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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Kupplung zweier Bauteile, insbesondere zweier Werkzeugteile,
mit einem am ersten Bauteil angeordneten, eine zylindrische Mantelfläche aufweisenden Passzapfen
und einer den Passzapfen an dessen Wurzel begrenzenden, radial überstehenden
Ringfläche,
mit einer am zweiten Bauteil angeordneten, eine zylindrische Innenfläche aufweisenden
und durch eine Stirnfläche
begrenzten Aufnahmehülse,
und mit einem den Passzapfen in die Aufnahmehülse einziehenden und dabei
die Ringfläche
und die Stirnfläche gegeneinander
pressenden Spannmechanismus.
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Die erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung ist
vor allem zur lösbaren
Kupplung von Werkzeugen mit einer Maschinenspindel (Schnittstelle) und
zur Verbindung von Werkzeugteilen untereinander (Trennstelle) bestimmt.
Unter "Werkzeugteile" sind insbesondere Bohrstangen, Verlängerungs-
und Reduzierstücke,
Verstellköpfe,
Spindelvorsatzflansche und Maschinenspindeln zu verstehen.
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Bei Kupplungen dieser Art erfolgt
die Zentrierung durch die Zylinderpassung des Passzapfens in der
Aufnahmehülse,
während
die Drehmitnahme überwiegend
durch Reibung auf Grund der Planflächenverspannung zwischen der
Ringfläche
und der Stirnfläche
erfolgt. Bei Zylinderpassungen tritt prinzipbedingt immer ein gewisses
radiales Spiel zwischen Passzapfen und Aufnahmehülse auf. Um diesen Nachteil
zu vermeiden, wurden bereits eine Kegelzentrierung vorgeschlagen,
bei der durch die elastische Ausbildung eines den Passzapfen ersetzenden
Hohlkegelschafts zusätzlich
eine Planflächenverspannung
möglich
ist. Die bei der Zylinderpassung möglichen, relativ ein fachen
Spannmechanismen sind aber nicht ohne weiteres auf den Hohlkegelschaft übertragbar.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung
die Aufgabe zu Grunde, die Kupplungsvorrichtung der eingangs angegebenen
Art dahingehend zu verbessern, dass trotz Verwendung der für den Einsatz
einfacher Spannmechanismen vorteilhaften zylindrischen Passzapfen
eine exakte Zentrierung möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird die
im Anspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte
Ausgestaltung und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zu Grunde,
dass der Passzapfen im Bereich seiner Wurzel eine von der zylindrischen
Mantelfläche
zur Ringfläche
hin divergierende Außenkonuspartie
und die Aufnahmehülse
eine hierzu komplementäre,
von der zylindrischen Innenfläche
zur Stirnfläche
divergierende Innenkonuspartie aufweist. Um eine ausreichende Planflächenverspannung
für die
Drehmitnahme zu gewährleisten,
wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die
Innenkonuspartie unter der Einwirkung des Spannmechanismus elastisch
aufweitbar ist. Die elastische Aufweitung wird vorteilhafterweise
dadurch ermöglicht,
dass die Aufnahmehülse eine
zur Stirnfläche
hin offene Ringnut aufweist, deren radial innere Flanke durch die
Innenkonuspartie gebildet ist. Die Flanken der Ringnut sind dabei zweckmäßig achsparallel
ausgerichtet.
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Zur weiteren Verbesserung der Aufweitbarkeit
der Innenkonuspartie ist es von Vorteil, wenn die radial innere
Flanke der Ringnut über
den Umfang verteilt angeordnete, zur Stirnfläche hin randoffene Durchbrüche aufweist.
Diese Maßnahme
wirkt zusätzlich
schwingungsdämpfend
und führt
zu einer Re duzierung der Geräuschemmision
beim Arbeitsvorgang. Grundsätzlich
ist es dabei möglich,
die Ringnut und/oder die radialen Durchbrüche zumindest teilweise mit
einem vorzugsweise kompressiblen, elastomeren Bindemittel auszufüllen. Statt
der radialen Durchbrüche
ist es grundsätzlich
auch möglich,
die Ringnut zur Innenflanke hin in definierten Abständen zu
erweitern, so dass sich weiche Biege- und Dehnzonen ergeben. Um
dies zu erreichen, wird gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die
radial innere Flanke der Ringnut mehrere über den Umfang verteilt angeordnete,
durch Materialschwächungen
begrenzte Biegezonen aufweist, wobei die Materialschwächungen
zwischen den Biegezonen eine elastische Dehnung ermöglichen.
