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Die Erfindung betrifft ein Spannfutter für eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere zur Bearbeitung von unrunden und somit exzentrisch zu spannenden Werkstücken.
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Derartige Spannfutter werden bspw. bei Drehmaschinen zur Bearbeitung von Kurbelwellen eingesetzt, wobei diese während der Bearbeitung an beiden Enden mit jeweils einer Spitze zentriert und zusätzlich mittels Spannbacken bzw. Spannhebeln, die eine ausgleichende/zentrische Wirkung haben, eingespannt sind. Diese Spannhebel, die in der Regel gleichmäßig über einen Umfang verteilt sind, müssen somit bezogen auf die Futterachse nicht nur axial sondern auch radial verstellbar sein, um die spannende Funktion erfüllen zu können.
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Die Druckschrift
EP 1 127 642 B1 beschreibt ein kraftbetätigtes Hebelfutter mit als Hebel ausgebildeten Spannhebeln bzw. Spannarmen mit seitlicher Abstützung, die jeweils in einer Führungsaufnahme in einem Futterkörper axial verschieblich geführt und durch eine Lagerung in einem in dem Futterkörper ausgebildeten Kugelsitz um eine einer Sehne des Querschnitts durch den Futterkörper entsprechenden Schwenkachse verstellbar sind. In dieser Führungsaufnahme ist eine der seitlichen Abstützung des Spannarms dienende Abstimmplatte lösbar befestigt.
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Aus der Druckschrift
EP 1 127 643 A2 ist ein kraftbetätigtes Hebelfutter mit als Hebel ausgebildeten Spannarmen, die zum Lösen und Spannen von Werkstücken durch eine axial verschiebbare Spannstange um eine einer Sehne des Futterkörperquerschnitts entsprechende Schwenkachse verstellbar sind und an ihren freien Enden angeordnete Spanneinsätze aufweisen, bekannt. An den Spannarmen sind axiale und radiale Schrägflächen ausgebildet, die einen Neigungswinkel mit der axialen bzw. radialen Richtung einschließen. Dabei verringert sich der Durchmesser der axialen Schrägflächen in Axialrichtung zum Ende der Spannarme und an den Spanneinsätzen sind korrespondierend geneigte Anlageflächen ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Spannfutter dient zur Bearbeitung von exzentrischen bzw. unrunden Werkstücken und umfasst eine Anzahl an Spannhebeln, die zum Spannen von Werkstücken verstellbar sind. Die zum Verstellen erforderliche Kraft wird von einem Antrieb zur Verfügung gestellt. Die Übertragung der Kraft von dem Antrieb auf die Spannhebel erfolgt jeweils über einen Schiebekolben im Bereich eines Kontakts. Dabei sind der Schiebekolben und der Spannhebel derart ausgebildet, dass unabhängig von der Stellung des Spannhebels eine Andrückkraft gleich ist.
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Die Spannhebel, die bezogen auf den Futterkörper sowohl axial als auch radial verstellbar sind, werden zum Spannen eines Werkstücks zunächst translatorisch, d. h. axial, bis zu einem vorbestimmten Punkt, d. h. bis zu einer vorgegebenen Stellung, bewegt und anschließend typischerweise mit einem Ausgleichsspannring in einer Drehbewegung zum Spannen des Werkstücks gedreht bzw. geschwenkt und somit bezogen auf den Futterkörper radial bewegt. Die dabei ausgeübte Andrückkraft ist bedingt durch die besondere Ausgestaltung des Schiebekolbens und des Spannhebels im Bereich des Kontakts der beiden Bauteile unabhängig von der Stellung des Spannhebels gleich.
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Die gleichmäßige Verteilung der Andrückkraft kann bspw. dadurch erreicht werden, dass der Schiebekolben im Bereich des Kontakts eine Schräge oder aber auch einen Radius aufweist. Alternativ kann der Spannhebel im Bereich des Kontakts entsprechend ausgebildet sein.
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Alternativ kann der Schiebekolben mehrteilig ausgebildet sein, um die unterschiedlichen Stellungen des Spannhebels bedingt durch die Exzentrizität des zu spannenden Werkstücks auszugleichen.
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Zu beachten ist, dass die eigentliche Spannwirkung der Spannhebel auf das zu bearbeitende Werkstück erst erfolgt, wenn alle Spannhebel anliegen. Da das Vorschieben der Spannhebel bspw. über einen mehrteiligen, insbesondere zweiteiligen, Schiebekolben erfolgt, dessen Teile zueinander beweglich sind, kann eine möglicherweise durch die unrunde Ausgestaltung des Werkstücks erforderliche unterschiedliche Stellung der Spannhebel nach der Vorschiebbewegung ausgeglichen werden. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Andrückkraft der Spannhebel, vermittelt durch den Ausgleichsspannring, gewährleistet.
