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Die
Erfindung betrifft ein Werkzeug oder Werkzeughalter für die Bearbeitung
von Werkstücken
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Auf
Werkzeugaufnahmen, beispielsweise Revolvern, von Bearbeitungsmaschinen,
beispielsweise Drehmaschinen, werden angetriebene Werkzeuge entweder
nach DIN 69880 oder aber nach nicht genormter Maschinenhersteller-Definition
eingesetzt. Die Aufgabenstellung dieser Werkzeugaufnahmen ist es
in allen Fällen,
das Werkzeug oder den Werkzeughalter aufzunehmen. Dabei sollen ein
Teil oder alle der nachfolgenden Funktionen erfüllt werden, nämlich eine
stabile und spielfreie Aufnahme auf der Werkzeugaufnahme und/oder
eine im Raum exakt ausgerichtete und wiederholgenaue Orientierung und/oder
eine Übergabe
von zusätzlichen
Medien (Kühlschmierstoff,
Sperrluft, Schmierstoff für
angetriebene Werkzeuge, Einleitung von elektrischer Energie zum
Antrieb von Aktuatoren und/oder Betrieb von Sensoren) und/oder eine
Schnittstelle zur Übertragung
von mechanischer Energie in Form einer rotierenden Welle mit Kupplung
(Drehzahl und Drehmoment). Bei der vorliegenden Erfindung geht es
um die exakte Ausrichtung und wiederholgenaue Orientierung des Werkzeugs
oder Werkzeughalters auf der Werkzeugaufnahme.
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Ein
Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Ausrichtung (neben anderen
Anwendungsgebieten) ist eine spezielle, aus der Praxis bekannte
maschinenspezifische Werkzeugaufnahme. Die Werkzeugaufnahme besitzt
eine Bohrung, eine zu der Auflagefläche für das Werkzeug oder den Werkzeughalter
senkrechte Außenkante,
ein auf der Auflagefläche angeordnetes
Widerlager sowie Möglichkeiten
zur Klemmung des Werkzeugs oder des Werkzeughalters auf der Auflagefläche der
Werkzeugaufnahme. Beispielsweise können hier Schrauben vorgesehen sein.
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Das
Werkzeug oder der Werkzeughalter besitzen einen zylindrischen Schaft,
eine Ausrichtkante, welche in Wechselwirkung mit der Außenkante
der Werkzeugaufnahme tritt, eine Ausnehmung, welche mit dem Widerlager
der Werkzeugaufnahme in Wechselwirkung tritt, sowie Aufnahmebohrungen
für die
Hilfsmittel zur Klemmung des Werkzeugs oder Werkzeughalters.
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Bei
dieser aus der Praxis bekannten Ausführungsform wird der Werkzeughalter
auf die Werkzeugaufnahme aufgesetzt. Dabei kommt die Unterseite
des Werkzeughalters auf der Auflagefläche der Werkzeugaufnahme zur
Anlage. Hierdurch wird die Raumausrichtung erreicht, da die Flächen eben
aneinander liegen. Durch Druck in eine erste Richtung kommt die
Ausrichtkante des Werkzeughalters an der Außenkante der Werkzeugaufnahme
zur Anlage. Dies bewirkt, daß der
Werkzeughalter zusätzlich
in der Ebene in einer Richtung ausgerichtet wird und jetzt nur noch
einen Freiheitsgrad in die dazu senkrechte Richtung besitzt. Durch
Druck in eine zur ersten Richtung senkrechte Richtung kommt somit
das Widerlager der Werkzeugaufnahme zur Anlage an der Ausnehmung
des Werkzeughalters. Dadurch wird der letzte Freiheitsgrad festgelegt.
Die entsprechenden Berührungselemente
sind dabei jeweils genau gefertigt. Dadurch, daß alle Freiheitsgrade durch direkte
Berührung
von zwei Elementen beseitigt wurden, liegt der Werkzeughalter jetzt
spielfrei und daher exakt und wiederholgenau auf der Werkzeugaufnahme.
