DE102004035993A1

DE102004035993A1 - Spannvorrichtung mit optimierter Schmiegung und Fangsicherheit und Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile

Info

Publication number: DE102004035993A1
Application number: DE200410035993
Authority: DE
Inventors: Herbert Rumig; Dietrich Dr. Lembke
Original assignee: IT COMPACT DIENSTLEISTUNGS und; It Compact Dienstleistungs- und Beteiligungs- & Co KG GmbH
Current assignee: IT COMPACT DIENSTLEISTUNGS und; It Compact Dienstleistungs- und Beteiligungs- & Co KG GmbH
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (1) zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile (2, 3), bei der ein erstes Maschinenbauteil (2), beispielsweise eine Spindel (4), eine Durchgangsbohrung und eine in dieser Durchgangsbohrung axial verschiebbare Zugstange (5) aufweist und bei der über den Umfang der Zugstange (5) mindestens zwei Spannelemente (12) beabstandet voneinander angeordnet sind, jeweils umfassend einen Fuß (13), der in eine im ersten Maschinenbauteil (2) vorgesehene erste Ausnehmung (9) eingreift, wobei diese erste Ausnehmung (9) über eine erste konusförmige Spannflanke (10) verfügt, an der sich eine am Fuß (13) angeordnete erste konusförmige Spannfläche (11) abstützt, und einen Kopf (14), der in eine in einem Hohlschaft (6) des zweiten Maschinenbauteils (3), beispielsweise eines Werkzeuges, vorgesehene zweite Ausnehmung (21) eingreift, wodurch ein Verspannen der Bauteile (2, 3) ermöglicht wird, und die Zugstange (5) über mindestens zwei Steuerflächen (15, 16, 17) verfügt, an denen sich die Spannelemente (12) abstützen und/oder mittels derer die Spannelemente (12) durch Verschieben der Zugstange (5) bewegbar sind. DOLLAR A Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile (2, 3). DOLLAR A Es soll eine Spannvorrichtung (1) bereitgestellt werden, die über einen vergrößerten axialen Hub und eine verbesserte Schmiegung zwischen Hohlschaft (6) und Spannelement (12) verfügt und darüber hinaus ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile, bei der ein erstes Maschinenbauteil, beispielsweise eine Spindel, eine Durchgangsbohrung und eine in dieser Durchgangsbohrung axial verschiebbare Zugstange aufweist und bei der über den Umfang der Zugstange mindestens zwei Spannelemente beabstandet voneinander angeordnet sind, jeweils umfassend einen Fuß, der in eine, im ersten Maschinenbauteil vorgesehene, erste Ausnehmung eingreift, wobei diese erste Ausnehmung über eine erste konusförmige Spannflanke verfügt, an der sich eine am Fuß angeordnete erste konusförmige Spannfläche abstützt und einen Kopf, der in eine in einem Hohlschaft des zweiten Maschinenbauteils, beispielsweise eines Werkzeuges, vorgesehene zweite Ausnehmung eingreift, wodurch ein Verspannen der Bauteile ermöglicht wird, und die Zugstange über mindestens zwei Steuerflächen verfügt, an denen sich die Spannelemente abstützen und/oder mittels derer die Spannelemente durch Verschieben der Zugstange bewegbar sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile, von denen ein erstes Maschinenbauteil eine axial verschiebbare Zugstange aufweist, über deren Umfang Spannelemente mit einem Kopf und mit einem Fuß beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei im Rahmen des Spannvorganges der Kopf der Spannelemente in Eingriff gebracht wird mit einer in einem Hohlschaft des zweiten Maschinenbauteils angeordneten konusförmigen Flanke, während sich der Fuß an einer im ersten Maschinenbauteil entgegengesetzt angeordneten konusförmigen Spannflanke abstützt, wodurch ein Verspannen der Bauteile ermöglicht wird. Vorzugsweise wird das Verfahren unter Verwendung einer Spannvorrichtung der oben genannten Art durchgeführt.
Die genannte Spannvorrichtung, die auch als Kupplungsvorrichtung bezeichnet werden kann, dient im allgemeinen dem Verbinden und axialen Verspannen eines Werkstückes, eines Werkzeuges oder Werkzeugträgers mit einem Aufnahmekörper, beispielsweise einer Spindel einer Werkzeugmaschine, wobei – wie bereits erwähnt – die Spindel eine axial verschiebbare Zugstange aufweist, über deren Umfang mindestens zwei Spannelemente beabstandet voneinander angeordnet sind.
Im Rahmen des Verbindungs- und Spannvorganges werden die Spannelemente mit ihrem Kopf in Eingriff gebracht mit einem Hohlschaft des zweiten Maschinenbauteils, während sie sich am ersten Maschinenbauteil mit ihrem Fuß abstützen. Hierzu werden den Spannelementen gezielte Bewegungen aufgezwungen, was nach dem Stand der Technik häufig mittels auf der Zugstange vorgesehener Steuerflächen erfolgt. Durch axiales Verschieben der Zugstange gleiten die Spannelemente über die Steuerflächen, wodurch sie verschoben und/oder verschwenkt werden, bis sich der Kopf des Spannelementes in Eingriff befindet mit dem Hohlschaft.
Durch weiteres axiales Verschieben der Zugstange werden die Spannelemente zusätzlich zwangsgeführt d.h. bewegt und die beiden Maschinenbauteile durch Einleiten einer axialen Spannkraft miteinander verspannt. Dabei dienen die Steuerflächen nach dem Stand der Technik gleichzeitig als Spannflächen, an denen sich die Spannelemente mit dazu korrespondierenden Spannflächen abstützen. Auf der der Zugstange abgewandten Seite weisen die Spannelemente ebenfalls Spannflächen auf, wobei eine am Fuß angeordnete Spannfläche sich im ersten Maschinenbauteil abstützt, während eine am Kopf angeordnete Spannfläche in den Hohlschaft eingreift.

Eine Spann- bzw. Kupplungsvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile wird beispielsweise in der DE 38 07 140 C2 beschrieben. Bei dieser Kupplungsvorrichtung sind die Spannelemente als Schwenkhebel ausgebildet, wobei die Spannelemente sich mittels ihrer Füße im ersten Maschinenbauteil an einer senkrecht verlaufenden d.h. 90°-Flanke einer Ringnut abstützen, wodurch die Spannelemente zum einen axial nahezu fixiert werden und die den Spannelementen aufgezwungene Bewegung im wesentlichen – abgesehen von einer geringen translatorischen Verschiebebewegung in radialer bzw. axialer Richtung – eine beschränkte Verschwenkbewegung darstellt. Während dieser Schwenkbewegung dreht sich das Spannelement um den Berührpunkt zwischen Fuß und 90°-Flanke. Dabei liegt zwischen Fuß und 90-Flanke keine flächige Berührung, sondern eine Linienberührung vor. Eine Flächenberührung liegt erst am Ende des Spannvorganges vor, wenn der Fuß des Schwenkhebels eben auf der Flanke der Ringnut aufliegt. Während des Verschwenkens stützt sich der Fuß des Spannelementes an einer kegelförmigen, auf der Zugstange angeordneten Steuerfläche ab.

Da die Spannelemente axial fixiert sind, muss bereits während der Verschwenkbewegung die axiale Spannkraft aufgebaut und eingeleitet werden, was aufgrund der Linienberührung zwischen Fuß und 90°-Flanke zu hohen Flächenpressungen führt. Zudem verschiebt sich beim Verschwenken der Drehpunkt der Verschwenkbewegung in radialer Richtung, so dass der Fuß beim Verschwenken und während des Spannkraftaufbaus auf der 90°-Flanke abgleitet, was den Verschleiß erhöht und die Dauerhaltbarkeit senkt. Ähnliche Nachteile stellen sich im Kopfbereich der Spannelemente ein.

