DE102017129331A1

DE102017129331A1 - Spannvorrichtung mit hydraulischer Spannung

Info

Publication number: DE102017129331A1
Application number: DE102017129331.0A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Watzke
Original assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Current assignee: Emuge Werk Richard Glimpel GmbH and Co KG Fabrik fuer Praezisionswerkzeuge
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-06-13
Also published as: JP2019104104A; JP7198653B2; CN109894644B; CN109894644A; KR20190068426A; US11097356B2; US20190176246A1

Abstract

Spannvorrichtung (1, 10) zum Spannen eines Werkstücks (50) oder eines Werkzeugs (55) und insbesondere zum Ankoppeln des Werkstücks oder des Werkzeugs an einer Maschinenspindel, umfassenda) wenigstens eine eine zentrale Achse (M) umlaufende Spannbüchse (18, 32) mit wenigstens einer Spannfläche (11, 37) für das Werkstück (50) oder Werkzeug (55) undb) wenigstens einen Spannkörper (2, 36),c) wobei die Spannbüchse (18, 32) an einer von der Spannfläche (11, 37) abgewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche (15A) aufweist, die entlang einer Schraubenlinie oder als ein Gewindeabschnitt mit einer vorgegebenen Steigung (P) um die zentrale Achse verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel (α) zu einer zur zentralen Achse (M) axialen Richtung (Z) oder zu einer um die zentrale Achse (M) verlaufenden gedachten Zylinderfläche geneigt ist,d) wobei der Spannkörper (2, 36) an einer der Spannbüchse (18, 32) zugewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche (14A) aufweist, die entlang einer Schraubenlinie oder als ein Gewindeabschnitt mit einer vorgegebenen Steigung (P) um die zentrale Achse (M) verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel (α) zu einer zur zentralen Achse (M) axialen Richtung (Z) geneigt ist,e) wobei der Spannkörper (2, 36) und/oder die Spannbüchse (18, 32) eine oder mehrere hydraulische Kammern (14) umfassen oder umfasst, die im Innern des Spannkörpers (2, 36) bzw. der Spannbüchse (18, 32) ausgebildet ist bzw. sind und mit einem hydraulischen Medium gefüllt ist bzw. sind,f) ferner umfassend wenigstens ein Verschiebeelement (12, 13), um die einander zugewandten Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) durch eine axiale Verschiebebewegung entlang eines axialen Verschiebeweges (ΔZ) in axialer Richtung (Z) in Kontakt miteinander zu bringen und/oder aufeinander gleitend zu bewegen, wodurch der Durchmesser der Spannfläche (11, 37) in einer zur zentralen Achse (A) radialen Richtung (R) veränderbar ist oder sich verändert oder wodurch bei an dem Werkstück (50) oder Werkzeug (55) bereits anliegender Spannfläche (11, 37) eine radiale mechanische Spannkraft (F) zwischen Spannbüchse (18, 32) einerseits und Werkstück (50) oder Werkzeug (55) andererseits erzeugbar ist oder erzeugt wird,g) ferner umfassend wenigstens einen Druckerzeuger (16), um das hydraulische Medium in wenigstens einer der hydraulischen Kammern (3) mit einem hydraulischem Druck (pH) zu beaufschlagen, welcher bei aufeinander liegenden Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) eine radiale hydraulische Presskraft (FH) an den aufeinander liegenden Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) erzeugt, wobei durch die radiale hydraulische Presskraft (FH) bei an dem Werkstück (50) oder Werkzeug (55) bereits anliegender Spannfläche (11, 37) eine radiale hydraulische Spannkraft (FH) zwischen Spannbüchse (18, 32) einerseits und Werkstück (50) oder Werkzeug (55) andererseits erzeugbar ist oder erzeugt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung, wie einen Spanndorn oder ein Spannfutter, zum Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen und ein Verfahren zum Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs mit einer solchen Spannvorrichtung, insbesondere für eine Maschinenspindel.
Spannvorrichtungen oder Spannzeuge oder Spannsysteme zum Spannen von Werkstücken oder Werkzeugen und Kopplung an Maschinenspindeln zum Rotieren und ggf. auch Zustellen bei der Materialbearbeitung, insbesondere spanabhebenden Materialbearbeitung, sind in vielfältigen Ausführungen bekannt. Die Maschinenspindel ist ein von einem Drehantrieb dreh- oder rotierbares und zumeist hinsichtlich seiner Drehzahl einstellbares und häufig auch für Zustellbewegungen im Raum bewegbares Maschinenteil, dessen konkrete Gestalt sehr unterschiedlich sein kann. Die Spannvorrichtung wird meistens an die Maschinenspindel angekoppelt, kann aber auch ein fester Bestandteil der Maschinenspindel sein.
Aus dem EMUGE Spanntechnikkatalog 135, Spannzeuge der Spitzenklasse mit dem Druckdatum September 2005 des Unternehmensverbundes EMUGE FRAN-KEN sind verschiedene Spannsysteme bekannt, die in einem Überblick auf den Seiten 10 bis 17 vorgestellt werden und dann auf den folgenden Seiten 18 bis 190 in speziellen Lösungen, insbesondere für die Kfz-Industrie, vorgestellt werden. Das Spiel zwischen einer Spannhülse oder Spannbüchse und dem Werkstück oder Werkzeug wird beim Spannen beseitigt und eine radiale Spannkraft aufgebaut.
Bei dem als SP bezeichneten System, das auf Seite 12 des Kataloges dargestellt wird, dehnt sich zur Spannung des Werkstücks oder Werkzeugs eine im Längsschnitt mäandrierte Spannhülse durch axiale Kraftbeaufschlagung radial aus. Bei dem als SZ bezeichneten Spannsystem wird gemäß Seite 12 des Kataloges eine geschlitzte Spannzange durch eine axiale Kraftbeaufschlagung gegenüber dem Grundkörper axial bewegt und über gegeneinander laufende Kegelflächen radial aufgeweitet. Ein spezielles Membranspannsystem SM ist auf Seite 14 beschrieben.
Ein weiteres, als SG bezeichnetes Spannsystem ist auf Seite 13 des Kataloges beschrieben und weist eine geschlitzte Spannbüchse auf, die ein spezielles Sägengewinde aufweist, mit dem sie auf ein korrespondierendes Sägengegengewinde auf dem Grundkörper aufgeschraubt wird. Die aufeinanderliegenden keilförmigen unter dem vorgegebenen Flankenwinkel angeordneten Kontaktflächen der beiden Sägengewinde sind nun durch eine axiale Kraftbeaufschlagung axial gegeneinander bewegbar und die Spannbüchse dehnt sich bei einer solchen axialen Bewegung in der Kraftrichtung gleichzeitig auf Grund des Flankenwinkels radial aus und spannt dadurch das außerhalb befindliche Werkstück. Die eingeleitete axiale Kraft wird an den unter dem Flankenwinkel gegeneinander geneigten Sägengewindeflächen in eine axiale Kraftkomponente und eine nach außen wirkende radiale Kraftkomponente aufgeteilt. Die axiale Kraftkomponente erhöht das übertragbare Drehmoment und die Steifigkeit der Spannung.
Neben diesen mechanischen Spannsystemen SP, SZ, SG und SM ist auf Seite 13 des Kataloges auch ein hydraulisches Spannsystem SH beschrieben, mit dem sich insbesondere lange dünnwandige Werkstücke und mehrere gleiche Werkstücke spannen lassen. Es handelt sich hierbei um geschlossene Systeme, die mit Hydrauliköl gefüllt sind, das mit einem Kolben druckbeaufschlagt wird. Der sich aufbauende Druck weitet die dünnwandige Dehnzone einer Dehnhülse radial auf und spannt das bzw. die Werkstücke.
Aus DE 10 2013 103 168 B3 ist ein Werkzeughalter für ein um eine Drehachse drehbares Werkzeug, insbesondere in Form eines Bohrers, eines Fräsers, eines Reibwerkzeugs oder eines Messerkopfes, bekannt. Um eine das Schwingungsverhalten des Werkzeugs besonders günstig beeinflussende Einspannung des Werkzeugs zu ermöglichen, ohne Kompromisse bei der Bearbeitungspräzision einzugehen, weist der Werkzeughalter einen Grundkörper zum Ankuppeln des Werkzeughalters an die Spindel einer Werkzeugmaschine auf und einen damit einstofflich oder zumindest einstückig verbundenen, als Hülsenpartie ausgeführten Spannabschnitt zum thermischen oder hydraulischen Einspannen eines Werkzeugschafts oder eines Messerkopfes. Die radial aufeinander gepressten Spannflächen sind zylindrisch und können auch offene Nuten zum Einstellen der Spannhärte aufweisen. Der bekannte Werkzeughalter besitzt ferner mindestens einen einstückig urgeformten Abschnitt, der eine oder mehrere Kavitäten aufweist, die vollständig im Inneren des Abschnitts angeordnet sind und die eine Enklave in dem urgeformten Abschnitt bilden, also vollständig gegenüber ihrer Umgebungen insbesondere nach außen abgeschlossen sind. Diese Kavitäten weisen ausgezeichnete Dämpfungseigenschaften auf und bieten die Möglichkeit einer konstruktiven Auswuchtung. Die Kavitäten haben eine definierte geometrische Form und erstrecken sich radial und in Richtung der Rotationsachse des Werkzeughalters um mehr als 1/10 Millimeter, vorzugsweise mehr als ein Millimeter. Die Kavitäten bilden zur Schwingungsdämpfung insbesondere jeweils einen ringabschnittförmigen Kanal, der konzentrisch zur Rotationsachse vollständig im Inneren des Abschnitts verläuft, oder jeweils einen Ringkanal, der in Umfangsrichtung vollständig und in sich geschlossen ist. In einer anderen Ausführung weist der Werkzeughalter mehrere Kavitäten auf, die sich in Richtung parallel zur Rotationsachse oder entlang einer Schraubenlinie um die Rotationsachse erstrecken, was einen zu großen Wärmetransport beim Aufschrumpfen verhindert. Die Kavitäten haben in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse einen runden oder einen rechteckigen oder auch einen sechseckigen Querschnitt.