Durch Befestigung des Werkzeughalters auf dieser Werkzeugaufnahme
wird dadurch die Lage mechanisch fixiert.
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Diese
bekannte Vorgehensweise für
die Ausrichtung des Werkzeughalters an der Werkzeugaufnahme funktioniert
theoretisch sehr gut, hat aber den Nachteil, daß durch die manuelle und durch
eine Bedienungsperson notwendigen Schritte unkontrollierte Abweichungen
auftreten, die durch große
Sorgfalt reduziert, aber nur mit großem Aufwand überprüft werden
können.
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Die
DE 199 40 330 C2 zeigt
eine Werkzeugspanneinrichtung der eingangs angegebenen Art. Dabei
ist bei der Ausführungsform
in
6 ein Federelement in Form eines
elastischen Schnurringes in einer Ringnut des Werkzeugschaftes eingelegt. Dieser
Schnurring dichtet bei eingesetztem Werkzeughalter den Schaft gegen
die Aufnahmebohrung ab.
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Die
DE 39 29 802 C1 zeigt
eine Werkzeugträgeranordnung
mit auswechselbaren Werkzeughaltern. Bei den Ausführungsformen
der
5 und
6 ist
ein O-Ring in einer Nut des Schaftes eingelegt.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
spielfreie Lageausrichtung des Werkzeugs oder Werkzeughalters auf
der Werkzeugaufnahme von Bearbeitungsmaschinen zu schaffen.
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Die
technische Lösung
ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch
ist eine spielfreie Lageausrichtung des Werkzeugs oder Werkzeughalters
auf einer Werkzeugaufnahme von Bearbeitungsmaschinen geschaffen.
Das Ausrichtverfahren der Erfindung reduziert den manuellen Eingriff
auf das Wesentliche und sorgt dafür, daß die Raum-, Ebenen- und Nullpunktausrichtung
automatisch erzwungen werden, sobald das Werkzeug oder der Werkzeughalter
auf der Werkzeugaufnahme mechanisch fixiert wird. Es ist lediglich
erforderlich, daß die
Bedienungsperson das Werkzeug oder den Werkzeughalter bei der Montage
in die an sich für
die herkömmliche
Justierung vorgesehenen Richtungen (wie zuvor beschrieben) bewegt,
bis die Anschlagelemente spielfrei aneinander liegen. In dieser
Position wird das Werkzeug oder der Werkzeughalter auf der Werkzeugaufnahme
unverrückbar
aufgrund der Kraft des oder der Federelemente gehalten. Es besteht
somit nicht die Gefahr, daß bei
der anschließenden
Klemmung sich das Werkzeug oder der Werkzeughalter wieder auf der
Werkzeugaufnahme verschiebt und somit die exakte Justierung verloren
geht. Dabei kann die Berührung
des Federelements mit der Bohrungswand der Werkzeugaufnahme an verschiedenen
Stellen erfolgen. Es ist nur gefordert, daß die Anschlagelemente des
Werkzeugs oder Werkzeughalters an den korrespondierenden Anschlagelementen
der Werkzeugaufnahme spielfrei zur Anlage gelangen.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
2 schlägt
spezielle Anschlagelemente vor, wie sie bereits eingangs bei einem
speziellen Anwendungsgebiet beschrieben worden sind.