Die Spannelemente, insbesondere die Köpfe, werden mittels einer kegelförmigen, auf der Zugstange angeordneten Steuerfläche durch axiales Verschieben der Zugstange verschwenkt. Dabei stützen sich die Spannelemente über ihren Kopf an der kegelförmigen Steuerfläche ab und werden durch diese mit zunehmendem Verschieben der Zugstange radial nach außen in eine in dem Hohlschaft angeordnete Ausnehmung gedrückt, während sich der hakenförmige Kopf des Spannelementes mit einer in der Ausnehmung vorgesehenen Spannflanke in Eingriff befindet. Da einerseits die Überdeckung von Kopf und Spannflanke zu Beginn des Schwenkvorganges gering ist und erst mit fortschreitendem Verschwenken zunimmt und andererseits die Spannkraft schon während dieser Bewegung aufgebaut werden muss und aufgebaut wird, kommt es in der Berührfläche zwischen Kopf und Spannflanke ebenfalls zu hohen Belastungen bzw. Flächenpressungen. Darüber hinaus liegt auch hier beim Verschwenken anstelle der zu bevorzugenden Flächenberührung eine Linienberührung vor. Eine Flächenberührung zwischen Kopf und Spannflanke liegt auch in diesem Bereich des Spannelementes erst am Ende des Spannvorganges vor. Die hohen Flächenpressungen führen auch im Kopfbereich zu einem erhöhten Verschleiß.

Zwischen den Spannelementen und der kegelförmigen Steuerfläche kommt es bei der Kupplungsvorrichtung gemäß der DE 38 07 140 C2 ebenfalls zu hohen Belastungen infolge Linienberührung. Während die kegelförmige Steuerfläche eben ausgebildet ist, weisen die Köpfe der Spannelemente im Steuerbereich eine sphärische Kontur auf, die zu einer Linienberührung führt.

Somit sind sämtliche Funktionsflächen, über die die Spannkräfte eingeleitet und weitergeleitet werden, – die sogenannten Spannflächen oder Spannflanken – hohen Belastungen, insbesondere Flächenpressungen, infolge fehlender Flächenberührung d.h. aufgrund der Linienberührung ausgesetzt. Zudem tritt eine merkliche Relativbewegung der in Eingriff befindlichen Funktionsflächen während des Aufbaus und der Einleitung der axialen Spannkräfte auf, was zu einem erhöhten Verschleiß führt.

Grundsätzlich sollten die Funktionsflächen aber mit möglichst geringen Flächenpressungen belastet werden, um eine hohe Haltbarkeit und lange Lebensdauer der Spannvorrichtung zu gewährleisten. Des weiteren sollten die in Eingriff befindlichen Funktionsflächen beim Aufbau und Einleiten der Spannkräfte wenn überhaupt, dann nur geringe relative Bewegungen zueinander ausführen müssen, da die Spannkräfte zu entsprechend hohen Reibungskräften in der Kontaktzone der Funktionsflächen führen.

Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Kupplungsvorrichtung besteht darin, dass aufgrund des verhältnismäßig kleinen axialen Weges, den die Köpfe der Spannelemente während der Verschwenkbewegung zurücklegen, in axialer Richtung nur geringe Fertigungstoleranzen der beiden zu verbindenden Maschinenbauteile kompensiert werden können.

Ebenfalls nachteilig ist, dass – aus demselben Grunde d.h. wiederum bedingt durch den geringen axialen Hub der Spannelementeköpfe – die beiden zu verbindenden Maschinenbauteile vor Einleitung des Spannverfahrens sehr präzise und nahezu spielfrei ineinander gefügt werden müssen und das mit dem Hohlschaft ausgestattete Maschinenbauteil in dieser Position zumindest solange gehalten werden muss, bis eine sichere Fixierung durch die Spannelemente gegeben ist. Dabei muss das zweite Maschinenbauteil mit seinem Hohlschaft nahezu auf Anschlag in das erste Maschinenbauteil eingeführt werden.

Dies erschwert und verlängert den Spannvorgang, was insbesondere im Hinblick auf die Anwendungsfälle, bei denen das erste Maschinenbauteil eine Werkzeugmaschine und das zweite Maschinenbauteil ein Werkzeug ist, als kritisch anzusehen ist, da sich auf diese Weise die Rüstzeiten verlängern und die Fertigungskosten erhöhen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die DE 38 07 140 C2 keine Spannvorrichtung der gattungsbildenden An d.h. keine Spannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, da die 90°-Flanke, an der sich der Fuß abstützt, gerade keine konusförmige Spannflanke darstellt. Die Spannfläche am Fuß ist ebenfalls nicht konusförmig.

Die DE 38 14 550 C1 hingegen beschreibt eine Spannvorrichtung der gattungsbildenden Art. Diese Spannvorrichtung soll einerseits während des gesamten Spannvorganges eine Flächenberührung zwischen den in Eingriff befindlichen Spannflächen bzw. Spannflanken gewährleisten, so dass unakzeptabel hohe Flächenpressungen infolge Linienberührung vermieden werden. Andererseits soll der axiale Hub der Köpfe der Spannelemente erhöht werden, wodurch größere axiale Abstandstoleranzen der zu verbindenden Maschinenbauteile ausgeglichen werden sollen.

Die Spannvorrichtung gemäß der DE 38 14 550 C1 soll also gerade die oben im Zusammenhang mit der DE 38 07 140 C2 beschriebenen Nachteile eliminieren, zumindest aber mindern.

Dies soll zum einen über die Gestaltung der Spannflächen, aber auch durch die Bewegung der Spannelemente im Rahmen des Spannvorganges erreicht werden. Hierzu werden die Spannelemente im Rahmen des Spannvorganges nicht verschwenkt, sondern parallel zu sich selbst radial nach außen und axial vom Hohlschaft weg verschoben, wodurch der axiale Hub vergrößert wird. Die Spannelemente werden dabei ausschließlich translatorisch bewegt.

Erreicht wird dies dadurch, dass – ausgehend von einer Spannvorrichtung wie sie in der DE 38 07 140 C2 beschrieben ist – auf der Zugstange im Bereich der Füße der Spannelemente eine zweite kegelförmige Steuerfläche vorgesehen wird, die zu der ersten, im Bereich der Köpfe angeordneten kegelförmigen Steuerfläche nicht entgegengesetzt ist – wie in der DE 38 07 140 C2 – sondern den gleichen Richtungssinn aufweist. Darüber hinaus weisen die beiden kegelförmigen Steuerflächen denselben Kegelwinkel auf, um ein Parallelverschieben der Spannelemente zu gewährleisten. An diesen beiden kegelförmigen Steuerflächen stützen sich die Füße und die Köpfe über entsprechende konusförmige Funktionsflächen bzw. Spannflächen ab. Die Steuerflächen zum Verschieben der Spannelemente dienen gleichzeitig als Spannflächen.

Des weiteren verfügen die Spannelemente im Fußbereich über eine konusförmige Spannfläche, die in Eingriff steht mit einer konusförmigen Spannflanke des ersten Maschinenteils. Dieses Spannflächenpaar ist dem zwischen Kopf und Hohlschaft ausgebildeten konusförmigen Spannflächenpaar entgegengesetzt, wodurch ein Verspannen ermöglicht wird.

Die in der DE 38 14 550 C1 beschriebene Spannvorrichtung stellt zwar – ausgehend von der Kupplungsvorrichtung der DE 38 07 140 C2 – eine verbesserte Weiterentwicklung dar. Der axiale Hub der Spannelemente ist aber immer noch beschränkt. Zudem ist es dem dieser Spannvorrichtung zugrundliegendem Spannverfahren immanent, dass die in Eingriff befindlichen Spannflächen auch während des Aufbaus und der Einleitung der Spannkräfte große relative Bewegungen zueinander ausführen müssen.

Ein wesentlicher Nachteil besteht aber auch darin, dass diese Spannvorrichtung nicht gleichzeitig eine ausreichende Schmiegung zwischen dem Hohlschaft und den Spannelementen einerseits und den Spannelementen und der Zugstange andererseits gewährleisten kann.

