Werkzeugspannfutter und dem Werkzeugschaft.

Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus der deutschen Patentanmeldung DE 103 48 880 A1 bekannt, die den grundlegenden Aufbau und die Funktion einer solchen Vorrichtung im Detail beschreibt und die daher durch Verweisung zum Gegenstand der hiesigen Beschreibung gemacht wird.

Ein generelles Problem bei derartigen Vorrichtungen stellt das Wiederabkühlen des jeweiligen, zum Zwecke des Ein- oder Ausspannens erhitzten Werkzeugspannfutters dar. Zum einen, weil die für das Abkühlen benötigte Zeit tendenziell die insgesamt für den Werkzeugwechsel benötigte Zeit bis zur Bereitstellung eines wiedereinsatzfähigen Werkzeugs verlängert. Zum anderen, weil das manuelle Entnehmen von noch heißen Werkzeugspannfuttern mit einer erheblichen Unfallgefahr verbunden ist.

Es ist daher bereits in Betracht gezogen worden, eine Kühlung mittels fester Kühlkörper vorzunehmen, d. h. dadurch, dass man das Werkzeugspannfutter mit einem anderen, gut wärmeleitenden Festkörper in innigen Kontakt bringt, in den dann die im Werkzeugspannfutter gespeicherte Wärme schnell abfließt.

Eine derartige Kühlung ist jedoch in der Praxis relativ schwer zu bewerkstelligen. Es muss zwingend ein inniger Flächenkontakt zwischen Futter und Kühlkörper bestehen, da nur so effizient Wärme abgeleitet werden kann. Die Werkzeugspannfutter bzw. deren das eigentliche Spannen bewirkenden Hülsenpartien müssen eine konische Außenkontur haben, da sich nur so ein hinreichend inniger Kontakt herstellen lässt. Bei zylindrischen Futtern ist die Herstellung des benötigten Flächenkontaktes schwierig. In jedem Fall müssen der Kühlkörper und das Futter aufeinander abgestimmt sein. Eine echte Integration des Kühlkörpers in die Spuleneinheit ist nicht möglich. Das Erwärmen und Kühlen hat also an verschiedenen Stellen zu erfolgen. Folglich sind heiße Futter zu handhaben. Ein derartiges Kühlen vollständig oder zumindest weitgehend zu automatisieren bereitet erhebliche Schwierigkeiten.

In der Praxis erfolgt daher im Regelfall eine Kühlung mit Wasser – dergestalt, dass das Futter aus der Spannvorrichtung entnommen und in ein Wasserbad eingetaucht oder abgebraust wird. Auch das hat erhebliche Nachteile, da wiederum kaum eine Integration in die Spuleneinheit möglich ist, sondern abermals das heiße Futter gehandhabt werden muss. Erst recht ist bei einer derartigen Kühlung nur schwerlich eine weitgehende bzw. vollständige Automatisierung möglich. Zudem wird das Futter komplett nass. Es muss anschließend sorgfältig getrocknet werden, was aufwändig ist. Insgesamt ist auch bei einer derartigen Kühlung eine lange Zykluszeit erforderlich.

Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung eine Ein- bzw. Ausspannvorrichtung der bekannten Art dahingehend zu verbessern, dass das heiße Futter an Ort und Stelle gekühlt wird, d. h. ohne dass das heiße Futter aus der Spule herausgezogen werden muss.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 und gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Die Vorteile und Wirkungsweise insbesondere auch der von den Unteransprüchen vorgesehenen speziellen Ausführungsarten ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung für die Ausführungsbeispiele.

Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Induktionsspule 1 bildet zusammen mit dem Feldkonzentrator 3, der Hülsenpartie 2 des Werkzeugspannfutters und den Feldleiteinrichtungen 4 einen magnetischen Kreis, der bei aktivierter Spule 1 die Hülsenpartie 2 des Werkzeugspannfutters erhitzt.