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In
einer Weiterbildung wird gemäß Anspruch 3
vorgeschlagen, daß die
Bohrung der Werkzeugaufnahme im Einführbereich für das Federelement eine trichterförmige Erweiterung
aufweist. Die Kontur der Trichterform ist dabei beliebig. Beispielsweise
kann es sich um eine Fase handeln. Durch diese trichterförmige Erweiterung
entgegen der Einsteckrichtung des zylindrischen Schaftes des Werkzeughalters
wird eine Führung
für das
Federelement erzielt, welche gewährleistet,
daß beim
Einführen
des zylindrischen Schaftes in die Bohrung der Werkzeugaufnahme die notwendige
Federkraft allmählich
aufgebaut wird. Die trichterförmige
Erweiterung dient somit für
das Federelement als Einführungshilfe.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
4 schlägt
vor, daß die
Berührung
des Federelements im Bereich der trichterförmigen Erweiterung der Werkzeugaufnahme
erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß vor allem bei der Demontage
ein Abheben des Werkzeughalters von der Werkzeugaufnahme durch die Federwirkung
des Federelements erfolgt. Die Bedienungsperson muß somit
den Werkzeughalter nicht mit großer Kraft aus der Bohrung herausziehen.
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Eine
Alternative hierzu schlägt
gemäß Anspruch
5 vor, daß die
Berührung
des Federelements im zylindrischen Abschnitt der Bohrung erfolgt.
Die vorhandene trichterförmige
Erweiterung dient hier zur Erleichterung der Montage. Vorteil diese
Ausführungsform
ist, daß die
Geometrieverhältnisse
und Toleranzen eindeutig zu bestimmen und zu fertigen sind.
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In
einer ersten Variante handelt es sich gemäß der Weiterbildung in Anspruch
6 bei dem Federelement um einen elastischen, geschlossenen Ring, welcher
in einer umlaufenden Nut des zylindrischen Schaftes des Werkzeughalters
angeordnet ist. Die umlaufende Nut dient dazu, daß sich der
geschlossene Ring nicht axial verschieben kann. Somit wird die Aufbringung
der notwendigen Federkraft durch diesen geschlossenen Ring erzielt,
welcher zwischen der Bohrungswand der Werkzeugaufnahme und dem zylindrischen
Schaft des Werkzeughalters angeordnet ist. Bei dem geschlossenen
Ring kann es sich um einen O-Ring handeln, aber auch um Ringe mit
einem nichtrunden Querschnitt.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
7 geht von einem handelsüblichen
geschlossenen Ring (insbesondere O-Ring) aus, also von einem geschlossenen
Ring mit gleichmäßigem Ringquerschnitt
um den Umfang herum. Dabei wird der Nutgrund radial als beliebig
geformte Kontur ausgeführt, welche
mindestens eine Überhöhung aufweist. Durch
diese Überhöhung kommt
es zu einer Berührung
an mindestens einer Stelle mit der Bohrungswand, dem geschlossenen
Ring und dem Nutgrund. Dadurch wird der beschriebene Kraftaufbau
und die gewollte Ausrichtung des Werkzeughalters zur Werkzeugaufnahme
bewirkt. Es können
auch zwei voneinander unabhängige Überhöhungen vorgesehen
sein, um damit eine gezielte Ausrichtung der Krafteinleitung und
eine gezielte Einstellung der Kraft zu erreichen. Als Überhöhung wird
im weitesten Sinne auch verstanden, daß die umlaufende Nut für den geschlossenen
Ring kreisförmig,
aber exzentrisch zur kreisförmigen
Mantelfläche
des zylindrischen Schaftes angebracht ist. Lage und Größe der Exzentrizität werden
so abgestimmt, daß sich
bei der Montage des Werkzeughalters ein minimaler vorbestimmter
Druck zwischen der Bohrungswand, dem geschlossenen Ring und dem
Nutgrund aufbaut, der dafür
sorgt, daß sich
der Werkzeughalter in die Justierrichtungen bewegt, bis es zur Anlage
an den entsprechenden Teilen des Werkzeughalters und der Werkzeugaufnahme
kommt. Durch die geometrischen Fertigungstoleranzen der beteiligten
Elemente kann dabei der Druck bis auf ein Maximum ansteigen. Bedingt
durch die Elastizität
des geschlossenen Rings können
diese Toleranzen aufgenommen werden. Konstruktionsbedingt kommt
es dabei idealerweise nur zu einer Berührung in dem Bereich rund um
den theoretischen Berührpunkt.
