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Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks, eines Werkzeugs oder einer Werkzeugaufnahme an einem Maschinenteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die eine axial verschiebbare Spannstange, einen über die Spannstange zwischen einer Spannstellung und einer Lösestellung bewegbaren Spannsatz und eine der Spannstange zugeordnete Federanordnung zur Erzeugung der Einzugskraft des Spannsatzes enthält.
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Derartige Spannvorrichtungen werden in Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren zum automatischen Spannen und Lösen von Werkzeugaufnahmen oder Bearbeitungswerkzeugen eingesetzt. Bei den bekannten Spannvorrichtungen werden die Werkzeugaufnahmen oder Bearbeitungswerkzeuge durch einen in der Arbeitsspindel angeordneten Spannsatz gehalten, der am vorderen Ende einer durch eine Federanordnung vorgespannten Spannstange angeordnet ist. Der Spannsatz enthält üblicherweise mehrere radial bewegliche kugel- oder zangenförmige Klemmelemente, durch welche die Werkzeugaufnahme oder das Bearbeitungswerkzeug in die Arbeitsspindel eingezogen wird. Durch die Federanordnung wird die Einzugskraft der Spannvorrichtung erzeugt. Zum Lösen der Spannvorrichtung wird die Spannstange durch eine so genannte Löseeinheit entgegen der Kraft der Federanordnung verschoben, so dass der Spannsatz mit den Klemmelementen geöffnet wird und das Bearbeitungswerkzeug freigibt. Als Federanordnungen zur Erzeugung der hier benötigten Einzugskraft werden üblicherweise Tellerfederpakete oder spezielle Gasdruckfedern eingesetzt.
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Aus der
DE 10 2016 117 083 Al ist eine gattungsgemäße Spannvorrichtung bekannt. Bei dieser bekannten Spannvorrichtung enthält die Federanordnung mehrere aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellte Biegestäbe, deren Enden an zwei axial im Abstand voneinander angeordneten Auflageringen abgestützt sind. Die Herstellung und Montage derartiger Federn ist jedoch relativ aufwändig und daher auch mit entsprechenden Kosten verbunden.
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In der
DE 691 07 280 T2 ist eine automatische Riemenspannvorrichtung mit einem von einer Halterung vorstehenden Stift offenbart, der mit zwei voneinander beabstandeten Schultern und einer Schalenanordnung versehen ist. Die Schalenanordnung bildet zusammen mit dem Stift zwei Kammern, in denen Federelemente mit einem Formgedächtnis angeordnet sind.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Spannvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine kompakte Bauweise sowie eine einfachere und kostengünstigere Herstellung der Federanordnung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung weist die mindestens eine Federeinheit mehrere von einem hülsenförmigen Stützelement ummantelte, stab- oder drahtförmige Federelemente aus einer Formgedächtnislegierung auf. Durch die spezielle Ausgestaltung der Federeinheit und die superelastischen Werkstoffeigenschaften der Federelemente kann ein Energiespeicher geschaffen werden, der gegenüber den klassischen Federpaketen einen kleineren Bauraum bei gleichen Federleistungsdaten ermöglicht. Dadurch wird eine optimale Gestaltung des Energiedichte-Bauraum-Verhältnisses erreicht. Eine derartige Federeinheit ermöglicht insbesondere auch eine flache Federkennlinie bei gleichzeitig kompakter Bauweise. Durch die fehlende Reibarbeit zwischen stehenden und bewegten Teilen der Federeinheit kann darüber hinaus nicht nur die Energiedichte verbessert, sondern auch die Stabilität und Lebensdauer erhöht werden. Die Federeinheit besteht ferner aus einfach zu fertigenden und leicht zu montierenden Bauteilen, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht.
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Als besonders geeigneter Werkstoff für die Federelemente haben sich NiTi-Formgedächtnislegierungen erwiesen. Derartige Legierungen sind nicht nur hoch belastbar, sondern weisen auch ein für die Federanordnung besonders vorteilhaftes pseudoelastisches Verhalten („Superelastizität“) auf.
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In einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausführung sind die stift- oder drahtförmigen Federelemente in Längsbohrungen des hülsenförmigen Stützelements angeordnet. Dadurch kann auf einfache und besonders effektive Weise ein Ausknicken der aus einem hochelastischen Werkstoff bestehenden stift- oder drahtförmigen Federelemente vermieden werden. Die Federelemente werden somit im Wesentlichen auf Druck belastet und die Verformung geht in das Werkstoffgefüge.
