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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Werkzeughalter mit einer derartigen Spannvorrichtung.
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Spannvorrichtungen der eingangs genannten Art werden zur lösbaren Halterung der mit einem Hohlschaftkegel versehenen Werkzeugaufnahmen oder Werkzeuge in drehbar angetriebenen Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Eine derartige Spannvorrichtung ist aus der
EP 0 471 197 A1 bekannt. Dort sind an der Außenseite eines mit konischen Flächenabschnitten versehenen und mittels einer Zugstange innerhalb einer Arbeitsspindel axial verschiebbaren Spannkegels mehrere über den Umfang verteilte Spannklauen angeordnet, die durch eine Verschiebung des Spannkegels zwischen einer radial äußeren Spannstellung zum Festspannen eines Werkzeugs oder einer Werkzeugaufnahme in der Arbeitsspindel und einer radial inneren Lösestellung zur Freigabe des Werkzeugs bzw. der Werkzeugaufnahme bewegbar sind. Der am vorderen Ende der Zugstange angeordnete Spannkegel wird durch ein innerhalb der Arbeitsspindel angeordnetes Tellerfederpaket in die Spannrichtung gedrückt und kann durch eine am Ende der Arbeitsspindel angeordnete Löseeinheit entgegen der Kraft des Tellerfederpakets zur Verschiebung der Spannklauen in die Freigabestellung nach vorne geschoben werden.
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Es sind auch Spannvorrichtungen dieser Art bekannt, die über einen Schlüssel oder ein anderes geeignetes Werkzeug manuell betätigbar sind. Allerdings müssen bei derartigen Spannvorrichtungen in der Regel besondere Maßnahmen zur Verhinderung eines selbsttätigen Lösens getroffen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art und einen Werkzeughalter mit einer solchen Spannvorrichtung zu schaffen, die ein gegen ungewolltes Lösen gesichertes Spannen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Werkzeughalter mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist der Spannkonus durch einen Exzenterbolzen axial verschiebbar, wobei der Exzenterbolzen entgegen der Kraft mindestens einer Druckfeder aus einer Löseposition über einen Totpunkt hinweg in eine verrastete Spannposition drehbar ist. Dadurch kann eine von eventuellen Abweichungen der Werkzeugaufnahmen oder Werkzeuge unabhängige und fest vorgegebene Spannposition mit einem stabilen Rastzustand zur Verhinderung eines selbsttätigen Lösens erreicht werden. Über die mindestens eine Druckfeder können eventuelle Abweichungen zwischen den unterschiedlichen Werkzeugaufnahmen ausgeglichen und dennoch ein stabiler festgelegter Betätigungswinkel erreicht werden. Die mindestens eine Druckfeder stellt außerdem einen Spannkraftspeicher dar.
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In einer zweckmäßigen Ausführung weist der Exzenterbolzen einen Betätigungszapfen mit einer äußeren Spannfläche zur Anlage an einer dem Spannkonus zugeordneten inneren Spannfläche auf, wobei der auf die Drehachse des Exzenterbolzens bezogene Radius des Betätigungszapfens im Bereich der Spannfläche dem Radius einer archimedischen Spirale entspricht. Die innere Spannfläche kann unmittelbar an dem Spannkonus oder an einem mit dem Spannkonus verbundenen Spannelement vorgesehen sein.
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Die mit der äußeren Spannfläche des Exzenterbolzens für die Axialverschiebung des Spannkonus zusammenwirkende innere Spannfläche kann sich bei einer möglichen Ausführungsform z. B. an einem ringförmigen Spannelement befinden, das auf einer mit dem Spannkonus verbundenen Betätigungsstange zwischen dem Spannkonus und einem Ringbund der Betätigungsstange axial beweglich angeordnet ist. Bei dieser Ausführung kann die einer Drehung des Exzenterbolzens in die Spannposition entgegenwirkende Druckfeder zwischen dem Ringbund der Betätigungstange und einer hinteren Stirnfläche des ringförmigen Spannelements eingespannt sein. Die Druckfeder ist hierbei in vorteilhafter Weise im Nebenkraftfluss der Spannvorrichtung angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die mit der äußeren Spannfläche des Exzenterbolzens für die Axialverschiebung des Spannkonus zusammenwirkende innere Spannfläche auch an einer mit dem Spannkonus fest verbunden Betätigungsstange vorgesehen sein. Die Betätigungsstange kann einteilig mit dem Spannkonus ausgebildet oder über eine Gewindeverbindung fest mit dem Spannkonus verbunden sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die einer Drehung des Exzenterbolzens in die Spannposition entgegenwirkende Druckfeder zwischen einem um die Spannklauen innerhalb eines Gehäuses des Werkzeughalters axial verschiebbar angeordneten Spannring und einer am Gehäuse befestigten Aufnahme eingespannt sein.
