Die Erfindung betrifft ein Hydrodehnspannwerkzeug zum Spannen eines Werkstücks. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Hydrodehnspannwerk- zeugs. Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Spannwerk- zeuge für spangebende Bearbeitung von Prototypen bis hin zu Serienbauteilen.

Zum Spannen von Werkstücken, beispielsweise für eine spangebende Fertigungsbe- arbeitung, sind präzise Spannwerkzeuge notwendig. Je genauer und reproduzierbarer das Spannwerkzeug ein Werkstück aufnehmen kann, umso effektiver und effizienter gestaltet sich die spanende Bearbeitung des Werkstücks. Die erreichbaren Genauig- keiten am Fertigteil resultieren im Wesentlichen aus der Spanngenauigkeit des Spannwerkzeugs, insbesondere aus der Position zwischen dem Werkstück und dem Spannwerkzeug. Ferner hat der Spannvorgang des Werkstücks einen hohen Einfluss auf die Taktzeit bzw. Rüst- und Spannaufwände des Maschinenbedieners. In der spangebenden Serienfertigung besteht ein hohes Potenzial hinsichtlich einer Automa- tisierung.

Flydrodehnspannwerkzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der Regel sind Flydrodehnspannwerkzeuge aufwändige Löt- und/oder Schweißkonstruktionen, wobei diese lediglich einfache, rotationssymmetrische Flalte- bzw. Spannkonturen aufweisen. Die Anpassung eines Flydrodehnspannwerkzeuge, insbesondere eines Flydrodorns am einzuspannenden Werkstück ist nur begrenzt möglich, beispielsweise durch Spannringe, die den Spanndurchmesser vergrößern können.

Aus der DE 197 37 215 A1 geht eine Werkzeugkombination hervor, die im Wesentli- chen aus einem Spannwerkzeug für Linsen und einem Abrichtwerkzeug für Polier- werkzeuge besteht, die beide, zu einer Einheit zusammengefügt, an einer einzigen Werkstückspindel befestigt sind. Das Abrichtwerkzeug und der Stützring können fest miteinander verbunden sein. Ferner umfasst die Werkzeugkombination ein Flydro- dehnspannfutter. Die DE 10 2016 116 164 A1 beschreibt eine Werkzeugkomponente für eine spanab- hebende Drehbearbeitung, insbesondere eine spannende Werkzeugaufnahme. In der Werkzeugkomponente ist mindestens eine Hohlkammer durch ein additives Sinterfer- tigungsverfahren hergestellt, die nicht ausgesintertes Sinterpulver enthält. Dies soll im Betrieb der Werkzeugkomponente eine dämpfende Wirkung erzeugen. Bei der Aus- bildung der Werkzeugkomponente zum Einsatz in ein Spannfutter kann in einem Schaftabschnitt der Werkzeugkomponente mindestens eine Dehnkammer zur Ausbil- dung eines Dehnspannfutters ausgebildet sein. Jede Dehnkammern ist als ringförmige Kammer konzentrisch zu einer Rotationsachse der Werkzeugaufnahme angeordnet, wobei mehrere Dehnkammern entlang der Rotationsachse angeordnet sind. Die Werkzeugkomponente kann als ein Hydrodehnspannfutter ausgebildet sein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Hydrodehnspannwerkzeug weiterzuentwickeln, wobei zum einen eine Fertigungsdauer des Hydrodehnspann- werkzeugs verkürzt werden soll und zum anderen eine am Werkstück orientierte, kon- turnahe Ausbildung des Hydrodehnspannwerkzeugs erfolgen soll. Weiterhin soll eine Verwendung des Hydrodehnspannwerkzeugs angegeben werden.