In einer weiteren Ausführungsform wird gemäß DE 10 2013 103 168 B3 ein Werkzeughalter zum Einspannen eines Werkzeugschaftes vorgeschlagen mit einem Grundkörper zum Ankuppeln des Werkzeughalters an die Spindel einer Werkzeugmaschine und einer damit verbundenen Hülsenpartie zum Festsetzen bzw. Einschrumpfen eines Werkzeugschaftes und mindestens einem einstückig urgeformten Abschnitt, in dem nun ein Außenverbindungskanal ausgebildet ist, der sich vom Außenumfang des Werkzeughalters ausgehend in das Innere des Abschnitts hineinerstreckt und zu mindestens einer Kavität aufweitet, die vollständig im Inneren des Abschnitts liegt, so dass ein benachbarter Abschnitt, etwa ein Deckel einer Buchse oder ein an die Hülsenpartie angeschweißter Grundkörper, nicht an der Bildung der Kavität beteiligt ist. Es ist eine relativ große mit einer Flüssigkeit gefüllte Kavität ausgebildet, die über eine kleine Öffnung von außen her mithilfe eines Druckgebers unter hydraulischen Druck gesetzt werden kann. Vorzugsweise sind hier in radialer Richtung von innen nach außen fortschreitend mehrere Kavitäten hintereinander und zugleich in Richtung der Rotationsachse mehrere Kavitäten hintereinander angeordnet, um eine verteilte Druckwirkung zu erzeugen. Ein Netzwerk aus fluidal miteinander kommunizierenden Kavitäten kann bei Bedarf unter Innendruck gesetzt werden. Der Druckgeber kann beispielsweise eine über einen Innensechskant betätigbare Schraube sein, die in einem mit einem Innengewinde ausgestatteten Verbindungsabschnitt zum Außenverbindungskanal eingeschraubt wird und durch ihre Einschraubtiefe den Druck bestimmt, der Einfluss auf die zur Einspannung des Werkzeugs zur Verfügung stehende Pressung nimmt. Die Kavitäten sind so dimensioniert und angeordnet, dass sie in radial einwärtiger Richtung wirkende Druckkräfte erzeugen, wenn sie entsprechend unter Innendruck gesetzt werden. Diese Druckkräfte verstärken oder ersetzen die durch das Einschrumpfen aufgebrachte Pressung.
Zur Herstellung dieses Werkzeughalters kann gemäß DE 10 2013 103 168 B3 insbesondere ein erster Abschnitt des Werkzeughalters aus geschmiedetem oder gegossenem Metall bestehen und ein zweiter Abschnitt des Werkzeughalters aus einem Metallschichtwerkstoff bestehen, wobei der erste Abschnitt vorzugsweise der Grundkörper ist und der zweite Abschnitt vorzugsweise der Spannabschnitt. Der Spannabschnitt kann auch aus einzelnen Metallschichten aufgebaut werden, die nacheinander aufeinander erzeugt werden als Metallschichtwerkstoff. Dabei werden einzelne Metallschichten, -zonen oder -punkte nacheinander aufeinander aufgeschmolzen oder miteinander verschweißt oder miteinander versintert, in der Regel mit einem Laser.
EP 2 347 842 A2 beschreibt eine Dehnspanneinrichtung, insbesondere Dehnspannfutter oder Dehnspanndorn, mit einem Grundkörper und einer Dehnbüchse, die unter Bildung einer geschlossenen Druckkammer in den Grundkörper eingesetzt ist oder diesen umgibt. Die Druckkammer ist unter elastischer Verformung der Dehnbüchse mit einem Hydraulikmittel beaufschlagbar, um eine Spannwirkung zu erzielen. Die Dehnbüchse ist zumindest an einem axialen Endbereich mit dem Grundkörper verlötet.
EP 2 103 369 B1 offenbart ein Dehnspannfutter mit einem Futterkörper, an dessen axialen Ende eine dünnwandige Dehnbüchse ausgebildet ist. Die Dehnbüchse ist an einen Hydraulikkanal angeschlossen, der an seinem einen Ende in eine Druckkammer mündet und an seinem anderen Ende durch eine Betätigungsschraube verschlossen ist und auf einen in den Hydraulikmittelkanal eingesetzten Kolben drückt. In eine konusförmige Aufnahme der Dehnbüchse ist eine Spannhülse oder Spannzange eingesetzt, die an ihrem Außenumfang eine der Aufnahme entsprechende Konusform besitzt und in radialer Richtung elastisch verformbar ist. Durch Aufschrauben einer Überwurfmutter auf den Futterkörper wird die Spannhülse axial auf die Aufnahme gedrückt, wobei die konusförmige Außenfläche der Spannhülse und die konusförmige Innenfläche der Aufnahme miteinander in der Weise in Eingriff stehen und zusammenwirken, dass die Axialbewegung der Spannhülse in eine radiale Verformung von der Hülse umgesetzt wird. Durch eine entsprechende axiale Positionierung der Spannhülse kann mittels der Überwurfmutter der Durchmesser der Durchgangsbohrung der Spannhülse eingestellt werden, so dass Werkzeugschäfte unterschiedlicher Durchmesser gespannt werden können.
WO 2015/166068 A1 offenbart ein Werkzeug mit einem Grundkörper, der eine Aufnahme für ein anderes Werkzeug und/oder einen Schaft zur Anbringung an einem anderen Werkzeug oder an einer Werkzeugmaschine aufweist und der mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Kanal versehen ist. Das Werkzeug ist mittels eines Lasersinterverfahrens hergestellt. Dieses auch als selektives Lasersintern bezeichnete Verfahren erlaubt es, in einem Grundkörper eines Werkzeugs einen Kühlmittelkanal vorzusehen. Bei einem Lasersinterverfahren werden metallische Substanzen in Pulverform verwendet, die mittels Laser einem Sinterverfahren unterzogen werden. Es entsteht dadurch ein metallischer Körper. Wird als Ausgangsmaterial Stahlpulver verwendet, so entsteht ein Stahlkörper.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine neue Spannvorrichtung und ein neues Spannverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Ausgestaltungen und Varianten ergeben sich insbesondere aus den abhängigen Ansprüchen, und des Weiteren aus der nachfolgenden Beschreibung, insbesondere den hierin beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungsformen.
Die hierin beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen gemäß der zu Grunde liegenden Erfindung sind nicht durch die in den Ansprüchen gewählte/n Merkmalskombination/en und die gewählten Rückbeziehungen beschränkt. Jedes Merkmal einer Anspruchskategorie kann auch in einer anderen Anspruchskategorie beansprucht werden. Ferner kann jedes Merkmal in den Patentansprüchen, auch unabhängig von der jeweiligen anspruchsgemäßen Rückbeziehung, beispielsweise in einer beliebigen Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmal(en) der Ansprüche oder der nachfolgenden Beschreibung beansprucht werden. Ferner kann jedes Merkmal, das in der nachfolgenden Beschreibung und/oder den anhängenden Zeichnungen offenbart und/oder im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben oder offenbart ist für sich, unabhängig oder losgelöst von dem Zusammenhang, in dem es steht, allein oder in jeglicher Kombination mit einem oder mehreren anderen Merkmalen, das oder die in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Zeichnungen beschrieben oder offenbart ist oder sind, beansprucht werden, insbesondere in dem Umfang, in welchem das jeweilige Merkmal zumindest einen Beitrag zur Lösung der zu Grunde liegenden Aufgabe liefert. Insbesondere können auch jede der nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen bzw. jedes der beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale für sich gesondert und/oder in beliebigen Kombinationen beansprucht werden.
In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung wird eine Spannvorrichtung zum Spannen (oder: zum Einspannen oder Aufspannen) eines (rotierenden oder nicht rotierenden) Werkstücks oder eines Werkzeugs und insbesondere auch zum Ankoppeln des Werkstücks oder des Werkzeugs an eine (rotierende oder nicht rotierende) Maschinenspindel, insbesondere einer Werkzeugmaschine, vorgeschlagen, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder die folgenden Merkmale aufweist:

a) wenigstens eine eine zentrale Achse umlaufende Spannbüchse (oder: Spannhülse) mit wenigstens einer Spannfläche für das Werkstück oder Werkzeug (oder: mit wenigstens einer Spannnfläche zum Zusammenwirken, insbesondere kraftschlüssigen Anliegen, mit wenigstens eine Gegenspannfläche an dem Werkstück oder Werkzeug), und
b) wenigstens einen Spannkörper (oder: Spannelement),
c) wobei die Spannbüchse an einer von ihrer wenigstens einen Spannfläche abgewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche aufweist, die entlang einer Schraubenlinie (oder: als oder wie ein Gewindeabschnitt) mit einer vorgegebenen Steigung um die zentrale Achse verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel zu einer zur zentralen Achse axialen Richtung geneigt ist,
d) wobei der Spannkörper an einer der Spannbüchse zugewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche aufweist, die entlang einer Schraubenlinie (oder: als oder wie ein Gewindeabschnitt) mit einer vorgegebenen Steigung um die zentrale Achse verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel zu einer zur zentralen Achse axialen Richtung geneigt ist,
e) wobei oder so dass die einander zugewandten Abstützflächen von Spannkörper und Spannbüchse mittels wenigstens eines Verschiebeelements durch eine axiale Verschiebebewegung entlang eines axialen Verschiebeweges in axialer Richtung in Kontakt miteinander bringbar sind oder gebracht sind und/oder aufeinander gleitend bewegbar sind, wodurch der Durchmesser der Spannfläche in einer zur zentralen Achse radialen Richtung veränderbar ist oder sich verändert oder wodurch bei an dem Werkstück oder Werkzeug bereits anliegender Spannfläche der Spannbüchse an der Spannfläche eine radiale Spannkraft zwischen Spannbüchse einerseits und Werkstück oder Werkzeug andererseits erzeugbar ist oder erzeugt wird,
f) wobei der Spannkörper und/oder die Spannbüchse darüber hinaus eine oder mehrere hydraulische Kammern umfassen oder umfasst, die im Innern des Spannkörpers bzw. der Spannbüchse ausgebildet ist bzw. sind und mit einem hydraulischen Medium gefüllt ist bzw. sind,
g) wobei das hydraulische Medium in wenigstens einer der hydraulischen Kammern mittels wenigstens eines Druckerzeugers mit einem hydraulischem Druck beaufschlagbar ist oder beaufschlagt ist, welcher hydraulische Druck bei aufeinander liegenden Abstützflächen von Spannkörper und Spannbüchse eine hydraulische radiale Presskraft an den aufeinander liegenden Abstützflächen von Spannkörper und Spannbüchse erzeugt, wobei wiederum durch diese hydraulische radiale Presskraft bei an dem Werkstück oder Werkzeug bereits anliegender Spannfläche der Spannbüchse an der Spannfläche eine radiale hydraulische Spannkraft zwischen Spannbüchse einerseits und Werkstück oder Werkzeug andererseits erzeugbar ist oder erzeugt ist.

Die Abstützflächen können in anderen zur Definition „zu einer zur zentralen Achse axialen Richtung geneigt“ alternativen Definitionen auch zu einer um die zentrale Achse als Zylinderachse verlaufenden gedachten oder geometrischen Zylinderfläche radial nach innen oder außen geneigt sein oder in jedem Schnitt entlang einer die zentrale Achse beinhaltenden Schnittebene (Längsschnitt) zu einer zur zentralen Achse parallelen Richtung geneigt sein.
Die Abstützflächen sind bevorzugt eben ausgebildet und unter einem konstanten Neigungswinkel geneigt, insbesondere keilförmig oder sägezahnartig und vorzugsweise auf einer helikalen Kegelfläche, können aber auch eine variierende Neigung unter einem variierenden Neigungswinkel haben, insbesondere mit einer gewissen leichten Krümmung.
In einer Ausführungsform ist eine mechanische Spannkraft erzeugt und ist die hydraulische Spannkraft zusätzlich zur mechanischen Spannkraft erzeugt. Im Allgemeinen ist die hydraulische Spannkraft gleichgerichtet zur mechanischen Spannkraft.
Die Spannvorrichtung kann aber auch rein mechanisch oder rein hydraulisch spannen.