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Das erfindungsgemäße Spannfutter ist flexibel einsetzbar und ermöglicht sowohl ein zentrisches als auch ein exzentrisches und somit ausgleichendes Spannen von Werkstücken und daher die Bearbeitung von runden und unrunden Werkstücken. Insbesondere ist das Spannfutter, zumindest in einer bevorzugten Ausgestaltung, bei einer Bearbeitung mit schweren Schnitten und hohen dynamischen Kräften geeignet und gestattet die Fertigstellung des Werkstücks in einer Aufspannung, ohne dass bspw. bei einem Einsatz in einer Drehmaschine zwischenzeitlich die Drehgeschwindigkeit verringert werden muss.
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In Ausgestaltung umfasst der Schiebekolben eine Pendelscheibe und einen Kugelkolben, die relativ zueinander beweglich sind. Bei dieser relativen Bewegung zwischen der Pendelscheibe und dem Kugelkolben berühren sich die Laufflächen der Pendelscheibe und des Kugelkolbens.
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Vorzugsweise sind die Pendelscheibe und der Kugelkolben über korrespondierende, gewölbte Laufflächen zueinander beweglich verbunden, die nachfolgend auch als Kugelflächen bezeichnet werden. Diese Kugel- bzw. Laufflächen wirken zusammen, so dass eine vorbestimmbare Relativbewegung zwischen der Pendelscheibe und dem Kugelkolben ermöglicht ist.
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Es bietet sich an, dass das Spannfutter hermetisch abgedichtet ist, um zu verhindern, dass Verunreinigungen in den Futterkörper gelangen. In diesem Fall ist eine Schmiermittelfüllung, wie bspw. Öl oder Fett, zweckmäßig.
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Als Antrieb bietet sich bspw. ein hydraulischer, pneumatischer oder elektrischer Antrieb an. Es sind aber unterschiedliche Antriebe, z. B. auch ein Antrieb mit einer Feder, denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Spannfutter eine Anzahl von den Spannhebeln zugeordneten Zentrierbolzen, wobei in der Regel jedem Spannhebel ein Zentrierbolzen zugeordnet ist. Diese Zentrierbolzen, die eine gleichzeitige Rückzugsbewegung der Spannhebel ermöglichen, bewirken ein Zentrieren der Spannhebel während des Vor- und Zurückschiebens. Auf diese Weise ist jederzeit eine definierte Stellung der Spannhebel gewährleistet.
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Sind die Zentrierbolzen austauschbar angeordnet, so dass diese ohne Demontage des Spannfutters ausgewechselt werden können, kann das Spannfutter einfach und schnell unterschiedlichen Aufgaben angepasst werden. Je nach Ausgestaltung der Zentrierbolzen ist ein zentrisches und/oder ein ausgleichendes Spannen zu realisieren. Eine Zugänglichkeit zu den Zentrierbolzen kann durch Verschlussschrauben bereitgestellt werden. Besonders geeignet erscheint eine Konusform der Zentrierbolzen. Es sind aber grundsätzlich alle Formen denkbar, die eine formschlüssige Verbindung gestatten, wie bspw. eine Kugel-, Ellipsen-, Pyramiden- oder eine Polygonform.
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In Ausgestaltung sind in den Spannhebeln Anschlagbolzen vorgesehen, die bei einem Vorschieben der Spannhebel an den Futterkörper und somit an eine starre Stelle fahren und damit einen Anschlag definieren. Durch diesen Anschlag ist die Stellung des Spannhebels festgelegt, an dem die translatorische Bewegung endet und zum Spannen des Werkstücks eine Drehbewegung erfolgt.
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Typischerweise ist bei jedem Spannhebel genau ein Anschlagbolzen vorgesehen, der sich zum Beenden der translatorischen Bewegung am Futterkörper abstützt und verhindert, dass der Spannhebel weiter nach vorne schiebt und folglich das Werkstück von der Spitze, die die Zentrierfunktion ausübt, abhebt. Durch Wahl der Position des Anschlagbolzens wird eine Niederzugbewegung verstärkt und ein Abheben des Werkstücks von der Spitze verhindert.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Zentrierbolzen für ein vorstehend beschriebenes Spannfutter zum Ausüben einer Zentrierfunktion. Dieser Zentrierbolzen kann bspw. mittels einer Verschlussschraube austauschbar verfügbar sein und ist vorzugsweise konusförmig ausgebildet. Es sind aber auch andere Formen, die eine formschlüssige Verbindung ermöglichen, denkbar.
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Der erfindungsgemäße Spannhebel weist einen Anschlagbolzen auf, der auf die vorstehend beschriebene Weise beim Betätigen des Spannfutters mit dessen Futterkörper zusammenwirkt.