Dadurch, dass sowohl die Spannflächenpaarung zwischen dem Hohlschaft und dem Kopf des Spannelementes als auch die Spannflächenpaarung zwischen dem Kopf des Spannelementes und der Zugstange konusförmig bzw. kegelförmig ausgebildet ist, ist diese Spannvorrichtung äußerst empfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen, die sich bei der Fertigung der genannten kegelförmigen bzw. konusförmigen Flächen einstellen. Kleinste Fertigungstoleranzen führen schon dazu, dass nicht in beiden Spannflächenpaarungen gleichzeitig die angestrebte Flächenberührung realisiert werden kann. Eine gute Schmiegung zwischen Hohlschaft und Spannelementen ist nicht gewährleistet.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, die insbesondere über einen vergrößerten axialen Hub und eine verbesserte Schmiegung zwischen Hohlschaft und Spannelement verfügt und darüber hinaus weitestgehend Flächenberührung und möglichst geringe Relativbewegungen in den Funktionsflächen bzw. Spannflächen gewährleistet.

Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile aufzuzeigen.

Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Spannvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile, bei der ein erstes Maschinenbauteil, beispielsweise eine Spindel, eine Durchgangsbohrung und eine in dieser Durchgangsbohrung axial verschiebbare Zugstange aufweist und bei der über den Umfang der Zugstange mindestens zwei Spannelemente beabstandet voneinander angeordnet sind, jeweils umfassend einen Fuß, der in eine, im ersten Maschinenbauteil vorgesehene erste Ausnehmung eingreift, wobei diese erste Ausnehmung über eine erste konusförmige Spannflanke verfügt, an der sich eine am Fuß angeordnete erste konusförmige Spannfläche abstützt, und einen Kopf, der in eine in einem Hohlschaft des zweiten Maschinenbauteils, beispielsweise eines Werkzeuges, vorgesehene zweite Ausnehmung eingreift, wodurch ein Verspannen der Bauteile ermöglicht wird, und die Zugstange über mindestens zwei Steuerflächen verfügt, an denen sich die Spannelemente abstützen und/oder mittels derer die Spannelemente durch Verschieben der Zugstange bewegbar sind, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Steuerfläche eine zylinderförmige Steuerfläche ist, an der sich in der Spannstellung – in der die beiden Maschinenbauteile miteinander verspannt sind – die Spannelemente mit den Köpfen abstützen und eine weitere Steuerfläche vorgesehen ist, mittels der die Spannelemente verschwenkbar sind.

Die erste konusförmige Spannflanke der ersten Ausnehmung bildet dabei mit der Achse des ersten Maschinenbauteils einen spitzen Winkel α, so dass gilt α < 90°.

Dadurch, dass sich bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung die Köpfe der Spannelemente in der Spannstellung an einer zylinderförmigen Steuerfläche der Zugstange abstützen, wird eine optimale Schmiegung zwischen dem Hohlschaft und den Köpfen der Spannelemente in der gespannten Stellung erzielt und eine Flächenberührung erreicht. Eine Linienberührung mit unakzeptabel hohen Flächenpressungen – wie sie sich bei herkömmlichen Spannvorrichtungen einstellen – wird vermieden.

Da die den Spannelementen aufgezwungene Bewegung sowohl translatorische als auch rotatorische Anteile aufweist, kann der axiale Hub der Spannelemente spürbar erhöht werden. Die zu verbindenden Maschinenbauteile müssen vor Einleitung des Spannverfahrens nicht exakt und spielfrei ineinander gefügt werden, da die Spannelemente ausreichend weit in Richtung Hohlschaft ragen.

Des weiteren liegen keine großen Relativbewegungen in den Spannflächen zwischen den Köpfen der Spannelemente und dem Hohlschaft einerseits und zwischen den Füßen und der in der Ausnehmung vorgesehenen konusförmigen Spannflanke andererseits vor. Vorteile bietet dies insbesondere hinsichtlich des Verschleißes und der Dauerhaltbarkeit der Spannvorrichtung und ihrer Bauteile.

Somit wird durch die erfindungsgemäße Spannvorrichtung die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Vorrichtung bereitzustellen, die über einen vergrößerten axialen Hub und eine verbesserte Schmiegung zwischen Hohlschaft und Spannelementen verfügt und die Flächenberührung und nur geringe Relativbewegungen in den Funktionsflächen gewährleistet.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die beiden Maschinenbauteile durchaus modular aufgebaut sein können und das erste Maschinenbauteil vorzugsweise auch modular aufgebaut ist, so dass die Ausnehmung, in der sich die Füße der Spannelemente abstützen, auch in einem im ersten Bauteil vorgesehenen Ring oder dergleichen angeordnet sein können, so wie dies beispielsweise in der DE 38 07 140 C2 vorgesehen ist.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die Köpfe der mindestens zwei Spannelemente zumindest an ihrem freien Ende und auf der dem Hohlschaft zugewandten Seite ballig ausgebildet sind.

Vorteile bietet dies insbesondere beim Fügen der beiden zu verbindenden Maschinenbauteile d.h. beim Einführen der Spannelemente in den Hohlschaft. Wie im Rahmen der Figurenbeschreibung noch deutlich werden wird, gestattet diese Ausbildung der Köpfe insbesondere ein Einrasten der Köpfe in die im Hohlschaft angeordnete zweite Ausnehmung bereits vor Einleitung des eigentlichen Spannvorganges, so dass eine gewisse Fixierung des zweiten Maschinenbauteils an dem ersten Maschinenbauteil gewährleistet ist, ohne dass hierzu bereits eine erzwungene Bewegung der Spannelemente mittels axialem Verschieben der Zugstange erforderlich ist.

Dabei werden die Köpfe der Spannelemente im Rahmen des Fügevorganges zunächst mit Hilfe des Hohlschaftes nach innen gedrückt, bevor sie dann beim weiteren Verschieben des Hohlschaftes nach außen in die Ausnehmung springen. Vorraussetzung hierfür ist, dass die Spannelemente in der Lösestellung d.h. im nicht verspannten Zustand kippbeweglich gelagert sind und die aus den mindestens zwei Spannelementen gebildete Spannzange einen Außendurchmesser aufweist, der größer ist als der Innendurchmesser des Hohlschaftes an der freien Stirnseite des Hohlschaftes.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die mindestens zwei Spannelemente jeweils am Kopf eine zweite konusförmige Spannfläche aufweisen, die zur Anlage mit einer in der zweiten Ausnehmung angeordneten zweiten konusförmigen Spannflanke bringbar ist, wobei diese zweite Spannflanke mit der Achse des zweiten Maschinenbauteils einen spitzen Winkel β bildet.

Vorteile bietet diese Ausführungsform insbesondere, weil die Ausnehmung im Hohlschaft genormt ist, wobei gemäß der Norm DIN 69 893 eine konusförmige bzw. trapezförmige Spannflanke im Hohlschaft vorzusehen ist. Die Ausstattung des Hohlschaftes mit einer derartigen, normgerechten Spannflanke führt als dazu, dass die in Rede stehende Ausführungsform normgerecht ausgebildet ist, was insbesondere eine Kompatibilität mit bereits auf dem Markt befindlichen Hohlschäften, insbesondere Werkzeugen, gewährleistet.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die Zugstange modular aufgebaut ist und einen Zugstangenkopf und eine mit dem Zugstangenkopf verbindbare Betätigungsstange aufweist, wobei der Zugstangenkopf die Steuerflächen aufweist.