Bevorzugt ist die Kombination aus beiden Spannprinzipien. Mit dem hydraulischem Spannen können vorteilhaft Toleranzen an einem einzuspannenden Werkzeugschaft oder einem zu bearbeitenden Werkstück ausgeglichen werden, die bei einem mechanischen Spannprinzip nicht ausgeglichen werden können. Das mechanische Spannen mittels des Verschiebelements kann insbesondere auch eine axiale Spannkraft erzeugen, wodurch eine größere Spannsteifigkeit erreicht werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die hydraulische Spannkraft betragsmäßig auf wenigstens das 2-fache oder wenigstens das 5-fache oder wenigstens das 20-fache der mechanischen Spannkraft einstellbar oder eingestellt.
In einer Ausführungsform sind korrespondierende Abstützflächen von Spannkörper und Spannbüchse durch eine an deren Steigung angepasste Eindrehbewegung ineinander in eine Eingriffsposition bringbar oder eindrehbar oder einschraubbar, in der die Abstützflächen wenigstens teilweise einander gegenüberliegen und/oder in Kontakt gebracht sind.
Es kann nun aus dieser Eingriffsposition die axiale Verschiebebewegung zum Erzeugen der radialen mechanischen Spannkraft erfolgen und im Anschluss die Beaufschlagung der Kammer(n) mit dem hydraulischem Druck mittels des Druckerzeugers zur Erzeugung der hydraulischen Spannkraft erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwischen den hydraulischen Kammern Zwischenstege (oder: Trennstege) angeordnet. Die die axiale Abmessung oder Dicke der Zwischenstege ist insbesondere kleiner, vorzugsweise insbesondere mindestens um einen Faktor 4 kleiner, als eine axiale Abmessung oder Länge der Kammern. Insbesondere sind die Zwischenstege unterhalb der Abstützfläche(n) unter einem axialen Abstand angeordnet, der einer mehrfachen, insbesondere doppelten, Steigung der Abstützfläche(n) entspricht.
Durch das Vorsehen von einem oder mehreren Stegen kann die Wandung, welche die durch die Expansion erzeugte Kraft auf die Spannbüchse überträgt, in verschiedene Teilbereiche aufgeteilt werden, von denen jeweils unterschiedlich hohe Kräfte übertragen werden. Die Wandung kann also so ausgebildet werden, dass in bestimmten Bereichen, also dort wo die Expansion gehemmt ist, eine geringere Kraft übertragen wird und in Bereichen wo die Expansion nicht gehemmt ist, eine höhere Kraft. Zudem können die hydraulischen Kammern durch die Stege stabiler ausgebildet sein, insbesondere gegenüber einer Wechselbelastung im Einsatz, so dass ein gleichbleibender Druckaufbau gewährleistet ist. Gegebenenfalls können die mit Stegen versehenen Kammern einen höheren hydraulischen Druck ertragen als im Stand der Technik bekannt. adurch kann abschnittsweise ein höherer Spanndruck für das zu spannende Gut zur Verfügung gestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine membranartige Wandung (oder Dehnungsmembran) des Spannkörpers oder der Spannbüchse zwischen der oder Kammer(n) und der oder den Abstützfläche(n) gebildet ist, die mit der oder den Abstützfläche(n) durch den hydraulischen Druck in radialer Richtung verformbar oder ausdehnbar ist.
Die membranartige Wandung ist vorzugsweise auf den Zwischenstegen abgestützt.
Die Wandung kann von den Stegen getrennt ausgebildet sein und nur auf den Stegen aufliegen, so dass die Wandung auf den Stegen zumindest in radialer Richtung abgestützt ist, vorzugsweise so, dass die Wandung relativ zu den Stegen bewegbar ist.
Die Wandung kann aber auch mit den Zwischenstegen verbunden sein, insbesondere mit den Stegen verschweißt oder verlötet oder verklebt sein.
Wenn die Stege in einem oder mehreren Verbindungsbereich(en) mit der Wandung verbunden sind, kann die Expansion in diesem oder diesen Verbindungsbereiche(en) reduziert oder vollständig verhindert werden. Dadurch können besonders vorteilhaft bestimmte räumlich bzw. flächenmäßig begrenzte Expansionszonen oder Zonen unterschiedlichen Drucks an der Außenseite der Wandung erzeugt werden.
In einer Ausführungsform ist wenigstens einer der Zwischenstege ringartig um den gesamten Umfang geschlossen ausgebildet, insbesondere senkrecht zur zentralen Achse verlaufend.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens einer der Zwischenstege gedrallt oder schraubenförmig oder helikal, insbesondere um die zentrale Achse, verlaufend ausgebildet, insbesondere unter einem Drallwinkel zwischen 40° und 80°, insbesondere zwischen 50° und 70°.
Es können auch mehrere solcher gedrallter Zwischenstege vorgesehen sein, die insbesondere unter dem gleichen Drallwinkel angeordnet sind, beispielsweise wie ein mehrgängges Gewinde, oder unter verschiedenen, insbesondere zueinander entgegengesetzt gerichteteten, Drallwinkeln, beispielsweise in einer gekreuzten Ausführung, angeordnet sein können. Hier kann beispielsweise zwischen einem Stegpaar kein hydraulisches Medium vorgesehen sein und zwischen dem nächsten auf das erste Stegpaar in axialer Richtung folgende Stegpaar hydraulisches Medium vorgesehen sein. So können Expansionszonen geschaffen werden, die voneinander durch nicht expandierende Zonen abgetrennt sind
Wenigstens einer der Zwischenstege verläuft in einer Ausführungsform nur über einen Teil des Umfanges.
Der oder die Zwischenstege sind insbesondere auf einer Mantelfläche, insbesondere einer Zylindermantelfläche, des Spannkörpers oder der Spannbüchse angeordnet oder ausgebildet.
In einer Ausführungsform sind wenigstens zwei oder mehrere Zwischenstege sich kreuzend oder Kreuzungsstellen ausbildend oder rauten- oder wabenförmig angeordnet. Dies ist besonders stabil.
In einer Ausführungsform ist wenigstens eine der Kammern ringartig um den gesamten Umfang geschlossen, insbesondere senkrecht zur zentralen Achse, ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform ist wenigstens eine der Kammern schraubenförmig oder helikal, insbesondere um die zentrale Achse, verlaufend ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform ist wenigstens eine der Kammern nur über einen Teil des Umfanges verlaufend und/oder kissenförmig und/oder rauten-oder wabenförmig ausgebildet.
Hinsichtlich der geometrischen Abmessungen der hydraulischen Kammern kann wenigstens eines oder eine Kombination der folgenden Merkmale gewählt werden:

a) die Kammern haben eine, insbesondere gleiche, radiale Abmessung oder Höhe, die insbesondere größer, vorzugsweise um mindestens den Faktor 2,5 größer, ist als eine radiale Dicke der membranartigen Wandung,
b) zumindest die axial innen liegenden Kammern haben die gleiche axiale Abmessung,
c) die axial außen liegenden Kammern haben eine kleinere axiale Abmessung als die axiale Abmessung der axial innen liegenden Kammern,
d) die axialen Abmessungen der Kammern sind größer als die Steigung der Abstützfläche(n), aber kleiner als die doppelte Steigung.

Im hydraulischen System steht oder stehen in einer Ausführungsform wenigstens eine oder mehrere der Kammern über wenigstens einen hydraulischen Kanal fluidisch in Verbindung mit dem wenigstens einen Druckerzeuger. Ferner sind vorzugsweise wenigstens zwei der Kammern fluidisch miteinander kommunizierend ausgebildet, insbesondere durch Zwischenkanäle oder Öffnungen, insbesondere in oder zwischen den Zwischenstegen.
Durch die Anzahl und Größe der Kammern ist es möglich einzustellen, wie viele Expansionszonen an den Abstützflächen und damit an der Spannfläche bereitgestellt sind. Kleinteiligere Expansionszonen können beispielsweise bei der Einspannung von Werkstücken oder Werkzeugen mit einer hohen Oberflächenrauheit von Vorteil sein, da die Spannung dann mit einem entsprechend kleinteiligen Kraftverlauf wirkt, so dass Oberflächenrauheiten ausgeglichen werden und eine gleichmäßige Spannung erreicht wird. Verhältnismäßig groß gestaltete Expansionszonen können vorteilhaft sein, wenn eine hohe Spannkraft gewünscht ist. Miteinander fluidisch kommunizierende Kammern erleichtern und verbessern den Druckaufbau in den Kammern und erlauben einen Druckausgleich zwischen den einzelnen Kammern, der der Spannkraft stabilisierend zu Gute kommt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die bestimmte oder alle Kammern fluidisch voneinander zu trennen, so dass nicht alle, sondern nur eine bestimmte Anzahl der Kammern mit Druck beaufschlagt werden.
In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung und /oder ein Längsschnitt parallel zu oder in dieser Axialrichtung einer oder mehrerer Kammern größer als des oder der Stege.
Ein Verfahren zum Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs mit einer Spannvorrichtung nach einer der Ausführungsformen gemäß der Erfindung umfasst insbesondere die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bewegen der korrespondierenden Abstützflächen von Spannkörper und Spannbüchse durch eine an deren Steigung angepasste Eindrehbewegung ineinander in eine Eingriffsposition, in der die Abstützflächen wenigstens teilweise einander gegenüber liegen und/oder in Kontakt gebracht sind,
b) Erzeugen einer axialen Verschiebebewegung aus dieser Eingriffsposition zum Erzeugen der radialen mechanischen Spannkraft,
c) im Anschluss Beaufschlagen der Kammer(n) mit dem hydraulischem Druck mittels des Druckerzeugers zur Erzeugung der hydraulischen Spannkraft.

In einer Ausführungsform sind oder werden durch eine einstückige Ausbildung des Spannkörpers mit den Stegen fluidisch dichte Kammern hergestell, deren Kraft zugleich in günstiger Weise auf die Spannbüchse übertragen werden kann. Eine einstückige Ausbildung des Spannkörpers mit den Stegen ermöglicht ferner eine besonders stabile und feste Struktur des Spannkörpers.
In Ausführungsformen werden einzelne Komponenten der Spannvorrichtung, vorzugsweise der Spannkörper, ganz oder zumindest in Teilbereichen mit additiven Fertigungsverfahren, vornehmlich in einem Metallwerkstoff wie einem Metall oder einer Metalllegierung, also in einem Urformprozess oder durch Urformen, gefertigt.
Insbesondere kann eines der Fertigungsverfahren oder eine Kombination der Fertigungsverfahren verwendet werden, die aus dem Artikel C. Körner - Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting - a review, International Materials Reviews, 61:5, 2016, Seiten 361-377, oder aus dem Artikel Lawrence E. Murr Fabrication of Metal and Alloy Components by Additive Manufacturing: Examples of 3D Materials Science, Journal of Materials Research and Technology, Elsevier, 2012, Seiten 42 - 54 bekannt sind, oder auch bekannte 3-D-Druckprozesse, insbesondere ein selektiver Lasersinterprozess oder ein selektiver Laserschmelzprozess oder ein Prozess zum Laserauftragsschweißen.