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Für eine interne Schmiermittelzufuhr kann durch die Betätigungsstange und den Spannkonus eine zentrale Durchgangsbohrung verlaufen und in dem Werkzeughalter kann ein entsprechender Zuleitungskanal vorgesehen sein.
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Die vorstehend beschriebene Spannvorrichtung ist besonders gut zur Integration in einen auswechselbaren Werkzeughalter geeignet. Die Spannvorrichtung kann z. B. auch in rotatorisch angetriebenen Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine eingebaut sein.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 ein mit einer Spannvorrichtung versehener Werkzeughalter zur lösbaren Halterung eines Werkzeugs oder einer Werkzeugaufnahme in einer Vorderansicht;
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2 eine Schnittansicht des Werkzeughalters entlang der Linie A-A von 1 mit einer ersten Ausführung einer Spannvorrichtung in der Lösestellung;
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3 eine Schnittansicht des Werkzeughalters entlang der Linie B-B von 1 mit der Spannvorrichtung von 1 in der Spannstellung;
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4 eine Schnittansicht des Werkzeughalters entlang der Linie D-D von 3 in vergrößerter Darstellung;
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5 eine Schnittansicht des Werkzeughalters entlang der Linie A-A von 1 mit einer zweiten Ausführung einer Spannvorrichtung in der Lösestellung und
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6 eine Schnittansicht des Werkzeughalters entlang der Linie B-B von 1 mit der Spannvorrichtung von 5 in der Spannstellung.
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In den 1 bis 3 ist ein mit einer Spannvorrichtung versehener Werkzeughalter 1 zur lösbaren Halterung einer gestrichelt dargestellten Werkzeugaufnahme 2 in einer Vorderansicht und zwei Schnittansichten gezeigt. Der hier dargestellte Werkzeughalter 1 ist als Werkzeughalter mit Zylinderschaft 3 gemäß DIN 69880 ausgeführt. Der Werkzeughalter 1 kann aber auch in Form einer rotatorisch angetriebenen Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Die gestrichelt dargestellte Werkzeugaufnahme 2 weist einen in den 2 und 3 erkennbaren Hohlschaftkegel 4 mit einer inneren Ringnut 5 auf. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Werkzeugaufnahme 2 zur Halterung einer auswechselbaren Schneideplatte 6 und der Hohlschaftkegel 4 ist als polygonaler Hohlschaftkegel gemäß ISO 26623-1 ausgeführt.
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Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, enthält der Werkzeughalter 1 ein Gehäuse 7 mit einem nach vorne offenen Hohlraum 8, in dem die Spannvorrichtung untergebracht ist. Die Spannvorrichtung umfasst einen innerhalb des Hohlraums 8 in Richtung einer Mittelachse 9 des Gehäuses 7 axial verschiebbaren Spannkonus 10, auf dem eine Spannzange mit mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandet um den Spannkonus 10 angeordneten Spannklauen 11 angeordnet ist. Der Spannkonus 10 enthält an seiner Außenseite eine vordere zylindrische Stützfläche 12 und eine hintere konische Spannfläche 13, die zur Anlage mit inneren zylindrischen Stützflächen 14 und inneren konischen Spannflächen 15 an der Vorder- und Hinterseite der Spannklauen 11 gelangen. An der Vorderseite des Gehäuses 7 ist eine als Bundhülse ausgeführte Aufnahme 16 mit einer an die Außenkontur des Hohlschaftkegels 4 angepassten Aufnahmeöffnung 17 über einen Positionierbolzen 18 und Schrauben befestigt.
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Die Spannklauen 11 weisen an ihrer der Werkzeugaufnahme 2 zugewandten Vorderseite verdickte vordere Spannklauenenden 19 mit einer im Längschnitt kreisbogenförmigen Spannfläche 20 zur Anlage an einer im Längsschnitt kreisbogenförmigen Innenfläche 21 der Ringnut 5 an der Innenseite des Hohlschaftkegels 4 auf. An der Innenseite der vorderen Spannklauenenden 19 sind die achsparallel angeordneten inneren zylindrischen Stützflächen 14 vorgesehen. Auch die hinteren Spannklauenenden 22 sind verdickt und weisen neben den inneren konischen Spannflächen 15 entgegengesetzt geneigte, äußere konische Spannflächen 23 zur Anlage an konischen Flächen 24 an der Innenseite eines um die Spannklauen 11 angeordneten Spannrings 25 auf. An der Rückseite der hinteren Spannklauenenden 22 sind Schrägflächen 26 zur Anlage an entgegengesetzt schrägen Gegenflächen 27 eines durch Federn 28 axial beaufschlagten Druckrings 29 vorgesehen.
