DE10225027C1 - Spannfutter mit seitlicher Spannschraube für Zylinderschäfte - Google Patents

Abstract

Bekannte Spannfutter nach DIN 1835 haben zwischen Aufnahme und Zylinderschaft maßliches Spiel. Deswegen legt sich der Zylinderschaft beim Anziehen der Spannschraube außermittig in der Aufnahme an. Beim Spannen krümmen sich die Aufnahme und der Zylinderschaft elastisch; sein auskragender Teil stellt sich schief. Querkräfte auf den auskragenden Zylinderschaft werden richtungsabhängig von der Aufnahme oder der Spannschraube abgestützt; infolgedessen ist die Biegesteifigkeit am Umfang schwankend. Zylinderschäfte in weiterentwickelten Spannfuttern sollen keinen Mittenversatz, keine Schiefstellung und richtungsunabhängige Biegesteifigkeit aufweisen. DOLLAR A Werden Zylinderschäfte (Z) und Aufnahme (2) mit Übergangs- oder leichten Preßpassungen zueinander und mit Auskammerungen (5; 6; 7) gefertigt, so ist der Zylinderschaft (Z) schräg einsteckbar. Die Spannschraube (8) preßt den Zylinderschaft (Z) unter elastischer Verformung in die Innenschale (4) und erzeugt damit unter der Vorderschale (3) eine entgegengesetzt wirkende Pressung. Diese krümmt den Zylinderschaft (Z) zurück und behebt Fehlstellungen. Nahe der Futterstirn (12) aufgenommene Querkräfte bewirken quasikonstante Biegesteifigkeit. DOLLAR A Das Spannfutter spannt umlaufende und feststehende Zylinderschaftwerkzeuge fehlerfrei.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannfutter für Zylinderschäfte von Werkzeugen mit einer seitlich, eventuell auch geneigt eingearbeiteten Spannfläche oder zur direkten Druckeinleitung für eine oder zwei Spannschrauben zwecks axialer und verdrehfester Befestigung des Zylinderschafts.

Bei Spannfuttern sind hohe axiale und radiale Steifigkeit, hohe Rundlaufgenauigkeit, hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit beim Werkzeugeinspannen, Gewährleistung der Spannsicherheit, Einfachheit des Spann- und Lösevorgangs bezüglich Zeit und Betätigungsmittel, Durchrutschsicherheit bei Werkzeugschäden sowie mäßiger Kaufpreis wesentliche geforderte Eigenschaften.

Gebräuchliche Spannfutter mit Spannzangen oder mit seitlicher Spannschraube nach DIN 1835 Form B sowie Form E erfüllten die gestiegenen Anforderungen in immer geringerem Maße, so daß nun zunehmend nicht zur Gattung vorliegender Erfindung gehörende hydraulische Dehnspannfutter, thermische Schrumpffutter und mechanisch segmentartig elastisch aufweitbare Spannfutter für genaues Spannen von glatten Zylinderschäften Verwendung finden. Literatur: Leopold, J.: Bewertung von HSC-Spannfuttern; VDI-Z Special Werkzeuge (Sonderheft); Seite 69-73; August 2001; Düsseldorf, VDI-Verlag. Hydraulische Dehnspannfutter sind jedoch technisch aufwendig aufgebaut und haben deswegen einen hohen Kaufpreis. Thermische Schrumpffutter und segmentartig elastisch aufweitbare Spannfutter benötigen zum Spannen und Lösen der Zylinderschäfte unter dem starken Quer- Preßsitz verhältnismäßig aufwendige und Stellplatz beanspruchende Apparate. Aus diesen Gründen werden immer noch ein großer Anteil Spannfutter nach DIN 1835 und dazu passende Zylinderschäfte mit seitlicher Spannfläche verwendet und angeschafft, wenn die zerspanungstechnischen Anforderungen eher mäßig sind und die Kosten für die Spannfutter niedrig gehalten werden müssen. Dies ist besonders in der Einzelteilfertigung der Fall, weil die Spannfutter für die. Werkzeuge mit Zylinderschaft in größerer Anzahl für die verschiedenen Durchmesser an oder nahe der Maschine für schnellen Zugriff bereitgehalten werden und gebundenes Kapital darstellen. Die erheblichen Rundlaufabweichungen der Spannfutter nach DIN 1835 sind allgemein bekannt. Aus der Herstellung können die großen Abweichungen bei präziser Fertigung nicht herrühren, denn thermische Schrumpffutter aus gleicher Herstellung weisen Rundlaufabweichungen von höchstens 3 µm auf. Die Herstelltoleranz der Aufnahme der Spannfutter nach DIN 1835 ist H5 und wird in der Praxis regelmäßig durchmesserbezogen auf 2 µm über Nennmaß geschliffen. Die Zylinderschäfte werden in der Toleranz h6 gefertigt. Ein übliches Maß ist durchmesserbezogen 5 µm unter Nennmaß. Der aus den Durchmessertoleranzen herrührende radiale Versatz 1/2 × S ist somit durchschnittlich 1 µm + 2,5 µm = 3,5 µm. Auch dieser systematische Fehler kann die gemessenen Rundlaufabweichnungen von oft mehreren hundertstel Millimetern nicht begründen. Es konnten in der Literatur keine quantitativen Auskünfte zu dieser Problematik gefunden werden, jedoch qualitative mit sehr simplifiziert dargestellter Biegelinie: Rondé Uwe; Untersuchung von Systemen zum Spannen von Zylinderschaftwerkzeugen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Eignung für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung; Seite 76-78; Carl Hanser Verlag München, Wien 1994; ISBN3-446-17988-7. Deshalb wurden mit eigenen Messungen die an Spannfuttern nach DIN 1835 auftretenden Verformungen erfaßt und analysiert. Dazu wird vorab anhand Fig. 3 der Zeichnung erläutert. Der Unterschied zwischen dem ohne Vorspannung, aber mit angelegter Spannschraube eingesetzten Prüf- Zylinderschaft und dem Zustand mit angezogener Spannschraube wurde an verschiedenen Stellen in derjenigen Ebene erfaßt, in der die Kraft der Spannschraube wirkt und in der die Mittel-Längsachse des Prüf-Zylinderschafts liegt. Zunächst legt sich der Prüf-Zylinderschaft an der Seite an, die der Spannschraube diametral gegenüberliegt (strich-doppelpunktiert dargestellt). Das gesamte Durchmesserspiel S zwischen Prüf-Zylinderschaft und der Aufnahme des Spannfutters liegt auf der Seite der Spannschraube. Wird sodann die Spannschraube angezogen, drückt sie den Zylinderschaft auf der Gegenseite an der Aufnahme an, wobei diese unter dem Druck elastisch eingebeult wird. Dies ist ungefähr 4 µm bei Hartmetall mit Durchmesser 12 mm im Maximum unter der Stirn der Spannschraube. Von dieser inneren Einbeulung E rührt außen am Spannfutter durch Volumenverdrängung eine Ausbeulung B her, die ca. 2 µm beträgt. Diese flächenhafte Pressung an der Auflagefläche in der Aufnahme wirkt auf den Zylinderschaft ein, so daß er eine Krümmung annimmt und das freie Ende unter Beibehaltung des Winkels schief aus der Aufnahme herausragt. Während des Anziehens der Spannschraube ist mit einem Meßtaster die Auslenkung A festzustellen. Bezüglich der Mittenachse der Aufnahme stellt man nur die Radialauslenkung R fest, weil die Hälfte des Durchmesserspiels S von der Auslenkung A subtrahiert wird. Außer der Schiefstellung ist die mangelhafte Einleitung von Biegemomenten offensichtlich. Greift die Querkraft F3 am Zylinderschaft an, so wird zwar über eine kürzestmögliche Auskraglänge L3 das resultierende Biegemoment in das Spannfutter geleitet. Wirkt jedoch eine Querkraft F4, so wird erst von der Spannschraube das Biegemoment aufgenommen, was eine große Auskraglänge L4 ergibt und der Zylinderschaft somit erheblich stärker ausgelenkt wird. Hartmetallschäfte mit Durchmesser 12 mm krümmen sich in der Aufnahme dergestalt, daß die Einbeulung in der Aufnahme ziemlich genau an der Futterstirn endet. Bei größeren Durchmessern wirkt die Einbeulung auch in der Futterstirn, was von der größeren Eigensteifigkeit der dicken Zylinderschäfte gegen Biegung herrührt.