Dadurch, dass die Zugstange über einen vereinzelten Abschnitt in Gestalt eines separaten Bauteils verfügt, das über sämtliche für den eigentlichen Spannvorgang maßgeblichen Elemente verfügt, kann dieser Abschnitt, nämlich der Zugstangenkopf entsprechend seiner primären Funktionen ausgebildet werden. Die Betätigungsstange kann dabei beispielsweise über ein Gewinde mit dem Zugstangenkopf verbunden werden. Diese Ausführungsform gestattet es, den im vorderen Bereich zugkraftfreien Zugstangenkopf mit einer Aussparung zur Aufnahme der verschwenkten Spannelemente auszustatten. Dadurch kann die Schwenkbewegung der Spannelemente vergrößert werden, was wiederum die Ausbildung großer Spannflächen in den Köpfen der Spannelemente ermöglicht. Die großen Spannflächen gestatten eine großflächige Überdeckung von Kopf und Hohlschaft im verspannten Zustand und damit eine Reduzierung der Flächenpressung bei gleichgroßen axialen Spannkräften.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen eine kegelförmige Steuerfläche vorgesehen ist, die sich an die zylinderförmige Steuerfläche anschließt.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen diese kegelförmige Steuerfläche die weitere Steuerfläche bildet, mittels der die Spannelemente verschwenkbar sind. Bei dieser Ausführungsform ist die weitere Steuerfläche, die erfindungsgemäß vorzusehen ist, kegelförmig ausgebildet. Durch axiales Verschieben der Zugstange werden die Spannelemente verschwenkt, wobei die Spannelemente sich mit ihren Köpfen auf der kegelförmigen Steuerfläche abstützen und infolge des axialen Verschiebens der Zugstange im Kopfbereich radial nach außen gedrückt werden. Anschließend gelangen die Köpfe der Spannelemente bei weiterem Verschieben der Zugstange auf die angrenzende zylinderförmige Steuerfläche.

Bei dieser Ausführungsform der Spannvorrichtung werden die beiden Maschinenbauteile nicht mittels der genannten kegelförmigen Steuerfläche verspannt. Diese kegelförmige Steuerfläche, die an die zylinderförmige Steuerfläche angrenzt, dient ausschließlich dem Verschwenken der Spannelemente und der Positionierung der Spannelemente auf der zylinderförmigen Steuerfläche. Zum Zwecke des Verspannens ist diese kegelförmige Steuerfläche prinzipbedingt ungeeignet, so dass eine zusätzliche Steuerfläche vorgesehen werden muss und die Spannvorrichtung mindestens drei Steuerflächen aufweist.

Vorteilhaft sind – insbesondere im Hinblick auf die zuvor beschriebene Variante – Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen eine kegelförmige Steuerfläche beabstandet zu der zylinderförmigen Steuerfläche vorgesehen ist, wobei diese kegelförmige Steuerfläche mit der Achse der Zugstange einen spitzen Winkel γ₁ bildet und zur Anlage mit einer am Fuß eines Spannelementes vorgesehenen dritten Spannfläche bringbar ist.

Diese kegelförmige Steuerfläche, die beabstandet zu der zylinderförmigen Steuerfläche vorgesehen wird, kann zum Verspannen der beiden zu verbindenden Maschinenbauteile verwendet werden. Dabei drückt diese kegelförmige Steuerfläche die Füße radial nach außen, wodurch ein Verspannen der Bauteile realisiert wird. Zum Verschwenken der Spannelemente kann dann beispielsweise die schon oben erwähnte kegelförmige Steuerfläche herangezogen werden, die an die zylinderförmige Steuerfläche angrenzt.

Es sind aber auch Ausführungen der Spannvorrichtung möglich, bei denen diese im Bereich der Füße vorgesehene kegelförmige Steuerfläche sowohl zum Verschwenken der Spannelemente verwendet wird, als auch zum Einleiten der axialen Spannkraft dient, so dass dieser Steuerfläche eine Doppelfunktion zugewiesen wird. In diesem Fall kann sogar auf die kegelförmige, an die zylinderförmige Steuerfläche angrenzende Steuerfläche im Kopfbereich der Spannelemente verzichtet werden. Es lassen sich Ausführungsformen der Spannvorrichtung ausbilden, die lediglich über zwei Steuerflächen verfügen, nämlich einerseits über eine zylinderförmige Steuerfläche im Kopfbereich der Spannelemente und eine kegelförmige Steuerfläche im Fußbereich der Spannelemente, die dem Verschwenken und dem Verspannen dient.

Aus den genannten Gründen sind deshalb auch Ausführungsformen der Spannvorrichtung vorteilhaft, bei denen die zu der zylinderförmigen Steuerfläche beabstandete kegelförmige Steuerfläche die weitere Steuerfläche bildet, mittels der die Spannelemente verschwenkbar sind.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen für den Winkel γ₁ gilt: 3° < γ₁ < 20°, vorzugsweise 7° < γ₁ < 13°. Die Wahl des Winkels γ₁ kann entsprechend dem angestrebten Verhältnis von Einzugskraft d.h. Betätigungskraft der Zugstange und Spannkraft gewählt werden. Für Winkel γ₁ ≤ 5° verfügt die Spannvorrichtung über einen Selbsthemmungsmechanismus. Die axial verschobene Zugstange bleibt ohne weiteres Zutun d.h. ohne dass sie gesichert werden müsste in der Spannstellung.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die dritte Spannfläche eine konusförmige Spannfläche ist, die in der Spannstellung mit der Achse der Zugstange einen spitzen Winkel γ₂ bildet, vorzugsweise mit γ₂ = γ₁. Diese Ausbildung der dritten Spannfläche gewährleistet eine Flächenberührung zwischen Spannfläche und kegelförmiger Steuerfläche.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Spannelemente in der Spannstellung vorzugsweise in Richtung der Zugstange ausgerichtet sind. Idealerweise verläuft die Längsachse der Spannelemente dabei parallel zu der Achse der Zugstange. Aus diesem Grunde bildet die dritte Spannfläche in der Spannstellung auch mit der Achse der Zugstange einen spitzen Winkel γ₂, wenn diese Spannfläche mit der Längsachse des Spannelementes einen spitzen Winkel γ₂ bildet.

Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die Spannelemente eine weitere konusförmige Fläche aufweisen, die sich an die dritte Spannfläche anschließt und zwischen dem Kopf und der dritten Spannfläche positioniert ist, wobei diese konusförmige Fläche in der Spannstellung mit der Achse der Zugstange einen spitzen Winkel γ₃ bildet mit γ₃ > γ₂.

Diese Ausführung der Spannelemente gestattet einen ungehinderten Schwenkvorgang der Spannelemente, ohne dass es zu einer ungewollten, gegebenenfalls hinderlichen Berührung zwischen Spannelement und Zugstange im Bereich zwischen den beiden kegelförmigen Steuerflächen bzw. im Bereich zwischen der im Kopfbereich vorgesehenen zylinderförmigen und der im Fußbereich vorgesehenen kegelförmigen Steuerfläche kommt.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen die Zugstange zwischen der zylinderförmigen Steuerfläche und der im Fußbereich vorgesehenen kegelförmigen Steuerfläche eine Aussparung aufweist. Die Gründe sind die bereits weiter oben im Zusammenhang mit der modular aufgebauten Zugstange Genannten. Die Aussparung dient der Aufnahme der verschwenkten Spannelemente und damit indirekt der Ausbildung großer Spannflächen im Kopfbereich der Spannelemente. Dies führt letztendlich zu einer Verminderung der Flächenpressungen im Kopfbereich.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Spannvorrichtung, bei denen eine Feder vorgesehen ist, die die Füße der mindestens zwei Spannelemente kraftbeaufschlagt und die Füße gegen die erste konusförmige Spannflanke und den Zugstangenkopf drückt. Unter dem Begriff "Feder" wird in diesem Zusammenhang jedes federnde Spannmittel verstanden, das geeignet ist, die Füße lose und verschiebbar zu lagern und gleichzeitig mit einer Federkraft in der Art zu beaufschlagen, dass die Spannelemente kippbeweglich auf der Feder gelagert sind.

Vorzugsweise weisen die Füße der Spannelemente dabei auf ihrer zu der Feder hingewandten Seite eine Ausnehmung bzw. Nut auf, die in der Art schräg verläuft, dass die Spannelemente in einer Ruhestellung leicht geneigt sind, beim Aufschieben des Hohlschaftes zunächst weiter nach innen gekippt werden, um anschließend nach außen zurückzuspringen und in die Ausnehmung des Hohlschaftes einzurasten.

Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile, von denen ein erstes Maschinenbauteil eine axial verschiebbare Zugstange aufweist, über deren Umfang Spannelemente mit einem Kopf und mit einem Fuß beabstandet voneinander angeordnet sind, bei dem der Kopf der Spannelemente in Eingriff gebracht wird mit einer in einem Hohlschaft des zweiten Maschinenbauteils angeordneten konusförmigen Flanke, während sich der Fuß an einer im ersten Maschinenbauteil entgegengesetzt angeordneten konusförmigen Spannflanke abstützt, wodurch ein Verspannen der Bauteile ermöglicht wird, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass

• die Spannelemente durch axiales Verschieben der Zugstange ausgehend von der Lösestellung mittels einer auf der Zugstange angeordneten kegelförmigen Steuerfläche verschwenkt werden, und durch weiteres axiales Verschieben der Zugstange
• der Kopf jedes Spannelementes auf einer zylinderförmigen Steuerfläche platziert wird, und
• der Fuß jedes Spannelementes mittels einer auf der Zugstange angeordneten kegelförmigen Steuerfläche in axialer und radialer Richtung in der Art verschoben wird, dass eine Spannkraft in die Spannelemente eingeleitet wird, wodurch die Spannelemente zusammen mit dem zweiten Maschinenteil soweit in das erste Maschinenteil hineingezogen werden bis die beiden Maschinenteile miteinander verspannt sind.

Das bereits für die erfindungsgemäße Spannvorrichtung Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren. Hervorzuheben ist insbesondere die optimierte Schmiegung zwischen dem Hohlschaft und den Köpfen der Spannelemente durch die Verwendung einer zylinderförmigen Steuerfläche.

Darüber hinaus gewährleistet die zylinderförmige Steuerfläche zusammen mit dem Aufbau und der Einleitung der Spannkraft mittels Verschieben der Füße der Spannelemente nach außen, dass nur sehr geringe Relativbewegungen zwischen Kopf und Hohlschaft beim Verspannen auftreten. Diese geringen, aber nicht völlig zu vermeidenden Relativbewegungen resultieren aus der rotatorischen Bewegung, die den Spannelementen infolge des Verschiebens der Füße nach außen aufgezwungen werden.

Vorteilhaft sind Verfahren, bei denen der Fuß jedes Spannelementes radial nach außen und axial nach hinten verschoben wird, während der Kopf jedes Spannelementes auf der zylinderförmigen Steuerfläche platziert wird. Wenn die Zugstange mit der zylinderförmigen Steuerfläche unter die Köpfe der Spannelemente gleitet, werden die Füße der Spannelemente in geringem Maße radial nach außen verschoben, um so das Auflegen der Köpfe auf die zylinderförmige Steuerfläche einzuleiten bzw. zu unterstützen.

Vorteilhaft sind dabei Verfahrensvarianten, bei denen eine Spannkraft durch axiales und radiales Verschieben der Füße der Spannelemente mittels kegelförmiger Steuerfläche erst eingeleitet wird, wenn die Köpfe der Spannelemente sich auf der zylinderförmigen Steuerfläche abstützen.

Wenn sich beim anfänglichen Verschwenken der Spannelemente, welches durch das axiale Verschieben der Zugstange hervorgerufen wird, die Köpfe der Spannelemente in Eingriff befinden mit der im Hohlschaft angeordneten konusförmigen Flanke, würde die gleichzeitige Einleitung der axialen Spannkraft zu einer Erhöhung der Kontaktkraft zwischen Hohlschaft und Köpfen führen, was im Hinblick auf die Flächenpressung in diesen Spannflächen als nachteilig anzusehen ist. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass die Überdeckung zwischen den Köpfen und der Spannflanke im Hohlschaft erst mit fortschreitender Verschwenkbewegung zunimmt, so dass anfänglich nur geringe Flächen zur Verfügung stehen. Aus diesen Gründen sollte die axiale Spannkraft erst eingeleitet werden, wenn die Köpfe der Spannelemente sich auf der zylinderförmigen Steuerfläche abstützen, so wie dies bei der oben genannten Verfahrensvariante erfolgt.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Spannelemente mittels einer kegelförmigen Steuerfläche, die an die zylinderförmige Steuerfläche angrenzt, verschwenkt werden. Zum Einleiten der Spannkraft wird dann eine zweite auf der Zugstange angeordnete kegelförmige Steuerfläche vorgesehen, die zu der zylinderförmigen Steuerfläche beabstandet angeordnet ist.

Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Spannelemente mittels einer kegelförmigen Steuerfläche, die zu der zylinderförmigen Steuerfläche beabstandet angeordnet ist, verschwenkt werden. In diesem Fall kann dieselbe kegelförmige Steuerfläche sowohl die Spannelemente verschwenken, als auch die Spannkraft durch ein Verschieben der Füße nach außen aufbauen.

Grundsätzlich sind Ausführungsformen des Verfahrens vorteilhaft, bei denen die kegelförmige Steuerfläche, mit der die Spannelemente verschwenkt werden, auch dazu verwendet wird, eine Spannkraft durch axiales und radiales Verschieben der Füße der Spannelemente einzuleiten.

Im Zusammenhang mit den kegelförmigen Steuerflächen wird verwiesen auf die Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen das Verfahren eingeleitet wird, indem der Hohlschaft des zweiten Maschinenteils soweit auf die Spannelemente aufgeschoben wird, bis die Köpfe der Spannelemente unter Ausführung einer radialen nach außen gerichteten Bewegung in den Hohlschaft einrasten und die Köpfe der Spannelemente mit der konusförmigen Flanke des Hohlschaftes in Eingriff stehen.

Eine derartige Raststellung der Spannelemente wird ermöglicht durch kippbeweglich gelagerte Spannelemente, die mit federnden Spannmitteln lose gelagert und kraftbeaufschlagt werden. Dabei hat die durch die Spannelemente gebildete Spannzange in einer Ruhestellung und in der Raststellung einen Außendurchmesser, der größer ist als der Innendurchmesser des am freien Ende des Hohlschaftes. Dadurch werden die Spannelemente beim Einführen des Hohlschaftes zunächst nach innen gedrückt bevor sie nach außen in die Ausnehmung des Hohlschaftes einrasten.

Vorteile bietet eine derartige Raststellung, da eine gewisse Fixierung des zweiten Maschinenbauteils an dem ersten Maschinenbauteil gewährleistet ist, ohne dass hierzu bereits eine erzwungene Bewegung der Spannelemente mittels axialem Verschieben der Zugstange erforderlich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 6 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1a schematisch im Halbschnitt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung in der Spannstellung,

1b die in der 1a kenntlich gemachte Einzelheit Y in der Vergrößerung,

2 die in 1a dargestellte erste Ausführungsform in einer Raststellung,

3 die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform während des Spannvorganges,

4 die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform mit maximal eingefahrenem Spannelement,

5 die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform ohne zweites Maschinenbauteil, und

6 schematisch im Halbschnitt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung während des Spannvorganges.

