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Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Festspannen eines
Werkstückes,
der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Werkstücke müssen zur
weiteren Bearbeitung häufig eingespannt
werden und je nach Bearbeitungsbedarf fallweise drehbar gelagert
sein. Dies ist z. B. der Fall bei Dreharbeiten aber auch bei Fräsarbeiten,
ebenso wie bei allen anderen Arten von spanabhebender und sonstiger
Bearbeitung. Dabei entsteht die Anforderung eines möglichst
optimalen Festspannens des Werkstückes, das bedeutet, dass das
Werkstück bestmöglich gesichert
werden soll gegen unbeabsichtigte axiale und/oder Rotationsbewegungen. Ebenso
soll bei der Bearbeitung eine möglichst
hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden, um Prozesszeiten,
in denen eine solche Vorrichtung eingesetzt wird, zu kürzen und
somit schneller produzieren zu können.
Ebenso ist eine möglichst
hohe Spannkraft, ebenso wie eine möglichst hohe Kraftübertragung
in Rotationsrichtung erwünscht,
damit eine kürzere
Bearbeitungszeit erreicht werden kann.
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Nach
dem Stand der Technik sind sogenannte Kegelspannsysteme bekannt,
welche im Folgenden und durch 1 näher erläutert werden.
Diese Vorrichtung besteht aus einem Halter 110, auf dem ein
zu bearbeitendes Werkstück
aufgespannt werden kann. Der Halter 110 besitzt eine Vorrichtung, über welche
er an eine passende Vorrichtung angebracht werden kann, z. B. eine
Drehbank.
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In
dem Halter 110 befindet sich ein stangenförmiges Spannteil 120,
welches in axialer Richtung beweglich ist. Ebenso umfasst er 110 ein
Spannelement 140, welches durch die axiale Bewegung des Spannteils 120 radial
nach außen
gedrückt
wird. Durch diese radiale, nach außen wirkende Kraft des Spannelements 140 wird
das auf den Halter 110 aufgesteckte Werkstück flächig gehalten.
Das Werkstück
kann nun bearbeitet werden.
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Das
Spannelement 140 besteht meist aus einem zickzackförmig umlaufenden
Metallband, welches durch seine Zickzackform in radialer Richtung gedehnt
werden kann. Statt der Zickzackform sind auch andere Formen bekannt.
Hauptsächlich
wichtig ist hierbei, dass das Metall sich in radialer Richtung bewegen
lässt und
trotzdem eine Spannfläche
erzeugt.
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Nachteilig
bei dieser Art von Spannsystemen ist die Tatsache, dass das Spannelement 140 durch seine
radiale Dehnung und den dadurch entstehenden Bewegungen innerhalb
des Metallbandes nach oftmaligem Wechsel des Werkstückes ermüdet und somit
irgendwann unbrauchbar wird. Die Spannkraft lässt nach und irgendwann reißt das Material
im schlimmsten Falle. Ein weiterer Nachteil ist die Spannfläche des
Spannelementes 140, über
welche das Werkstück
gehaltert wird. Durch eine solche flächige Halterung ist keine optimale
Kraftübertragung speziell
bei Rotationsbewegungen möglich.
Das Anfahren und Abbremsen einer Rotationsbewegung sollte bei einer
maschinellen Bearbeitung möglichst zügig durchgeführt werden,
um Prozesszeiten zu verringern. Dadurch wirken allerdings hohe Kräfte auf
das Werkstück.
Diese Kräfte
können
bei einer flächigen
Halterung durch die Trägheit
des Werkstückes
nicht sehr groß sein,
da das Werkstück
sonst durch seine Trägheit
nicht den Bewegungen des Halters 110 folgt.
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Ein
dritter Nachteil besteht darin, dass durch eine flächige Halterung
des Werkstückes
eine glatte, vorbearbeitete Oberfläche an der Haltefläche des Werkstückes vorhanden
sein muss. Je rauer das Werkstück
an seiner Haltefläche,
an welcher der Spannkegel angreift, ist, umso weniger Kraftübertragung
ist auf das Werkstück
möglich,
da in diesem Falle die Angriffsfläche des Spannelementes 140 auf nur
kleine Kontaktflächen
des Werkzeuges reduziert wird. Somit setzt ein solches Kegelspannsystem
eine Vorbearbeitung des Werkstückes
voraus, in welcher die Haltefläche
des Werkstückes
entsprechend geglättet
wird, um das Werkstück
durch das Spannelement 140 optimal zu halten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Spannsystem zu schaffen, welches
die genannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, nämlich eine
Vorbearbeitung des Werkstücks,
geringe Kraftübertragung
auf das Werkstück
sowie zu kurze Lebenszeiten des Spannsystems.
