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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spindelkopf für eine Werkzeugmaschine mit einer über eine erste Antriebswelle antreibbaren Werkzeugaufnahme und eine Werkzeugmaschine für auswechselbare Spindelköpfe. Eine derartige Werkzeugmaschine ist beispielsweise aus der
DE 41 08 038 A1 bekannt.
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Insbesondere sind Werkzeugmaschinen bekannt, bei denen mehrere Werkzeuge jeweils auf einem Spindelkopf vorgehalten werden. Dazu weisen die Spindelköpfe jeweils eine Werkzeugspindel auf, in der eine Werkzeugaufnahme drehbar um eine Achse gelagert angeordnet ist. Zur Ausführung des zugehörigen Bearbeitungsschrittes wird der Spindelkopf mittels einer Kupplung mit einem Antrieb verbunden. Beispielsweise werden derartige Spindelköpfe eingesetzt, um ein Bohren oder ein Fräsen auszuführen.
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Bei einem Werkzeugwechsel muss der Antrieb entkoppelt werden. Sobald das neue Werkzeug in der Arbeitsposition ist, wird der Antrieb wieder angekoppelt. Der Antrieb dient zur Erzeugung der Werkzeugbewegung.
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Herkömmliche Kupplungen sind hierbei als Radialkupplungen ausgebildet, bei denen auf Seiten des Spindelkopfes eine Außenverzahnung und auf Seiten des Antriebs eine Innenverzahnung ausgebildet sind, die in eingekuppeltem Zustand ineinander greifen. Da diese Kupplungsteile ineinander gesteckt werden müssen, weist die Kupplung notwendig ein Spiel auf, welches je nach Spindelkopf in der Größenordnung von 10–70 μm liegen kann.
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Dies ist bei Fräs- und/oder Bohrwerkzeugen nicht weiter beachtlich, spielt jedoch dann eine Rolle, wenn das Werkzeug zum Beispiel eine gebogene Schneide hat, die beispielsweise zum drallarmen Drehen in genau definiertem Bewegungsablauf bewegt werden muss. Hier kann ein derartiges Spiel schädlich sein. Insbesondere muss bei einem Richtungswechsel der Ansteuerungsbewegung zunächst das Spiel durchlaufen werden, bevor das Werkzeug die gewünschte Bewegung ausführen kann.
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Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine spielärmere Ankupplung eines Spindelkopfes an einen Antrieb bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Spindelkopf der eingangs beschriebenen Art zur Lösung der Aufgabe somit insbesondere vorgesehen, dass an der ersten Antriebswelle an einem antriebsseitigen Ende wenigstens ein axial orientierter Vorsprung und/oder wenigstens eine axial orientierte Aussparung zur Bildung eines Kupplungsteils einer Kupplung ausgebildet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Vorsprung zu einem antriebsseitigen Ende hin verjüngend ausgebildet ist und/oder dass die Aussparung zu einem werkzeugseitigen Ende hin aufgeweitet ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine nahezu oder sogar vollständig spielfreie Kopplung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an dem antriebsseitigen Ende der ersten Antriebswelle wenigstens zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Vorsprünge und/oder wenigstens zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Aussparungen ausgebildet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine formschlüssige Drehmomentübertragung auf mehrere Koppelmittel aufteilbar ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Werkzeugmaschine geschaffen, mit einer Kupplung, die zwischen einer ersten Antriebswelle eines Spindelkopfes und einer zweiten Antriebswelle eines Antriebs angeordnet ist, wobei die Kupplung ein Kupplungsteil mit einer stirnseitigen Kupplungsfläche und ein Gegenkupplungsteil mit einer stirnseitigen Gegenkupplungsfläche umfasst, wobei die Kupplungsfläche mindestens einen sich in axialer Richtung erstreckenden und von dem Kupplungsteil weg verjüngenden Vorsprung aufweist, und die Gegenkupplungsfläche mindestens eine sich in axialer Richtung erstreckende und zu dem Gegenkupplungsteil hin verengende Aussparung aufweist, wobei der Vorsprung mit der Aussparung in Eingriff bringbar ist. Bevorzugt ist die Ausgestaltung derart, dass die Vorsprünge mit den Aussparungen spielfrei in Eingriff bringbar sind. Dies ist besonders dann günstig, wenn Richtungswechsel der Drehbewegung des Werkzeugs ausgeführt werden sollen. Bevorzugt ist hierbei der Spindelkopf erfindungsgemäß, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf einen Spindelkopf gerichteten Schutzansprüche, ausgebildet.