In einer Ausführungsform wird bei dieser Herstellung der Stege, aber auch von anderen mit dem Urformprozess herstellbaren Komponenten des Spannkörpers, in dem Urformverfahren, beispielsweise bei einem Lasersinterverfahren, Metallpulver aufgehäuft, welches anschließend durch Laserstrahlung positionsgenau verfestigt wird. Beispielsweise beim Laserauftragsschweißen kann Metallpulver mit Korngrößen von ca. 1/100 mm verwendet werden. Mit einem derartigen Pulver können beim Laserauftragsschweißen Pulverschichten im Bereich von minimal 1/10 mm Dicke erreicht werden.
Neben dem verfestigten Metallpulver verbleibt allerdings häufig weiterhin loses beziehungsweise rieselfähiges oder nicht verfestigtes Metallpulver an und in dem Bauteil und sollte vor allem aus den Kammern entfernt werden. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn zwischen den Stegen und/oder in den Stegen Durchbrechungen oder Öffnungen vorgesehen sind, durch die das Metallpulver aus den Kammern rieseln kann, beziehungsweise durch die das Metallpulver entfernt, insbesondere abgesaugt oder herausgeschüttelt, werden kann. Bei einer nicht konzentrischen Konfiguration, also einer gedrallten, helikalen oder spiralförmigen Konfiguration kann es vorteilhaft sein, wenn die Stege selbst durchgehend, das heißt frei von Öffnungen ausgebildet sind, jedoch von einer axial gesehen hinten liegenden Wand, das heißt an einer der maschinenseitigen Verbindungsfläche, oder im Falle eines Spannfutters, einer Maschinenseite, zugewandten Seite (Stirnseite) und/oder von einer axial vorne liegenden Wand, das heißt an einer der maschinenseitigen Verbindungsfläche gegenüberliegenden Seite (Stirnseite) des Spannmittels, beabstandet endet. Auf diese Weise sind ist es ermöglicht, dass nach dem Fertigen der Hohlkammern, die ja im Wesentlichen fluidisch dicht verschlossen sind, Metallpulver entlang der gedrallten Stege und durch die Öffnungen zwischen Stegen und axial vorne liegenden und/oder axial hinten liegenden Wänden entweichen kann. Unter axial vorne liegend oder unter vorderem, axialen Ende des Spannmittels soll insbesondere das maschinenseitige Ende des Spannmittels, beispielsweise die maschinenseitigen Spannfläche umfassend, verstanden werden, wohingegen als axial hinten liegend oder unter hinterem axialen Ende des Spannmittels das Ende des Spannmittels verstanden werden soll, welches die Einspannseite ausbildet, beziehungsweise das Ende von dem aus oder an dem des Werkzeug oder Werkstück einspannbar ist.
In einer Ausführungsform kann beim Erzeugen des Spannkörpers ein, vorzugsweise im Wesentlichen konischer oder zylinderförmiger, Rohling, der insbesondere durch Schmieden und/oder spanende Bearbeitung hergestellt ist, bereitgestellt werden, der eine radial außenliegende Oberfläche oder radial innenliegende Oberfläche aufweist, und dann werden der oder die Stege auf der Oberfläche durch den Urformprozess erzeugt.
Eine besonders einfache Herstellungsweise wird erreicht, wenn in einem ersten Schritt ein Rohling bereitgestellt wird, der in einem ersten Verfahrensschritt durch Schmieden und/oder spanende Bearbeitung hergestellt wird. Dieser Rohling kann mit einer Oberfläche bereitgestellt werden, welche die Grundfläche oder Grundstruktur bilden kann, auf der weitere Strukturen durch Urformen oder auch durch andere Verfahren aufgebaut werden.
Zweckmäßigerweise wird eine Wandung an dem Spannkörper, insbesondere durch einen Urformprozess, erzeugt, vorzugsweise so, dass der oder die Stege stoffschlüssig und/oder, insbesondere werkstoffmäßig, einstückig mit der Wandung verbunden sind, insbesondere so, dass der oder die Stege mit der Wandung Kammerwände der Kammer(n) ausbilden.
Eine solche Wandung kann insbesondere die schon erwähnte membranartige Wandung oder Dehnungsmembran sein. Wird die Wandung mit dem oder den Stegen durch, insbesondere denselben, Urformprozess oder im selben Urformschritt stoffschlüssig oder einstückig erzeugt, so ist eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen Steg und Wandung sichergestellt und können auch dünnwandige Wandungen hergestellt werden.
Werden die Kammern vollständig in einer Werkstoffschicht in einem Urformprozess erzeugt, so sind insbesondere verschiedene Querschnitte der Kammern oder der Stege sehr flexibel herstellbar. Mit anderen Worten können Hohlkammern von verschiedener Gestalt flexibel hergestellt werden.
Die Stege können aber auch durch Materialabtrag wie Senkerodieren oder Fräsen oder Drehen hergestellt werden.
Die Kammer(n) hat bzw. haben insbesondere einen rechteckigen Querschnitt in einem axialen Schnitt. Ein rechteckiger Querschnitt der Kammern ermöglicht eine vorteilhafte Druckausbreitung, insbesondere wenn die lange Seite des rechteckigen Querschnitts im Wesentlichen parallel zu der Wandung des Spannkörpers orientiert ist.
Ein zylinderförmiger Spannkörper in Zusammenwirkung mit einer hohlzylinderförmigen Spannbüchse weist im Vergleich zu einer konusförmigen Ausführung des Spannkörpers und/oder der Spannbüchse den Vorteil auf, dass die verwendbaren Maße des Innen- oder Außendurchmessers der Spannbüchse nicht durch die Konusform des Spannkörpers vorgegeben sind, sondern dass Innen- oder Außendurchmesser in flexibler Weise auf die Spannaufgabe angepasst werden können. Zudem ist, gegenüber der Konusform, ermöglicht, dass die hydraulischen Krafterzeugungsmittel auch exklusiv die Spannkraft zur Verfügung stellen können, ohne dass mechanische Krafterzeugungsmittel eine Hauptspannkraft bereitstellen. Alternativ ist möglich, dass der Spannkörper und/oder die Spannbüchse kegelig oder konisch ausgebildet sein.
Probleme bei einer rein mechanischen Spannung wie beim Sägezahngewinde werden gemäß der Erfindung vermieden, insbesondere wird ein Stickslip, d. h. eine Reibung im Gewinde und Haftreibung sowie das Losbrechmoment reduziert und es ist nur eine kleine mechanische Spannkraft notwendig, während der wesentliche Anteil der Spannkraft durch die Hydraulik geliefert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auch auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen jeweils schematisch dargestellt sind:

1 eine Spannvorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt;
2 schematisch das Prinzip der mechanischen Spannung in einer Schnittdarstellung;
3 eine Spannvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
4 einen vergrößerten Ausschnitt der Spannvorrichtung gemäß 3;
5 eine Spannvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
6 eine Spannvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
7 eine Spannvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
8 eine Spannvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht;
9 eine geschlitzte Spannbüchse in einer ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
10 eine geschlitzte Spannbüchse in einer zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
11 eine abgewickelte Teilwandung einer geschlitzten Spannbüchse in einer Draufsicht und
12 eine Spannvorrichtung mit einer geschlitzten Spannbüchse in einem Querschnitt.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 12 mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Längsschnitt einer Spannvorrichtung 1 wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Spannvorrichtung 1 ist zum Spannen (oder: kraftschlüssigen Haltern) eines durch punktgestrichelte Linien angedeuteten Werkstücks 50 vorgesehen, insbesondere zum Zwecke einer Kopplung des Werkstücks 50 an eine nicht dargestellte Maschinenspindel, oder einen rotierenden oder nicht rotierenden Teil einer Bearbeitungs- oder Werkzeugmaschine, zur oder bei der Bearbeitung des Werkstücks 50.
Die Spannvorrichtung 1 umfasst in einem Spannbereich 40, in dem die Spannkräfte für die Spannung des Werkstücks 50 zur Verfügung gestellt oder erzeugt werden, eine Spannbüchse 18 mit einer radial in R-Richtung nach außen gerichteten oder zeigenden bzw. eine an einer Außenfläche oder Mantelfläche oder Außenwandung angeordnete Spannfläche 11, die zum kraftschlüssigen Verbinden oder Spannen an einer Gegenspannfläche 51 des Werkstücks 50 anliegt, und mit einem Spannkörper 2 zum Spannen der Spannhülse 18 durch Ausüben einer Spannkraft an Spannfläche 11 und Gegenspannfläche 51. Die hülsenförmige Spannbüchse 18 ist bezüglich einer gemeinsamen Mittelachse oder zentralen Achse M der Spannvorrichtung 1 und koaxial zum Spannkörper 2 um diesen herum oder diesen umschließend angeordnet. Im Allgemeinen ist die Spannbüchse 18 zur Erleichterung der Dehnbarkeit geschlitzt oder mit Dehnschlitzen versehen.
Ferner umfasst die Spannvorrichtung 1 ein Schaftteil 17 zum Verbinden oder Koppeln mit einer nicht gezeigten Maschinenspindel in an sich bekannter Weise.
Das Erzeugen der Spannkraft erfolgt mittels wenigstens eines Abstützelements 14 an einer Außenfläche oder Mantelfläche oder Außenwandung des Spannkörpers 7 und wenigstens eines korrespondierenden oder zusammenwirkenden Abstützelements 15 an einer Innenfläche oder radial nach innen gerichteten Innenwandung der Spannbüchse 18.
Die Abstützelemente 14 und 15 sind zu der Mittelachse M der Spannvorrichtung 1 bzw. des Spannkörpers 7 und der Spannbüchse 8 keilförmig oder sägezahnartig geneigt.
Ein mechanisches Einspannelement 12 kann, beispielsweise über einen Gewindestift 13, in einer Einspannbewegungsrichtung ES parallel zur Mittelachse M in Z-Richtung axial oder linear verschoben werden, so dass es über Flächenkontakt oder nach Anschlag einer stirnseitigen Schubfläche 19 mit einer Stirnfläche der Spannbüchse 18 die Spannbüchse 18 linear in der Einspannbewegungsrichtung ES mit verschiebt. Das Einspannelement 12 und der Gewindestift 13 bilden gemeinsam ein Beispiel für ein Verschiebeelement.
Das um die Spannbüchse 18 herum angeordnete Werkstück 50 wird von einem Anschlag an einem Ringkörper 5 axial in Position gehalten. Wird die Spannbüchse 18 nun linear in der Einspannbewegungsrichtung ES verschoben, so gleitet oder gleiten das oder die Abstützelemente 15 der Spannbüchse 18 auf dem oder den Abstützelement(en) 14 des Spannkörpers 2. Dies führt zu einer Aufweitung der Spannbüchse 18 bis zu einem Maß, bei dem ihre Spannfläche 11 an der Gegenspannfläche 51 des Werkstücks50 anschlägt und sich dann über eine radiale Presskraft an den Abstützelementen 14 und 15 eine definierte Spannkraft an den Spannflächen 11 und 51 aufbaut.
Alternativ kann auch der Spannkörper 2 mittels des Einspannelements 12 axial relativ zur Spannbüchse 18 verschoben werden.
Die Funktionsweise der Abstützelemente 14 und 15 wird im Folgenden anhand von 2 weiter erläutert.