Alternativ zu diesen Überhöhungen des
Nutgrundes wird die Bohrung der Werkzeugaufnahme nicht kreisrund
ausgeführt,
sondern erhält mindestens
eine oder auch mehrere Abweichungen, die den Durchmesser partiell
verkleinern. Auch hier bildet sich dann wieder eine Kraftkomponente
für die vorbeschriebene
Justierbewegung. Der zylindrische Schaft und der Nutgrund des Werkzeughalters
können
bei dieser Variante kreisrund und koaxial zueinander bleiben.
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Die
vorbeschriebenen Überhöhungen können gemäß Anspruch
8 einstückig
mit dem zylindrischen Schaft des Werkzeughalters oder der Innenwandung
der Bohrung der Werkzeugaufnahme ausgebildet sein.
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Alternativ
ist es hierzu jedoch gemäß Anspruch
9 möglich,
daß aus
fertigungstechnischen Gründen
die Überhöhungen durch
untergelegte Zwischenteile erreicht werden.
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Während vorstehend
von einem herkömmlichen
geschlossenen Ring (insbesondere O-Ring) ausgegangen wird, schlägt die Alternative
gemäß Anspruch
10 einen speziellen geschlossenen Ring vor, welcher entsprechend
profiliert ist, um den Druckaufbau zu bewirken. Bei dieser Ausführungsform
des geschlossenen Rings ist vorzugsweise eine Verdrehsicherung für den Ring
vorgesehen, damit sich die Position des Druckaufbaus nicht verändert.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
11 besitzt in der Variante, daß der
Zwischenraum von dem geschlossenen Ring vollständig ausgefüllt wird, indem eine vollständige Berührung zwischen
Bohrungswand, geschlossener Ring und Nutgrund aufgebaut wird, den
Vorteil, daß über den
geschlossenen Ring gleichzeitig eine Abdichtung erfolgt und kein
Medium zwischen Bohrungswand und Schaft in den inneren Bereich der
Werkzeugaufnahme eindringen kann. Hierfür ist die Vorspannung in dem
eigentlichen Druckaufbaubereich deutlich größer als an den anderen Stellen,
um so eine ausreichende Kraftkomponente aufzubauen, die eine gesicherte
Bewegung des Werkzeughalters gegen äußere Kräfte (z. B. Reibung, Gewichtskraft)
ermöglicht
und es so zur Anlage zwischen den entsprechenden Anschlagelementen
kommt.
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Alternativ
zu dem geschlossenen Ring schlägt
die Weiterbildung gemäß Anspruch
12 ein im wesentlichen C-förmiges
Teilringelement vor, welches endseitig in entsprechenden Ausnehmungen
im zylindrischen Schaft des Werkzeughalters gelagert ist. Dieses
Teilringelement ist gleichermaßen
wie auch schon der geschlossene Ring elastisch ausgebildet.
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Die
Weiterbildung gemäß Anspruch
13 schließlich
weist eine weitere Variante für
den Aufbau der Federkraft vor. Hier dienen Feder-Druckkörper-Einheiten,
welche anstelle der Überhöhungen in den
zylindrischen Schaft des Werkzeughalters eingesetzt werden oder
aber bereits Bestandteil der Werkzeugaufnahme sind und in die Bohrung
integriert sind.