Die Hülsenpartie 2 bildet dabei zusammen mit dem die Spule 1 umgebenden Spulengehäuse 6 einen Kühlkanal 5. Dieser wird beispielsweise mit Wasser durchspült, das i. d. R. mit Korrosionsinhibitoren versetzt sein wird. Es kann auch jedes andere geeignete Fluid verwendet werden, z. B. eine geeignete Flüssigkeit, wie etwa Glykol oder aber Gas oder verflüssigtes Gas. Der Kühlkanal erstreckt sich zwischen der Kühlmittelspeiseleitung 10 und der Kühlmittelabsaugleitung 11. Er ist bei eingesetztem Werkzeugspannfutter gegenüber der Umgebung zumindest weitestgehend abgedichtet.

Ein Abschnitt dieses Kühlkanals 5 läuft zwischen der inneren Oberfläche der durch eine kühlmitteldichte Kapselung 7 (z. B. Verguss) und einen Wärmeschutzschild 8 geschützten Induktionsspule 1 und der Hülsenpartie 2 entlang. Dabei bildet die Hülsenpartie entlang zumindest eines Teils dieses Bereichs unmittelbar eine der Wände des Kühlkanals 5, was einen hervorragenden Wärmeübergang ermöglicht.

Um dies zu realisieren ist im Bereich der Öffnung, über die die Hülsenpartie 2 in das Innere der Spule 1 eingeschoben wird, eine Stulpendichtung 14 vorgesehen. Diese ist derart weich ausgebildet, dass sie sich dicht an die Hülsenpartie anlegt, sobald diese in die Spule eingeschoben ist. An ihrer oberen freien Stirnfläche liegt die Hülsenpartie mit der nötigen Pressung an die entsprechend genau ausgeführte Gegenfläche des Feldkonzentrators 3 an. Die Anlage ist derart, dass auch hier eine Abdichtung erreicht wird – zumindest im Wesentlichen, nämlich in dem Sinne, dass während des nur wenige Augenblicke dauernden Kühlzyklus allenfalls einige wenige Tropfen Kühlmittel austreten, so dass die Hülsenpartie 2 bzw. das Futter allenfalls nur unerheblich nass werden.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist, hier am Beispiel des Ausspannens geschildert, die Folgende:

Unmittelbar nach Beendigung des Aufheizvorganges wird der Schaft des auszuspannenden Werkzeugs aus der Hülsenpartie 2 herausgezogen.

Dann wird über die Kühlmittelspeiseleitung 10 mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe oder des Druckes des Kühlmittelreservoirs bzw. Kühlmittelversorgungsnetzes Kühlmittel in den Spalt 5 eingespült. Dieses überstreicht die Hülsenpartie und kühlt sie innerhalb weniger Sekunden auf eine Temperatur ab, die eine gefahrlose Handhabung des Futters erlaubt. Im Regelfall liegt schon in diesem Stadium Unterdruck an der Kühlmittelabsaugleitung 11 an, um eventuell entstehenden Kühlmitteldampf abzusaugen. Ein Temperaturfühler im Rücklauf des Kühlmediums kann den Kühlvorgang überwachen, d. h. den Kühlvorgang beenden, sobald das rückströmende Kühlmittel eine bestimmte untere Grenztemperatur erreicht hat oder sich dessen Temperatur nicht mehr wesentlich ändert. Das Ende des Kühlvorganges kann optisch oder akustisch angezeigt werden.

Die Kühlmittelzufuhr wird nun gestoppt. Da spätestens jetzt an der Kühlmittelabsaugleitung 11 Unterdruck angelegt wird, wird das noch im Kühlkanal 5 befindliche Kühlmittel nahezu restlos abgezogen. Sofern die Kühlmittelspeise- und -absaugleitung mit hier nicht gezeigten 3-Wege-Ventilen ausgerüstet sind, wird nun ggf. für einige Sekunden Pressluft oder dergl. durch den Kühlkanal 5 geblasen, um die benetzte Oberfläche der Hülsenpartie zu trocknen. Dann wird die Hülsenpartie aus der Spule herausgezogen und der nächste Zyklus kann beginnen, indem die nächste Hülsenpartie dichtend in die Spule eingeschoben wird.

Ein wesentlicher Punkt ist, dass zu keinem Zeitpunkt eine Gefahr von Verbrennungen für den Bediener besteht, da der heiße Bereich des Futters zu keinem Zeitpunkt zugänglich ist, sondern vollständig von der Spule und der Kühleinrichtung abgedeckt wird.

