AT396664B - Vorrichtung zum spannen eines werkzeuges oder werkstückes in einer arbeitsspindel - Google Patents

Description

AT396664B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Arbeitsspindel, insbesondere einer Werkzeugmaschine, die eine insbesondere keglige Aufnahmeöffnung für den Schaft des Werkzeuges oder Werkstückes, eine konzentrisch angeordnete Zugstange, ein auf dieser innerhalb der Arbeitsspindel gleitendes Betätigungselement für Verriegelungskörper, welche zwischen gegeneinander und in axialer Richtung geneigten Keilflächen angeordnet sind, und ein Federelement aufweist, das einerseits an der Arbeitsspindel und andererseits an dem Betätigungselement festliegt, wobei eine der Keilflächen mit dem Betätigungselement und die andere mit der Arbeitsspindel verbunden ist

Eine derartige Vorrichtung kann z. b. bei der Gestaltung der Werkzeugspanneinrichtung in der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine vorteilhaft genutzt werden. Auch Werkstückspanneinrichtungen, sowohl für rotatorische als auch prismatische Werkstücke, könnten erfindungsgemäß gestaltet sein. Ganz allgemein ist die Erfindung überall dort anwendbar, wo Spannelemente zunächst mit niedriger Kraft zur Anlage am zu spannenden Objekt zu bringen sind und danach eine große Spannkraft mittels möglichst kurzer Wege der Spannelemente übertragen werden soll.

Pekamitc..Dokuments; DE-Al-3744092 zeigt eine Werkzeugverriegelung mit auf Sehnen eingeschobenen Verriegelungsstiften, DE-C2-3832624 zeigt eine Schnellspannvorrichtung mit Ratschen (Stimverzahnung) und Schlingfeder, DE-Al-3916315 zeigt eine konventionelle, verdrehgesicherte Axialspannvorrichtung mit verschiedenen

Verzahnungsformen.

Mit DD 137673 wurde eine Spanneinrichtung für Werkzeuge in Arbeitsspindeln vorgeschlagen, bei welcher ein Tellerfederpaket die Spannkraft aufbringt und Kugeln als Veniegelungselemente zwischen die Zugstange und die Arbeitsspindel geschaltet sind. Diese Lösung hat den Nachteil, daß die verfügbare Spannkraft von der Kraft des Tellerfederpaketes begrenzt wird. Eine Spannkrafterhöhung ist nur durch Vergrößerung des Tellerfederpaketes möglich, woraus eine Vergrößerung der Spindelbaugruppe resultiert. Ein weiterer Nachteil ist, daß die Kugeln zum Zwecke des Verriegelns bzw. Entriegelns in radialer Richtung zur Spindelachse bewegt werden, wofür Raum benötigt wird. Dieser letztgenannte Nachteil wird besonders deutlich bei der mit DE 2741 166 vorgeschlagenen Vorrichtung zur Betätigung eines an einer Arbeitsspindel gehaltenen Spannkopfes für Werkstücke oder Werkzeuge. Auch hier werden Kugeln als Verriegelungselemente verwendet und zu diesem Zweck in radialer Richtung zur Spindelachse zwischen Spannstange und Arbeitsspindel bewegt Die von einer Feder ausgehende Spannkraft wird hier über Keilflächen zunächst auf die Kugeln und von diesen über eine weitere Keilfläche auf die Spannstange übertragen, wobei gleichzeitig über eine dritte Keilfläche die Veniegelung-zwischen Spannstange und Arbeitsspindel erfolgt

Die Radialbewegung der Kugeln und die daraus resultierende Gestaltung der Funktionselemente der Einrichtung erfordern einen relativ großen Außendurchmesser derselben, so daß diese Einrichtung nicht im Innenraum einer Arbeitsspindel untergebracht werden kann, ohne die gesamte Baugruppe zu vergrößern und die damit verbundenen Nachteile in Kauf zu nehmen. Zusätzlicher Bauraum im Anschluß an die eigentliche Arbeitsspindel wird außerdem erforderlich. Diese Verlängerung der Arbeitsspindel ist schon vom Aufbau der Maschine her gesehen nachteilig und wirkt sich ferner bei hohen Drehzahlen der Aibeitsspindel äußerst nachteilig auf die Wuchtgüte derselben aus. Alle Lösungen, die Kugeln oder Walzen als Mittel der Kraftübertragung nutzen, haben desweiteren den erheblichen Nachteil, daß infolge der bloßen Punkt- oder Linienberührung zwischen Kugel bzw. Walze und den anderen Funktionselementen in diesem Bereich eine sehr hohe Hertzsche Pressung auftritt, was sich nachteilig hinsichtlich der Steife der Einrichtung aus wirkt.