2 zeigt in einem Längsschnitt in axialer Richtung das Prinzip der Spannung oder Halterung, insbesondere nach Art eines Sägezahngewindes oder mit einer Ausführung gemäß 1, welches Prinzip auch auf alle Ausführungsformen gemäß der Erfindung übertragbar oder anwendbar ist. Im Beispiel der 2 wird ein Werkstück 50 gespannt, indem es radial von innen mittels einer Spannbüchse 18 durch die radiale Spannkraft F_R , welche radial in Richtung der radialen Komponente oder Koordinate R nach außen wirkt, beaufschlagt wird, analog zu einem Spanndorn. Die umgekehrte Spannung von außen nach innen durch eine das Werkstück oder Werkzeug von außen umschließende Spannbüchse ist natürlich ebenfalls möglich, insbesondere als Spannfutter.
Die Spannbüchse 18 wird mittels einer Einschubkraft F_ES , welche in Z-Richtung oder axial zur zentralen Achse M wirkt, axial bewegt und dadurch zugleich radial nach außen verformt oder gespannt. Dazu sind im Längsschnitt eine oder mehrere keilförmige Abstützflächen 15A von einem oder mehreren Abstützelementen 15 der Spannbüchse 18, welche unter einem Neigungswinkel α zur axialen Richtung oder parallel zur zentralen Achse M gerichtet sind, auf einer oder mehreren entsprechend unter dem Neigungswinkel α geneigten Abstützfläche(n) 14A von einem oder mehreren Abstützelementen 14 des Spannkörpers 2 abgestützt und gleiten auf diesem oder diesen unter dem Neigungswinkel α entlang. In einem Ruhezustand oder gelösten Zustand können die radial oder annähernd radial verlaufende(n) Endfläche(n) 15B des oder der Abstützelemente(s) 15 mit Endfläche(n) 14B des oder der benachbarten Abstützelemente(s) 14 aneinanderschlagen und die Abstützflächen 14A und 15A auch noch leicht beabstandet sein, also nicht aufeinander liegen oder mit Spiel zueinander angeordnet sein. Im dargestellten Zustand sind die Endflächen 15B von den entsprechenden Endflächen 14B jedoch durch die Einwirkung der Einspannkraft F_ES um einen Verschiebeweg ΔZ in Z-Richtung gegeneinander verschoben und aufgrund der Neigung um den Neigungswinkel α sind das oder die Abstützelement(e) 15 auf dem oder den Abstützelement(en) 14 radial nach außen um den radialen Weg (oder: Auslenkung) ΔR gewandert oder gedrängt worden, wobei der radiale Weg ΔR dem axialen Weg ΔZ zugeordnet ist abhängig von dem Neigungswinkel α entsprechend ΔR = ΔZ tan α. Durch diese radiale Bewegung oder Auslenkung oder Ausdehnung um den radialen Weg ΔR nach außen wird die ganze Spannbüchse 18 um ΔR nach außen gespannt oder ausgelenkt oder ausgedehnt und übt dadurch die radiale Presskraft F_R über die nach außen zeigende(n) Abstützfläche(n) 14A des Spannkörpers 2 auf die nach innen zeigenden Abstützfläche(n) 15A der Spannbüchse 18 aus, die schließlich als Spannkraft nach außen auf das Werkstück 50 an den einander gegenüberliegenden Spannflächen 11 und 51 wirkt, die sich physikalisch infolge der Verformung und elastischen Rückstellkräfte zwischen Spannbüchse 18 und Werkstück 50 und dem Gesetz actio = reactio aufbaut. Zugleich wird eine axiale Kraftkomponente F_A ausgeübt, die das übertragbare Drehmoment und Steifigkeit vergrößert.
Damit die Spannbüchse 18 einfach ohne Verformung oder zwei- oder mehrteilige Konstruktion auf dem Spannkörper 2 montiert werden kann und dabei die Abstützelemente 15 über die Abstützelemente 14 hinweg in Z-Richtung positioniert werden können, sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Abstützelemente 15 und 14 mit ihren jeweiligen Abstützflächen 15A und 14A jeweils in Form eines Gewindes oder entlang einer Schraubenlinie oder Helix verlaufend ausgebildet oder angeordnet, dessen Steigung PSG den Abständen der Abstützelemente 14 oder 15 im Längsschnitt der 2 entspricht. Es ist eine helikale Anordnung mehrerer Abstützelemente 14 bzw. 15 hintereinander möglich. Vorzugsweise sind jedoch durchgehende oder entlang des Gewindes oder der Schraubenlinie unterbrechungsfreie Abstützelemente 15 und 14 bzw. Abstützflächen 15A und 14A vorgesehen. Es ist also bevorzugt eine durchgehende helikal mit der Steigung PSG ausgebildete und unter dem Neigungswinkel α geneigte Abstützfläche 15A eines entsprechend durchgehenden Abstützelements 15 an der Spannbüchse 18 und eine durchgehende helikal mit der Steigung PSG ausgebildete und unter dem Neigungswinkel α geneigte Abstützfläche 14A eines entsprechend durchgehenden Abstützelements 14 am Spannkörper 2 ausgebildet. Dadurch können die Abstützelemente 14 und 15 und die Spannbüchse 18 und der Spannkörper 2 durch eine Schraubbewegung oder Drehbewegung wie bei einem Innen- und Außengewinde ineinander gedreht oder auf-/eingeschraubt werden. Dabei liegen nach dem Eindrehen die beiden Abstützgewinde oder -flächen 14A und 15A zunächst lose ohne eine signifikante Presskraft aufeinander. Nun wird die Einschubkraft F_ES ausgeübt, welche die beiden Abstützflächen 14A und 15A axial in Z-Richtung in einer axialen Verschiebebewegung gegeneinander verschiebt und dadurch zunächst in Kontakt miteinander bringt und sodann aufgrund der Neigung des Abstützflächen 14A und 15A zu einer radialen Presskraft F_R führt, mit welcher die Abstützflächen 14A und 15A gegeneinander gepresst werden, und dementsprechend zur radialen Spannkraft nach außen auf das Werkstück 50. Aufgrund der keilförmigen oder sägezahnartigen Gestalt der Abstützfläche(n) 14A und 15A nennt man so ein Gewinde auch Sägezahngewinde. Es sind jedoch auch abweichende Formen möglich insbesondere auch gekrümmte oder mit mehreren ebenen Flächen versehene Abstützelemente 14 und 15 oder Abstützflächen 14A und 15A.
In den anhand von 1 und 2 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen ist das Werkstück 50 von innen gespannt, d.h. die Spannvorrichtung ragt durch das Werkstück 50. Man nennt eine solche Spannvorrichtung auch Spanndorn. Alternativ kann auch ein Werkstück oder Werkzeug von außen gespannt werden, d.h. die Spannvorrichtung umgibt das Werkstück oder Werkzeug. Eine solche Spannvorrichtung nennt man auch Spannfutter. Hier werden die Spannflächen und Abstützelemente im Vergleich zu einem Spanndorn gemäß 1 und 2 in ihrer Reihenfolge in radialer Richtung umgekehrt, d.h. von die Reihenfolge von außen nach innen wird nunmehr die Reihenfolge von innen nach außen.
Gemäß der Erfindung wird nun eine Spannvorrichtung, wie sie beispielsweise anhand von 1 und 2 beschrieben wurde oder gemäß der eingangs beschriebenen EMUGE-Ausführungsform SG, dadurch verbessert und weitergebildet, dass zusätzlich oder vorzugsweise hauptsächlich ein hydraulisches Spannen mittels hydraulisch beaufschlagter Kammern vorgesehen ist. Dazu werden mit einem hydraulischen Medium wie einem Hydrauliköl gefüllte hydraulische Kammern in dem Spannkörper 2 oder in der Spannbüchse 18 in der Nähe der Abstützflächen 14A oder 15A vorgesehen. Die hydraulischen Kammern werden mit hydraulischem Medium gefüllt und mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt, der eine zusätzliche hydraulische Presskraft an den Abstützflächen und dadurch eine zusätzliche hydraulische Spannkraft an Spannfläche und Gegenspannfläche erzeugt.
3 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer Spannvorrichtung 10 mit derartigen hydraulischen Kammern 3, hier in dem Spannkörper 2. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des teilweise geschnittenen Teils der 3, in dem die Kammern 3 sichtbar sind.
Die Spannvorrichtung 10 weist in einem Spannbereich 40 einen Spannkörper 2 auf, der wie in 1 und 2 innerhalb einer Spannhülse 18 angeordnet ist, vorzugsweise um eine gemeinsame zentrale Achse M. Auf einer (hier äußeren) Spannfläche 11 der Spannhülse 18 ist wieder mit seiner Gegenspannfläche 51 ein Werkstück 50 angeordnet. An der von der Spannfläche 11 abgewandten (inneren) Seite weist die Spannbüchse 18 wieder das oder die Abstützelement(e) 14 auf.
Im Unterschied zu 1 sind nun in der Ausführung gemäß der Erfindung nach 3 und 4 im Inneren des Spannkörpers 2 hydraulische Kammern 3 vorgesehen, die mit Hydraulikfluid oder einem flüssigen hydraulischen Medium wie einem hydraulischen Öl befüllt sind, das unter einem hydraulischen Druck p_H steht.
Die Kammern 3 sind jeweils von einer gegenüber dem hydraulischen Druck p_H und dem hydraulischen Medium druckdichten Wandung 6 umgeben.
In axialer oder Z-Richtung parallel zur zentralen Achse A sind zwischen den Kammern 3 Zwischenstege oder Trennstege 7 angeordnet, die eine axiale Abmessung oder Dicke d aufweisen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 haben die Kammern 3 alle die gleiche radiale Abmessung oder Höhe b.
In radialer Richtung R nach außen sind die Kammern 3 um einen relativ geringen radialen Abstand e zu dem oder den Abstützelementen 14, d.h. deren radial innen liegendsten Punkt angeordnet, so dass mit dem dazwischenliegenden Bereich des Spannkörpers 2 eine vergleichsweise dünne membranartige Wandung 8 gebildet ist, auf der das oder die Abstützelemente 14 angeordnet sind. Die Abmessung e wird insbesondere etwa gleich zur Abmessung b gewählt. Durch die Druckerhöhung in den Kammern 3 wird die dünne Wandung 8 in radialer Richtung R nach außen gedrückt. Die Zwischenstege 7 stützen die Wandung 8 ab.
Die inneren drei Kammern 3 haben vorzugsweise die gleiche axiale Abmessung oder Länge a1 und die beiden äußeren Kammern 3 vorzugsweise eine geringere axiale Abmessung a2 < a1.
Die axiale Dicke d der Zwischenstege 7 ist kleiner, insbesondere um einen Faktor von mindestens 4, vorzusgweise mindestens 5 kleiner, als die axialen Abmessungen a1 der Kammern 3. Die axiale Dicke d der Zwischenstege 7 wird ferner im Allgemeinen kleiner, insbesondere deutlich kleiner als die Steigung P_SG , gewählt, beispielsweise um einen Faktor 2 bis 10 kleiner. Absolut kann d beispielsweise zwischen 1 und 3 mm gewählt werden.
Beide axialen Abmessungen a1 und a2 sind größer als die Steigung P_SG , aber kleiner als 2 P_SG , so dass sich eine Kammer 3 vollständig unterhalb der Abstützfläche 14A eines Sägezahnes oder Abstützelements 14 oder Gewindeabschnittes im Längsschnitt erstreckt und noch in den Bereich unterhalb der benachbarten Sägezähne oder Abstützelemente 14 oder Gewindeabschnitte im Längsschnitt hineinragt.