1a zeigt schematisch in einem Halbschnitt eine erste Ausführungsform der Spannvorrichtung 1 in der Spannstellung. In der Spannstellung sind die beiden Maschinenbauteile 2, 3 in der Art verspannt, dass die Stirnseite 7 des zweiten Maschinenbauteils 3, beispielsweise eines Werkzeuges, auf der Anlagefläche 8 des ersten Maschinenbauteils 2, beispielsweise einer Spindel 4 einer Werkzeugmaschine, spielfrei anliegt.
Die Spindel 4 weist eine Durchgangsbohrung auf und ist mit einer in dieser Durchgangsbohrung axial verschiebbaren Zugstange 5 ausgestattet. Die Zugstange 5 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst einen Zugstangenkopf 5b, der mittels eines Gewindes mit einer Betätigungsstange 5a verbunden ist. Diese Ausführung der Zugstange 5 gestattet es, den im vorderen Bereich zugkraftfreien Zugstangenkopf 5b, der über sämtliche für den eigentlichen Spannvorgang wesentlichen Elemente verfügt, mit einer Aussparung 20 zur Aufnahme der verschwenkten Spannelemente 12 auszustatten. Dadurch kann die Schwenkbewegung der Spannelemente 12 vergrößert werden, wie im Zusammenhang mit den übrigen Figuren noch deutlich werden wird.
Über den Umfang der Zugstange 5 bzw. des Zugstangenkopfes 5b sind Spannelemente 12 angeordnet. Die Spannelemente 12 sind länglich ausgebildet und erstrecken sich im wesentlichen in Richtung der Achse 26 der Zugstange 5. Sie verfügen über einen Fuß 13, der über einen stabförmigen mittleren Abschnitt mit einem Kopf 14 verbunden ist.
Der Fuß 13 stützt sich über zwei Spannflächen 11,18 ab, wobei er einerseits auf der der Zugstange 5 zugewandten Seite auf einer kegelförmigen Steuerfläche 17, die auf der Zugstange 5 vorgesehen ist, mit einer Spannfläche 18 aufliegt und andererseits auf der der Zugstange 5 abgewandten Seite in eine in der Spindel 4 eingelassene erste Ausnehmung 9 eingreift, wobei diese erste Ausnehmung 9 über eine erste konusförmige Spannflanke 10 verfügt, an der sich die am Fuß 13 angeordnete erste konusförmige Spannfläche 11 abstützt.
Dabei bildet die kegelförmige Steuerfläche 17 einen spitzen Winkel γ₁ mit der Achse 26 der Zugstange 5, der in der in 1a dargestellten Spannstellung vorzugsweise mit dem Winkel γ₂ übereinstimmt, den die sogenannte dritte konusförmige Spannfläche 18 mit der Achse 26 der Zugstange 5 bildet.
Mit dem Kopf 14 greift das Spannelement 12 in eine zweite Ausnehmung 21, die im Hohlschaft 6 des zweiten Maschinenbauteils 3 angeordnet ist, ein. Dabei befindet sich der Kopf 14 bzw. die im Kopf 14 vorgesehene zweite konusförmige Spannfläche 23 in Eingriff mit dem Hohlschaft 6 bzw. einer im Hohlschaft 6 vorgesehenen konusförmigen Spannflanke 22.
Dadurch, dass sich das Spannelement 12 sowohl in der Spindel 4 als auch im Hohlschaft 6 abstützt, wird ein Verspannen der beiden Bauteile 2, 3 möglich.
Bei der in der 1a dargestellten Spannstellung liegen die Spannelemente 12 mit ihren Köpfen 14 auf einer im vorderen Bereich der Zugstange 5 vorgesehenen zylinderförmigen Steuerfläche 15 auf, so dass eine optimale Schmiegung zwischen der im Hohlschaft 6 vorgesehenen zweiten konusförmigen Spannflanke 22 und der im Kopf 14 angeordneten zweiten konusförmigen Spannfläche 23 gewährleistet ist. Infolge dieser verbesserten Schmiegung liegt eine Flächenberührung mit entsprechend geringen Flächenpressungen vor.
Die Spannkraft wird mittels der kegelförmigen Steuerfläche 17, die beabstandet zur zylinderförmigen Steuerfläche 15 angeordnet ist, aufgebaut und eingeleitet, wobei dies vorzugsweise erst dann erfolgt, wenn die Köpfe 14 der Spannelemente 12 sich auf der zylinderförmigen Steuerfläche 15 abstützen. Die Zugstange 5 verfügt über eine zusätzliche kegelförmige Steuerfläche 16, mittels der die Spannelemente 12 verschwenkbar sind.
Im Fußbereich greift eine Feder 27 in eine in den Fuß 13 eingearbeitete Ausnehmung 28 ein und belastet das Spannelement 12 mit einer Federkraft in Richtung des Hohlschaftes 6
1b zeigt die in der 1a kenntlich gemachte Einzelheit Y in einer Vergrößerung, um die Einzelheiten der Spannvorrichtung 1 im Kopfbereich der Spannelemente 12 in der Spannstellung hervorzuheben.
Das Spannelement 12 stützt sich mit dem Kopf 14 auf einer zylinderförmigen Steuerfläche 15 ab, die in einem vorderen, dem Hohlschaft 6 zugewandten Bereich des Zugstangenkopfes 5b angeordnet ist. Mit einer im Kopf 14 vorgesehenen zweiten konusförmigen Spannfläche 23 befindet sich das Spannelement 12 in Eingriff mit einer zweiten Spannflanke 22, die in einer Ausnehmung 21 des Hohlschaftes 6 angeordnet ist. Wird das Spannelement 12 mittels einer axialen Spannkraft nach rechts verschoben, zieht das Spannelement 12 mittels der im Kopf 14 angeordneten Spannfläche 23 den Hohlschaft 6 und das mit dem Hohlschaft 6 verbundene zweite Maschinenbauteil mit d.h. ebenfalls nach rechts.
Die an die zylinderförmige Steuerfläche 15 angrenzende kegelförmige Steuerfläche 16 dient bei der in den 1a und 1b dargestellten ersten Ausführungsform der Spannvorrichtung 1 zum Verschwenken der Spannelemente 12, wie im Zusammenhang mit 3, die diesen Verschwenkvorgang zeigt, deutlich werden wird.
2 zeigt die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform der Spannvorrichtung 1 in einer Raststellung. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Spannstellung erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf 1a. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Der Kopf 14 des Spannelementes 12 ist an seinem freien Ende auf der dem Hohlschaft 6 zugewandten Seite ballig ausgebildet. Dies erleichtert den Fügevorgang der beiden zu verspannenden Maschinenbauteile 2, 3 d.h. das Einführen des zweiten Maschinenbauteils 3 in das erste Maschinenbauteil 2, weil die beiden Achsen 24, 25 der Maschinenbauteile 2, 3 nicht exakt aufeinander ausgerichtet werden müssen, so wie dies der Fall wäre, wenn der Kopf 14 im vorderen Bereich zylindrisch ausgebildet wäre. Die ballige Gestalt der Kopfes 14 sorgt für eine Zentrierung auch bei leicht versetzten Achsen 24, 25.
Darüber hinaus ist die ballige Gestalt des Kopfes 14 vorteilhaft bei Ausführungsformen der Spannvorrichtung 1, die über eine sogenannte Raststellung verfügen. Dafür sind die Spannelemente 12 in der Lösestellung d.h. im nicht verspannten Zustand kippbeweglich gelagert. Hierzu greifen an der Stirnseite des Fußes 13 des Spannelementes 12 federnde Spannmittel 27 in eine im Fuß 13 vorgesehene Ausnehmung 28. Dadurch, dass der Boden dieser Ausnehmung 28 leicht schräg verläuft, beispielsweise mit 2°, nehmen die Spannelemente 12 in der Lösestellung eine nach vorne zum Hohlschaft 6 hin leicht geneigte Position ein.
Die aus den mindestens zwei Spannelementen 12 gebildete Spannzange weist in dieser Lösestellung einen Außendurchmesser auf, der größer ist als der Innendurchmesser des Hohlschaftes 6 an der freien Stirnseite des Hohlschaftes 6.
Daher werden die Köpfe 14 der Spannelemente 12 im Rahmen des Fügevorganges zunächst mit Hilfe des Hohlschaftes 6 nach innen gedrückt, bevor sie dann beim weiteren Verschieben des Hohlschaftes 6 infolge der Belastung durch die Feder 27 wieder nach außen in die Ausnehmung 21 springen bzw. einrasten. Die Stellung der Spannelemente 12 in der Raststellung entspricht vorzugsweise der Stellung der Spannelemente 12 in der Lösestellung, wobei die im Kopf 14 angeordnete Spannfläche 23 sich in Eingriff befindet mit der zweiten konusförmigen Spannflanke 22. Gegebenenfalls stellt sich zwischen einigen Köpfen 14 und der kegelförmigen Steuerfläche 16 ein Spiel ein.
Durch das Einrasten der Köpfe 14 in die zweite Ausnehmung 21 wird eine Fixierung des zweiten Maschinenbauteils 3 an dem ersten Maschinenbauteil 2 bereits vor Einleitung des eigentlichen Spannvorganges gewährleistet, so dass das zweite Maschinenbauteil 3 nur sehr kurz über eine in die Haltenut 29 einbringbare Greifervorrichtung gehalten zu werden braucht.
Eine erzwungene Bewegung der Spannelemente 12 mittels axialem Verschieben der Zugstange 5 zur Fixierung der beiden Bauteile 2, 3 vor Einleitung des eigentlichen Spannvorganges ist ebenfalls nicht erforderlich.
Insbesondere die Zeitersparnis, die sich aufgrund einer derartigen Raststellung beim Fügen ergibt, ist als vorteilhaft anzusehen. Dadurch, dass der axiale Hub der Spannelemente 12 bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 1 verhältnismäßig groß ist, bietet eine derartige Raststellung aber auch eine erhöhte Fangsicherheit d.h. die beiden zu verbindenden Bauteile 2, 3 brauchen nicht sehr präzise ineinander gefügt werden. Insbesondere muss die Stirnseite 7 des Hohlschaftes 6 nicht spielfrei in Anlage gebracht werden mit der Anlagefläche 8 der Spindel 4.
3 zeigt die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform während des Spannvorganges. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Spannstellung bzw. zu der in der 2 dargestellten Raststellung erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf die 1a und 2. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die in der 3 dargestellte Ausführungsform weist eine kegelförmige Steuerfläche 16 auf, die sich an die zylinderförmige Steuerfläche 15 anschließt. Diese kegelförmige Steuerfläche 16 bildet die weitere Steuerfläche, mittels der die Spannelemente 12 verschwenkbar sind.
Durch axiales Verschieben der Zugstange 5 werden die Spannelemente 12 verschwenkt, wobei die Spannelemente 12 sich mit ihren Köpfen 14 auf der kegelförmigen Steuerfläche 16 abstützen und infolge des axialen Verschiebens der Zugstange 5 im Kopfbereich radial nach außen gedrückt werden. Dabei greift die im Kopf angeordnete Spannfläche 23 in die im Hohlschaft 6 vorgesehne Spannflanke 22 ein. Gegenüber der in der 2 dargestellten Raststellung wurde die Zugstange 5 um 1 mm eingezogen d.h. nach rechts verschoben, wobei diese Längenangabe eine bestimmte Nenngröße betrifft, nämlich HSK 63.
Deutlich zu erkennen ist auch, dass sich die Spannelemente 12 während des Verschwenkens nicht an der im Fußbereich angeordneten kegelförmigen Steuerfläche 17 abstützen. Zwischen der kegelförmigen Steuerfläche 17 und der am Fuß 13 vorgesehenen dritten Spannfläche 18 ist Spiel. Die Spannkraft wird mittels dieser kegelförmigen Steuerfläche 17 erst eingeleitet, wenn die Spannelemente 12 auf der zylinderförmigen Steuerfläche 15 positioniert sind, was durch weiteres Verschieben der Zugstange 5 geschieht. Um einen ungehinderten Schwenkvorgang der Spannelemente 12 zu gewährleisten und eine ungewollte, gegebenenfalls hinderliche Berührung zwischen Spannelement 12 und Zugstange 5 zu verhindern, weisen die Spannelemente 12 eine weitere konusförmige Fläche 19 auf, die sich an die dritte Spannfläche 18 anschließt. Diese konusförmige Fläche 19 bildet in der Spannstellung mit der Achse der Zugstange 26 einen spitzen Winkel γ₃ mit γ₃ > γ₂.
Die in dem Zugstangenkopf 5b angeordnete Aussparung 20 ermöglicht eine verhältnismäßig große Verschwenkbewegung und gestattet somit eine großflächige Ausbildung der konusförmigen Spannfläche 23, was zu einer Verminderung der Flächenpressungen im gespannten Zustand führt.
4 zeigt nochmals die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform mit maximal in der Aussparung 20 eingefahrenem Spannelement 12.
5 zeigt die in der 1a dargestellte erste Ausführungsform ohne das zweite Maschinenbauteil 3 mit maximal zurückgezogener Zugstange 5.
6 zeigt schematisch im Halbschnitt eine zweite Ausführungsform der Spannvorrichtung 1 während des Spannvorganges. Es sollen nur die Unterschiede zu der in den 1a bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im übrigen bezug genommen wird auf die 1a bis 5. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform, bei der die Spannelemente 12 mittels einer kegelförmigen Steuerfläche 16 verschwenkt werden, die an die zylinderförmige Steuerfläche 15 angrenzt und im Kopfbereich der Spannelemente 12 angeordnet ist, werden bei der in der 6 dargestellten zweiten Ausführungsform die Spannelemente 12 mittels der im Fußbereich angeordneten kegelförmigen Steuerfläche 17 verschwenkt. Dabei stellt sich zwischen den Köpfen 14 der Spannelemente 12 und der kegelförmigen Steuerfläche 16 im vorderen Bereich ein Spiel ein d.h. es liegt keine Berührung zwischen dem Spannelement 12 und der Zugstange 5 in diesem Bereich vor. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass es grundsätzlich auch Ausführungsformen der Spannvorrichtung 1 gibt, die ein Verschwenken der Spannelemente 12 unter Verwendung beider kegelförmiger Steuerflächen 16, 17 realisiert.
Die im Fußbereich vorgesehene Steuerfläche 17 hat somit eine Doppelfunktion. Sie verschwenkt die Spannelemente 12 durch axiales Verschieben der Zugstange 5 ausgehend von der Lösestellung bis der Kopf 14 jedes Spannelementes 12 auf der zylinderförmigen Steuerfläche 15 platziert ist, und leitet anschließend bei einem weiterem Verschieben der Zugstange 5 eine Spannkraft in die Spannelemente 12 ein, indem sie den Fuß 13 jedes Spannelementes 12 in axialer und radialer Richtung nach außen verschiebt, wodurch die Spannelemente 12 zusammen mit dem zweiten Maschinenbauteil 3 in die Spindel 4 hineingezogen werden.
Beim Verschwenken kippt das Spannelement 12 um den höchsten Punkt der kegelförmigen Steuerfläche 17. Im Gegensatz zu der in den 1 bis 5 dargestellten ersten Ausführungsform weisen die Spannelemente 12 der zweiten Ausführungsform keine weitere konusförmige Fläche 19 auf. Die veränderte Kinematik der zweiten Ausführungsform macht diese konusförmige Fläche entbehrlich.