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Die für die Aufnahme der Federelemente in dem Stützelement vorgesehenen Längsbohrungen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass sie parallel zu einer Mittelachse des Stützelements verlaufen.
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Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Längsbohrungen in dem Stützelement von einer Stirnfläche des Stützelements bis zu einem Seitenschlitz in der Nähe der anderen Stirnfläche. Durch die Seitenschlitze wird eine klar definierte Anlagefläche für die stift- oder drahtförmigen Federelemente innerhalb des Stützelements gebildet. Die Längsbohrungen an der einen Stirnfläche sind gegenüber den Längsbohrungen an der anderen Stirnfläche in Umfangsrichtung des Stützelements versetzt.
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In bevorzugter Weise sind die stift- oder drahtförmigen Federelemente mit ihren inneren Enden an den Anlageflächen der Seitenschlitze abgestützt und stehen mit ihren äußeren Enden gegenüber den Stirnflächen des hülsenförmigen Stützelements vor.
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Die Federanordnung kann aus einer oder mehreren hintereinander angeordneten oder miteinander verschachtelten Federeinheiten bestehen. Zweckmäßigerweise kann die Federanordnung zwischen einer am Maschinenteil abgestützten Anlagebuchse und einem Anlagering an der Spannstange angeordnet sein.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine in eine Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine eingebaute Spannvorrichtung in einem Längsschnitt;
- 2 eine Zugstange der in 1 gezeigten Spannvorrichtung mit einer aus mehreren Federeinheiten bestehenden Federanordnung;
- 3 eine Federeinheit der in 2 gezeigten Federanordnung in einem Längsschnitt;
- 4 die Federeinheit von 3 in einer Draufsicht;
- 5 eine schematische Darstellung der Federeinheit von 3;
- 6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Federanordnung in einem Längsschnitt entlang der Linie A-A von 7;
- 7 die Federanordnung von 6 in einer Draufsicht;
- 8 eine schematische Darstellung der Federanordnung von 6;
- 9 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Federanordnung in einem Längsschnitt entlang der Linie B-B von 10;
- 10 die Federanordnung von 9 in einer Draufsicht und
- 11 eine schematische Darstellung der Federanordnung von 9.
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In 1 ist eine Bearbeitungseinheit einer Werkzeugmaschine mit einer in einem Maschinenteil 1 integrierten Spannvorrichtung 2 zum Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs bzw. einer Werkzeugaufnahme 3 dargestellt. Bei der gezeigten Ausführung ist das Maschinenteil 1 eine innerhalb eines Spindelgehäuses drehbar gelagerte und durch einen Antrieb rotatorisch angetriebene Arbeitsspindel, die an ihrem in 1 oben angeordneten vorderen Ende einen Innenkegel 4 für die Aufnahme eines hier als Hohlschaftkegel ausgebildeten Außenkegels 5 der Werkzeugaufnahme 3 oder eines Fräsers, Bohrers bzw. eines anderen Bearbeitungswerkzeugs enthält. Über die Spannvorrichtung 2 kann auch ein während der Bearbeitung rotierendes Werkstück gespannt werden. Das Maschinenteil 1 kann aber auch ein Bearbeitungstisch oder dgl. sein, in dem die Spannvorrichtung 2 zum Spannen eines Werkstücks oder Werkzeugs eingebaut ist.
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Die Spannvorrichtung 2 enthält eine innerhalb einer Bohrung 6 des Maschinenteils 1 axial verschiebbare Spannstange 7, die bei der gezeigten Ausführung mit einer Durchgangsbohrung 8 für die Zuführung eines Kühlschmiermittels zur Werkzeugaufnahme 3 bzw. zum Werkzeug versehen ist. An dem zur Werkzeugaufnahme 3 weisenden vorderen Ende 9 der Spannstange 7 ist ein Spannkegel 10 eines an sich bekannten Spannsatzes 11 befestigt. Der Spannsatz 11 enthält bei der gezeigten Ausführung eine um den Spannkegel 10 angeordnete Spannzange mit mehreren zangenförmigen Klemmelementen 12, die durch axiale Verschiebung des Spannkegels 10 zur Klemmung bzw. Freigabe des Außenkegels 5 radial beweglich sind. Der Spannsatz 11 kann aber auch mit radial beweglichen Kugeln oder anderen Klemmelementen versehen sein.