Die Aufgabe wird für das Hydrodehnspannwerkzeug zum Spannen eines Werkstücks, umfassend mindestens einen darin integrierten Kanal zur Aufnahme einer Hydraulik- flüssigkeit, wobei die Hydraulikflüssigkeit dazu vorgesehen ist, mit einem Druck be- aufschlagt zu werden, um das Werkstück im Hydrodehnspannwerkzeug festzuspan- nen, wobei das Hydrodehnspannwerkzeug durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt und im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Kanal zumindest einen ringförmigen umlaufenden Kanalabschnitt aufweist, der radial zwischen einer Innenumfangsfläche und einer Außenumfangsfläche des Hydrodehn- spannwerkzeugs ausgebildet ist, dadurch gelöst, dass das Hydrodehnspannwerkzeug an der Innenumfangsfläche eine Haltekontur umfassend eine Vielzahl von Expansi- onsnasen aufweist, und dass von dem mindestens einen Kanal eine Vielzahl von wei- teren Kanalabschnitten abzweigen, wobei sich jeweils mindestens ein weiterer Kanal- abschnitt in jeweils eine der Expansionsnasen erstreckt.

Unter einem„additiven Fertigungsverfahren“ sind Herstellverfahren zu verstehen, bei denen der Werkstoff zur Erzeugung eines Werkstücks schichtweise hinzugefügt wird. Im Gegensatz dazu stehen klassische subtraktive Fertigungsverfahren, beispielsweise Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material abgetragen wird, um das Werkstück zu erzeugen. Eine genaue Beschreibung der verschiedenen Prozesse und Verfahren, die unter dem Begriff„additive Fertigungsverfahren“ zusammengefasst werden, findet sich in der Richtlinie VDI 3404 (Dezember 2009), auf die an dieser Stelle Bezug ge- nommen wird. Mithilfe von additiven Fertigungsverfahren - auch generative Ferti- gungsverfahren oder 3D-Druck genannt - können sowohl Kunststoffe als auch Metalle formgenau zum Werkstück hergestellt werden. Die additive Fertigung des Flydrodehn- spannwerkzeugs ermöglicht eine Minimierung der Produktionszeit sowie die Realisie- rung geometrisch komplexer Strukturen und Geometrien für das Flydrodehnspann- werkzeug, insbesondere von Fertigungskonturen, die konturnah an der zu spannen- den Form eines Werkstücks orientiert sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Flaltekontur umfassend eine Vielzahl von Expan- sionsnasen, die an der Innenumfangsfläche des Flydrodehnspannwerkzeugs vorge- sehen ist, ermöglicht ein Einspannen von Werkstücken, die eine strukturierte Mantel- fläche aufweisen, im Bereich dieser Mantelfläche. Die Anordnung und Ausgestaltung der Expansionsnasen kann unmittelbar dem einzuspannenden Werkstück, insbeson- dere einer Oberflächenstruktur mit sichtbaren Erhebungen und/oder Einbuchtungen, angepasst werden.

So hat sich eine Verwendung des erfindungsgemäßen Flydrodehnspannwerkzeugs zum Einspannen eines Werkstücks in Form eines Zahnrads oder in Form eines Bau- teils mit Außengewinde bewährt. Die strukturierte Mantelfläche ist hierbei durch die Zähne des Zahnrads oder durch das Gewinde des Bauteils ausgebildet. Aber auch Bauteile, die im Bereich ihrer einzuspannenden Mantelfläche unrund, polygonal (einen Umkreis aufweisend), oder dergleichen ausgebildet sind, können vorteilhaft mittels des erfindungsgemäßen Flydrodehnspannwerkzeugs eingespannt werden.

Die Flydraulikflüssigkeit, die in den mindestens einen Kanal einbringbar ist, ist ein in- kompressibles Fluid und dient zur Übertragung von Energie, insbesondere zum Auf- bau von Druck. Bevorzugt ist die Flydraulikflüssigkeit ein Öl.

Vorzugsweise ist das Flydrodehnspannwerkzeug aus einem Federstahl hergestellt.