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Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Werkzeughalters
für die
Bearbeitung von Werkstücken
zur Befestigung an einer Werkzeugaufnahme einer Bearbeitungsmaschine
wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht des Werkzeughalters vor dem Einsetzen mit
seinem zylindrischen Schaft in die Bohrung der Werkzeugaufnahme;
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1b die
Situation aus 1a nach vollständigem Einsetzen
des Werkzeughalters;
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1c eine
Darstellung entsprechend der in 1a, jedoch
von hinten;
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1d eine
Stirnansicht basierend auf der Darstellung in 1b;
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1e einen
Schnitt entlang der Linie A-A in 1d;
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2a bis 2h verschiedene
Ausbildungen des Federelements in einer schematischen Schnittansicht
im Bereich dieses Federelements;
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3a bis 3c der
Verfahrensablauf beim Einsetzen des zylindrischen Schaftes des Werkzeughalters
in die Bohrung der Werkzeugaufnahme in verschiedenen Schritten;
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4 eine
modifizierte Anordnung des Federelements in einer Darstellung entsprechend
der in 3c.
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Ein
Werkzeugaufnahme 1 in Form eines Revolvers einer Bearbeitungsmaschine
in Form einer Drehmaschine weist mehrere Aufnahmen auf. Diese sind
jeweils durch eine Auflagefläche 2 definiert.
Diese Auflagefläche 2 der
Werkzeugaufnahme 1 besitzt eine zylindrische Bohrung 3 mit
einer konischen trichterförmigen
Erweiterung 4 in Form einer Fase im Eintrittsbereich. Weiterhin
ist eine zur Auflagefläche 2 senkrechte
Außenkante 5 vorgesehen.
Auf der Auflagefläche 2 befindet
sich noch ein Widerlager 6.
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Die
Werkzeugaufnahme 1 dient der Aufnahme eines oder mehrerer
Werkzeughalter 7. Dieser besitzt einen zylindrischen Schaft 8,
eine Ausrichtkante 9 sowie unterseitig eine Ausnehmung 10.
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Weiterhin
weist der zylindrische Schaft 8 des Werkzeughalters 7 unter
Bezugnahme auf eine erste Variante, wie sie in 2a dargestellt
ist, eine umlaufende Nut 11 mit einem Nutgrund 12 auf.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
in 2a weist dieser Nutgrund 12 zwei Überhöhungen 13 auf.
In der umlaufenden Nut 11 befindet sich ein elastischer,
geschlossener Ring 14 in Form eines O-Rings. Aufgrund der Überhöhungen 13 ist
der geschlossene Ring 14 in diesem Bereich aufgeweitet.
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Die
Funktionsweise ist wie folgt (vgl. insbesondere 3a bis 3c):
Der
Werkzeughalter 7 wird mit seinem zylindrischen Schaft 8 in
die Bohrung 3 der Werkzeugaufnahme 1 eingeführt. Dabei
trifft der geschlossene Ring 14 auf die trichterförmige Erweiterung 4 der
Bohrung 3. Durch die weitere Einführung wird der geschlossene Ring 14 im
Bereich der beiden Überhöhungen 13 komprimiert,
so daß sich
eine Federkraft aufbaut.
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Gleichzeitig
wird der Werkzeughalter 7 derart auf der Auflagefläche 2 der
Werkzeugaufnahme 1 positioniert, daß die Ausrichtkante 9 sowie
die Ausnehmung 10 des Werkzeughalters 7 in Anlage
an die Außenkante 5 sowie
an das Widerlager 6 der Werkzeugaufnahme 1 gelangen.
Aufgrund der Federkraft des geschlossenen Rings 14 werden
die vorbeschriebenen Elemente dauerhaft aneinandergepreßt, so daß die Justierung
des Werkzeughalters 7 bezüglich der Werkzeugaufnahme 1 abgeschlossen
ist. Als letzter Verfahrensschritt wird der Werkzeughalter 7 an
der Werkzeugaufnahme 1 festgeschraubt.
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Die
Variante in 2b sieht eine Exzentrizität E zwischen
der Achse des zylindrischen Schaftes 8 und der Achse des
Nutgrunds 12 der umlaufenden Nut 11 vor. Dadurch
wird gleichermaßen
eine Überhöhung 13 des
geschlossenen Rings 14 geschaffen. Die Funktionsweise für die Montage
und Justierung ist dabei entsprechend wie vorbeschrieben.