Unterhalb jeder zweiten Abstützfläche 14A kommt somit ein Zwischensteg 7 zu liegen, der zugleich ein nicht-hydraulische mechanische Abstützung und Spannung bildet, in dem sich der Wandungsbereich 8 weniger verformt. Der verbleibende Rand zum Ende des Bereichs mit dem oder den Abstützelement(en) 14 hat die axiale Abmessung c und verformt sich ebenfalls weniger.
Allgemeiner gesehen sind die Zwischenstege 7 unterhalb der Abstützfläche(n) 14A unter einem axialen Abstand angeordnet, der einem Mehrfachen oder einem ganzzahligen Vielfachen, insbesondere dem Doppelten, der Steigung PSG der Abstützfläche(n) 14A entspricht.
In dem in 3 und 4 dargestellten Fall werden bevorzugt an der Wandung 8 fünf um die Mittelachse M angeordnete Expansionszonen erzeugt, wobei die in axialer Richtung erste und letzte Expansionszone eine geringere Breite aufweist als die drei zwischen diesen liegenden Expansionszonen. Die einzelnen Expansionszonen werden von den Bereichen begrenzt in denen die Stege 7 angeordnet sind, wobei die Stege 7 die Expansion der Wandung 8 dort reduzieren oder verhindern, wo die Stege 7 mit der Wandung 8 verbunden sind.
Die genannten Abmessungen können wie angegeben in allen Ausführungsformen so gewählt werden, aber auch anders und unterschiedlich zueinander gewählt werden abhängig von der gewünschten Spannung und dem zu spannenden Werkstück oder Werkzeug. Außerdem können die Kammern 3 auch andere Querschnitte als die dargestellten rechteckigen Querschnitte haben, beispielsweise runde oder ovale oder hantelförmige Querschnitte.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die hydraulischen Kammern 3 über wenigstens einen hydraulischen Kanal 17 sind fluidisch mit wenigstens einem, beispielsweise an einem Ringkörper 5 vorgesehenen, Druckerzeuger 16 verbunden. Der Kanal 17 und die Kammern 3 sind dazu gegenüber der Umgebung fluidisch abgeschlossen oder bilden ein abgeschlossenes hydraulisches System, so dass die Einstellung des hydraulischen Drucks p_H in den Kammern 3 über den Druckerzeuger 16 im Wesentlichen ohne Leckagen möglich ist. Der Druckerzeuger 16 kann insbesondere eine Gewindeschraube sein, die durch Eindrehen den Fluidraum des Kanals 17 verringert und dadurch den hydraulischen Druck in dem Kanal 17 und den damit verbundenen Kammern 3 erhöhen kann und durch Herausdrehen entsprechend wieder reduzieren kann. Es kann aber auch ein aktiv steuerbarer Druckerzeuger vorgesehen sein, beispielsweise ein verstellbarer Druckkolben oder dergleichen. Die Kammern 3 können wenigstens teilweise oder alle fluidisch miteinander kommunizierend ausgebildet sein durch Zwischenkanäle oder Öffnungen, insbesondere in oder zwischen den Trennwänden oder Zwischenstegen 7, oder in Form einer oder mehrerer umlaufenden Kammern 3 oder aber jede für sich mit dem Kanal 17 und/oder dem Druckerzeuger 16 verbunden sein.
Die 5, 6 und 7 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele für die Gestaltung der hydraulischen Kammern 3 und der dazwischenliegenden Zwischenstege 7. Die Zwischenstege 7 können vorzugsweise auf einem Mantel 19, insbesondere einem Zylindermantel, des Spannkörpers 2 verlaufen oder angeordnet oder ausgebildet sein.
In dem Ausführungsbeispiel der 5 sind mehrere, beispielsweise drei, Zwischenstege 7 vorgesehen, die jeweils in Form einer Schraubenlinie oder einer Art Gewinde oder gedrallt unter einem Steigungswinkel oder Drallwinkel β zur Mittelachse M um die Mittelachse M verlaufen und vorzugsweise auf einer zylinderförmigen Mantelfläche 19 des Spannkörpers 2 angeordnet oder ausgebildet sind. Die Stege 7 sind also insbesondere so wie oder ähnlich wie ein mehrgängiges, z.B. dreigängiges, Gewinde ausgebildet.
Die membranartige Wandung 8 mit den Abstützelementen 14 ist auf den Stegen 7 befestigt oder verbunden oder angeordnet und abgestützt. Zwischen den Stegen 7 sind einzelne hydraulische Kammern 3 gebildet, die zwischen den Enden 23 der jeweiligen Zwischenstege 7 offen sind oder mit Öffnungen 20 versehen sind, so dass das fluide hydraulische Medium in jede der Kammern 3 gelangen kann bzw. die Kammern 3 in fluidischer Kommunikation oder Strömungsverbindung miteinander stehen.
Bevorzugte Werte für den Steigungs- oder Drallwinkel β liegen zwischen 40° und 80°, insbesondere zwischen 50° und 70°. Der Steigungs- oder Drallwinkel β kann sich auch über die Länge der Stege 7 verändern. Zweckmäßigerweise ist der Steigungs- oder Drallwinkel β an den Steigungswinkel der Abstützflächen oder Abstützelemente angepasst, so dass die Steigung der Stege mit der Steigung PSG übereinstimmt.
Außerdem kann auch nur ein durchgehender schraubenlinienförmiger Steg 7 vorgesehen sein, insbesondere in Form eines eingängigen Gewindes, so dass nur am Anfang und am Ende der in dem Zwischenraum des Steges 7 liegenden durchgehenden und ebenfalls gedrallten oder schraubenförmigen Kammer 3 jeweils eine Öffnung 20 angeordnet ist.
Diese Ausführungsformen mit schraubenlinienförmigen oder gedrallten Stegen 7 haben den Vorteil, dass Linienberührungen realisierbar sind und vor allem, dass die Stege den Gewinden oder Schraubenformen der Abstützflächen oder Abstützelemente folgen kann und damit eine vergleichsweise stabile Struktur mit gleichmäßiger Kraftverteilung erreicht wird. Bei mehrgängigen Ausführungsformen mit mehreren, d.h. zwei oder mehr, nebeneinander verlaufenden Stegen wird eine gleichmäßigere Kraftverteilung über den Umfang erreicht.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind die Zwischenstege 7 zwischen den hydraulischen Kammern 3 im Wesentlichen ringförmig oder in sich geschlossen ausgebildet und senkrecht zur Mittelachse M verlaufend angeordnet. Die Kammern 3 sind also entsprechend Hohlzylindersegmente um die Mittelachse M. Zum Befüllen der Kammern 3 sind in den Zwischenstegen 7 Öffnungen 24 vorgesehen, durch die die einzelnen Kammern 3 miteinander fluidisch kommunizieren. Die Öffnungen 24 sind insbesondere klein im Verhältnis zur Länge der Stege 7. Der Vorteil solcher ringförmigen hydraulischen Kammern 3 besteht darin, dass sie umlaufend sind und leicht fertigbar sind.
Die Stege 7 unterstützen wieder die membranförmige Wandung 8, in dieser Ausführungsform in der gleichen axialen Position über den gesamten Umfang.
7 zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel mit gekreuzt verlaufenden Stegen 7 und 7'. Es sind erste Zwischenstege 7 vorgesehen, die wieder gedrallt oder entlang einer Schraubenlinie in einem Neigungswinkel oder Drallwinkel β zur Mittelachse M angeordnet sind. Ferner sind zweite Zwischenstege 7' vorgesehen, die mit den ersten Zwischenstegen 7 an Kreuzungsstellen oder Anschlussstellen verbunden sind und von den ersten Zwischenstegen 7 abstehen und bezüglich der Mittelachse M entgegengesetzt geneigt zu den ersten Zwischenstegen 7. unter einem Steigungs- oder Drallwinkel γ zur Mittelachse M gedrallt verlaufen Die Stege 7 und 7' kreuzen sich vorzugsweise unter dem Winkel 180° - β - γ in einem spitzen Winkel bzw. β + γ in einem stumpfen Winkel. Bevorzugte Werte für den Steigungs- oder Drallwinkel β oder den Steigungs- oder Drallwinkel γ liegen jeweils zwischen 40° und 80°, insbesondere zwischen 50° und 70°. Insbesondere gilt β = γ.
Zwischen Enden der ersten Zwischenstege 7 und der zweiten Zwischenstege 7 sind Öffnungen 20 gebildet, durch die die von zwei Stegen 7 einerseits und zwei Stegen 7' andererseits begrenzten hydraulischen Kammern 3 miteinander fluidisch verbunden sind. Eine solche netzartige oder gekreuzte Anordnung der Stege hat eine besonders stabile Stützung der Spannmembran oder Wandung 8 mit den Abstützelementen 14 zur Folge.
Mittels der Strukturen gemäß 7 ist es auch möglich, kissenförmige Expansionszonen zu schaffen. Kissenförmig bedeutet in diesem Fall, dass nicht eine Expansionszone vollständig in Umfangsrichtung vorgesehen ist, sondern dass in Umfangsrichtung mehrere Expansionszonen hintereinander vorgesehen sein können. Die durch die wabenförmige oder netzartige Struktur der Stege 7 und 7' geschaffenen Expansionszonen treten insbesondere an der Wandung 8 als rauten-oder wabenförmige Expansionszonen in Erscheinung und werden viele Punktberührungen realisiert. Andere Gestalten wie Zylindersegmente oder ovale Formen o.ä. sind auch möglich.
Die Steigung der Stege 7 sowie der Kammern ist vorzugsweise ein Vielfaches von P_SG , um eine gute Verteilung auf die Abstützflächen zu erreichen, ist jedoch abhängig von Deformation des Werkstücks und kann unterschiedlich eingestellt sein:
beispielsweise kann auch an nicht zu deformierenden oder wenig zu deformierenden Bereichen des Werkstücks ein Einstich oder eine Ausnehmung im Werkstück vorgesehen sein, so dass dort keine Spannung durch die Spannbüchse erzielt wird bzw. die hydraulische Ausdehnung dort nicht zu einer Presskraft führt.