Bezogen auf eine gleichgroße, nach dem Stand der Technik gestaltete Spindelbaugruppe soll mit der Erfindung eine Verringerung des Aufwandes für die Herstellung derselben und trotzdem eine Erhöhung ihrer Umlauffrequenz ermöglicht werden. Damit soll neben der Kostensenkung bei der Herstellung der Spindelbaugruppe eine Erhöhung der Produktivität der mit einer solchen Arbeitsspindel ausgerüsteten Werkzeugmaschine und eine Verbesserung des Bearbeitungsergebnisses am Werkstück erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Spindelbaugruppe zu verkleinern, ihre Steife und ihre Wuchtgüte zu «höhen und die Hertzsche Pressung zwischen den Verriegelungselementen zu verringern.

Grundlage der Erfindung sind mehrere auf einer gemeinsamen Achse angeordnete in axialer Richtung bewegbare Körper, die Elemente einer Werkzeugspanneinrichtung einer Werkzeugmaschinenspindel sein können, welche mittels mehrerer auf sie einwirkender Verriegelungskörper bewegt und gegeneinander verriegelt werden können.

Die erfindungsgemäße· Vorrichtung ist .so aufgebaut, daß als Keilfläche eiR Abschnitt einer schiefen Schnittfläche des als Hohlzylinder ausgebildeten Betätigungselementes und als weitere Keilfläche ein Abschnitt einer schiefen Schnittfläche der als Hohlzylinder ausgebildeten Arbeitsspindel vorgesehen ist, wobei die orthogonal zur Achsebene der Arbeitsspindel verlaufenden Kanten der Keilflächen jeweils auf Sehnen von konzentrisch zur Achse gedachten, in axialer Richtung in einem Abstand zueinander befindlichen Kreisringen angeordnet sind.

Als Verriegelungskörper könnten Kugeln verwendet werden. Eine vorteilhafte Gestaltung der Verriegelungskörper sieht erfindungsgemäß Formkörper mit im wesentlichen prismatischer Gestalt vor. Jeder -2-

AT396664B dies» Förmkörper weist eine Anlagefläche auf, der eine geneigte Räche gegenüberliegt, von welcher eine weitere jedoch entgegengesetzt geneigte oder sphärisch geformte Fläche ausgeht. Der Formkörper ist so angeordnet, daß die Anlagefläche sich in ein» orthogonal zur Achse der Arbeitsspindel erstreckenden Ebene befindet Die Kontur der Anlagefläche ist durch gerade Kanten oder gerade und um die Achse der Arbeitsspindel gekrümmte Kanten bestimmt. Diese Kanten bestimmen die Form der orthogonal zur Anlagefläche und parallel zur Achse der Arbeitsspindel verlaufenden Flächen des Formkörpers.

Die Verriegelungskörper werden zunächst in axialer Richtung üb» eine Strecke bewegt, die ein» Teilstrecke der von einem der verschiebbaren Körper zurückzulegenden Strecke entspricht und danach wird ihnen, abgeleitet von der Bewegung des einen axial verschiebbaren Körpers über die Restshecke, eine bogenförmige Bewegung um die Achse des verschiebbaren Körpers oder eine tangentiale Bewegung zu einem um diese Achse gedachten Kreis erteilt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispieles erläutert

In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 den Abschnitt ein» Werkzeugmaschinenspindel mit einigen Elementen der Werkzeugspanneinrichtung in entspannter Stellung, Fig, 2 die Elemente nach Fig. 1 in gespannt» Stellung, Fig. 3 eine Ansicht der Ebene (A-A) mit bogenförmig bewegten Formkörpem (linke Seite der Fig. 3) und tangential bewegten Formkörpem (rechte Seite der Fig. 3), Fig. 4 einen Verriegelungskörper mit gekrümmten Kanten und einer sphärisch geformt»! Fläche, Hg. 5 einen Verriegelungskörper mit geraden Kanten und geneigten Flächen.