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Bei der in den 2 und 3 gezeigten Ausführung ist der Spannkonus 10 über eine Gewindeverbindung am vorderen Ende einer innerhalb des Hohlraums 8 axial verschiebbar geführten Betätigungsstange 30 befestigt. Wie aus 3 hervorgeht, erfolgt die Verschiebung des Spannkonus 10 zur Betätigung der Spannklauen 11 über ein mittels einer Exzenterbolzens 31 verschiebbares ringförmiges Spannelement 32, das zwischen dem Spannkonus 11 und einem hinteren Ringbund 33 der Betätigungsstange 30 eingespannt ist. Das ringförmige Spannelement 32 ist durch in 2 erkennbare Druckfedern 34 federnd an dem hinteren Ringbund 33 abgestützt. Hierzu kann die z. B. als Ringfeder ausgebildete oder aus mehreren Einzelfedern bestehende Druckfeder 34 zwischen dem hinteren Ringbund 33 und einer hinteren Stirnfläche des ringförmigen Spannelements 32 eingespannt sein.
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Wie 3 zeigt, ist der Exzenterbolzen 31 in einer radialen Öffnung 35 des Gehäuses 7 drehbar angeordnet und weist einen in der Schnittansicht von 4 dargestellten inneren Betätigungszapfen 36 zum Eingriff in eine entsprechende Vertiefung 37 des ringförmigen Spannelements 32 auf. Der mit einem Innensechskant 38 versehene Exzenterbolzen 31 ist derart ausgebildet, dass durch dessen Drehung der Spannkonus 10 mit der Betätigungstange 30 über das ringförmige Spannelement 32 axial verschoben wird, um die Spannklauen 11 zwischen der in 2 gezeigten Lösestellung und der in 3 dargestellten Spannstellung zu bewegen.
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In 4 ist erkennbar, dass der Betätigungszapfen 36 zu der Drehachse 39 des bolzenförmigen Betätigungselements 31 exzentrisch angeordnet ist und eine äußere Spannfläche 40 zur Anlage an einer inneren Spannfläche 41 der Vertiefung 37 im Spannelement 32 aufweist. Die innere Spannfläche 41 im Spannelement 32 und die äußere Spannfläche 40 des Betätigungszapfens 36 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Exzenterbolzen 31 bei einer Drehung aus eine Löse- in die Spannposition über einen Totpunkt hinweg in eine in 4 dargestellte verrastete Spannposition gelangt. Das Spannelement 32 wird dabei mit einer Rückwärtsbewegung nach hinten (in 4 nach rechts) entgegen der Kraft der Druckfedern 34 zunächst über die eigentliche Spannposition hinaus axial verschoben wird und gelangt dann durch eine leichte Vorwärtsbewegung wieder in einen eingerückten, stabilen Rastzustand, der in 4 gezeigt ist. Wenn der Exzenterbolzen 31 aus dem in den 3 und 4 gezeigten verrasteten Spannposition zum Lösen der Spannvorrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, wird das ringförmige Spannelement 32 durch den Betätigungszapfen 36 zunächst entgegen der Kraft der Druckfedern 34 nach rechts verschoben, bis der Betätigungszapfen 36 des Exzenterbolzens 31 bei einem Drehwinkel α = 0° zu dem Totpunkt gelangt. Bei einer weiteren Drehung mit dem Betätigungswinke1 42 kann sich dann das ringförmige Spannelement 32 wieder nach vorne (in 4 nach links) bewegen, so dass sich die Spannklauen 11 aus der in 3 gezeigten Spannstellung in die in 2 dargestellte Lösestellung bewegen können und die Werkzeugaufnahme 2 zur Entnahme aus dem Werkzeughalter 1 freigeben. Bei der gezeigten Ausführung entspricht der auf die Drehachse 39 des Exzenterbolzens 31 bezogene Radius des Betätigungszapfens 36 im Bereich der Spannfläche 41 dem Radius einer archimedischen Spirale.
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Bei der in 2 gezeigten Lösestellung sind die vorderen Spannklauenenden 19 der Spannklauen 11 nach innen geschwenkt und geben die Ringnut 5 zur Entnahme der Werkzeugaufnahme 2 aus dem Werkzeughalter 1 frei.