In 8 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer Einspannung eines Werkzeugs 55 gezeigt, bei dem die Spannvorrichtung 10 als ein Spannfutter ausgebildet ist. Eine äußere Spannfläche 56 des Werkzeugs 55 ist in einer nun innen liegenden Spannfläche 37 einer Spannbüchse 32 gespannt. Die Spannbüchse 32 wird wieder über miteinander zusammenwirkende Abstützelemente 34 an der Spannbüchse 32 und Abstützelemente 35 an einem die Spannbüchse 32, vorzugsweise koaxial zur Mittelachse M, umgebenden Spannkörper 36 mechanisch in Vorspannung gebracht zum Erzeugen einer mechanischen radialen Spannkraft F_R , welche hier dann nach innen zeigt. In dem Spannkörper 33 sind ferner hydraulische Kammern 3 vorgesehen, welche wieder durch Stege 7 voneinander getrennt sind und welche mit einem hydraulischen Druck p_H über den hydraulischen Kanal 17 und den hydraulischen Druckgeber 16 beaufschlagbar sind. Dadurch wird die dünne Wandung 38 zwischen den Kammern 3 und den Abstützelementen 35 des Spannkörpers 36 nach innen gedrückt und erzeugt schließlich die hydraulische Spannkraft F_H an den Spannflächen 37 der Spannbüchse 32 und 56 des Werkzeugs 55. Die Anordnung der Kammern 3 und der Zwischenstege 7 kann ebenfalls in verschiedenen Varianten erfolgen analog zu den 5 bis 7, wobei die Stege 7 bzw. auch 7' dann jeweils an der Innenseite und nicht an der Außenseite des Spannkörpers 36 vorgesehen sind. Stirnseitige Wandungen des Spannkörpers 2 sind in 5,6 und 7 mit 21 und 22 bezeichnet. An der Spannbüchse 18 liegt vorzugsweise wieder eine Anschlagsfläche eines Einspannelements 12 an, welches mittels eines Stellglieds, beispielsweise eines Gewindestiftes 13, axial in der Einspannbewegungsrichtung ES verschoben werden kann und dadurch eine axiale Kraft auf die Spannbüchse 18 ausübt, mit welcher die Abstützelemente 15 der Spannbüchse 18 axial gegenüber den Abstützelementen 14 des Spannkörpers 2 verschoben werden können, wie schon anhand der 1 und 2 erläutert. Dadurch wird die radiale Presskraft F_R zwischen den Abstützelementen 14 und 15 erzeugt und diese erzeugt wiederum eine radiale nicht-hydraulische oder rein mechanische Spannkraft an den Spannflächen 11 und 51.
Der hydraulische Druck p_H in den hydraulischen Kammern 3 erzeugt in allen Ausführungsbeispielen einen Druck auf die Wandung 8 oder 38 mit den Abstützelementen 14 bzw. 34, welcher schließlich zu einem hydraulischen Spanndruck oder einer hydraulischen Spannkraft an den Spannflächen 11 und 51 zwischen der Spannbüchse 18 und dem Werkstück 50 oder Werkzeug 55 führt.
Die radiale Presskraft F_R , welche durch die mechanische Einschubbewegung und die entsprechende radiale Materialspannung und Verformung der Spannbüchse 18 erzeugt wird, wird durch die hydraulische radiale Kraft F_H aufgrund des hydraulischen Drucks p_H in den Kammern 3 ergänzt oder (vektoriell) überlagert, so dass sich eine resultierende radiale Spannkraft F_R + F_H ergibt. Diese resultierende radiale Spannkraft F_R + F_H entspricht einer Spannung des Werkstücks oder Werkezugs sowohl durch die mechanische Vorspannung durch die Einschubbewegung ES als auch durch die hydraulische Spannung mittels des hydraulischen Druckes p_H in den hydraulischen Kammern 3 und der daraus resultierenden hydraulischen Spannkraft F_H ergibt.
Im Allgemeinen sind die Einschubbewegungen zur Erzeugung der radialen mechanischen Spannkraft F_R und der hydraulische Druck p_H so aufeinander abgestimmt, dass die hydraulische Spannkraft F_H größer ist als die mechanische Spannkraft F_R . Insbesondere ist F_H > 2F_R, vorzugsweise F_H > 4F_R. Die hydraulische Spannkraft F_H kann aber auch noch deutlich höher sein als die mechanische Spannkraft F_R , beispielsweise bis hin zu einem Faktor 100. Ein typischer Wert für die hydraulische Spannkraft F_H wäre etwa 20 % der erforderlichen Haltekraft. Somit ist in dieser Ausführungsform nur eine leichte mechanische Vorspannung über die Abstützelemente 14 und 15 bzw. 34 und 35 vorgesehen und die wesentliche oder hauptsächliche Spannkraft wird hydraulisch erzeugt. Man benötigt deshalb insbesondere auch nicht mehr unbedingt einen axialen Anschlag für das Werkstück wie beim Stand der Technik gemäß 1.
Der Steg 7 ist bevorzugt im hinteren Bereich des Sägezahns von dem Spannkörper 2 angesiedelt, damit die Verformbarkeit/der radiale Weg ideal ist und die Stege an der freien Fläche enden (siehe 8).
In 9 bis 11 sind geschlitzte Spannbüchsen 18 als Teil einer oder zur Verwendung einer Spannvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die eine geschlitzte Wandung aufweist mit einzelnen, insbesondere im Wesentlichen axial zu einer Mittelachse der Spannbüchse 18 verlaufenden, Schlitzen 60.
In 9 weist jeder Schlitz 60 insbesondere einen schmaleren Schlitz 61 auf und einen verbreiterten Schlitz (oder: Verbreiterung) 62, wobei der verbreiterte Schlitz 62 ein geschlossenes Ende des Schlitzes 60 bildet und der erste Schlitz 61 an einer Stirnseite 18A bzw. 18B der Spannbüchse 18 offen ausläuft oder mündet oder dort ein offenes Ende aufweist.
Dabei sind in der Ausführungsform gemäß 9 die Schlitze 60 alternierend oder jeweils an entgegengesetzten Stirnseiten 18A und 18B mündend ausgebildet oder, mit anderen Worten, die geschlossenen Enden der Schlitze 62 zeigen jeweils in entgegengesetzte axiale Richtungen.
Bevorzugt sind die Schlitze 60 gleich verteilt oder unter denselben Teilungswinkeln zueinander angeordnet, wobei beispielsweise bei sechs Schlitzen ein Teilungswinkel von 60° oder bei zwölf Schlitzen ein Teilungswinkel von 30° möglich ist. Die Teilungswinkel können in allen Ausführungsformen auch unterschiedlich sein.
Ferner können die Schlitze 60 auch jeweils von der gleichen Stirnseite 18A beginnend axial verlaufen, so dass ihre geschlossenen Enden jeweils in die gleiche axiale Richtung zeigen.
Schließlich ist es in allen Ausführungsformen auch möglich, dass die Schlitze 60 keine Verbreiterung 62 aufweisen, sondern im Wesentlichen durchgehend die gleiche Breite oder auch eine kleinere oder anders geformte Verbreiterung an ihrem geschlossenen Ende aufweisen.
Durch die Schlitze 60, insbesondere die gemäß 9 erzielte mäandrierte Wandung der Spannbüchse 18 ist ein besonders gleichmäßiges radiales Aufspannen der Spannbüchse 18 möglich.
An der Innenwandung weist die Spannbüchse 18 wieder die Abstützelemente 15 auf, die insbesondere entlang eines Gewindes oder einer Schraubenlinie verlaufen und, wie in 9 zu erkennen, jeweils zumindest teilweise durch die Schlitze 60 unterbrochen sind.
In 10 ist ausgehend von einer Spannbüchse gemäß 9 nun noch zusätzlich ein beidseitig geschlossener Schlitz 70 zwischen jeweils zwei einseitig offenen Schlitzen 60 angeordnet, wobei der Schlitz 60 insbesondere breiter sein kann als der schmalere Schlitz 61 der Schlitze 60 und insbesondere ungefähr genauso breit sein kann wie die Verbreiterung 62 der Schlitze 60. Die Winkelabstände der Schlitze 61 zueinander sowie der Schlitze 70 zueinander sind insbesondere wieder gleichmäßig verteilt und alle Schlitze 60 und 70 verlaufen insbesondere wieder axial oder parallel zur Mittelachse der Spannbüchse 18.
11 zeigt nun ähnlich wie 10, aber lediglich in einer Mantelaufwicklungs-, Darstellung, eine Ausführung mit an einer Seite offenen Schlitzen 80, die wieder einen schmaleren Schlitz 81, der an einer Stirnseite mündet, aufweisen und ein in axialer Richtung entgegengesetzt angeordnetes geschlossenes Ende an einem verbreiterten Schlitz 82 aufweisen, wobei im Unterschied zu 9 und 10 nun diese einseitig geschlossenen Schlitze 80 jeweils an der gleichen Stirnseite der Spannbüchse 18 münden bzw. mit ihren geschlossenen Enden jeweils in die gleiche axiale Richtung zeigen. Zwischen den Schlitzen 80 sind wieder beiderends geschlossene Schlitze 70 angeordnet, ähnlich wie in 10.
Es können auch teilweise drei nebeneinanderliegende Schlitze, insbesondere zwei Schlitze 70 und ein dazwischenliegender Schlitz 80, dieser insbesondere im Bereich seines verbreiterten Schlitzes 82, miteinander durch einen quer verlaufenden Schlitz 90, der eine Art T-Verbindung bildet, verbunden sein. Der Schlitz 90 verläuft also in Umfangsrichtung um die Mittelachse der Spannbüchse 18.
Auch in 11 können die Schlitze 80 ohne Verbreiterung 82 ausgebildet sein und natürlich auch die Winkelabstände, die in 11 als planare Abstände in der Aufwicklung dargestellt sind, gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
In 12 ist nun im Querschnitt eine auf dem Spannkörper 2 montierte geschlitzte Spannbüchse 18 dargestellt. Es sind mehrere Hydraulikkammern 3 dargestellt, die in Form von Hohlzylindersegmenten, welche axial verlaufen, ausgebildet sind und im Querschnitt der 12 somit als Ringsegmente dargestellt sind. Zwischen den Hydraulikkammern 3 sind jeweils wieder Stege 7 gebildet, die nun, wie in 12 zu sehen ist, den äußeren Bereich des Spannkörpers 12, welcher die Abstützelemente 14 bildet, unmittelbar unterhalb der Schlitze 60 abstützt. Dadurch wird durch die hydraulische Aufdehnung bei Druckbeaufschlagung der Hydraulikkammern 3 die geschlitzte Spannbüchse 18 in ihrem flexibelsten Bereich der Schlitze 60 dennoch am wenigstens radial gedehnt, sondern es werden hauptsächlich die zwischen den Schlitzen 60 liegenden Wandungsbereiche der Spannbüchse 18 nach außen gedehnt, um dann in Anlage zu dem Werkstück zu gelangen, um dieses aufzuspannen.
Der zugrundeliegende Gedanke dieser Ausführungsform besteht also darin, eine geschlitzte Spannbüchse mit den Stegen oder Abstützstegen zumindest teilweise dort abzustützen, wo die Schlitze gebildet sind. Wenn also die Schlitze eine andere Gestalt aufweisen oder auch nicht axial verlaufen, so wird der Abstützsteg wenigstens teilweise auch diesem Verlauf folgen. Hier sind vielfältige Varianten der Schlitzformen und der ihnen zumindest teilweise folgenden Abstützstege denkbar. Beispielsweise können die Schlitze der Spannbüchse auch in einer Anordnung gemäß DE 20 2011 050 998 U1 oder DE 20 2011 051 001 U1 angeordnet sein.
In allen Ausführungsformen können hydraulische Kammern 3 entweder in dem Spannkörper oder in der Spannbüchse oder auch in beiden vorgesehen sein.