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Dies
wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass der Halter auf den das zu bearbeitende Werkstück aufgespannt
wird, mit mindestens einem oder mehrere Durchbrüche versehen ist, in welchen Spannelemente
gelagert sind, die radial nach außen in den Durchbrüchen bewegbar
sind. Der Spannteil, welcher in axialer Richtung beweglich innerhalb
des Halters montiert ist, besitzt an den Stellen, an denen die Durchbrüche sich
befinden, Schrägflächen, welche
bei axialer Bewegung des Spannteils die Spannelemente in radialer
Richtung nach außen
drücken.
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Diese
Spannelemente sind so konstruiert, dass sie bei radialer Bewegung
nach außen
in die dafür
vorgesehene Spannfläche
des Werkstücks
eindringen und das festzuspannende Werkstück somit festhalten. Somit
ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung
zum Werkstück
gegeben, welche eine höhere
Kraftübertragung
und somit höhere
Bearbeitungsgeschwindigkeiten als beim Stand der Technik ermöglicht.
Bekannte Vorrichtungen arbeiten lediglich mit Kraftschluss.
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Zur
Vereinfachung des Aufbringens des zu bearbeitenden Werkstücks auf
dem Halter kann dieser mit Führungen
versehen sein, damit das zu bearbeitende Werkstück immer in richtiger Position
aufgespannt wird. Somit vermeidet man z. B., dass die Spannelemente
direkt an einer Schweißnaht
des zu bearbeitenden Werkstücks
angreifen.
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Um
ein definiertes Ende der Axialbewegung des Spannteils zu gewährleisten,
kann zwischen dem Spannteil und dem Halter ein Auflaufteil angebracht
sein, welches die Axialbewegung des Spannteils in Richtung Werkstück stoppt.
Somit wird sichergestellt, dass die axiale Bewegung des Spannteils auf
die Länge
der Schrägflächen begrenzt
ist und somit die Funktion des Spannteils sichergestellt ist. Gestoppt
wird der Spannteil dadurch, dass ein am Spannteil angebrachter Auflaufkragen
gegen das Auflaufteil läuft
und somit die Bewegung einschränkt. Zur
anderen Richtung wird die Bewegung des Spannteils dadurch eingeschränkt, dass
hier die Vorrichtung, auf welcher der Halter aufgebracht wurde, durch
das Kupplungselement den Schub automatisch begrenzt.
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Vorzugsweise
ist der Spannteil so in den Halter eingebracht, dass ein Teil seines
Profils mehreckig ausgeführt
ist. Dadurch wird in eingebautem Zustand des Halters ein unbeabsichtigtes
Verdrehen des Spannteils verhindert. Sollten einseitige Belastungen
die Schrägfläche des
Spannteils abgenutzt haben, kann dieses dadurch ausgeglichen werden, dass
der Spannteil innerhalb des Halters gedreht wird. Dies geschieht
im ausgebauten Zustand des Halters, in dem der Spannteil zunächst axial
bewegt wird um die Sicherung durch das mehreckige Profil zu umgehen,
danach radial gedreht und wieder axial in den Ausgangszustand zurückgeführt wird.
Somit muss nicht sofort bei anfänglich
auftretenden Abnutzungserscheinungen der gesamte Spannteil oder
sogar der gesamte Halter gewechselt werden. Durch einfaches Drehen
kann der Spannteil eine längere Nutzungsdauer
erhalten.
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Erleichtert
werden kann diese Verstellung des Spannteils dadurch, dass am werkstückseitigen Ende
des Halters am Kopf des Spannteils ein Stellelement angebracht ist,
welches mit einfachen Werkzeugen, wie z. B. einem Schraubendreher
in axialer bzw. radialer Richtung gedreht werden kann.