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Die zangenförmigen Klemmelemente 12 des Spannsatzes 11 greifen mit ihren äußeren Enden 13 in eine Ringnut 14 der Werkzeugaufnahme 3 ein. Mit ihren inneren Enden 15 greifen die zangenförmigen Klemmelemente 12 in eine Ringnut 16 des Maschinenteils 1 ein und sind an einer innerhalb des Maschinenteils 1 angeordneten Stützhülse 17 abgestützt. Die Spannstange 7 wird durch eine innerhalb des Maschinenteils 1 angeordnete Federanordnung 18 in eine in das Maschinenteil 1 eingezogene Spannstellung vorgespannt. In der eingezogenen Spannstellung werden die zangenförmigen Klemmelemente 12 des Spannsatzes 11 über den am vorderen Ende 9 der Spannstange 7 angeordneten Spannkegel 10 radial nach außen gedrückt und so axial verschoben, dass die Werkzeugaufnahme 3 in den Innenkegel 4 am vorderen Ende des hier als Arbeitsspindel ausgebildeten Maschinenteils 1 eingezogen und dort geklemmt wird.
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Die im Folgenden noch näher beschriebene Federanordnung 18 ist an der einen Seite an einer innerhalb des Maschinenteils 1 abgestützten Anlagebuchse 19 und an der anderen Seite über einen Anlagering 20 an einem im Durchmesser vergrößerten hinteren Teil 21 der Spannstange 7 abgestützt. Die Anlagebuchse 19 liegt an einem inneren Ringabsatz 22 der Bohrung 6 des hier als Arbeitsspindel ausgebildeten Maschinenteils 1 an. Zum Lösen der Spannvorrichtung 2 wird die Spannstange 7 über eine Löseeinheit 23 entgegen der Kraft der Federanordnung 18 nach vorne in Richtung der Werkzeugaufnahme 3 gedrückt. Die hydraulisch, pneumatisch oder auch elektrisch angetriebene Löseeinheit 23 kann an dem von der Werkzeugaufnahme 3 abgewandten hinteren Teil 21 der Spannstange 7 angeordnet sein. Über die beim Lösevorgang von der Löseeinheit 23 nach vorne geschobene Spannstange 7 wird auch der Spannkegel 10 nach vorne in Richtung der Werkzeugaufnahme 3 verschoben, so dass sich die zangenförmigen Klemmelemente 12 radial nach innen bewegen können und die Werkzeugaufnahme 3 zum Werkzeugwechsel freigeben.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, besteht die Federanordnung 18 aus mehreren in Axialrichtung hintereinander angeordneten Federeinheiten 24, die jeweils ein Stützelement 25 und mehrere innerhalb des Stützelements 25 zur Verhinderung eines Ausknickens geführte, stift- oder drahtförmige Federelemente 26 aus einer Formgedächtnislegierung umfassen. Die auf der Spannstange 7 zu dieser koaxial angeordneten Federeinheiten 24 sind zwischen der am Maschinenteil 1 abgestützten Anlagebuchse 19 und dem Anlagering 20 an dem im Durchmesser vergrößerten hinteren Teil 21 der Spannstange 7 eingesetzt. Zwischen den Federeinheiten 24 sind auf der Spannstange 7 entsprechende Zwischenringe 27 angeordnet.
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In den hülsenförmigen Stützelementen 25 sind auf der einen Seite zwei gegenüber einer ersten Stirnfläche 28 vorstehende, diametral gegenüberliegende erste Federelemente 26 und auf der anderen Seite zwei gegenüber einer zweiten Stirnfläche 29 vorstehende und gegenüber den ersten Federelementen 26 in Umfangsrichtung um 90° versetzte zweite Federelemente 26 angeordnet. Die nach oben vorstehenden ersten Federelemente 26 sind an unteren Anlageflächen 30 zweier diametral gegenüberliegender Seitenschlitze 31 und die nach unten vorstehenden zweiten Federelemente 26 an oberen Anlageflächen 32 zweier zu den ersten Seitenschlitzen 31 in Umfangsrichtung um 90° versetzter Seitenschlitze 33 abgestützt.