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Die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine dient zur Bearbeitung exzentrisch zu spannender Werkstücke und weist ein Spannfutter gemäß der zuvor beschriebenen Art auf. Das beschriebene Spannfutter ist auf unterschiedlichen Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung exzentrischer Werkstücke einsetzbar.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in einer Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannfutters in einer ersten Betriebsposition.
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2 zeigt das Spannfutter aus 1 in einer zweiten Betriebsposition.
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3 zeigt das Spannfutter der 1 und 2 in einer dritten Betriebsposition.
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4 zeigt das Spannfutter der 1 bis 3 in einer vierten Betriebsposition.
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5 zeigt einen Ausschnitt des in 1 bis 4 dargestellten Spannfutters in vergrößerter Darstellung.
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In 1 ist ein Ausschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spannfutters insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet dargestellt. Die Darstellung zeigt einen Spannhebel 12, einen Anschlagbolzen 14, eine Spitze 16, einen Zentrierbolzen 18, einen Schiebekolben 20, der eine Pendelscheibe 22 und einen Kugelkolben 24 umfasst, einen Führungsbolzen 26 sowie einen Ausgleichsspannring 28. Dieses Spannfutter 10 kommt bspw. bei einer Drehmaschine zum Einsatz und ist hermetisch dicht und mit Öl dauerhaft gefüllt. Der Schiebekolben 20 bzw. die Pendelscheibe 22 des Schiebekolbens 20 und der Spannhebel 12 berühren sich im Bereich eines Kontakts 30, so dass eine Kraftübertragung erfolgen kann.
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Der Spannhebel 12, der den Anschlagbolzen 14 trägt, ist sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung einstellbar bzw. bewegbar. Auf diese Weise ist es möglich, den Spannhebel 12 durch Bewegung in axialer Richtung über ein zu bearbeitendes Werkstück zu fahren und anschließend das Werkstück durch ein Schwenken des Spannhebels 12, was die Bewegung in radialer Richtung darstellt, zu spannen. Zum Spannen des Werkstücks wirkt der dargestellte Spannhebel 12 regelmäßig mit zwei weiteren, in der Darstellung nicht wiedergegebenen Spannhebeln zusammen. Außerdem ist die Stellung des Spannhebels 12, d. h. dessen Ausrichtung bezogen auf die Drehachse der Drehmaschine, einstellbar, so dass auch unrunde Werkstücke angefahren und gespannt werden können.
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Während der Bearbeitung ist das Werkstück durch die Spitze 16, die wiederum mit einer nicht dargestellten, gegenüberliegenden Spitze zusammenwirkt, zentriert. Während der Bearbeitung bleibt das Werkstück zwischen den Spitzen 16 eingespannt, wohingegen die Spannhebel 12 gespannt und entspannt sowie vor- und zurückgefahren werden können, ohne dass die Drehzahl verringert werden muss. Das Werkstück kann daher in einer Aufspannung fertiggestellt werden, so dass eine effiziente Bearbeitung gewährleistet ist.
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Die in 1 wiedergegebene erste Betriebsposition zeigt den Spannhebel 12 in zurückgefahrener Position. Das Vorfahren bzw. Vorschieben des Spannhebels 12 erfolgt durch Übertragung einer Kraft bzw. Bewegung eines nicht dargestellten Antriebs über den Schiebekolben 20, der die Pendelscheibe 22 und den Kugelkolben 24 umfasst. Der Schiebekolben 20 ist somit zweiteilig aufgebaut, wobei die Pendelscheibe 22 und der Kugelkolben 24 über eine Kugelfläche 32 miteinander verbunden sind. Die Darstellung zeigt, dass die Berührungsflächen der Pendelscheibe 22 und des Kugelkolbens 24 einander entsprechend gewölbt ausgebildet sind, so dass sich die Kugelfläche 32 ergibt. Die Pendelscheibe 22 und der Kugelkolben 24 sind somit über diese Kugelfläche 32 relativ zueinander beweglich.
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In dem gezeigten zurückgefahrenen Zustand ist die Pendelscheibe 22 über den Zentrierbolzen 18 zentriert und vorgespannt. Beim Vorfahren des Spannhebels 12 bleibt die Pendelscheibe 22 unabhängig von der Stellung des Spannhebels 12 zwangsgeführt und kann nicht pendeln. Somit ist jederzeit eine definierte Stellung des Spannhebels 12 gesichert.