Dünnere Zylinderschäfte krümmen sich unter der Kraft der Spannschraube stärker, weil die Biegesteifigkeit mit der vierten Potenz des Durchmessers des Zylinderschafts abnimmt, die Kraft der zugeordneten Spannschraube dagegen nur etwa in zweiter Potenz abnimmt. Diese Situation wird am Beispiel eines Spannschaftes mit 6 mm Durchmesser anhand Fig. 4 der Zeichnung aufgezeigt. Die Krümmung des Zylinderschafts unter der Stirn der Spannschraube ist so stark, daß der Zylinderschaft unter dem Einfluß der Pressung in der Aufnahme von der Oberfläche abhebt und unter deutlicher Schiefstellung aus der Aufnahme herausragt. Der Zylinderschaft ist in der Aufnahme erst erheblich hinter der Futterstirn abgestützt, wobei einer auf ihn einwirkenden Querkraft F5 die Auskraglänge L5 und einer Querkraft F6 die Auskraglänge L6 zuzuordnen sind, was systembedingt ungünstig für die Biegesteifigkeit ist.

Mit zwei Spannschrauben sind Spannfutter nach DIN 1835 ab Durchmesser 25 mm ausgestattet. Die unausgeglichen weit hinten in der Aufnahme angeordnete zweite Spannschraube hat eine im Verhältnis zur vorderen Spannschraube nur kurze Unterstützungsfläche in der Aufnahme unter dem Endbereich des Zylinderschafts, so daß wegen der großen Biegesteifigkeit dieser Zylinderschäfte unter dem Druck beider Spannschrauben im wesentlichen eine Schiefstellung des gesamten Zylinderschafts eintritt, jedoch nahezu ohne Krümmung in der Aufnahme.

Der Vorschlag nach Rondé, an Spannfuttern nach DIN 1835 (in Literatur "Seitenspannfutter" genannt) mit bestimmter Spannkraft der Spannschraube die Spitze des auskragenden Zylinderschafts rundlaufend einzustellen, ist theoretisch. Bei kleinen und mittleren Durchmessern ist die dazu erforderliche Spannkraft sehr gering, so daß die Spannschraube weit unterhalb einer betriebssicheren Vorspannung angezogen sein muß. Dies gilt besonders ausgeprägt bei lang auskragenden Zylinderschäften.