Der Federstahl ist besonders gut dazu geeignet, eine elastische Verformung des Flyd- rodehnspannwerkzeugs beim Auf- und Abspannen des Werkstücks zu ermöglichen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hydrodehnspannwerkzeug aus einem martensitaushärtenden Werkzeugstahl, insbesondere dem Werkstoff

X3NiCoMoTi 18 9 5 (1.2709) ausgebildet. Dieser Werkstoff ist hochfest und weist bei Kalt- und Warmarbeit eine hohe Zugfestigkeit sowie eine hohe Streckgrenze bei einer gleichzeitig guten Zähigkeit auf. Die Arbeitshärte beträgt ca. 55 bis 57 HRC.

Das Hydrodehnspannwerkzeug ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet, wobei der mindestens eine Kanal zumindest einen umlaufend Kanalabschnitt aufweist, der radial zwischen einer Innen- und Außenumfangsfläche des Hydrodehnspannwerkzeugs ausgebildet ist. Unter dem„umlaufenden Kanalabschnitt“ ist zu verstehen, dass der mindestens eine Kanal zumindest teilweise kreisförmig oder elliptisch im inneren des Hydrodehnspannwerkzeugs ausgebildet ist. Somit befindet sich der mindestens eine Kanal vollständig räumlich innerhalb der Außenhaut des Hydrodehnspannwerkzeugs und erstreckt sich zwischen zwei Stirnseiten sowie der Innen- und Außenumfangsflä- che.

Das Hydrodehnspannwerkzeug weist an der Innenumfangsfläche eine Haltekontur auf, wobei die Haltekontur bevorzugt zumindest teilweise an das einzuspannende Werkstück angepasst ist. Die Haltekontur dient zum Aufnehmen und Spannen des Werkstücks und ist derart ausgebildet, dass das Werkstück reproduzierbar und präzi- se eingespannt werden kann. Insbesondere ist die Haltekontur im Wesentlichen kor- respondierend zum Werkstück ausgebildet, um das Werkstück im Wesentlichen form- und kraftschlüssig zu halten.

Der mindestens eine Kanal weist eine Vielzahl von, insbesondere im Wesentlichen axial ausgebildeten, weiteren Kanalabschnitten auf, die sich zumindest teilweise in Richtung der Haltekontur in die Expansionsnasen hinein erstrecken. Diese, insbeson- dere axial ausgebildeten, weiteren Kanalabschnitte sind fluidtechnisch mit dem zu- mindest einen umlaufenden Kanalabschnitt verbunden und bilden somit zusammen den mindestens einen Kanal. Vorzugsweise können zusätzliche Kanalabschnitte zwi- schen jedem weiteren Kanalabschnitt und dem zumindest einen umlaufenden Kanal- abschnitt ausgebildet sein. Unter dem Begriff„im Wesentlichen axial ausgebildete Ka- nalabschnitte“ ist zu verstehen, dass diese Kanalabschnitte sich zumindest teilweise über eine axiale Länge des Hydrodehnspannwerkzeugs erstrecken. Bevorzugt sind die im Wesentlichen axial ausgebildete Kanalabschnitte parallel zu einer Längsachse des Hydrodehnspannwerkzeugs ausgebildet und insbesondere senkrecht zum zumin- dest einen umlaufenden Kanalabschnitt.

Erfindungsgemäß umfasst die Haltekontur eine Vielzahl von Expansionsnasen, die dazu vorgesehen sind, beim Spannen des Werkstücks radial nach innen sowie in bei- den Umfangsrichtungen aufzuweiten, um das Werkstück festzuspannen. Die Expansi- onsnasen sind bevorzugt als Verzahnung mit abgerundeten Zahnköpfen, insbesonde- re halbzylinderförmig ausgebildet, und erstrecken sich vorzugsweise in axialer Rich- tung. Bevorzugt sind an der Innenumfangsfläche des Hydrodehnspannwerkzeugs um laufend in Umfangsrichtung abwechselnd eine Expansionsnase und eine Kavität an- geordnet, wobei ein einzuspannendes Werkstück zumindest teilweise in den Kavitäten eindringt und von den Expansionsnasen eingespannt wird.