Ein entscheidender Vorteil dieser Lösung ist, dass die Außenkontur der Hülsenpartie 2 in bestimmten Grenzen variieren kann, da wegen der direkten Benetzung keine besonderen Anforderungen an die Kontur der Hülsenpartie zu stellen sind.

Ein nicht unerheblicher Gesichtspunkt ist, dass die Induktionsspule 1 komplett vergossen bzw. umspritzt oder einvulkanisiert ist, so dass sie zuverlässig gegen ein Eindringen von Kühlmittel oder Kühlmitteldampf geschützt ist. Um die Dichtheit der Vergussmasse zu überprüfen, kann an die Spulenwicklung während eines Testzyklus eine geringe Spannung angelegt werden. Mit einer Gegenelektrode im Kühlmittelkreislauf wird gemessen, ob ein Stromfluss zwischen Spule und Kühlmittel stattfindet.

Da die Außendurchmesser der Hülsenpartien der in der Praxis zu schrumpfenden Futter sehr stark variieren, lassen sich bei Verwendung der hier gezeigten starren Induktionsspule nicht alle Hülsendurchmesser mit einer einzigen Spule schrumpfen. Daher gehört zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oft nicht nur eine einzige solche Spule, sondern ein Spulensatz mit mehreren Spulen die austauschbar sind. Zweckmäßigerweise bildet jede Spule zusammen mit ihrem den Kühlkanal 5 bildenden Gehäuse 6 ein auswechselbares Modul. Dieses Modul ist über eine lösbare elektrische Verbindung und werkzeuglos zu betätigende Schnellkupplungen für die Kühlmittelversorgung an die übrige Vorrichtung angeschlossen. Es kann mit wenigen Handgriffen als gesamte Moduleinheit ein- und ausgebaut werden, je nachdem, welcher Hülsen-Durchmesser gerade zu schrumpfen ist. Dabei verbleibt die gesamte Kühlmittelführung bei der betreffenden Spule, wird also mit ihr ein- und ausgebaut, was eine schnelle und saubere Handhabung ermöglicht. Der Anlagenbediener kommt dabei praktisch nicht mit der Kühlflüssigkeit in Berührung. Im Rahmen der Erfindung ist es, anstelle eines Austauschs der einzelnen Spulen, auch möglich, alle Spulen eines Spulensatzes an die Vorrichtung anzuschließen und bei bedarf nur einzelne Spulen zu beschalten, d.h. mit Strom zu versorgen und in den Kühlmitteldurchlauf einzubinden.

Die 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der Unterschied zu dem von 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht hier einzig und allein darin, dass die Hülsenpartie nicht unmittelbar mit dem Kühlmittel in Kontakt kommt, sondern nur über eine Dichtungsmembran 15 bzw. über einen Dichtungsbalg. Dementsprechend kann dann auch Stulpendichtung 14 entfallen, die hier jedoch als zusätzliche Dichtung noch umfasst ist.

Auch im Bereich des Feldkonzentrators 3 müssen keine besonderen Maßnahmen zur Abdichtung mehr getroffen werden. Denn auch in diesem Bereich dichtet die Dichtungsmembran 15 ab, die hier zwischen der Spule und dem Feldkonzentrator entlang läuft – hin zu der Stelle, an der sie mit ihrem tropfenförmigen bzw. wulstartigen Fortsatz in das Spulengehäuse 6 eingeknüpft ist.

Soweit dem nicht durch die Funktion der Dichtungsmembran bedingte Unterschiede entgegenstehen gilt daher das oben im Zusammenhang mit der 1 Gesagte hier entsprechend.

Nach der Erwärmung der Hülsenpartie wird zum Zwecke des Kühlens Kühlmittel durch den Spalt zwischen Spule und Dichtungsmembran 15 gepumpt. Die Dichtungsmembran bläht sich auf Grund des Kühlmitteldrucks auf und tritt in Flächenkontakt mit dem Futter (der in 2 gestrichelt angedeutete Verlauf der Dichtungsmembran 15 würde sich einstellen, wenn kein Futter bzw. keine Hülsenpartie eingeschoben wäre). Das Futter wird nicht benetzt und braucht daher nach dem Kühlvorgang nicht getrocknet zu werden. Das Kühlmittel fließt in einem geschlossenen Kreislauf. Es sind keine Dichtungen notwendig, die bei jedem neuen Zyklus so sauber an der Hülsenpartie anliegen müssen, dass eine ordnungsgemäße Abdichtung gegen die Hülsenpartie erreicht wird – und die damit eine Gefahr von Bedienungsfehlern und/oder Verschleiß bergen.