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Die
Variante in 2c stimmt bezüglich den Überhöhungen 13 mit
der Variante in 2a überein. Der Unterschied besteht
darin, daß der
geschlossene Ring 14 den Zwischenraum vollständig ausfüllt und
somit eine Dichtwirkung erzielt.
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Die
Variante in 2d sieht als Überhöhung eingefügte Zwischenelemente 15 vor,
welche den geschlossenen Ring 14 gleichermaßen radial
nach außen
positionieren.
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Während bislang
die Überhöhungen immer vom
zylindrischen Schaft des Werkzeughalters 7 ausgehen, sieht
die Variante in 2e vor, daß die Innenwand der Bohrung 3 zwei
radial nach innen gerichtete Überhöhungen 13 aufweist.
Durch die Pressung des geschlossener Rings 14 wird auch
hier eine Federkraft an diesen beiden Stellen aufgebaut.
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Die
Variante in 2f zeigt einen C-förmigen Halbring 16.
Dieser ist mit seinen Enden in Ausnehmungen festgelegt, die im Nutgrund 12 der
umlaufenden Nut 11 ausgebildet sind. Hier kann die Nut 11 auch
nur partiell umlaufend sein.
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Die
Variante in 2g zeigt statt der vorbeschriebenen Überhöhungen für die geschlossenen Ringe 14 bzw.
den C-förmigen
Halbring 16 Feder-Druckkörper-Einheiten 17,
welche im zylindrischen Schaft 8 des Werkzeughalters 7 angeordnet sind
und gegen die Innenwand der Bohrung 3 der Werkzeugaufnahme 1 drücken. Auch
hier wird somit beim Einführen
des Werkzeughalters 7 in die Bohrung 3 der Werkzeugaufnahme 1 an
diesen beiden Stellen eine Federkraft aufgebaut, welche die Ausrichtkante 9 des
Werkzeughalters 7 an die Anlagefläche 2 der Werkzeugaufnahme 1 sowie
die Ausnehmung 10 des Werkzeughalters 7 an das
Widerlager 6 der Werkzeugaufnahme 1 zur Anlage
bringt.
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Eine
Modifikation hiervon schlägt
in 2h vor, daß die
vorbeschriebenen Feder-Druckkörper-Einheiten 17 in
der Innenwandung der Bohrung 3 der Werkzeugaufnahme 1 angeordnet
sind und mit ihren Druckkörpern
gegen den zylindrischen Schaft 8 drücken.
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Die
Funktionsweise ist bei sämtlichen
vorbeschriebenen Ausführungsformen
immer die gleiche, daß nämlich beim
Einführen
des Werkzeughalters 7 in die Werkzeugaufnahme 1 eine
Federkraft aufgebaut wird, welche die Anschlagelemente für die Justierung
spielfrei aneinander preßt,
so daß aufgrund dieses
Kraftaufbaus sich der Werkzeughalter 7 nicht mehr bezüglich der
Werkzeugaufnahme 1 verschiebt.
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Die
Ausführungsform
in 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform
in den 3a bis 3c dadurch,
daß der
geschlossene Ring 14 nicht im Bereich der Zylinderwand
der Bohrung 3 zu liegen kommt, sondern im Bereich der trichterförmige Erweiterung 4.
Dadurch läßt sich
für die
Demontage der Werkzeughalter 7 leichter entnehmen.
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- 1
- Werkzeugaufnahme
- 2
- Auflagefläche
- 3
- Bohrung
- 4
- trichterförmige Erweiterung
- 5
- Außenkante
- 6
- Widerlager
- 7
- Werkzeughalter
- 8
- zylindrischer
Schaft
- 9
- Ausrichtkante
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Nut
- 12
- Nutgrund
- 13
- Überhöhung
- 14
- geschlossener
Ring
- 15
- Zwischenelement
- 16
- C-förmiger Halbring
- 17
- Feder-Druckkörper-Einheit