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Insbesondere sind der mindestens eine Vorsprung und die mindestens eine Aussparung komplementär zueinander geformt und formschlüssig miteinander in Eingriff bringbar.
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Die Erfindung sieht demnach vor, eine Kupplung zu verwenden, bei der ein Kupplungsteil mindestens einen sich zu einem freien Ende hin verjüngenden Vorsprung und ein Gegenkupplungsteil mindestens eine komplementär ausgestaltete Aufnahme aufweist. Dabei ist die Kupplung stirnseitig bzw. axial anstatt radial ausgerichtet. Dadurch lässt sich ein annähernd spielfreier Formschluss herstellen.
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Die Verjüngung des Vorsprungs wirkt mit der komplementär gestalteten Verengung der Ausnehmung zusammen. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Verjüngung unabhängig von Fertigungstoleranzen erreichbar ist, dass bei hinreichender axialer Verstellung ein spielfreier Formschluss hergestellt wird.
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Insbesondere sind der mindestens eine Vorsprung an einer Stirnseite der Antriebswelle und die mindestens eine Aussparung an einer gegenüberliegenden Stirnseite eines Kupplungselements angeordnet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Kupplungsteil werkzeugseitig an der Kupplung angeordnet ist und das Gegenkupplungsteil antriebsseitig an der Kupplung angeordnet ist. Alternativ kann umgekehrt vorgesehen sein, dass das Kupplungsteil antriebsseitig an der Kupplung angeordnet ist und das Gegenkupplungsteil werkzeugseitig an der Kupplung angeordnet ist.
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Die Kupplung zwischen der ersten Antriebswelle und der zweiten Antriebswelle erfolgt direkt oder indirekt, d. h. es können zusätzliche zwischen der ersten Antriebswelle und der zweiten Antriebswelle angeordnete Verbindungs- oder Getriebeteile vorgesehen sein.
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Besonders günstig ist es, wenn das Kupplungsteil mehrere derartige Vorsprünge, insbesondere in gleichmäßigen Abständen und/oder entlang eines Umfangs verteilt, aufweist. Auf diese Weise kann ein besonders sicherer Formschluss bereitgestellt sein. In einer Ausgestaltung sind an dem Kupplungsteil vier Vorsprünge und in dem Gegenkupplungsteil vier dazu komplementäre Aussparungen vorgesehen, wobei die Vorsprünge und Aussparungen jeweils in gleichmäßigen Abständen und/oder entlang eines Umfangs der Kupplungs- bzw. Gegenkupplungsflächen angeordnet sind.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Kupplungsflächen jeweils eine stirnseitige Planverzahnung, insbesondere Hirth-Verzahnung. Eine Hirth-Verzahnung ist besonders einfach fertigbar.
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In einer Ausgestaltung sieht die Erfindung eine Kühlfluidzuführung in der Werkzeugspindel und einen ringförmigen Übergabebereich im Gehäuse der Werkzeugspindel vor, die in Kühlfluidkanälen im Werkzeug oder Werkzeugträger münden. Eine solche Kühlfluidzuführung wird auch als Drehdurchführung bezeichnet. Mit dieser Drehdurchführung und anschließenden Kühlkanälen, die zunächst radial und anschließend axial in der Werkzeugspindel geführt sind, ist eine Ankopplung des Kühlkreislaufs oder des Schmierkreislaufs an innenversorgte Werkzeuge ausführbar. Somit kann das Kühlmittel bzw. Kühlfluid direkt in die Bearbeitungszone geleitet werden.
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In einer Ausgestaltung ist zwischen dem ringförmigen Übergabebereich und einem Spindellager mindestens ein Wellendichtring vorgesehen. Dies verbessert die Abdichtung der Drehdurchführung gegenüber dem Spindellager. Insbesondere besteht der Wellendichtring aus einem härteren Material als die Werkzeugspindel und/oder das Gehäuse des Spindelkopfes. Dies ermöglicht, dass nach einem kurzen Einlaufvorgang ein besserer Sitz des Wellendichtringes erreicht wird.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Kupplungselement für eine Werkzeugmaschine des vorstehend beschriebenen Typs geschaffen, wobei die Kupplungsfläche oder die Gegenkupplungsfläche an einem stirnseitigen Ende des Kupplungselementes gebildet ist. Mit anderen Worten ist die Kupplungsfläche oder die Gegenkupplungsfläche an einem separaten Kupplungselement angeordnet, das einerseits mit der ersten Antriebswelle und andererseits mit der zweiten Antriebswelle kuppelbar ist.