Ebenso bleibt die Kühleinrichtung im Rahmen der Flexibilität der Dichtungsmembran auch hier weitgehend unabhängig von der Kontur der Hülsenpartie. Es gilt also auch hier, gleichermaßen wie für 1, dass nahezu alle gängigen Futter gekühlt werden können und nicht nur solche die angepasst sind und mit der Gesamtvorrichtung ein teueres „System" bilden.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung nur dadurch unterscheidet, dass hier zusätzlich ein Düsenkörper 17 in den Bereich des Kühlkanals 5 eingesetzt ist, der in der gezeigten Weise zwischen der inneren Umfangsfläche der Spule 1 und der Hülsenpartie 2 entlang läuft. Daher gilt auch hier das zu 1 Gesagte, soweit sich aus dem Prinzip des Düsenkörpers nichts anderes ergibt.

Der Düsenkörper 17 ist auf seiner der Spulenwicklung zugewandten Seite mit einem Einströmkanal für das Kühlmittel versehen. Weiterhin ist er mit hier in etwa in radialer Richtung verlaufenden Düsenbohrungen versehen, über die der auf der Seite des Einströmkanals anstehende Kühlmitteldruck weitgehend abgebaut wird und die dafür das Kühlmittel zerstäuben bzw. vernebeln und in diesem Zustand auf die zu kühlende Oberfläche der Hülsenpartie 2 auftreffen lassen, wo es ggf. verdampft. Der entstehende Dampf, bzw. das nach unten ablaufende Kühlmittel und Kondensat, werden über die Kühlmittelabsaugleitung 11 abgezogen.

Dieser Düsenkörper 17 hat den entscheidenden Vorteil, dass die benötigte Kühlmittelmenge entscheidend verringert werden kann. Der Prozess lässt sich hiermit ohne weiteres so steuern, dass das Kühlmittel auf der heißen Oberfläche der Hülsenpartie 2 weitgehend verdampft, was bekanntlich einen sehr hohen Energieumsatz mit sich bringt, d. h. eine effektive Kühlung bei kleiner Kühlmittelmenge. Dies kann insbesondere dort von Vorteil sein, wo die Anlage nicht an ein Kühlmittelnetz angeschlossen betrieben wird, sondern mit einem kleinen Kühlmittelvorrat auskommen muss. Zudem erübrigt sich u. U. das Problem der Kühlmittelabfuhr, da z. B. Wasserdampf oft kurzerhand in die Umgebung entlassen werden kann.

Vom Grundsatz her ist es denkbar, dass auch für die von der 3 gezeigte Ausführungsform eine Membran verwendet wird, wie in 2 gezeigt. Je nach Intensität der Bedüsung der Membran kann es hier aber u. U. zu einer zeitweilig sehr hohen thermischen Belastung der Membran 15 kommen, worauf zu achten ist.

Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, hier allerdings nicht in Form einer integrierten Kühleinrichtung, sondern in Form einer separaten Kühleinrichtung. Diese besteht aus einer Außenhülse bzw. Manschette 20 die auf die bereits aus der Induktionsspule herausgezogene Hülsenpartie (Hülsenpartie in 4 nicht gezeigt) aufgeschoben wird.

Die Manschette 20 wird über entsprechende Anschlüsse mit Kühlmittel versorgt. Innen in die Manschette 20 ist, abgedichtet gegenüber der Manschette durch zwei Schnurdichtungen, ein als Wärmetauscher 19 zu bezeichnender hohlzylindrischer Körper eingesetzt bzw. eingepresst, der Nuten aufweist, die zusammen mit der Innenwand der Manschette einen Kühlkanal 5 bilden.