Die nicht näher dargestellte Arbeitsspindel (1) einer Werkzeugmaschine weist einen koaxialen Hohlraum (2) auf, in welchem eine Zugstange (3) gleitend angeordnet ist, welche über Spannklauen in bekannt» Weise Kontakt mit dem in der Arbeitsspindel (1) zu spannenden Werkzeug hat. Zwischen der Oberfläche d» Zugstange (3) und der den Hohlraum (2) begrenzenden inneren Wandung d» Arbeitsspindel (1) entsteht ein Ringraum (2.1), welchen in radialer Richtung zur Achse (4) der Arbeitsspindel (1) ein auf der Zugstange (3) gleitend angeordnetes, federbelastetes Betätigungselement (5) ganz und in axial» Richtung teilweise ausfüllt Die dieses Betätigungselement (5) belastende, nicht dargestellte Feder stützt sich einerseits an dessen d» Spindelstim zugewandten Seite und andererseits an der Arbeitsspindel (1) ab und ist Obenfalls in dem Ringraum zwischen Zugstange (3) und Arbeitsspindel (1) angeordnet Im Hohlraum (2) sind desweiteren Absätze (6), die mit der Arbeitsspindel (1) fest verbunden sind, einander gegenüb»liegend angeordnet Mit d» Zugstange (3) fest verbunden ist das Formstück (7), das im Hohlraum (2) gleitfÜhig angeordnet ist Das Betätigungselement (5) weist an seinen achsparallel verlaufenden Armen (5.1) Ausnehmungen (8) auf und von diesen ausgehende in Richtung Spindelstim ansteigende Keilflächen (9). Diese Keilflächen (9) werden durch einen schiefen-Schnitt durch den rotationssymmetrischen Körper des Betätigungselementes (5) gebildet Sie enden an achsparallel verlaufenden Gleitflächen (10), die ebenfalls an den Arm»i (5.1) vorgesehen sind. Weitere Ausnehmungen (11) sind in den Absätzen (6) angeordnet Ausgehend von der d» Spindelstim abgewandten Stirnfläche (12) der Absätze (6) verläuft eine Keilfläche (13) bis zur achsparallelen Seitenfläche (14) der Ausnehmungen (11). Im Bereich der Ausnehmung (8) und d» Keilflächen (9) und (13) ist ein Verriegelungskörper (15.1) lose angeordnet Diese Verriegelungskörper (15.1) können, wie die Fig. 4 und 5 zeigen unterschiedlich geformt sein. Der in Fig. 4 dargestellte Verriegelungskörper (15.1) ist ein Ausschnitt aus einem Hohlzylinder mit innerem Radius (r2). Außer den beiden koaxialen Flächen begrenzen d»i Verriegelungskörper noch eine ebene Fläche (16.1) und die ebene Fläche zwischen den oberen Kanten (16.2) und (16.3), sowie eine gekrümmte Fläche mit einem eben»! Abschnitt (21) und eineem gebogenen Abschnitt (20) mit Radius (r3). In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsvariante für den Verriegelungskörper (15.2) dargestellt In diesem Fall ist der Verriegelungskörper ein Prisma mit fünfeckiger Grundfläche, wobei statt dem gebogenen Abschnitt (20) bei (15.1) in (15.2) die Keilflächen (17) und (18) vorgeseh»! sind und statt dem geraden Abschnitt (21) bei (15.1) und (15.2) die geneigte Fläche (22) vorgesehen ist Dabei ist die Gestaltung nicht an die mit den Fig. 4 und 5 jeweils gezeigten Details gebunden. Vielmehr kann z. B. der Verriegelungskörper (15.1) mit gekrümmten Kanten (16) auch Keilflächen (17) und (18) aufweisen, wie sie am Verriegelungskörper (15.2) in Fig. 5 gezeigt sind und der hi» dargestellte Verriegelungskörper (15.2) mit geraden Kanten (19.1), (19.2), (193), (19.4) kann eine gekrümmte Fläche (20) aufweisen. Die Winkel (a), (ß) und (y) sind in Abhängigkeit von den beabsichtigen Weg- und Kraftverhältnissen der Vorrichtung gewählt Mit Hg. 3 sind die Veniegelungskörp» (15.1) und (153) in ihr» Lage nach Schnitt (A-Ä) in Hg. 1 bzw. Hg. 2 dargestellt Dabei zeigt die obere Hälfte der Darstellung die Veniegelungskörp» (15.1) und (153) in der entspannten Stellung der Vorrichtung, d. h. es ist in der Arbeitsspindel (1) kein Werkzeug aufgenommen. Das entspricht der Darstellung nach Fig. 1.