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Um bisher vorhandene und bekannte Spindelköpfe weiterhin nutzen zu können, kann das Kupplungselement zusätzlich eine Innenverzahnung aufweisen, in welche statt eines Kupplungsteils mit verjüngenden Vorsprüngen ein Standard-Kupplungsteil mit Außenverzahnung einsetzbar ist. Somit kann die Zahl der unterschiedlichen verwendbaren Spindelköpfe erhöht werden.
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Nachstehend ist anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des Ausführungsbeispiels.
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Es zeigt in schematisierter Darstellung:
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1 einen Querschnitt durch eine Werkzeugmaschine nach einer Ausgestaltung der Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht einer Kupplung mit einem erfindungsgemäßen Spindelkopf für eine Werkzeugmaschine gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
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3 eine weitere perspektivische Ansicht des Spindelkopfes gemäß 2 sowie
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4 eine weitere perspektivische Ansicht des Spindelkopfes gemäß 2.
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Im Folgenden werden die 1 bis 4 gemeinsam beschrieben, wobei funktionell und/oder konstruktiv gleichartige oder identische Bauteile und Funktionseinheiten somit mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht jeweils gesondert beschrieben sind.
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Die 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Teil einer Werkzeugmaschine gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Die Werkzeugmaschine umfasst einen Spindelkopf 1, in dem eine Werkzeugspindel 2 mittels eines Spindellagers 3 drehbar angeordnet ist. Die Werkzeugspindel 2 weist eine Werkzeugaufnahme 4 mit einem darin aufgenommenen Werkzeug 5 auf.
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Die Werkzeugspindel 2 geht an einer Stirnseite in eine Antriebswelle 6 über, die sich radial aus dem Spindelkopf heraus erstreckt und zumindest teilweise innerhalb eines Aufnahmeschaftes 7 verläuft. An ihrem freien stirnseitigen, dem Antrieb 10 zugewandten Ende 22 weist die Antriebswelle 6 eine Kupplungsfläche 14a auf, die mit einer komplementären Gegenkupplungsfläche 15a eines Kupplungselementes 8 in Eingriff gebracht werden kann, wie nachfolgend beschrieben.
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Die der Antriebswelle 6 abgewandte, also antriebsseitige Stirnseite des Kupplungselementes 8 ist mit einer zweiten Antriebswelle 9 eines Antriebes 10 kuppelbar. Im eingekuppelten Zustand versetzt der Antrieb 10 die zweite Antriebswelle 9 und damit die Werkzeugspindel 2 und das darin aufgenommene Werkzeug 5 in Rotation. Das Kupplungselement 8 ist an dem werkzeugseitigen Ende 23 der zweiten Antriebswelle 9 angeordnet.
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In einer Ausgestaltung sieht die Erfindung eine Drehdurchführung zur Zufuhr von Kühlmittel in die Bearbeitungszone vor. Die Drehdurchführung umfasst Zuführkanäle 11 und 12 in der Werkzeugaufnahme 4 bzw. der Werkzeugspindel 2, durch das Kühlmittel über einen ringförmigen Übergabebereich 13 im Gehäuse des Spindelkopfes 1 zugeführt und eine Kühlung des Werkzeuges 5 während der Bearbeitung eines Werkstückes durchgeführt werden kann. Der ringförmige Übergabebereich 13 mündet in den Zuführkanal 12, der zunächst radial nach innen und anschließend axial verläuft, in die Werkzeugaufnahme 4 mündet und mit dem Zuführkanal 11 verbunden ist.