Die Haltekontur weist in Richtung einer Rotationsachse des Hydrodehnspannwerk- zeugs gesehen insbesondere einen annähernd wellenförmigen oder sinusförmigen Verlauf auf. Dies ermöglicht eine besonders effektive allseitige Einspannung von Werkstücken, beispielweise in Form von Zahnrädern. Alternativ können auch Halte- konturen vorliegen, bei denen die Expansionsnasen ballonförmig, T-förmig oder L- förmig ausgebildet sind.

Bevorzugt weist das Hydrodehnspannwerkzeug zwei Stirnseiten auf, wobei jede Ex- pansionsnase sich zwischen den beiden Stirnseiten mit einer gleichbleibenden Na- senhöhe erstreckt. Die Nasenhöhe einer Expansionsnase kann aber auch variieren.

So kann auch der Verlauf der Nasenhöhe wellenartig gestaltet sein, wobei sich im Be- reich eines jeden Wellenmaximums jeweils ein weiterer Kanalabschnitt in die Expan- sionsnase erstrecken kann.

Bevorzugt ist jeder Kanalabschnitt in Richtung einer Rotationsachse des Hydrodehn- spannwerkzeugs gesehen annähernd T-förmig ausgebildet. Insbesondere ist jeder Kanalabschnitt im Schnittbild in einer Längsrichtung des umlaufenden Kanalabschnitts gesehen T-förmig ausgebildet. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine hohe Ausdehnung in einem Bereich der Expansionsnase, der bei deren Expansion an ei- nem Werkstück angrenzt.

Der Kanal und die Kanalabschnitte sind bei Benutzung des Hydrodehnspannwerk- zeugs mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllt, wobei ein Hydraulikzylinder mit dem min- destens einen Kanal fluidtechnisch verbunden ist und dazu vorgesehen ist, einen Druck auf die Hydraulikflüssigkeit einzuleiten. Der Hydraulikzylinder weist in einer Ausführungsform zumindest teilweise an einer Außenumfangsfläche ein Gewinde auf, das in einem Gewinde des Hydrodehnspannwerkzeugs eingreift, wobei durch Rotation des Hydraulikzylinders eine axiale Verschiebung des Hydraulikzylinders erfolgt und dadurch die Hydraulikflüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt wird. Durch diesen Druck wird die Haltekontur zumindest teilweise elastisch verformt und somit das Werkstück eingespannt.

Bevorzugt ist ein Entlüftungszylinder mit dem mindestens einen Kanal fluidtechnisch verbunden und dazu vorgesehen, den mindestens einen Kanal zu entlüften. Eine Ent- lüftung des mindestens einen Kanals ist vorteilhaft, um unnötige Stillstandzeiten durch Wartungen oder Wechsel von Hydraulikflüssigkeit zu verhindern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Aufnahmeelemen- ten zumindest teilweise beweglich an der Haltekontur angeordnet und dazu vorgese- hen, beim Spannen des Werkstücks zumindest teilweise gegen das Werkstück verla- gert zu werden.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung drei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

Figur 1 a eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Hydrodehnspannwerkzeugs gemäß einer ers- ten Ausführungsform,

Figur 1 b eine perspektivische Schnittdarstellung des Hydrodehnspannwerkzeugs nach Figur 1 a, Figur 1 c eine weitere perspektivische Schnittdarstellung des Hydrodehnspann- werkzeugs nach Figur 1 a,

Figur 2a eine perspektivische teilweise durchsichtige Darstellung zur Veranschau- lichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Flydrodehnspannwerk- zeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Figur 2b eine perspektivische teilweise durchsichtige Schnittdarstellung des Hyd- rodehnspannwerkzeugs nach Figur 2a,

Figur 3a eine perspektivische teilweise durchsichtige Darstellung zur Veranschau- lichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Flydrodehnspannwerk- zeugs gemäß einer dritten Ausführungsform, und

Figur 3b eine perspektivische teilweise durchsichtige Schnittdarstellung des Hyd- rodehnspannwerkzeugs nach Figur 3a.