Nach DE 11 36 186 B wird ein Spannfutter vorgeschlagen, in dem die tragenden Flächen des Spannschaftes Teile eines Kreiszylinders bilden, dessen Durchmesser einige Mikrometer größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Aufnahme des Spannfutters. Damit wird bewirkt, daß die Mittenachsen des Spannschaftes und der Aufnahme des Spannfutters miteinander fluchten. Der Spannschaft wird sich jedoch unter der Kraft der Spannschrauben ebenso krümmen oder schiefstellen, wie diejenigen in Spannfuttern nach DIN 1835. Da die Schiefstellung der Spannschäfte infolge der Krümmung in Richtung der Spannschraube wirkt, laufen die Spannschäfte bis ca. 16 mm Durchmesser dieser verbesserten Ausführung paradoxerweise mit einem größeren Radialschlag um, als solche in Spannfuffern nach DIN 1835, weil bei diesen das Spiel von der schiefen Radialauslenkung subtrahiert wird. Zudem tritt auch bei diesem Spannfutteraufbau bei seitlicher Krafteinwirkung auf den auskragenden Spannschaft der Zustand ein, daß das Biegemoment über die Spannschraube aufgenommen werden muß mit dem Nachteil der dort gleichfalls großen wirksamen Auskraglänge. Auch hier ist keine Verbesserung gegenüber Spannfuttern nach DIN 1835 gegeben. Es ist anzumerken, daß dort die hypothetische Konstruktionsfrage aufgeworfen und zugleich als undurchführbar verworfen wurde, durchmesseridentische zylindrische Aufnahmen und Spannschäfte vorzusehen. Unter Würdigung des Vorschlages, zentrisch genaue Spannschäfte durch Profilierung mit zwei tragenden leistenartigen Flächen vorzusehen, kann dies wegen des eklatanten Nachteils der Profilierung nicht in der Erfindung als Grundlage der Fortentwicklung des Standes der Technik betrachtet werden und kann deshalb auch nicht als gattungsgemäß betrachtet werden und wird somit in der Aufgabenstellung unberücksichtigt bleiben.

Gesamtaufgabe der Erfindung ist es daher, ein Spannfutter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Schiefstellung der gespannten Zylinderschäfte unterbleibt und daß der Mittenversatz gespannter Zylinderschäfte unterbleibt und daß auf den Zylinderschaft infolge Querkraft einwirkende Biegemomente minimiert werden.

Die Gesamtaufgabe ist bei einem Spannfutter der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Betätigungsanweisungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Grundsätzlich basieren die Entwicklungsfortschritte der Erfindung auch auf der Erkenntnis, daß den Auswirkungen der Krümmung der Zylinderschäfte und deren Einbeulung im Futterkörper infolge der Kraft der Spannschraube sowie dem Positionsversatz aufgrund Durchmesserspiels mittels geeigneter Maßnahmen in der räumlichen Ausgestaltung der Aufnahme entgegenwirkbar ist. Als "Aufnahme" wird der gesamte Längshohlraum im Futterkörper definiert, der in diesem Fall keinen üblichen Hohlzylinder darstellt, sondern zusätzlich komplex ausgebildet ist und in dem der Zylinderschaft aufgenommen wird. Die Unterteilung der Aufnahme im Futterkörper in Auskammerungen und Schalen ermöglicht, daß auch ein Zylinderschaft geringfügig größeren Durchmessers, als ihn die Aufnahme aufweist, in diese zunächst schräg einführbar ist. Hierbei taucht der schräg gestellte Zylinderschaft beim Einschieben zunächst in die vordere Auskammerung ein - im folgenden als Vorderauskammerung bezeichnet -, die auf der zur Spannschraube gegenüberliegenden Seite angeordnet ist. Dann dringt er in die am gesamten Umfang eingebrachte kurze Auskammerung ein, in deren Bereich sich die Mittellinien des Zylinderschafts und der Aufnahme schneiden; sie wird als Distanzauskammerung bezeichnet, weil sie eine Distanz zwischen der Vorderauskammerung und einer inneren Auskammerung bildet. Der Zylinderschaft taucht beim weiteren schrägen Einschieben in diese auf Seite der Spannschraube eingebrachte innere Auskammerung - sie wird als Innenauskammerung bezeichnet - vollends ein. Die Auskammerungen in der Aufnahme bewirken, daß von ihrer zylindrischen Innenfläche nur vorne eine Schale, die als Vorderschale bezeichnet wird und eine innere Schale, die als Innenschale bezeichnet wird und bezüglich der Vorderschale auf der gegenüberliegenden Seite ist, als den Zylinderschaft tragende Auflageflächen vorhanden geblieben sind. Beim Anziehen der auf die Spannfläche des Zylinderschafts einwirkenden Spannschraube schmiegt sich der Zylinderschaft an die Konturen der in der Aufnahme verbliebenen Vorderschale und der Innenschale an und legt sich infolge der Anschmiegung auch seitlich zur Kraftwirkung der Spannschraube formschlüssig fest an. Die Biegelinie des Zylinderschafts unter dem Einfluß der aufgebrachten Kraft der Spannschraube und den dadurch flächenhaft räumlich wirkenden Pressungsverteilungen auf die Vorderschale sowie die Innenschale und als Reaktionskräfte auf den Zylinderschaft bewirken, daß die Krümmung des Zylinderschafts unter der Spannschraube aufgrund der dadurch induzierten Gegenkraft auf der Vorderschale mit dem daraus resultierenden entgegen drehenden Drehmoment rückdrehend so ausgelenkt wird, daß die Biegelinie des Zylinderschafts frontseitig zu der Mittelachse der Aufnahme hin tendierend gekrümmt wird, so daß die Mittellinie des aus der Aufnahme herausragenden Teils des Zylinderschafts höchstens noch unbedeutend von der Mittellinie, wie letztere bei der zuvor unverformten Aufnahme positioniert war, abweicht. Verhältnismäßig kleine Durchmesser von Zylinderschäften werden bevorzugt in Relation zum Durchmesser der Aufnahme als Übergangspassung festgelegt, da sie sich relativ stark unter der Kraft der Spannschraube krümmen, aber wegen ihrer geringen Steifigkeit nur einen mäßigen Druck auf die Vorderschale ausüben können und diese nur mäßig pressen und elastisch einbeulen können. Sie schmiegen sich im wesentlichen der Vorderschale an. Infolge der starken Doppelkrümmungen ist jedoch sichergestellt, daß bei einer Übergangspassung im Falle von maßlichem Spiel dennoch satte Anlagen an der Innenschale und an der Vorderschale bestehen. Verhältnismäßig große Durchmesser von Zylinderschäften werden bevorzugt in Relation zum Durchmesser der Aufnahme als leichte Preßpassung festgelegt, da sie sich unter der Kraft der Spannschraube elastisch - jedoch unter nur vergleichsweise geringer Krümmung - im Futterkörper einbeulen und somit auch auf die Vorderschale eine starke Pressung in entgegengesetzter Richtung ausüben, so daß die Mittellinie des auskragenden Zylinderschaftes auch in diesem Falle nur noch unerheblich von der Mittellinie der Aufnahme, wie letztere im zuvor unverformten Zustand positioniert war, abweichen wird. Die Seitenauskammerungen der beiden Seitenbereiche in der gesamten Längserstreckung der Aufnahme verhindern, daß sich der Zylinderschaft mit Übermaß nach dem Anziehen und wieder Lösen der Spannschraube infolge Selbsthemmung an den Seiten der Vorderschale und Innenschale festklemmt.