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Der Konuswinkel des Innen- und des
Außenkonus
ist so bemessen, dass keine Selbsthemmung auftritt. Er sollte daher
mindestens 8° betragen.
Vorteilhafterweise weist die Innenkonuspartie der Aufnahmehülse einen
steileren, also kleineren Konuswinkel als die Außenkonuspartie des Passzapfen auf.
Die Konuswinkel sind dabei zweckmäßig so aufeinander abgestimmt,
dass die Konusflächen
im verspannten Zustand flächig
gegeneinander anliegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung weist der Passzapfen im Bereich zwischen
der zylindrischen Mantelfläche
und der Außenkonuspartie
eine radial offene Ringnut auf, so dass im Übergangsbereich eine kleine
Lücke verbleibt,
mit der Herstellungstoleranzen ausgeglichen und mechanische Überbestimmungen
beim Fügevorgang
vermieden werden.
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Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird
vor allem erreicht, dass über
die Länge
des Passzapfens und der Aufnahmehülse eine Zweiteilung entsteht:
Im zylindrischen Teil des Passzapfens und der Aufnahmehülse, der
keine Zentrierungsfunktion aufweist, befindet sich der Spannmechanismus. Die
konischen Partien sorgen ausschließlich für die Zentrierung, während die Planflächenverspannung unter
der Einwirkung des Spannmechanismus die Drehmitnahme bewirkt. Die
durch den Spannmechanismus eingebrachte Unsymmetrie bei der Planflächenverspannung
wird kompensiert durch die elastisch aufweitbare Innenkonuspartie
der Aufnahmehülse.
Bei geeigneter Dimensionierung der Passzapfenpassung in der Passbohrung
kommt es beim Spannvorgang zusätzlich
zu einer Anlage zwischen der Bohrungswand und dem Passzapfen und
damit zu einer Erhöhung
der Biegesteifigkeit im Verbindungsbereich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung weist der Spannmechanismus einen in einer Querbohrung
des Passzapfens verschiebbar angeordneten, an seinen Enden einen
Innen- oder Außenkonus
aufweisenden Klemmbolzen und zwei einander bezüglich der Passbohrung diametral
gegenüber
liegende, beim Spannvorgang unter gegenseitigem Anpressen der Werkzeugteile
im Bereich der Ring- und Stirnflächen
keilartig mit dem Klemmbolzen verspannbare, vorzugsweise als Halteschrauben ausgebildete
Spannorgane auf. Damit wird erreicht, dass die Planflächenverspannung
durch den Klemmbolzen und die Spannorgane erzeugt wird, während die
Zentrierung und Aussteifung der Kupplung über die Konuspartien am Passzapfen
und in der Aufnahmehülse
erfolgt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Wiederholgenauigkeit
beim Fügevorgang auf
Grund der konischen Spielfreisetzung gegenüber der reinen Zylinderpassung
um mindestens den Faktor drei verbessert wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
eines in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Seitenansicht zweier miteinander gekuppelter Werkzeugteile in Form
eines Messdorns mit Adapterstück;
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2 einen
Längsschnitt
durch die die Werkzeugteile nach 1;
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3 einen
Längsschnitt
durch das Adapterstück
nach 1 und 2;
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4 der
Messdorn nach 1 in schaubildlicher
Darstellung;
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5a und 5b zwei um 90° gegeneinander verdrehte
Seitenansichten des Werkzeugs nach 4;
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6 eine
Draufsicht auf die Aufnahmehülse
des Adapterstücks
in schaubildlicher Darstellung;
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7 einen
Ausschnitt aus dem Verbindungsbereich der teilweise zusammengesteckten Werkzeugteile
in geschnittener Darstellung.
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Die in der Zeichnung dargestellte
Verbindungsvorrichtung dient zur lösbaren Kupplung von Bauteilen 10, 12.
Unter "Bauteile" sollen nachstehend vor allem Werkzeugteile verstanden
werden, die entweder einen Passzapfen 14 oder eine Aufnahmehülse 16 enthalten.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist das mit dem Passzapfen 14 bestückte Bauteil 10 ein
Messdorn, während
das mit der Aufnahmehülse 16 versehene
Bauteil 12 ein Adapterstück mit einem Steilkegelschaft 18 für den Anschluss
an eine Maschinenspindel ist.