Die Figuren 1 a, 1 b und 1 c zeigen eine erste Ausführungsform des erfindungsgemä- ßen Flydrodehnspannwerkzeugs 1. Die Figuren 2a und 2b zeigen eine zweite Ausfüh- rungsform des erfindungsgemäßen Flydrodehnspannwerkzeugs 1. Ferner zeigen die Figuren 3a und 3b eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flydrodehn- spannwerkzeugs 1.

Gemäß den Figuren 1 a, 1 b und 1 c weist das Flydrodehnspannwerkzeug 1 zum Span- nen eines - in diesen Figuren nicht dargestellten - Werkstücks einen darin integrier- ten Kanal 3 mit einer - hier nicht dargestellten - Flydraulikflüssigkeit auf. Die Flydrau- likflüssigkeit ist dazu vorgesehen, mit einem Druck beaufschlagt zu werden, um das Werkstück in einer Werkstückaufnahmeöffnung 16 im Flydrodehnspannwerkzeug 1 festzuspannen. Das Flydrodehnspannwerkzeug weist eine Rotationsachse 15 auf, um welche es rotiert wird. Weiterhin weist das Flydrodehnspannwerkzeug 1 zwei Stirnsei- ten 1 a, 1 b, eine Innenumfangsfläche 4 und eine Außenumfangsfläche 5 auf. Das Flyd- rodehnspannwerkzeug 1 ist durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Vor- liegend ist das Flydrodehnspannwerkzeug 1 aus einem martensitaushärtenden Werk- zeugstahl ausgebildet. Ferner ist das Hydrodehnspannwerkzeug 1 im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. An einer Innenumfangsfläche 4 des Hydrodehnspannwerk- zeugs 1 ist eine Haltekontur 6 ausgebildet.

Der Kanal 3, der sich im Inneren des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 befindet und in den Figuren 1 b und 1 c abgebildet ist, weist einen umlaufenden, im Wesentlichen kreisrunden Kanalabschnitt 3a auf, der radial zwischen der Innenumfangsfläche 4 und einer Außenumfangsfläche 5 des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 ausgebildet ist. Der Kanal 3 weist ferner eine Vielzahl weiteren Kanalabschnitten 7 auf, die sich in Rich- tung der Haltekontur 6 erstrecken. Vorliegend weist die Haltekontur 6 eine Vielzahl von Expansionsnasen 6a auf, die dazu vorgesehen sind, beim Spannen des Werk- stücks radial nach innen sowie in beiden Umfangsrichtungen aufzuweiten, um das Werkstück festzuspannen. Dazu sind die weiteren Kanalabschnitte 7 zum einen an- nähernd T-förmig ausgebildet und erstrecken sich ferner über einen Großteil der axia- len Länge der Expansionsnasen 6a. Die Expansionsnasen 6a erstrecken sich zwi- schen den beiden Stirnseiten 1 a, 1 b und weisen eine gleichbleibende Nasenhöhe H auf (vergleiche Figur 1 b).