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Die
Erfindung besitzt im Halter wenigstens eine Halteeinrichtung, durch
die das gesamte Spannsystem auf einer entsprechenden Vorrichtung
zur Bearbeitung des Werkstücks,
wie z. B. einer Drehbank, angebracht werden kann. Somit kann der
Halter drehbeweglich sowie auch axialbeweglich gelagert sein.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den
Zeichnungen und dem nachfolgend ausgeführten Ausführungsbeispiel, welches anhand
der Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
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1 den
Stand der Technik im Radialschnitt,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
in perspektivischer Darstellung,
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3 die
erfindungsgemäße Vorrichtung aus 2 in
perspektivischer Seitenansicht,
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4 der
Spannteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Seitenansicht,
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5 der
in 4 dargestellte erfindungsgemäße Spannteil im Radialschnitt,
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6 die
Grundfläche
des erfindungsgemäßen Spannteils
aus 4 in Vorderansicht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Festspannen eines Werkstücks
aus 2 umfasst einen Halter 10, welcher über eine
Halteeinrichtung 11 auf ein entsprechendes Bearbeitungsgerät, wie z. B.
einer Werkbank, Drehbank od. dgl., aufgespannt werden kann. Weiterhin
besteht der Halter aus einem axial heraustretenden zylinderförmigen Halteteil 14, auf
welches das zu bearbeitende Werkstück aufgespannt werden kann.
Dieses ist einstückig
mit dem Halter 10 verbunden und besitzt mindestens eine,
in Längsrichtung
des Halters 10 verlaufende Führung 13, welche als
Erhöhungen
aus dem Halteteil 14, auf dem das zu bearbeitende Werkstück aufgespannt wird,
heraustreten. Diese Führungen 13 sollen
helfen, das Werkstück
optimal auf den Halter 10 aufzuspannen. Dies ist vor allem
dann notwendig, wenn das Werkstück
eine Schweißnaht
besitzt, welche ein gleichmäßiges Aufspannen
auf einen Halter 10 ohne Führungen erschweren würde. Bei
Werkstücken ohne
Schweißnaht
können
die Führungen 13 entfallen.
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In
diesem herausragenden Halteteil 14 des Halters 10 sind
mehrere Durchbrüche 12 eingebracht.
In unserem Bespiel ergeben sich drei radial umlaufende Durchbruchreihen,
zu je sechs Durchbrüchen 12.
Diese Durchbrüche 12 sind
abwechselnd auf den Führungen 13 und
auf den Zwischenräumen
zwischen den Führungen 13 angebracht.
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In
den Durchbrüchen 12,
welche auf den Führungen 13 angebracht
sind, befinden sich in radialer Richtung bewegliche Spannelemente 40,
welche in unserem Ausführungsbeispiel
als Kugeln ausgeführt
sind. Die Durchbrüche 12 zwischen
den Führungen 13 sind
lediglich herstellungsbedingt, da von dieser Seite die Durchbrüche bis
zur gegenüberliegenden
Seite durchgebohrt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist dann
dementsprechend ein Durchbruch 12 in einer Führung 13 zu
finden. Somit ergeben sich drei in axialer Richtung verlaufende Reihen
Spannelemente 40, die jeweils um 120° versetzt zueinander sind.
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Mittig
in dem Halter 10 verläuft
ein Spannteil 20, welches sich in axialer Richtung im Halter 10 bewegen
kann. Diese Bewegung wird dadurch begrenzt, dass in der Richtung,
in der der Halter 10 auf eine entsprechende Vorrichtung
montiert ist, diese entsprechende Vorrichtung über ein im Spannteil 20 angebrachtes
Kupplungselement 21 das Spannteil 20 in axialer
Richtung bewegt und somit die Bewegung zur Vorrichtungsseite begrenzt.
Auf der Werkstücksseite
wird durch einen am Spannteil 20 angebrachten Auflaufkragen 31,
der vor ein Auflaufteil 30 laufen kann, die Bewegung des
Spannteils 20 begrenzt. Das Auflaufteil 30 ist
am Ende des Halters 10 zum Werkstück hin zwischen dem Halter 10 und
dem Spannteil 20 eingebracht.