Eine Maßnahme zur weiteren Steigerung der Genauigkeit eines Spannfutters nach der Erfindung besteht darin, über eine geringfügige Änderung der an sich hohen Druckkraft der Spannschraube auch auf die elastischen Verformungen der Vorderschale und Innenschale in der Aufnahme des Futterkörpers gezielt so einzuwirken, daß am auskragenden Zylinderschaft auch geometrische Restfehler bezüglich seiner Schiefstellung nochmals verringert werden.

Eine andere Maßnahme zum Erreichen der Genauigkeit des erfindungsgemäßen Spannfutters besteht darin, für die Zylinderschäfte aus verschiedenen Werkstoffen und deren unterschiedlichen Elastizitätsmoduln auch die von der Spannschraube ausgeübte Druckkraft über deren Anzugs-Drehmoment anzupassen, so daß die verschiedene Biegesteifigkeit der Zylinderschäfte und deren sich in der Aufnahme einstellende Biegelinie berücksichtigt ist und somit die Mittellinie des auskragenden Zylinderschaftes zur Mittellinie der spannungsfreien Aufnahme hin tendiert.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, die Vorderschale mit einem Material zu beschichten, das Ruckgleiten unterdrückt. Der Zylinderschaft liegt unter Pressung an der Vorderschale an. Wirkt auf den Zylinderschaft ein bezüglich seiner Längsachse wirkendes Torsionsmoment ein, so kommt es zu einer oszillierenden Relativdrehbewegung zwischen dem Zylinderschaft und der Vorderschale nach dem Prinzip des verdrillten Stabes. Die mit Reibung behaftete Relativbewegung wirkt als Reibungsdämpfer und unterdrückt das Entstehen von Torsionsschwingungen großer Amplitute, die ansonsten durch Ruckgleiten angeregt werden. Vorteilhaft ist ein geringer und für Haften und Gleiten nur wenig unterschiedlicher Reibungskoeffizient.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, die Durchmesser der Vorderschale und der Innenschale der Aufnahme geringfügig unterschiedlich auszuführen. Dies bewirkt, daß der Verlauf der Biegelinie des eingespannten Zylinderschafts in eine vorbestimmte Lage gebracht wird, die einen günstigeren Verlauf innehat, als bei zwei Schalen gleichen Durchmessers. Je nach geforderter Biegelinie kann die Innenschale oder die Vorderschale als die größere von beiden ausgeführt sein.

Um die Steifigkeit der Schalen zu beeinflussen, ist nach einer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, die Schalen im Inneren ihrer Flächen auszukammern, um deren Steifigkeit gegen den angepressten Zylinderschaft zu verringern. Die Auskammerung der Vorderschale wird im folgenden als Vorderschalenauskammerung, die der Innenschale als Innenschalenauskammerung bezeichnet. Die stärkere Nachgiebigkeit bewirkt eine flachere Federungs-Kennlinie des verformten Futterkörpers. Die Auskammerung der Schalen kann kombiniert oder auch alternativ als Vorderschalenauskammerung oder als Innenschalenauskammerung eingebracht sein, falls die Biegelinie des Zylinderschafts entsprechend beeinflußt werden soll. Der Bereich der Innenschale direkt unter der Spannschraube wird dann nicht ausgekammert, wenn dort höchste Steifigkeit vorteilhaft ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Distanzauskammerung, die zwischen der Vorderschale und der Innenschale angeordnet ist, als Ringnut zugleich zur Aufnahme eines Dichtrings vorgesehen ist. Aufgrund der Auskammerungen ist die Aufnahme nicht dicht für innere Kühlmitteldurchleitung durch den Zylinderschaft. Ohne Dichtring strömt ein Teil des Kühlmittels zwischen Aufnahme und Zylinderschaft durch, was zu Druckabfall in der inneren Durchleitung durch den Zylinderschaft führt. Ein Dichtring behindert aufgrund seiner Nachgiebigkeit das verschränkte Einstecken des Zylinderschafts nicht.

Das Spannfutter nach vorliegender Erfindung weist durch die asymmetrischen Auskammerungen eine konstruktionsbedingte Unwucht auf, die vorteilhaft durch exzentrischen Materialabtrag an der Außenfläche des Futterkörpers ausgeglichen wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Ränder der Vorderschale und Innenschale ballig verrundet sind, um dort unter der Pressung auftretende Konzentrationen in der Druckverteilung, sogenannte Spannungsspitzen, abzumildern, da dort ansonsten lokale plastische Deformationen der Aufnahme und Rißentstehung des Zylinderschafts hervorgerufen werden, die mit der vorgesehenen Maßnahme jedoch unterbleiben.