Gemäß den Figuren 2a und 2b weist das Hydrodehnspannwerkzeug 1 zum Spannen eines Werkstücks 2, das vorliegend ein Zahnrad ist, einen darin integrierten Kanal 3 enthaltend eine - hier nicht dargestellte - Hydraulikflüssigkeit auf. Die Hydraulikflüs- sigkeit ist dazu vorgesehen, mit einem Druck beaufschlagt zu werden, um das Werk- stück 2 in einer Werkstückaufnahmeöffnung 16 (vergleiche Figur 1a) im Hydrodehn- spannwerkzeug 1 festzuspannen. Gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 a bis 1 c kennzeichnen gleiche Elemente. Vorliegend ist ein Hydraulikzylinder 8 mit dem Kanal 3 fluidtechnisch verbunden und dazu vorgesehen, einen Druck auf die Hydrau- likflüssigkeit einzuleiten. Ferner ist ein Entlüftungszylinder 9 mit dem Kanal 3 fluid- technisch verbunden und dazu vorgesehen, den Kanal 3 zu entlüften. Des Weiteren ist an einer Stirnseite 1 b des Hydrodehnspannwerkzeug 1 ein Flanschbauteil 13 zur axialen Positionierung des Werkstücks 2 im Hydrodehnspannwerkzeug 1 angeordnet und durch Schraubelemente 14 fixiert.

Das Hydrodehnspannwerkzeug 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist wie das Hydrodehnspannwerkzeug 1 gemäß der ersten Ausführungsform durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt und aus einem martensitaushärtenden Werkzeugstahl im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. An einer Innenumfangsfläche 4 des Hydro- dehnspannwerkzeugs 1 ist eine Haltekontur 6 ausgebildet, die korrespondierend zu der Verzahnungsgeometrie des Werkstücks 2 ausgeformt ist. Die Haltekontur 6 ge- mäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Haltekontur 6 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Der Kanal 3, der sich im inneren des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 befindet und in den Figuren 2a und 2b dargestellt ist, weist einen ersten und zweiten im Wesentlichen kreisrund umlaufenden Kanalabschnitt 3a, 3b auf, wobei die beiden umlaufenden Ka- nalabschnitte 3a, 3b axial voneinander beabstandet sind und über weitere Kanalab- schnitte 7 fluidtechnisch miteinander verbunden sind. Die weiteren Kanalabschnitte 7 sind in Richtung der Haltekontur 6 an der Innenumfangsfläche 4 geführt. Durch das Einschrauben des Hydraulikzylinders 8 in die dafür vorgesehene Bohrung 12 am Hyd- rodehnspannwerkzeug 1 wird die Hydraulikflüssigkeit aus dem ersten umlaufenden Kanalabschnitt 3a in die weiteren Kanalabschnitte 7 gedrängt, wobei hier eine Aus- dehnung der Haltekontur 6 erfolgt, sodass das Werkstück 2 form- und kraftschlüssig gehalten wird.

Die dritte Ausführungsform des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 gemäß den Figuren 3a und 3b entspricht im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform des Hydrodehn- spannwerkzeugs 1 gemäß den Figuren 2a und 2b. Die dritte Ausführungsform des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 lediglich darin, dass eine Vielzahl von zylinderför- mig ausgebildeten Aufnahmeelementen 10 teilweise beweglich an der Haltekontur 6 angeordnet sind und dazu vorgesehen sind, beim Spannen des Werkstücks 2 teilwei- se gegen das Werkstück 2 verlagert zu werden. Eine Ringscheibe 11 ist zur axialen Aufnahme und teilweise beweglichen Lagerung der Aufnahmeelemente 10 axial an einer Stirnseite des Hydrodehnspannwerkzeugs 1 angeordnet und mittels drei

Schraubelementen 12 gesichert. Bezuqszeichenliste

1 Hydrodehnspannwerkzeug

1 a, 1 b Stirnseite

2 Werkstück

3 Kanal

3a, 3b umlaufender Kanalabschnitt

4 Innenumfangsfläche

5 Außenumfangsfläche

6 Haltekontur

7 weiterer Kanalabschnitt

8 Hydraulikzylinder

9 Entlüftungszylinder

10 Aufnahmeelement

11 Ringscheibe

12 Schraubelement

13 Flanschbauteil

14 Schraubelement

15 Rotationsachse

16 Werkstückaufnahmeöffnung

H Nasenhöhe