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Undefinierte Stellungen bleiben ausgeschlossen. Folglich treten keine Unwuchten auf und es können höhere Drehzahlen realisiert werden. Nach dem Vorschieben sind von den Spannhebeln 12 des Spannfutters 10 bedingt durch ein unrundes Werkstück voneinander unterschiedliche Stellungen einzunehmen. Diese unterschiedlichen Stellungen werden über die Verschiebbarkeit der Pendelscheibe 22 zu dem Kugelkolben 24 ausgeglichen. Die Spannhebel 12 fahren somit linear und zentriert nach vorne, undefinierte Eingriffsverhältnisse bleiben ausgeschlossen. Zu beachten ist, dass durch die Möglichkeit der Zentrierung über eine Anzahl, in der Regel drei, an Zentrierbolzen 18 anstelle der Zentrierung des gesamten Schiebekolbens 20 eine größere Flexibilität gegeben ist. Dies wird durch die Konusform der Zentrierbolzen 18 unterstützt.
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In 2 ist das Spannfutter 10 mit dem nach vorne gefahrenen Spannhebel 12 dargestellt. Der Spannhebel 12 befindet sich jedoch noch nicht in gespannter Position, d. h. der Spannhebel ist über das Werkstück geführt, er übt aber noch keine Spannwirkung auf dieses aus. In dieser Position erfolgt eine axiale Abstützung des Anschlagbolzens 14 auf den Futterkörper und daher auf einen starren Körper. Folglich ist diese Positition, die den Anschlag darstellt, genau definiert. Die Pendelscheibe 22 bewirkt beim Vorschieben, dass sich die Vorschiebekraft auf alle Spannhebel 12, insbesondere bei großen Ausgleichswegen, gleichmäßig aufteilt. Anschließend erfolgt das Spannen des Werkstücks, indem der Spannhebel 12 in einer Schwenkbewegung und somit in einer radialen Bewegung zusammen mit den weiteren Spannhebeln 12 dieses einspannt. Zu beachten ist, dass die eigentliche Spannwirkung erst erfolgt, wenn alle Spannhebel 12 am Werkstück anliegen. Aufgrund des definierten Anschlags, da der Anschlagbolzen 14 sich nur am Futterkörper abstützt, wird die Schiebewirkung des Spannhebels 12 weitestgehend vermieden. Die axiale Betätigungskraft wird direkt am Futterkörper aufgefangen. Weiterhin ist eine Hubbegrenzung möglich. Das Werkstück wird nicht wie bei bekannten Spannfuttern abgehoben. Die Spitze 16 bleibt voll im Eingriff.
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In 3 ist das Spannfutter 10 in Ausgleichsspannstellung dargestellt. Die Pendelscheibe 12 ist frei, d. h. diese ist nicht mehr durch den Zentrierbolzen 18 geführt. Der Ausgleichsspannring 28 befindet sich in der maximal möglichen exzentrischen Stellung. Die Spannhebel 12 spannen das unrunde Werkstück.
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In 4 ist das Spannfutter 10 in zentrierter Spannstellung dargestellt. Hierbei ist die Pendelscheibe 22 zentriert. Die Spannhebel 12 sind weiter in radialer Richtung nach innen, hin zum Werkstück geschwenkt. Der Zentrierbolzen 18 ist weiter in das Futter hineingefahren. Diese Betriebsposition dient zum Spannen zentrischer Werkstücke.
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5 zeigt in vergrößerter Darstellung den konusförmigen Zentrierbolzen 18 in der maximalen Endposition. Die Darstellung zeigt weiterhin eine Verschlussschraube 34, die mit einem Flansch 36 abgedeckt die Zugänglichkeit zu dem Zentrierbolzen 18 gewährleistet. Dieser ist planseitig von außen zu erreichen.
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Es ist daher möglich, den Zentrierbolzen 18 auszutauschen, ohne dass das Futter abgebaut werden muss. Durch Wahl des Zentrierbolzens 18 kann das Futter durchgängig zentrisch, geringfügig ausgleichend (0,1 mm) oder auch stark ausgleichend (mehrere mm) eingestellt werden. Der Zentrierbolzen 18 bzw. die Zentrierbolzen 18 realisieren erfindungsgemäß die Rückzugsbewegung der Spannhebel 12 und erfüllen während des Vorschiebens der Spannhebel 12 die erwünschte Zentrierfunktion.
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Das vorgestellte Spannfutter 10 eignet sich sowohl zum Spannen unrunder bzw. exzentrischer als auch zum Spannen runder Werkstücke. Folglich ist ein ausgleichendes und ein zentrisches Spannen von Werkstücken möglich. Diese Flexibilität wird insbesondere durch die Möglichkeit des Austauschens der vorgesehenen Zentrierbolzen 18 gefördert. Die Positionierung des Anschlagbolzens 14 in dem Spannhebel 12 und die Tatsache, dass der Anschlagbolzen 14 gegen den Futterkörper fährt und folglich ein genau definierter Anschlag gegeben ist, stellt sicher, dass das Werkstück beim Spannen nicht von der Spitze 16 gehoben wird und somit das Werkstück sicher zentriert bleibt.