Für an sich bekannte Zylinderschäfte, die mit einem Bund als Plananschlag ausgestattet sind und mit einer oder zwei Spannschrauben befestigt werden, wobei eine Spannschraube mit kegeliger Stirn ausgebildet ist und seitlich derart an einer kegeligen Ausnehmung im Zylinderschaft eingreift, daß dieser zusätzlich mit seinem Bund gegen die Stirn des Futterkörpers festgespannt wird, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung vorgesehen, auch an derartigen Zylinderschäften die Positionsgenauigkeit und Steifigkeit des auskragenden Teils des Zylinderschafts zu verbessern. Weil der Zylinderschaft keine Schiefstellung aufweist, ist die axiale Pressungsverteilung unter dem Bund völlig homogen.

In bekannter Weise können glatte Zylinderschäfte mit einer Spannschraube, in die als Druckstück insbesondere eine Kugel eingelassen ist und die mit einer zur Mantelfläche des Zylinderschafts kongruenten Aussparung versehen ist, gespannt werden. Dies ist auch beim erfindungsgemäßen Spannfutter anwendbar. Glatte Zylinderschäfte rutschen schon bei geringem Drehmoment durch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spannfuttern läßt sich die Aufnahme des erfindungsgemäßen Spannfutters auf der Innenschale mit Hartstoffpartikeln in der Oberfläche spicken, wodurch die Reibung durch Mikroverzahnung in an sich bekannter Weise deutlich erhöht ist. Die bei sonstigen Spannfuttern auftretenden Schwierigkeiten beim Montieren und Demontieren des Zylinderschafts können hierbei nicht auftreten, weil dieser nach dem Verschränken genügend von der Innenschale abgehoben ist. Es gibt auch keine Schabewirkung beim Montieren, wodurch der Zylinderschaft beansprucht würde, andererseits auch die Hartstoffpartikel aus der Aufnahme herausgerissen würden. Die Aussparung an dem Druckstück der Spannschraube kann gleichfalls mit Hartstoffpartikeln gespickt sein, um das übertragbare Torsionsmoment des Zylinderschafts zu vergrößern. Als Druckstück zwischen Spannschraube und Zylinderschaft sind Ausgestaltungen wie Kugeln, Zylinderstücke oder Quader mit Aussparung zweckmäßig.

Auf dem erfindungsgemäßen Spannfutter lassen sich die sonstigen nützlichen Maßnahmen, die bereits in vielfacher Art für Spannfutter nach DIN 1835 und deren Modifikationen Verwendung finden oder vorgeschlagen wurden, gleichfalls anwenden. Auszugsweise seien genannt: axiale Einstellmechanismen für den Zylinderschaft, Kühlmittelkanäle, plangeschliffene Futterstirn, Schraubgewichte zum Feinauswuchten, Verwendung eines seitlich im Futterkörper eingeschobenen Keils zur Substitution der Spannschraube.

Die optimalen Längenverhältnisse in der Anordnung der Innenschale und der Außenschale in der Aufnahme unter Berücksichtigung der Anordnung und Kraft der Spannschrauben sowie der Fertigungstoleranzen von Aufnahme und Zylinderschaft werden mittels iterativer Berechnungen auf Rechnern mit Hilfe der "Finite-Elemente-Methode" hergeleitet, wodurch die beste Annäherung des auskragenden Zylinderschafts zur Idealstellung ermittelt wird.

Die Spannfutter sind für den Einsatz in rotatorisch umlaufenden Spindeln oder für den Einsatz in nicht umlaufenden Halterungen der Werkzeugmaschine vorgesehen. Hierzu ist das der Aufnahme abgewandte Ende des Spannfutters mit einer üblichen Anbindung ausgestattet.

Anhand der Zeichnung ist das Ergebnis des eigens untersuchten Standes der Technik und die Erfindung in ihrer Ausgestaltung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisch dargestelltes Spannfutter im Längsschnitt mit sehr übersteigert dargestellter Verformung des eingespannten Zylinderschafts infolge der wirkenden Pressungen;

Fig. 2 ein schematisch dargestelltes Spannfutter im Längsschnitt mit qualitativ dargestellter Pressungsverteilung auf den eingespannten Zylinderschaft;

Fig. 3 ein nach dem Stand der Technik schematisch im Längsschnitt dargestelltes Spannfutter nach DIN 1835 mit sehr übersteigert dargestelltem Durchmesserspiel sowie elastischer Verformung infolge der wirkenden Pressungen am Zylinderschaft mittelgroßen Durchmessers;

Fig. 4 ein nach dem Stand der Technik schematisch im Längsschnitt dargestelltes Spannfutter nach DIN 1835 mit sehr übersteigert dargestelltem Durchmesserspiel sowie elastischer Verformung infolge der wirkenden Pressungen am Zylinderschaft kleinen Durchmessers;

Fig. 5 einen maßstäblich vergrößert dargestellten Längsausschnitt des Spannfutters mit schräg eingeschobenem Zylinderschaft mit Übermaß und spannungsfreier erster Berührung der Spannschraube an der Spannfläche;

Fig. 6 das Spannfutter im Längsschnitt mit Vorderschale und Innenschale und etwas übersteigert dargestellten Auskammerungen der Aufnahme;

Fig. 7 einen Querschnitt U-U des Spannfutters gemäß Fig. 6 zur Darstellung der Vorderschale der Aufnahme und der Auskammerungen;

Fig. 8 einen Querschnitt V-V des Spannfutters gemäß Fig. 6 zur Darstellung der Innenschale der Aufnahme und der Auskammerungen;

Fig. 9 ein Spannfutter wie in Fig. 6, zusätzlich mit Auskammerungen in der Vorderschale und der Innenschale der Aufnahme;

Fig. 10 einen Querschnitt W-W des Spannfutters gemäß Fig. 9, zur zusätzlichen Darstellung der Auskammerung in der Vorderschale der Aufnahme;

Fig. 15 einen Querschnitt X-X des Spannfutters gemäß Fig. 9, zur zusätzlichen Darstellung der Auskammerung in der Innenschale der Aufnahme;

Fig. 12 das Spannfutter im Längsschnitt mit kegeliger Spannschraube für Zylinderschäfte mit Bund;

Fig. 13 das Spannfutter im Querschnitt mit besonderem Spannstück für glatte Zylinderschäfte.