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Der
Spannteil 20 besitzt so viele radial umlaufende Schrägflächen 23,
wie der Halter 10 radial umlaufende Reihen von Durchbrüchen 12 besitzt. Durch
das Verschieben des Spannteils 20 in axialer Richtung innerhalb
des Halters 10 werden nun durch die Schrägflächen 23 die
Spannelemente 40 radial nach außen gedrückt. Durch diese Bewegung der Spannelemente 40 wird
das zu bearbeitende Werkstück
festgespannt. Die Spannelemente 40 dringen hierbei in die
Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes
ein. Dadurch entsteht eine kraft- und formschlüssige Verbindung von der Spannvorrichtung zum
zu bearbeitenden Werkstück,
was eine hohe Kraftübertragung
auf das Werkstück
in axialer sowie radialer Richtung erlaubt.
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Der
Spannteil 20 besitzt weiterhin ein mehrseitiges Halteprofil 24,
welches den eingebaute Spannteil 20 vor Verdrehen schützt. Ein
weiterer Vorteil des Halteprofils 24 besteht darin, dass
sich bei Ermüden
der Schrägflächen 23 durch häufiges Spannen
und Entspannen eine unregelmäßige Abnutzung dadurch
verhindern lässt,
dass der Spannteil 20 um einen bestimmten Winkel des Halteprofils 24 gedreht wird.
Somit muss der Spannteil 20 nicht bei unregelmäßigen Abnutzungen
direkt ausgetauscht werden, sondern kann durch ein Verdrehen des
Spannteils 20 weiter verwendet werden. Das Drehen des Spannteils 20 wird
erleichtert durch ein Stellelement 22, das auf der Seite
des zu bearbeitenden Werkstückes
vor Kopf des Spannteils 20 angebracht ist.
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Auf
den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand nur beispielsweise
verwirklicht. Dieser ist nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei
Abänderungen
möglich.
Beispielsweise könnte
die Anzahl der in axialer Richtung am Halter angebrachten Durchbrüche variieren.
Somit variiert auch die Anzahl der Spannelemente. Diese kann je
nach Kraftanforderung an das Spannsystem variieren. Weiterhin kann
das Material der Spannelemente je nach Anforderung des zu spannenden
Werkstücks variieren.
Ebenso wäre
es genauso erdenklich, diese Vorrichtung statt zum Festspannen der
Innenfläche eines
Werkstücks
nicht zum Spannen der Außenfläche zu verwenden.
Damit kann das Werkstück
dann an der Innenfläche
bearbeitet werden. Ebenso kann das zu bearbeitende Werkstück statt
einer Angriffsfläche
zum Festspannen des Werkstücks
auch mehrere Angriffsflächen
besitzen.
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Die
Bauform der Spannelemente kann ebenfalls variieren, so sind statt
kugelförmigen
Spannelementen ebenso stiftförmige,
prismenförmige,
walzenförmige
oder auch tonnenförmige
Spannelemente denkbar. Wichtig bei allen Ausführungen der Spannelemente ist
jeweils nur, dass die Spannelemente aus einem härteren Werkstoff bestehen,
als das zu spannende Werkstück,
da sonst das Eindringen der Spannelemente in die Angriffsfläche des
Werkstückes
nicht möglich
ist. Genauso wie die Form der Spannelemente variieren kann, kann
auch die Form des Halters variieren. So kann dieser rund oder mehreckig
sein. Das Material des Halters kann ebenfalls variieren, so kann
er beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen. Das Kupplungselement
kann ebenfalls unterschiedlich ausgebildet sein, so kann es als
Gewinde ausgebildet sein, aber ebenso als Teil einer Schnappverbindung
oder als Hohlraum für
eine Presspassung.
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Die
Vorrichtung kann auch so gestaltet sein, dass statt der Innenfläche des
Werkstückes
die Außenfläche gespannt
wird. Hierbei greifen die an dem Halter befindlichen Spannelemente
von außen
radial an das Werkstück.
Der Halter kann dabei hülsenförmig gestaltet
sein.
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- 10
- Halter
- 11
- Halteeinrichtung
- 12
- Durchbruch
- 13
- Führung
- 14
- Halteteil
- 20
- Spannteil
- 21
- Kupplungselement
- 22
- Stellelement
- 23
- Schrägfläche
- 24
- Halteprofil
- 30
- Auflaufteil
- 31
- Auflaufkragen
- 40
- Spannelement
- 110
- Halter
(Stand der Technik)
- 111
- Halteeinrichtung
(Stand der Technik)
- 120
- Spannteil
(Stand der Technik)
- 140
- Spannelement
(Stand der Technik)