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Wenn die Betätigungsstange 30 über das ringförmige Spannelement 32 durch entsprechende Drehung des Exzenterbolzens 31 im Uhrzeigersinn innerhalb des Gehäuses 7 axial nach hinten verschoben wird, gelangen die zylindrische Stützfläche 12 und die konische Spannfläche 13 des Spannkonus 10 zur Anlage an den inneren zylindrischen Stützflächen 14 und den inneren konischen Spannflächen 15 der Spannklauen 11, wobei die vorderen und hinteren Spannklauenenden 19 und 22 radial nach außen gedrückt werden. Die vorderen Spannklauenenden 19 greifen dabei gemäß 3 in die Ringnut 5 an der Innenseite des Hohlschafts 4 ein und der Hohlschaft 4 wird über die an den konischen Flächen 24 des Spannrings 25 anliegenden äußeren konischen Spannflächen 23 der hinteren Spannklauenden 22 beim nach außen drücken der Spannklauen 11 in die Aufnahme 16 eingezogen. Selbst wenn die Betätigungsstange 30 mit dem Spannkonus 10 die hintere Spannstellung erreicht hat, kann sich das ringförmige Spannelement 32 bei einer weiteren Drehung des Exzenterbolzens 31 in eine durch Zusammendrücken der Druckfedern 34 über den Totpunkt hinaus in die stabile Rastposition gemäß 4 bewegen.
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In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mit einer Spannvorrichtung versehenen Werkzeughalters 1 zur lösbaren Halterung einer gestrichelt dargestellten Werkzeugaufnahme 2 gezeigt. Diese Ausführung entspricht im Grundaufbau der Ausführungsform der 1 bis 4, so dass einander entsprechende Bauteile auch mit denselben Bezugszeichen versehen sind und bezüglich ihres Aufbaus bzw. Funktionsweise auf die vorherige Ausführung verwiesen wird.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 ist bei der in den 5 und 6 gezeigten Ausführung der Spannkonus 10 einteilig mit der Betätigungsstange 30 ausgebildet. Durch die Betätigungsstange 30 und den Spannkonus 11 hindurch verläuft eine zentrale Durchgangsbohrung 43. In dem Gehäuse 7 ist ferner ein schräger Zuleitungskanal 44 vorgesehen, der in einen hinteren Teil 45 des abgestuften Hohlraums 8 mündet. Über den Zuleitungskanal 44 und die Durchgangsbohrung 43 kann ein Kühlschmiermittel zum Werkzeug geleitet werden. Außerdem ist bei dieser Ausführung die Vertiefung 37 mit der inneren Spannfläche 41 für die Aufnahme des in 6 gezeigten Betätigungszapfens 36 direkt in der Betätigungsstange 30 vorgesehen. Im Unterschied zur Ausführung gemäß der 1 bis 4, bei welcher der Spannring 25 innerhalb der Gehäuses 7 axial festgelegt ist, ist der Spannring 25 bei der Ausführung nach den 5 und 6 innerhalb des Gehäuses 7 axial leicht verschiebbar und wird durch eine oder mehrere Druckfedern 46 innerhalb des Gehäuses 7 axial nach hinten gedrückt. Die Druckfeder 46 ist zwischen dem Spannring 25 und der am Gehäuse 7 befestigten Aufnahme 16 eingespannt.
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Bei der Ausführung der 5 und 6 wird der gegenüber dem Gehäuse 7 verschiebbare Spannring 25 durch die bei der Verschiebung des Spannkonus 10 in die Spannstellung radial nach außen gedrückten Spannklauenenden 22 über die Spannflächen 23 und die konischen Flächen 24 des Spannrings 25 entgegen der Druckfeder 46 nach vorne gedrückt. Auch hier wirkt also die Druckfeder 46 einer Bewegung des Exzenterbolzens 31 in die Spannposition entgegen, wobei der Exzenterbolzen 31 wie bei der ersten Ausführung über einen Totpunkt hinweg in eine verrastete Spannposition gedreht werden kann. Im Unterschied zu der ersten Ausführung ist hier jedoch die Druckfeder 46 im Hauptkraftfluss der Spannvorrichtung angeordnet.
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Die vorstehend beschriebenen Werkzeughalter sind nicht auf eine Ausführung zur lösbaren Halterung von Werkzeugaufnahmen oder Werkzeugen mit polygonalem Hohlschaftkegel beschränkt. Die Werkzeughalter 1 können auch zur lösbaren Halterung von HSK-Werkzeugaufnahmen ausgebildet sein. Außerdem muss der Werkzeughalter nicht als auswechselbares Bauteil, sondern kann auch als Spindel einer Werkzeugmaschine oder dgl. ausgeführt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 69880 [0019]
- ISO 26623-1 [0019]