Das in Fig. 1 dargestellte Spannfutter veranschaulicht mit seiner Verformung die erreichte verbesserte Rundlaufgenauigkeit des Zylinderschafts Z im Futterkörper 1. Im Futterkörper 1 ist in seinem einen Endbereich eine zentrale Aufnahme 2 vorgesehen, in die der Zylinderschaft Z schräg gestellt eingeschoben werden kann. Die Aufnahme 2 besteht aus dem gesamten Längshohlraum im schraffiert dargestellten Futterkörper 1. Als Auflagen für den gespannten Zylinderschaft Z sind in der Aufnahme 2 eine Vorderschale 3 sowie Innenschale 4 vorgesehen, wobei beide axial voneinander durch die Distanzauskammerung 5 beabstandet sind. Die Vorderauskammerung 6 und die Innenauskammerung 7 überschneiden sich hier in axialer Richtung, wobei deren Überschneidungsbereich die Distanzauskammerung 5 bildet. Die elastische Einbeulung E der Innenschale 4 durch die eingeleitete Kraft der Spannschraube 8 auf die Spannfläche F des Zylinderschafts Z und dessen Anlage an der Vorderschale 3, die sich ihrerseits ebenfalls durch geometrischen Zwang in entgegengesetzter Richtung ihrer eigenen Pressung P elastisch verformt, ist bezüglich der Biegelinie des Zylinderschafts Z rückdrehend, so daß dessen auskragender Bereich mit der Mittellinie der unverformten Aufnahme 2 infolgedessen Koaxialität annimmt. Wirkt auf den auskragenden Zylinderschaft Z die Querkraft F1 ein, so wird diese an der Vorderschale 3 aufgenommen, was die kürzestmögliche wirksame Auskraglänge L1 ist. Bei Zylinderschäften Z mittleren und größeren Durchmessers ist die Vorspannung auf die Vorderschale 3 genügend groß, so daß bei einer Querkraft F2 die wirksame Auskraglänge auch L1 ist. Bei dünnen Zylinderschäften Z genügt bei Schrupparbeiten die Vorspannung nicht, so daß bei einer Querkraft F2 die Auflage an der Innenschale 4 erfolgt und die wirksame Auskraglänge L2 zuzuordnen ist. Die Auskraglänge L2 ist jedoch nur wenig größer als die Auskraglänge L1, so daß die maximal erzielbare Steifigkeit des Zylinderschafts Z weitestgehend erreicht und in allen Querrichtungen sehr viel ausgeglichener ist.

Die Fig. 2 verdeutlicht die auftretende Pressung P zwischen Zylinderschaft Z, Spannschraube 8 und der Innenschale 4 sowie Vorderschale 3 in der Aufnahme 2 der Konfiguration nach Fig. 1 entsprechend. Die räumlich auftretende Pressung P ist vereinfacht in der Ebene des Längsschnitts dargestellt. Eine derartige Verteilung der Pressung P setzt einen Zylinderschaft Z mit vergleichsweise mittlerer Biegesteifigkeit voraus. Der Zylinderschaft Z krümmt sich zwar noch merklich, aber seine Biegesteifigkeit ist genügend ausreichend, um die Innenschale 4 in ihrer gesamten Länge elastisch zu verformen. Dies ist für Zylinderschäfte Z mittleren Durchmessers, beispielsweise 12 mm oder 14 mm charakteristisch. Dicke Zylinderschäfte Z verteilen demgegenüber die Pressung P gleichmäßiger auf die Innenschale 4 und mit großer Pressung P auf die Vorderschale 3. Dünne Zylinderschäfte Z hingegen krümmen sich bedeutsam mit einem ausgeprägten Maximum gegenüberliegend zur Spannschraube 8, wobei auf dem tief innenliegenden Teilbereich der Innenschale 4 infolge Abhebens von der Innenschale 4 überhaupt keine Pressung P mehr vorhanden ist und auf dem vorne liegenden Teilbereich der Innenschale 4 und auf der Vorderschale 3 nur geringe Pressung P anliegt.

Fig. 3 zeigt ein bekanntes Spannfutter nach DIN 1835 mit eingespanntem Zylinderschaft Z mittleren Durchmessers, die Fig. 4 mit kleinem Durchmesser. Die Kenntnis der Biegelinien von deren Zylinderschäften Z läßt die Bedeutung und Wirkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung nach Fig. 1 hervortreten und trägt zur Darlegung des Sachverhalts und zur Herleitung der Pressungsverteilung nach Fig. 2 bei. Die angegebenen Maßverkörperungen in Millimetern sind maßstäblich und beziehen sich auf die Baumaße der Zylinderschäfte Z und der Futterkörper 1 in Anlehnung an DIN 1835. Die angegebenen Maßverkörperungen in Mikrometern beziehen sich auf die stark übersteigert dargestellten elastischen Verformungen und Fehlstellungen der Futterkörper 1 und Zylinderschäfte Z sowie auf deren Durchmesserspiel 5, um diese sichtbar zu machen. Hierzu sind bereits vorstehend zum "Stand der Technik" weitere Erläuterungen gegeben.