Bevorzugt wird die Spannvorrichtung, insbesondere der Spannkörper mit einem 3D-Druckverfahren hergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Spannvorrichtung
2: Spannkörper
3: hydraulische Kammer
4
5: Ringkörper
6: Wandung
7: Spannkörper
8: Wandung
10: Spannvorrichtung
11: Spannfläche
12: Einspannelement
13: Gewindestift
14: Abstützelement
14A: Abstützfläche
15: Abstützelement
15A: Abstützfläche
16: Druckerzeuger
17: Schaftteil
18: Spannbüchse
18A, 18B: Stirnseite
19: Mantelfläche
20: Öffnungen
21, 22: Stirnwand
24: Öffnungen
30: Spannfutter
31: mechanisches Spannelement
32: Spannbüchse
34: Abstützelement
35: Abstützelement
36: Spannkörper
37: Spannfläche
38: Wandung
50: Werkstück
51: Gegenspannfläche
55: Werkzeug
M: Mittelachse
ES: Einspannbewegungsrichtung
R: Radialrichtung
Z: axiale Richtung
a1, a2: Länge
b: Höhe
c: axialer Abstand
d: Dicke
e: radialer Abstand
ES: Einschubbewegungsrichtung
F_ES: Einspannkraft
F_R: radiale mechanische Press-/Spannkraft
F_H: radiale hydraulische Press-/Spannkraft
P_SG: Steigung
p_H: hydraulischer Druck
ΔZ: Verschiebeweg
ΔR: radialer Weg
α: Neigungswinkel
β: Drallwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013103168 B3 [0007, 0008, 0009]
EP 2347842 A2 [0010]
EP 2103369 B1 [0011]
WO 2015/166068 A1 [0012]
DE 202011050998 U1 [0121]
DE 202011051001 U1 [0121]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel Lawrence E. Murr Fabrication of Metal and Alloy Components by Additive Manufacturing: Examples of 3D Materials Science, Journal of Materials Research and Technology, Elsevier, 2012, Seiten 42 - 54 [0048]

Claims

Spannvorrichtung (1, 10) zum Spannen eines Werkstücks (50) oder eines Werkzeugs (55) und insbesondere zum Ankoppeln des Werkstücks oder des Werkzeugs an einer Maschinenspindel, umfassend a) wenigstens eine eine zentrale Achse (M) umlaufende Spannbüchse (18, 32) mit wenigstens einer Spannfläche (11, 37) für das Werkstück (50) oder Werkzeug (55) und b) wenigstens einen Spannkörper (2, 36), c) wobei die Spannbüchse (18, 32) an einer von der Spannfläche (11, 37) abgewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche (15A) aufweist, die entlang einer Schraubenlinie oder als ein Gewindeabschnitt mit einer vorgegebenen Steigung (P_SG) um die zentrale Achse verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel (α) zu einer zur zentralen Achse (M) axialen Richtung (Z) oder zu einer um die zentrale Achse (M) verlaufenden gedachten Zylinderfläche geneigt ist, d) wobei der Spannkörper (2, 36) an einer der Spannbüchse (18, 32) zugewandten Seite wenigstens eine Abstützfläche (14A) aufweist, die entlang einer Schraubenlinie oder als ein Gewindeabschnitt mit einer vorgegebenen Steigung (P_SG) um die zentrale Achse (M) verläuft und zugleich unter einem Neigungswinkel (α) zu einer zur zentralen Achse (M) axialen Richtung (Z) geneigt ist, e) wobei der Spannkörper (2, 36) und/oder die Spannbüchse (18, 32) eine oder mehrere hydraulische Kammern (14) umfassen oder umfasst, die im Innern des Spannkörpers (2, 36) bzw. der Spannbüchse (18, 32) ausgebildet ist bzw. sind und mit einem hydraulischen Medium gefüllt ist bzw. sind, f) ferner umfassend wenigstens ein Verschiebeelement (12, 13), um die einander zugewandten Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) durch eine axiale Verschiebebewegung entlang eines axialen Verschiebeweges (ΔZ) in axialer Richtung (Z) in Kontakt miteinander zu bringen und/oder aufeinander gleitend zu bewegen, wodurch der Durchmesser der Spannfläche (11, 37) in einer zur zentralen Achse (A) radialen Richtung (R) veränderbar ist oder sich verändert oder wodurch bei an dem Werkstück (50) oder Werkzeug (55) bereits anliegender Spannfläche (11, 37) eine radiale mechanische Spannkraft (F_R) zwischen Spannbüchse (18, 32) einerseits und Werkstück (50) oder Werkzeug (55) andererseits erzeugbar ist oder erzeugt wird, g) ferner umfassend wenigstens einen Druckerzeuger (16), um das hydraulische Medium in wenigstens einer der hydraulischen Kammern (3) mit einem hydraulischem Druck (p_H) zu beaufschlagen, welcher bei aufeinander liegenden Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) eine radiale hydraulische Presskraft (F_H) an den aufeinander liegenden Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper (2, 36) und Spannbüchse (18, 32) erzeugt, wobei durch die radiale hydraulische Presskraft (F_H) bei an dem Werkstück (50) oder Werkzeug (55) bereits anliegender Spannfläche (11, 37) eine radiale hydraulische Spannkraft (F_H) zwischen Spannbüchse (18, 32) einerseits und Werkstück (50) oder Werkzeug (55) andererseits erzeugbar ist oder erzeugt ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die hydraulische Spannkraft (F_H) zusätzlich zur mechanischen Spannkraft (F_R) erzeugt ist und vorzugsweise gleichgerichtet zur mechanischen Spannkraft (F_R) ist und/oder bei der die hydraulische Spannkraft (F_H) betragsmäßig auf wenigstens das 2-fache oder wenigstens das 5-fache oder wenigstens das 20-fache der mechanischen Spannkraft (F_R) einstellbar oder eingestellt ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der korrespondierende Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper und Spannbüchse durch eine an deren Steigung (P_SG) angepasste Eindrehbewegung ineinander in eine Eingriffsposition bringbar oder eindrehbar oder einschraubbar sind, in der die Abstützflächen (14A, 15A) wenigstens teilweise einander gegenüber liegen und/oder in Kontakt gebracht sind, insbesondere wobei aus dieser Eingriffsposition die axiale Verschiebebewegung zum Erzeugen der radialen mechanischen Spannkraft (F_R) erfolgt und im Anschluss die Beaufschlagung der Kammer(n) (3) mit dem hydraulischem Druck (p_H) mittels des Druckerzeugers (16) zur Erzeugung der hydraulischen Spannkraft (F_H) erfolgt.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen den Kammern (3) Zwischenstege (7,7') angeordnet sind, wobei insbesondere die axiale Abmessung (d) der Zwischenstege (7) kleiner ist, insbesondere mindestens um einen Faktor 4 kleiner ist, als eine axiale Abmessung (a1) der Kammern (3) und/oder wobei insbesondere die Zwischenstege (7) unterhalb der Abstützfläche(n) (14A) unter einem axialen Abstand angeordnet sind, der einer mehrfachen, insbesondere doppelten, Steigung (P_SG) der Abstützfläche(n) (14A) entspricht.
Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen der oder Kammer(n) (3) und der oder den Abstützfläche(n) (14A, 15A) eine membranartige Wandung (8) des Spannkörpers (2) oder der Spannbüchse (18) gebildet ist, die mit der oder den Abstützfläche(n) (14A, 15A) durch den hydraulischen Druck (p_H) in radialer Richtung verformbar oder ausdehnbar ist, wobei insbesondere die membranartige Wandung (8) des Spannkörpers (2) oder der Spannbüchse (18) auf den Zwischenstegen (7, 7') abgestützt oder mit den Zwischenstegen (7, 7') verbunden ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der a) wenigstens einer der Zwischenstege (7,7') ringartig um den gesamten Umfang geschlossen verläuft, insbesondere senkrecht zur zentralen Achse (M), oder b) wenigstens einer der Zwischenstege (7,7') oder mehrere Zwischenstege (7) schraubenförmig oder helikal, insbesondere um die zentrale Achse (M), verläuft oder verlaufen, insbesondere unter dem gleichen Drallwinkel oder unter verschiedenen, insbesondere zueinander entgegengesetzt gerichteteten, Drallwinkeln, der bzw. die beispielsweie zwischen 40° und 80°, insbesondere zwischen 50° und 70°, liegt bzw. liegen, c) wenigstens einer der Zwischenstege (7,7') nur über einen Teil des Umfanges verläuft oder d) wenigstens einer der Zwischenstege (7,7') auf einer Mantelfläche, insbesondere einer Zylindermantelfläche (19), des Spannkörpers (2) oder der Spannbüchse (18) verläuft oder angeordnet oder ausgebildet ist . und/oder e) bei der wenigstens zwei Zwischenstege (7, 7') sich kreuzen oder Kreuzungsstellen ausbilden oder rauten- oder wabenförmig angeordnet sind..
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche, bei der wenigstens eine der Kammer(n) (3) a) ringartig um den gesamten Umfang geschlossen verläuft, insbesondere senkrecht zur zentralen Achse (M), oder b) schraubenförmig oder helikal, insbesondere um die zentrale Achse (M), verläuft oder c) nur über einen Teil des Umfanges verläuft und/oder kissenförmig und/oder rauten- oder wabenförmig ausgebildet ist.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche mit wenigstens einem oder einer Kombination der folgenden Merkmale: a) die Kammern (3) haben eine, insbesondere gleiche, radiale Abmessung oder Höhe (b), die insbesondere größer, vorzugsweise um mindestens den Faktor 2,5 größer, ist als eine radiale Dicke (e) der membranartigen Wandung (8), b) zumindest die axial innen liegenden Kammern (3) haben die gleiche axiale Abmessung (a1) c) die axial außen liegenden Kammern (3) haben eine kleinere axiale Abmessung (a2) als die axiale Abmessung (a1) der axial innen liegenden Kammern (3), d) die axialen Abmessungen (a1, a2) der Kammern (3) sind größer als die Steigung (P_SG) der Abstützfläche(n) (14A), aber kleiner als die doppelte Steigung (P_SG), e) die Kammer(n) (3) hat bzw. haben einen rechteckigen Querschnitt in einem axialen Schnitt.
Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche mit wenigstens einem oder einer Kombination der folgenden Merkmale:, a) wenigstens eine oder mehrere der Kammern (3) steht bzw. stehen über wenigstens einen hydraulischen Kanal (17) fluidisch in Verbindung mit dem wenigstens einen Druckerzeuger (16), b) wenigstens zwei der Kammern (3) sind fluidisch miteinander kommunizierend ausgebildet, insbesondere durch Zwischenkanäle oder Öffnungen, insbesondere in oder zwischen den Zwischenstegen (7, 7').
Verfahren zum Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs mit einer Spannvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) die korrespondierende Abstützflächen (14A, 15A) von Spannkörper und Spannbüchse durch eine an deren Steigung (P_SG) angepasste Eindrehbewegung ineinander in eine Eingriffsposition gebracht werden, in der die Abstützflächen (14A, 15A) wenigstens teilweise einander gegenüber liegen und/oder in Kontakt gebracht sind, b) aus dieser Eingriffsposition eine axiale Verschiebebewegung zum Erzeugen der radialen mechanischen Spannkraft (F_R) erfolgt c) im Anschluss die Kammer(n) (3) mit dem hydraulischem Druck (p_H) mittels des Druckerzeugers (16) zur Erzeugung der hydraulischen Spannkraft (F_H) beaufschlagt werden.