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Die 2 bis 4 zeigen eine Kupplung 26 zwischen der Antriebswelle 6 und dem Kupplungselement 8 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Die Kupplung 26 umfasst werkzeugseitig ein Kupplungsteil 14, das an seinem freien stirnseitigen, antriebsseitigen Ende 22 eine Kupplungsfläche 14a aufweist, und antriebsseitig ein Gegenkupplungsteil 15. Die Kupplungsfläche 14a ist mit einer Gegenkupplungsfläche 15a eines antriebsseitig an der Kupplung 26 ausgebildeten Gegenkupplungsteiles 15 in Eingriff bringbar. In der gezeigten Ausgestaltung bildet das Kupplungsteil 14 ein Teil der Antriebswelle 6 und ist an dem antriebsseitigen Ende 22 der Antriebswelle 6 ausgebildet, während das Gegenkupplungsteil 15 ein Teil des Kupplungselements 8 bildet und an dem werkzeugseitigen Ende 23 der zweiten Antriebswelle 9 angeordnet ist. Das Gegenkupplungsteil 15 ist mit dem Antrieb 10 kuppelbar oder drehfest verbunden. Die Kupplungsfläche 14a weist mehrere trapezförmige Vorsprünge 17 auf, die entlang des Umfangs des Kupplungsteils 14 angeordnet sind. Die Trapezform bedingt, dass sich die Vorsprünge 17 jeweils in axialer Richtung, die durch die Drehachse der Kupplung 26 gegeben ist, zum antriebsseitigen Ende 24 der Vorsprünge 17 hin, also zum Antrieb 10 hin, verjüngen. Die Gegenkupplungsfläche 15a weist komplementäre trapezförmige Aussparungen 18 auf, die entlang des Umfangs eines zylindrischen Endabschnittes 19 des Gegenkupplungsteils 15 verlaufen. Hier bedingt die Trapezform, dass sich die Aussparungen 18 in axialer Richtung zum werkzeugseitigen Ende 25 der Aussparungen 19 hin jeweils aufweiten.
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Durch die korrespondierenden, komplementären Ausformungen der Vorsprünge 17 und der Aussparungen 18 zueinander ist erreicht, dass die trapezförmigen Vorsprünge 17 in die Aussparungen 18 eingreifen können, wodurch eine spielfreie Kupplung zwischen der Antriebswelle 6 und dem Kupplungselement 8 herstellbar ist, ohne dass eine axiale Lage des Kontaktpunkts für die Kraftübertragung genau festgelegt sein muss.
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Darüber hinaus weist das Gegenkupplungsteil 15 an einer zylindrischen Innenwand 20 des zylindrischen Endabschnitts 19 eine Innenverzahnung 21 auf, die mit einer komplementären Außenverzahnung an einer weiteren Antriebswelle 6 – die beispielsweise keine Vorsprünge 17 aufweist und/oder herkömmlich ausgebildet ist – in Eingriff gebracht werden kann.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit einen Spindelkopf 1 und eine Werkzeugmaschine, mit einer Kupplung 26, die zwischen einer ersten Antriebswelle 6 des Spindelkopfes 1 und einer zweiten Antriebswelle 9 eines Antriebs 10 angeordnet ist, wobei die Kupplung 26 ein Kupplungsteil 14 mit einer stirnseitigen Kupplungsfläche 14a und ein Gegenkupplungsteil 15 mit einer stirnseitigen Gegenkupplungsfläche 15a umfasst, wobei die Kupplungsfläche 14a mindestens einen sich in axialer Richtung erstreckenden und von dem Kupplungsteil 14 weg verjüngenden Vorsprung 17 aufweist, und die Gegenkupplungsfläche 15a mindestens eine sich in axialer Richtung erstreckende und zu dem Gegenkupplungsteil 15 hin verengende Aussparung 18 aufweist, wobei der Vorsprung 17 mit der Aussparung 18 vorzugsweise spielfrei in Eingriff bringbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelkopf
- 2
- Werkzeugspindel
- 3
- Spindellager
- 4
- Werkzeugaufnahme
- 5
- Werkzeug
- 6
- Antriebswelle
- 7
- Aufnahmeschaft
- 8
- Kupplungselement
- 9
- Antriebswelle
- 10
- Antrieb
- 11
- Zuführkanal in der Werkzeugaufnahme
- 12
- Zuführkanal in der Werkzeugspindel
- 13
- Drehdurchführung
- 14
- Kupplungsteil
- 14a
- Kupplungsfläche
- 15
- Gegenkupplungsteil
- 15a
- Gegenkupplungsfläche
- 16
- Kupplungsfläche an dem Kupplungselement
- 17
- (trapezförmige) Vorsprünge
- 18
- (trapezförmige) Aussparungen
- 19
- zylindrischer Abschnitt
- 20
- zylindrische Innenwand
- 21
- Innenverzahnung
- 22
- antriebsseitiges Ende von 6
- 23
- werkzeugseitiges Ende von 9
- 24
- antriebsseitiges Ende von 17
- 25
- werkzeugseitiges Ende von 18
- 26
- Kupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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