Fig. 5 stellt den Futterkörper 1 und einen verschränkt eingeschobenen Zylinderschaft Z dar, dessen Durchmesser 2 µm größer ist als die Summe der beiden gleichen Halbmesser der Vorderschale 3 und der Innenschale 4 bezüglich der Mittelachse der Aufnahme 2. Bei Verschränkung des Zylinderschafts Z von ungefähr 1 Winkelgrad, hier genau 0,85°, und einer Länge der Distanzauskammerung 5 von 1,5 mm ergibt sich über 0,01 mm Spiel zum Einschieben und Entnehmen des Zylinderschafts Z. Im verschränkten Zustand schneiden sich grundsätzlich die Mittellinie des Zylinderschafts Z und die Mittellinie der Aufnahme 2 im Bereich der Distanzauskammerung 5, dort durch einen Punkt hervorgehoben ist. Die Distanzauskammerung 5 ist auch hier durch Überschneidung der Vorderauskammerung 6 und Innenauskammerung 7 in Längsrichtung entstanden. Bezüglich der Spannschraube 8 ist anzumerken, daß diese theoretisch zu Beginn des Spannens nur mit einer Kante an der mit verschränkten Spannfläche F angreift. Wegen des kleinen Winkels wird sich die Spannschraube 8 in ihrem deutliches Spiel aufweisenden Befestigungsgewinde selbst zur Spannfläche F ausrichten.

Aus Fig. 6 geht eine prinzipielle Gestaltung des Spannfutters auch bezüglich des Umfanges der Aufnahme 2 deutlicher hervor, wozu in Fig. 7 und Fig. 8 dessen zugeordneten Querschnitte beitragen. Im Futterkörper 1 sind die Vorderschale 3 und mit axialem Abstand durch die Distanzauskammerung 5 die Innenschale 3 angeordnet. Sie umgreifen am Umfang weniger als 180°, was hier durch die beiden Seitenauskammerungen 9 bewirkt wird, die in dieser Ausführung als Rundungen in die Aufnahme 2 über deren gesamte Länge eingebracht sind. Die Vorderauskammerung 6 und Innenauskammerung 7 sind hier durch kreisförmig und jeweils außermittig versetzt aus dem Futterkörper 1 herausgearbeitetes Material gebildet. Die gezeigte Variante läßt sich auch mit umlaufenden Ausspindelwerkzeugen herstellen. Das Gewinde für die Spannschraube 8 durchdringt auch hier obligatorisch in Umfangsmitte auf Seiten der Vorderschale 3 die Innenauskammerung 7 der Aufnahme 2.

Anhand Fig. 9 und zugeordneten Fig. 10 und Fig. 11 ist eine Weiterbildung des Spannfutters, wie in Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 im Grundaufbau dargestellt, erläutert. In der Vorderschale 3 ist der Mittenbereich längs durchgehend ausgekammert und wird Vorderschalenauskammerung 10 benannt. In der Innenschale 4, mit Ausnahme der Stelle gegenüber der Spannschraube 8, ist ebenso die Auflage im Mittenbereich in Längsrichtung ausgekammert und Innenschalenauskammerung 11 benannt. Dies bewirkt, daß der verbleibende Rest der Vorderschale 3 und Innenschale 4 eine höhere spezifische Pressung erfährt und dadurch elastisch stärker nachgibt. Die stärkere Nachgiebigkeit bedeutet eine flachere Federkennlinie des verformten Futterkörpers 1. Es ist eine Option, alternativ eine Vorderschalenauskammerung 10 oder Innenschalenauskammerung 11 einzubringen, falls die Biegelinie des Zylinderschafts Z damit entsprechend beeinflußt werden soll.

Anhand Fig. 12 ist aufgezeigt, wie Zylinderschäfte Z mit Bund insbesondere über die Spannschraube mit kegeliger Stirn 8a axial eingezogen sind. Deren Spannkraft ist in eine senkrecht zum Zylinderschaft Z und eine axial zu diesem wirkende Komponente zerlegbar.

Der in Fig. 13 gezeigte Querschnitt des Spannfutters ist wie in Fig. 8 schon dargestellt, weist jedoch eine Spannschraube mit Druckstück 8b, hier als Schraube mit darin eingefaßter Kugel ausgeführt, auf, wobei die Kugel als Druckfläche eine konkave Aussparung aufweist, die kongruent zum glatten Zylinderschaft Z ist.

Bezugszeichen

1

Futterkörper

2

Aufnahme

3

Vorderschale

4

Innenschale

5

Distanzauskammerung

6

Vorderauskammerung

7

Innenauskammerung

8

Spannschraube

8

a Spannschraube mit kegeliger Stirn

8

b Spannschraube mit Druckstück

9

Seitenauskammerung

10

Vorderschalenauskammerung

11

Innenschalenauskammerung

12

Futterstirn
A Auslenkung .
B Ausbeulung
E Einbeulung
F Spannfläche
P Pressung
R Radialauslenkung
S Durchmesserspiel
Z Zylinderschaft
F1 bis F6 Querkräfte mit bestimmter Wirkrichtung
L1 bis L6 Wirksame Auskraglängen des Zylinderschafts

Claims (15)