1: Spannvorrichtung
2: erstes Maschinenbauteil
3: zweites Maschinenbauteil
4: Spindel
5: Zugstange
5a: Betätigungsstange
5b: Zugstangenkopf
6: Hohlschaft
7: Stirnseite des zweiten Maschinenbauteils
8: Anlagefläche der Spindel
9: erste Ausnehmung
10: erste konusförmige Spannflanke
11: erste konusförmige Spannfläche
12: Spannelement
13: Fuß des Spannelements
14: Kopf des Spannelements
15: zylinderförmige Steuerfläche
16: kegelförmige Steuerfläche
17: kegelförmige Steuerfläche
18: dritte konusförmige Spannfläche
19: weitere konusförmige Fläche
20: Aussparung
21: zweite Ausnehmung
22: zweite konusförmige Spannflanke
23: zweite konusförmige Spannfläche
24: Achse des zweiten Maschinenbauteils
25: Achse des ersten Maschinenbauteils
26: Achse der Zugstange
27: Feder
28: Ausnehmung
29: Haltenut
α: Winkel der ersten konusförmigen Spannflanke mit der Achse des ersten Maschinenbauteils
β: Winkel der zweiten konusförmigen Spannflanke mit der Achse des zweiten Maschinenbauteils
γ₁: Winkel der kegelförmige Steuerfläche mit der Achse der Zugstange
γ₂: Winkel der dritten konusförmige Spannfläche mit der Achse der Zugstange
γ₃: Winkel der weiteren konusförmigen Fläche mit der Achse der Zugstange