Die untere Hälfte der Fig. 3 zeigt die Lage der Veniegelungskörp» (15.1) und (153) bei eingespanntem Werkzeug in ihrer Endposition entsprechend der Darstellung nach Fig. 2. Dabei ist in den Quadranten (1) und (4) die jeweilige Lage des Verriegelungskörpers (153) und in den Quadranten (2) und (3) die des Verriegelungskörpers (15.1) dargestellt Aus technologischen Gründen wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung entweder mit V»riegelungskörp»n (15.1) od» (15.2) ausgelegt

Diese Darstellung läßt die Bewegungsrichtung der Verriegelungskörper (15.1) und (153) erkennen. Die -3-

Claims (2)

1. AT396664B Verriegelungskörper (15.1) führen eine kombinierte Bewegung aus axialer Bewegung und Verdrehung um die Zugstange aus. Die Verriegelungskörper (15.2) nehmen einen geraden tangentialen Weg. Die Fig. 1 und 2 zeigen die Anordnung der Verriegelungskörper (15.1). Es ist ersichtlich, daß dieselben mit ihr»- Anlagefläche (16.1) an der der Spindelstim zugewandten Stirnfläche (23) des Farmstückes (7) anliegen und mit ihrer gekrümmten Fläche (20) an der Kante (26) zwischen Keilfläche (9) und Ausnehmung (8). Der Verriegelungskörper (15.2) würde in Fig. 1 mit seiner Anlagefläche (19) an der Stirnfläche (23) anhegen und mit seiner Keilfläche (18) an der Kante (26). Im Zustand gemäß Fig. 2 (Werkzeug gespannt) hätte die Keilfläche (17) Kontakt mit der Keilfläche (9). Der Funktionsablauf der Vorrichtung ist folgender: Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete Werkzeugspannvorrichtung im gelösten Zustand der Werkzeugspannung. Dies wird erreicht, indem eine Kraft auf die Stirnflächen (24) des Betätigungselementes (5) in Richtung Spindelstim wirkt (beispielsweise ein nicht dargestellter hydraulischer Arbeitszylinder) und das Betätigungselement (5) gegen die Kraft der ebenfalls nicht dargestellten bereits erwähnten Feder in Richtung Spindelstim, in der Fig. 1 nach rechts, verschiebt Über einen Teil des Weges des Betätigungselementes (5) wird von der gleichen Kraft die auf die Stirnfläche (25) wirkt auch das mit der Zugstange (3) verbundene Form stück (7) und damit auch die Zugstange (3) in Richtung Spindelstim bewegt und zwar bis das Formstück (7) am Absatz (6) anliegt Diesen Zustand zeigt Fig. 1. Dabei befindet sich der Verriegelungskörper (15.1) in der Ausnehmung (8) des Betätigungselementes (5). Die Vorrichtung ist zum Spannen eines Werkzeuges bereit Ist das zu spannende Werkzeug in die Maschinenspindel eingesetzt so wird die Kraft welche auf die Stirnflächen (24) und (25) wirkt, beseitigt Die nicht dargestellte, zwischen Arbeitsspindel (1) und Betätigungselement (5) angeordnete Feder kann nun das Betätigungselament (5) in entgegengesetzter Richtung, also von der Spindelstim hinweg bewegen. Der Verriegelungskörper (15.1), der in der Ausnehmung (8) liegt wird mit bewegt und da er, wie in Fig. 1 gezeigt einerseits durch den Absatz (6) längsgeführt ist und andererseits mit seiner Anlagefläche (16.1) am Formstück (7), Stirnfläche (23), anliegt nimmt er auf seinem Weg in axialer Richtung das Formstück (7) und die mit diesem verbundene Zugstange (3) soweit mit bis der Weikzeugschaft im Spindelkegel anliegt Eine weitergehende axiale Bewegung der Zugstange (3) ist nur noch im Rahmen der Elastizität der beteiligten Elemente möglich. Bis hierher hat sich der Verriegelungskörper (15.1) soweit bewegt daß seine Kante (16.3) die Führungsfläche am Absatz (6) verlassen hat und im Raum vor der Keilfläche (13) liegt Die weiter auf das Betätigungselement (5) wirkende und dasselbe weiter in axialer Richtung verschiebende Federkraft hat zur Folge, daß der Verriegelungskörper (15.1) von der Kante (26), an der sein gebogen«· Abschnitt (20) der gekrümmten Fläche anliegt einen Bewegungsimpuls in Richtung Keilfläche (13) erhält Er bewegt sich bis zur Anlage seines ebenen Abschnittes (21) der gekrümmten Fläche an dieser Keüfläche (13). Dabei gleitet der gebogene Abschnitt (20) auf die Keilfläche (9) auf. Das weiterhin unter der Federwirkung stehende Betätigungselement (5) treibt seine Keilfläche (9) unter den Verriegelungskörper (15.1) und diesen, soweit es die Elastizität aller beteiligten Elemente zuläßt, in den Spalt zwischen Absatz (6) und Formstück (7). Dadurch wird die mit dem Formstück (7) verbundene Zugstange (3) gegenüber der mit dem Absatz (6) verbundenen Arbeitsspindel (1) verkeilt. Das von der Zugstange (3) über Greifelemente in den Spindelkegel der Arbeitsspindel (1) gezogene Werkzeug ist nun mit hoher Kraft eingespannt. Wäre die erfindungsgemäße Vernichtung mit den Verriegelungsköipem (15.2) ausgerüstet, dann wäre der Funktionsablauf der gleiche. Lediglich die Bewegung der Verriegelungskörper (15.2) erfolgte mit Wirksamwerden der Kante (26) nicht auf einer gekrümmten Bahn, sondern wie das Fig. 3 zeigt auf einer geraden Bahn. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ergeben zunächst den Vorteil, daß der Spindeldurchmesser kleiner gewählt werden kann, da die funktionsbedingt notwendige Bewegung der Verriegelungskörper nicht in radialer Richtung zur Spindelachse erfolgt Damit wird die Spindelmasse kleiner, was sich vorteilhaft auf Spindelantrieb und -dynamik auswirkt Die Ausbildung der Verriegelungskörper als Formkörper mit Flächen verringert die Hertzsche Pressung zwischen den Kontaktflächen, so daß die Steife der Vorrichtung allein schon deshalb höher wird. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Spannen eines Werkzeuges oder Werkstückes in einer Arbeitsspindel, insbesondere einer Werkzeugmaschine, die eine insbesondere keglige Aufnahmeöffnung für den Schaft des Werkzeuges oder Werkstückes, eine konzentrisch angeordnete Zugstange, ein auf dieser innerhalb der Arbeitsspindel gleitendes Betätigungselement für Verriegelungskörper, welche zwischen gegeneinander und in axialer Richtung geneigten Keilflächen angeordnet sind, und ein Federelement aufweist das einerseits an der Arbeitsspindel und -4- AT396664B anderseits an de Betätigungselement festliegt, wobei eine der Keilflächen mit dem Betätigungselement und die andere mit der Arbeitsspindel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Keilfläche (9) ein Abschnitt einer schiefen Schnittfläche des als Hohlzylinder ausgebildeten Betätigungselementes (5) und als weitere Keilfläche (13) ein Abschnitt einer schiefen Schnittfläche der als Hohlzylinder ausgebildeten S Arbeitsspindel (1) vorgesehen ist, wobei die orthogonal zur Achsebene der Arbeitsspindel (1) verlaufenden Kanten der Keilflächen (9,13) jeweils auf Sehnen von konzentrisch zur Achse (4) gedachten, in axialer Richtung in einem Abstand zueinander befindlichen Kreisringen angeordnet sind.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Vemegelungsköiper (15.1, 15.2) 10 Formkörper vorgesehen sind, von denen jeder eine orthogonal zur Achse (4) der Arbeitsspindel (1) angeordnete Anlagefläche (16.1,19) und eine dieser in axialer Richtung gegenüberliegende, geneigte Fläche (21,22) sowie eine weitere von dieser geneigten Fläche (21,22) ausgehende in Richtung der Achse (4) der Arbeitsspindel (1) verlaufende, entgegengesetzt geneigte oder sphärisch geformte Fläche (18,20) auf weist, wobei die Kontur der Anlagefläche (16.1, 19) entweder nur gerade Kanten (19.1, 19.2, 19.3, 19.4) oder gerade (16.2) und 15 bogenförmige, um die Achse (1) gekrümmte Kanten (16) besitzt. 20 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -5-