Das durch diesen Kühlkanal 5 strömende Kühlmittel kommt bei dieser Ausführungsart allerdings nicht unmittelbar mit der Hülsenpartie in Kontakt und ist auch nicht lediglich durch die Dichtungsmembran 15 von ihr getrennt. Stattdessen wird der Wärmetauscher 19 von der Dichtungsmembran 15 derart übergriffen und abgedichtet, dass zwischen dem Wärmetauscher 19 und der Dichtungsmembran 15 eine allseitig abgedichtete Tasche besteht. Diese ist mit einer vorzugsweise gelartigen Substanz gefüllt, welche ihrerseits gute Wärmeleiteigenschaften aufweist und als weiteres Kühlmittel fungiert.

Diese Substanz hat die Aufgabe für innigen Kontakt mit der zu kühlenden Hülsenpartie zu sorgen. Sie tut dies, indem sie zusammen mit der sie gefangen gehaltenen, elastischen Dichtungsmembran 15 eine Art „federndes Polster" bildet, das sich an die Hülsenpartie anschmiegt (in 4 ist diejenige Kontur, die das federnde Polster bei eingeschobener Hülsenpartie einnimmt, schraffiert gezeichnet; die Kontur, die das federnde Polster ansonsten, im unbelasteten Zustand einnimmt, ist ohne Schraffur dargestellt). Die besagte Substanz hat weiterhin die Aufgabe, die Wärme der Hülsenpartie über den Wärmetauscher an das im Kühlkanal 5 fließende Kühlmittel abzuführen.

Eine solche separate Kühleinheit hat den Vorteil, dass, anders als bei Integration, kein Kühlmittel im Nahbereich spannungsführender Teile fließt, also keine entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen zu treffen sind. Zudem erlaubt sie ein synchrones Arbeiten – d.h. während ein Futter noch gekühlt wird, kann schon das nächste Futter in der Induktionsspule aufgeheizt werden.

Leicht nachzuvollziehen ist, dass das Kühlkonzept, dass die von 4 gezeigte separate Kühleinheit verwirklicht, auch für integrierte Kühlvorrichtungen sinnvoll zu verwenden ist, wie sie bspw. die 2 zeigt und wofür ebenfalls Schutz begehrt wird. Dieses Kühlkonzept, bei dem sich die Gefahr eines unerwünschten Austritts von Kühlmittel aus dem Kühlkanal (z. B. in Folge einer Beschädigung der Dichtungsmembran 15) leicht beherrschen lässt, ist insbesondere auch überall dort sinnvoll einsetzbar, wo anstatt mit Wasser bevorzugt mit einem Kühlmittel gearbeitet wird, das physiologisch nicht ganz unbedenklich ist oder aus anderen Gründen möglichst nicht austreten darf.

Umgekehrt ist leicht nachzuvollziehen, dass die von den 1 bis 3 gezeigten Kühlkonzepte auch für eine separate Kühleinheit, wie insbesondere in 4 gezeigt, nutzbringend einsetzbar sind, weshalb auch insoweit Schutz beansprucht wird.

Bei den von den Figuren wiedergegebenen Zeichnungen handelt es sich nicht nur um grobe Skizzen, sondern bereits um detaillierte Konstruktionszeichnungen weshalb sämtliche in den Zeichnungen wiedergegebenen Merkmale bedeutungsvoll im Sinne der jeweiligen Ausführungsform sind. Vorbehaltlich werden auch die gezeigten Merkmale zum Gegenstand der Ansprüche gemacht.

1

Induktionsspule

2

Hülsenpartie des Werkzeugspannfutters

3

Feldkonzentrator

4

Feldleiteinrichtungen

5

Kanal (Kühlkanal)

6

Gehäuse der Induktionsspule

7

Kapselung der Induktionsspule

8

Wärmeschutzschild für die Kapselung der Induktionsspule

9

Kühlmittelleiteinrichtung zur Intensivierung der Spulenkühlung

10

Kühlmittelspeiseleitung

11

Kühlmittelabsaugleitung

12

Schnellkupplung

13

Auswechselbares Modul aus Spule 1 und Gehäuse 6

14

Stulpendichtung

15

Dichtungsmembran bzw. -balg

16

Schnurdichtung

17

Düsenkörper

18

Kontaktgel

19

Wärmetauscher zwischen Kühlmittel und Kontaktgel

20

Außenhülse bzw. Manschette