Claims

Spannvorrichtung (1) zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile (2, 3), bei der ein erstes Maschinenbauteil (2), beispielsweise eine Spindel (4), eine Durchgangsbohrung und eine in dieser Durchgangsbohrung axial verschiebbare Zugstange (5) aufweist und bei der über den Umfang der Zugstange (5) mindestens zwei Spannelemente (12) beabstandet voneinander angeordnet sind, jeweils umfassend einen Fuß (13), der in eine, im ersten Maschinenbauteil (2) vorgesehene erste Ausnehmung (9) eingreift, wobei diese erste Ausnehmung (9) über eine erste konusförmige Spannflanke (10) verfügt, an der sich eine am Fuß (13) angeordnete erste konusförmige Spannfläche (11) abstützt, und einen Kopf (14), der in eine in einem Hohlschaft (6) des zweiten Maschinenbauteils (3), beispielsweise eines Werkzeuges, vorgesehene zweite Ausnehmung (21) eingreift, wodurch ein Verspannen der Bauteile (2, 3) ermöglicht wird, und die Zugstange (5) über mindestens zwei Steuerflächen (15, 16, 17) verfügt, an denen sich die Spannelemente (12) abstützen und/oder mittels derer die Spannelemente (12) durch Verschieben der Zugstange (5) bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerfläche (15) eine zylinderförmige Steuerfläche (15) ist, an der sich in der Spannstellung – in der die beiden Maschinenbauteile (2, 3) miteinander verspannt sind – die Spannelemente (12) mit den Köpfen (14) abstützen und eine weitere Steuerfläche (16, 17) vorgesehen ist, mittels der die Spannelemente (12) verschwenkbar sind.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch. gekennzeichnet, dass die Köpfe (14) der mindestens zwei Spannelemente (12) ballig ausgebildet sind.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Spannelemente (12) jeweils am Kopf (14) eine zweite konusförmige Spannfläche (23) aufweisen, die zur Anlage mit einer in der zweiten Ausnehmung (21) angeordneten zweiten konusförmigen Spannflanke (22) bringbar ist, wobei diese Spannflanke (22) mit der Achse des zweiten Maschinenbauteils (24) einen spitzen Winkel β bildet.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (5) modular aufgebaut ist und einen Zugstangenkopf (5b) und eine mit dem Zugstangenkopf (5b) verbindbare Betätigungsstange (5a) aufweist, wobei der Zugstangenkopf (5b) die Steuerflächen (15, 16, 17) aufweist.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kegelförmige Steuerfläche (16) vorgesehen ist, die sich an die zylinderförmige Steuerfläche (15) anschließt.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese kegelförmige Steuerfläche (16) die weitere Steuerfläche (16) bildet, mittels der die Spannelemente (12) verschwenkbar sind.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine kegelförmige Steuerfläche (17) beabstandet zu der zylinderförmigen Steuerfläche (15) vorgesehen ist, wobei diese kegelförmige Steuerfläche (17) mit der Achse (26) der Zugstange (5) einen spitzen Winkel γ₁ bildet und zur Anlage mit einer am Fuß (13) jedes Spannelemente (12) vorgesehenen dritten Spannfläche (18) bringbar ist.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu der zylinderförmigen Steuerfläche (15) beabstandete kegelförmige Steuerfläche (17) die weitere Steuerfläche (17) bildet, mittels der die Spannelemente (12) verschwenkbar sind.
Spannvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel γ₁ gilt: 3° < γ₁ < 20°, vorzugsweise 7° < γ₁ < 13°.
Spannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Spannfläche (18) eine konusförmige Spannfläche (18) ist, die in der Spannstellung mit der Achse (26) der Zugstange (5) einen spitzen Winkel γ₂ bildet, vorzugsweise mit γ₂ = γ₁.
Spannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (12) eine weitere konusförmige Fläche (19) aufweisen, die sich an die dritte Spannfläche (18) anschließt und zwischen Kopf (14) und der dritten Spannfläche (18) positioniert ist, wobei diese konusförmige Fläche (19) in der Spannstellung mit der Achse (26) der Zugstange (5) einen spitzen Winkel γ₃ bildet mit γ₃ > γ₂.
Spannvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (5) zwischen der zylinderförmigen Steuerfläche (15) und der beabstandet angeordneten kegelförmigen Steuerfläche (17) eine Aussparung (20) aufweist.
Spannvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (27) vorgesehen ist, die die Füße (13) der mindestens zwei Spannelemente (12) kraftbeaufschlagt und die Füße (13) gegen die erste konusförmige Spannflanke (10) drückt.
Verfahren zum Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenbauteile (2, 3), von denen ein erstes Maschinenbauteil (2) eine axial verschiebbare Zugstange (4) aufweist, über deren Umfang Spannelemente (12) mit einem Kopf (14) und mit einem Fuß (13) beabstandet voneinander angeordnet sind, bei dem der Kopf (14) der Spannelemente (12) in Eingriff gebracht wird mit einer in einem Hohlschaft (6) des zweiten Maschinenbauteils (3) angeordneten konusförmigen Flanke (22), während sich der Fuß (13) an einer im ersten Maschinenbauteil (2) entgegengesetzt angeordneten konusförmigen Spannflanke (10) abstützt, wodurch ein Verspannen der Bauteile (2, 3) ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass • die Spannelemente (12) durch axiales Verschieben der Zugstange (5) ausgehend von der Lösestellung mittels einer auf der Zugstange (5) angeordneten kegelförmigen Steuerfläche (16, 17) verschwenkt werden, und durch weiteres axiales Verschieben der Zugstange (5) • der Kopf (14) jedes Spannelementes (12) auf einer zylinderförmigen Steuerfläche (15) platziert wird, und • der Fuß (13) jedes Spannelementes (12) mittels einer auf der Zugstange (5) angeordneten kegelförmigen Steuerfläche (17) in axialer und radialer Richtung in der Art verschoben wird, dass eine Spannkraft in die Spannelemente (12) eingeleitet wird, wodurch die Spannelemente (12) zusammen mit dem zweiten Maschinenteil (3) soweit in das erste Maschinenteil (2) hineingezogen werden bis die beiden Maschinenteile (2, 3) miteinander verspannt sind.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße (13) der Spannelemente (12) radial nach außen verschoben werden, während die Köpfe (14) der Spannelemente (12) auf der zylinderförmigen Steuerfläche (15) platziert werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannkraft durch axiales und radiales Verschieben der Füße (13) der Spannelemente (12) erst eingeleitet wird, wenn die Köpfe (14) der Spannelemente (12) sich auf der zylinderförmigen Steuerfläche (15) abstützen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (12) mittels einer kegelförmigen Steuerfläche (16), die an die zylinderförmige Steuerfläche (15) angrenzt, verschwenkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (12) mittels einer kegelförmigen Steuerfläche (17), die zu der zylinderförmigen Steuerfläche (15) beabstandet angeordnet ist, verschwenkt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kegelförmige Steuerfläche (17), mit der die Spannelemente (12) verschwenkt werden, auch dazu verwendet wird, eine Spannkraft durch axiales und radiales Verschieben der Füße (13) der Spannelemente (12) einzuleiten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eingeleitet wird, indem der Hohlschaft (6) des zweiten Maschinenbauteils (3) soweit auf die Spannelemente (12) aufgeschoben wird, bis die Köpfe (14) der Spannelemente (12) unter Ausführung einer radialen nach außen gerichteten Bewegung in den Hohlschaft (6) einrasten und die Köpfe (14) der Spannelemente (12) mit der konusförmigen Flanke (22) des Hohlschaftes (6) in Eingriff stehen.