1. Spannfutter mit einer im Futterkörper (1) angeordneten zylindrischen Aufnahme (2) für Zylinderschäfte (Z) mit seitlich oder seitlich geneigt eingearbeiteter Spannfläche (F) oder glatter zylindrischer Ausführung, auf die eine oder zwei quer im Futterkörper (1) angeord­ nete Spannschrauben (8; 8a; 8b) ihre Kraft zur axialen und verdrehfesten Befestigung des Zylinderschafts (Z) einleiten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Fertigungstoleranzen der Durchmesser von Aufnahme (2) und Zylinderschaft (Z) zu­ einander Übergangspassungen oder leichte Preßpassungen bezüglich ihrer Auflageflä­ chen bilden, und
• - die Aufnahme (2) im Futterkörper (1) Auskammerungen derselben aufweist, durch die ein Zylinderschaft (Z) mit seinem einzuführenden Ende schräg zur Spannschraube (8) hin geneigt von der Futterstirn (12) her einführbar ist, wobei sich die Mittellinien des Zylinderschafts (Z) und der Aufnahme (2) stets in einem fixen Punkt schneiden, und
• - die als Vorderauskammerung (6) definierte vordere Auskammerung sich axial von der Futterstirn (12) bis maximal zu einer axialen Tiefe, die dem Durchmesser des Zylinder­ schafts (Z) entspricht, auf derjenigen Seite einer Zylinderhalbschale erstreckt, die dia­ metral der Spannschraube (8) abgewandt ist, und
• - axial daran anschließend in die Aufnahme (2) hinein gerichtet ein kürzerer Längsab­ schnitt an ihrem gesamten Umfang ausgekammert ist und als Distanzauskammerung (5) bezeichnet wird, und
• - axial innen daran anschließend auf der halbumfänglichen Seite, in der sich die Spann­ schraube (8) in Umfangsmitte befindet, bis zum Ende der Aufnahme (2) hin ausgekam­ mert ist und als Innenauskammerung (7) bezeichnet wird, und
• - beide Seitenbereiche in der gesamten Längserstreckung der Aufnahme (2), die sich unter einem Winkel von plus und minus 90° zur Lage der Mittellinie der Spannschraube (8) befinden, jeweils dort bis höchstens plus oder minus 45° am Umfang ausgekammert und als Seitenauskammerung (9) bezeichnet sind, und infolge aller Auskammerungen
• - von der Aufnahme (2) bei der Futterstirn (12) beginnend eine kurze vordere Schale, die weniger als den halben Umfang umschließt, als Auflagefläche für den Zylinderschaft (Z) erhalten bleibt und sich am Umfang auf der gleichen Seite wie die Spannschraube (8) befindet und als Vorderschale (3) bezeichnet wird, und
• - axial vom Ende der Vorderschale (3) um den kurzen Längsabschnitt der Distanzaus­ kammerung (5) entfernt ist von der Aufnahme eine längere innere Schale, die weniger als die Hälfte der Aufnahme (2) umschließt und die sich bis zum Ende der Aufnahme (2) hin erstreckt und sich auf der der Spannschraube (8) diametral gegenüberliegenden Seite befindet, als Auflagefläche für den Zylinderschaft (Z) erhalten und wird als Innen­ schale (4) bezeichnet, und
• - ein in die Aufnahme (2) schräg einsteckbarer Zylinderschaft (Z) wird mit seiner Mitte­ lachse durch Anziehen der Spannschraube (8) aus der Schräge in eine zur Mittelachse der Aufnahme (2) identische Lage gepreßt und nutzt die Innenschale (4) und Vorder­ schale (3) der Aufnahme (2) als flächige Auflager, und
• - im Futterkörper (1) nehmen die Mittellinien der Aufnahme (2) und die des eingespann­ ten Zylinderschafts (Z) infolge elastischer Verformung eine gemeinsame Biegelinie der­ gestalt ein, daß die Mittellinie des auskragenden Teils des Zylinderschafts (Z) mit der verlängerten Mittellinie, wie sie bei spannungsfreier Aufnahme (2) zentrisch liegt, koa­ xial wird, und
• - die Mindestabmessungen der Seitenauskammerungen (9), Vorderauskammerung (6), Distanzauskammerung (S) und Innenauskammerung (7) sich aus der räumlichen Hüll­ fläche ergeben, die der Zylinderschaft (Z) beim schrägen Einführen in die Aufnahme (2) und anschließenden kraftlosen Anlegen an den Rändern der Vorderschale (3) und der Innenschale (4) überstreicht.

2. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschraube (8) mit bestimmtem und erforderlichenfalls korrigiertem Drehmoment zur achsmittigen Ausrich­ tung des auskragenden Zylinderschafts (Z) angezogen wird.

3. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für Zylinderschäfte (Z) aus Werkstoffen verschiedenen Elastizitätsmoduls angepaßte Anzugs-Drehmomente der Spannschraube (8; 8a; 8b) vorgesehen sind.

4. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderschale (3) eine Oberflächenschicht mit niedrigem und annähernd gleichem Haft- und Gleitreibungskoeffi­ zienten aufweist.

5. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderschale (3) und die Innenschale (4) der Aufnahme (2) voneinander geringfügig abweichende Durchmesser aufweisen.

6. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderschale (3) im Mit­ tenbereich in Längsrichtung der Aufnahme (2) ausgekammert und als Vorderschalenaus­ kammerung (10) bezeichnet ist.

7. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschale (4) im Mitten­ bereich in Längsrichtung der Aufnahme (2), optional mit Ausnahme des sich direkt unter der Spannschraube (8; 8a; 8b) befindlichen Bereichs, freigearbeitet ist und als Innenscha­ lenauskammerung (11) bezeichnet ist.

8. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzauskammerung (5) einen Dichtring aufnimmt.

9. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konstruktiv bedingte Un­ wucht durch entgegengesetzt wirkende Materialentfernung an der Außenfläche des Futter­ körpers (1) ausgeglichen wird.

10. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Vorderschale (3) und der Innenschale (4) ballig verrundet sind.

11. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Futterkörper (1) minde­ stens eine Spannschraube mit kegeliger Stirn (8a) verwendet ist und einen Zylinderschaft (Z) mit versetzter kegeliger Spannfläche (F) und mit ringförmigem Bund als Plananschlag gegen die Futterstirn (12) mit anpreßt.

12. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschraube mit Druckstück (8b) über eine zum Zylinderschaft (Z) kongruente Aussparung im Druckstück ihre Spannkraft in einen glatten Zylinderschaft (Z) einleitet.

13. Spannfutter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschale (4) mit Hartstoffpartikeln gespickt ist.

14. Spannfutter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannschraube mit Druckstück (8b) auf der Aussparung des Druckstücks mit Hartstoffpartikeln gespickt ist.

15. Spannfutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Ansprü­ che 2 bis 12 in Kombination Anwendung finden.