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In den 3 und 4 ist eine der in 2 dargestellten Federeinheiten 24 in einem Längsschnitt und einer Draufsicht gezeigt. Bei der gezeigten Ausführung weist das in Form eines Hohlzylinders ausgebildete hülsenförmige Stützelement 25 an seinen beiden Stirnflächen 28 und 29 jeweils zwei diametral gegenüberliegende Längsbohrungen 34 zur Aufnahme der stift- oder drahtförmigen Federelemente 26 auf. Die in 3 gezeigten Längsbohrungen 34 an der unten angeordneten zweiten Stirnfläche 29 verlaufen parallel zu einer Mittelachse 35 des Stützelements 25 und erstrecken sich bis zum Seitenschlitz 33 unterhalb der oben angeordneten ersten Stirnfläche 28. Die in 4 gezeigten Längsbohrungen 34 an der oben angeordneten ersten Stirnfläche 28 verlaufen ebenfalls parallel zur Mittelachse 35 des Stützelements 25 und erstrecken sich bis zu dem in 2 erkennbaren Seitenschlitz 33 oberhalb der unten angeordneten zweiten Stirnfläche 29.
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In 3 ist erkennbar, dass durch die Seitenschlitze 33 eine klar definierte Anlagefläche 32 für die stift- oder drahtförmigen Federelemente 26 gebildet wird. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die stift- oder drahtförmigen Federelemente 26 einen geringen Durchmesser von z.B. 1 mm aufweisen und auch die Längsbohrungen 34 einen entsprechend kleinen Innendurchmesser zur Vermeidung eines Ausknickens der Federelemente 26 haben. Die stift- oder drahtförmigen Federelemente 26 sind mit ihren inneren Enden 36 an den Anlageflächen 32 bzw. 30 der Seitenschlitze 33 bzw. 31 abgestützt und stehen mit ihren äußeren Enden 37 gegenüber den Stirnflächen 28 und 29 des hülsenförmigen Stützelements 25 vor. Mit ihren äußeren Enden 37 liegen die stift- oder drahtförmigen Federelemente 26 bei der Ausführung von 2 an den Zwischenringen 27 bzw. an der Anlagebuchse 19 oder dem Anlagering 20 an. Mit den in 3 und 4 gezeigten Federeinheiten 24 kann eine Federanordnung in sequentieller Reihenschaltung erfolgen, wie dies in 5 schematisch dargestellt ist.
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Durch Parallelschaltung von Federelementen und entsprechende geometrische Verschachtelung kann eine axiale Reduzierung des Bauraums herbeigeführt werden. Bei einer in den 6 und 7 gezeigten Ausführung sind z.B. mehrere hülsenförmige Stützelemente 25 mit darin angeordneten stift- oder drahtförmigen Federelementen 26 so miteinander verschachtelt, dass sich eine in 8 schematisch dargestellte Parallelschaltung ergibt. Die Querschnitte der Stützelemente 25 können dabei derart ausgestaltet sein, dass die Stützelemente 25 ineinandergesteckt werden können.
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Die Verschachtelung der Federeinheiten kann beliebig fortgesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist in den 9 und 10 gezeigt. Durch weitere Verschachtelung kann eine in 11 schematisch gezeigte Federanordnung erreicht werden.
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Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann das erfindungsgemäße Spannsystem nicht nur bei Hohlkegelspannsystemen, sondern auch bei Steilkegelspannsystemen zum Einsatz gelangen. Der Spannsatz kann sowohl zur Halterung von Werkzeugen mit Hohlschaftkegel (HSK) als auch Halterung von Werkzeugen mit Steilkegel (SK) in Art einer Spannzange oder dgl. ausgeführt sein. Die Spannvorrichtung ist auch für die lösbare Halterung von Werkstücken geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinenteil
- 2
- Spannvorrichtung
- 3
- Werkzeugaufnahme
- 4
- Innenkegel
- 5
- Außenkegel
- 6
- Bohrung
- 7
- Spannstange
- 8
- Durchgangsbohrung
- 9
- Vorderes Ende der Spannstange
- 10
- Spannkegel
- 11
- Spannsatz
- 12
- Klemmelemente
- 13
- Äußeres Ende der Klemmelemente
- 14
- Ringnut
- 15
- Inneres Ende der Klemmelemente
- 16
- Ringnut
- 17
- Stützhülse
- 18
- Federanordnung
- 19
- Anlagebuchse
- 20
- Anlagering
- 21
- Hinterer Teil der Spannstange
- 22
- Ringabsatz
- 23
- Löseeinheit
- 24
- Federeinheit
- 25
- Stützelement
- 26
- Federelement
- 27
- Zwischenring
- 28
- Stirnfläche
- 29
- Stirnfläche
- 30
- Anlagefläche
- 31
- Seitenschlitz
- 32
- Anlagefläche
- 33
- Seitenschlitz
- 34
- Längsbohrung
- 35
- Mittelachse
- 36
- Inneres Ende des Federelements
- 37
- Äußeres Ende des Federelements