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Die Verbindungsvorrichtung besteht
im wesentlichen aus einem am ersten Bauteil 10 axial überstehenden
Passzapfen 14, einer am zweiten Bauteil angeordneten Aufnahmehülse 16 und
einem Spannmechanismus 20 zum Einziehen des Passzapfens 14 in
die Aufnahmehülse 16 sowie
zur Erzeugung einer Planflächenverspannung
zwischen der den Passzapfen 14 begrenzenden Ringfläche 22 des
ersten Bauteils 10 und der die Aufnahmehülse 16 begrenzenden
Stirnfläche 24 des
zweiten Bauteils 12. Der Passzapfen 14 weist eine
im wesentlichen zylindrische Mantelfläche 26 auf, die im
Be reich seiner Wurzel 28 in eine zur Ringfläche 22 hin
divergierende Außenkonuspartie 30 übergeht.
Andererseits weist die Aufnahmehülse 16 des
zweiten Bauteils 12 eine als Passbohrung ausgebildete,
im wesentlichen zylindrische Innenfläche 32 auf, die in
eine zur Stirnfläche 24 hin
divergierende Innenkonuspartie 34 übergeht. Weiter weist die Aufnahmehülse eine
zur Stirnfläche 24 hin
axial offene, als Einstich ausgebildete Ringnut 36 auf,
deren radial innere Flanke 38 durch die Innenkonuspartie 34 gebildet
ist. Wie insbesondere aus 3 zu
ersehen ist, ist die Ringnut 36 konzentrisch zur Werkzeugachse 40 angeordnet
und in Einstichrichtung achsparallel ausgerichtet. Mit dieser Maßnahme wird
erreicht, dass die Innenkonuspartie 34 beim Anpressen des
Passzapfens 14 mit seiner Außenkonuspartie 30 unter
der Einwirkung des Spannmechanismus 20 elastisch aufweitbar
ist.
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Eine weitere Verbesserung in dieser
Hinsicht kann dadurch erzielt werden, dass die radial innere Flanke 38 der
Ringnut 36 mehrere über
den Umfang verteilt angeordnete, durch Materialschwächungen 37 begrenzte
Biegezonen 39 aufweist. Beim Spannvorgang werden die Biegezonen 39 in
Richtung Ringnut 36 gebogen, wobei die Materialschwächungen 37 in
Umfangsrichtung elastisch gedehnt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
beträgt
der Konuswinkel der Innenkonuspartie 34 des zweiten Bauteils 12 ca.
10° und
der Außenkonuspartie 30 des ersten
Bauteils 10 ca. 11°.
Dadurch wird erreicht, dass im verspannten Zustand nach Aufweitung
der Innenkonuspartie 34 die beiden Konuspartien 30, 34 flächig gegeneinander
anliegen. Die Ringnut 36 kann ganz oder teilweise mit einer
elastomeren, vorzugsweise kompressiblen Masse ausgefüllt werden.
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Die zylindrische Mantelfläche 26 ist
von der Außenkonuspartie 30 durch
eine radial offene Ringnut 42 getrennt. Die dadurch erzeugte
Lücke sorgt dafür, dass
beim Einspannvorgang keine Toleranzprobleme auftreten.
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Der Spannmechanismus 20 enthält einen
in einer Querbohrung 44 des Passzapfens 14 verschiebbar
angeordneten Klemmbolzen 46, sowie zwei in Innengewinden 48, 50 des
zweiten Bauteils 12 eingedrehte, einander diametral gegenüberliegende
Halteschrauben 52, 54. Die Halteschraube 52 ist
dabei als mit ihrem Kopf 56 am zweiten Bauteil 12 festgelegte
Anschlagschraube ausgebildet, während die
Halteschraube 54 eine Bewegungsschraube bildet. Der Klemmbolzen 46 greift
mit seinem Außenkonus 58 in
einen Innenkonus 60 der benachbarten Anschlagschraube 52 ein
und weist an seinem dem Außenkonus 58 gegenüberliegenden
Ende einen Innenkonus 62 zur Aufnahme eines an der Bewegungsschraube 54 angeformten
Außenkonus 64 auf.
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Bei der Herstellung der Verbindung
muss dafür
gesorgt werden, dass die beiden Bauteile 10,12 bezüglich der
Verbindungsachse richtig zueinander orientiert sind. Die richtige
Drehorientierung der Bauteile 10,12 wird durch
exzentrisch angeordnete, achsparallel ausgerichtete, zueinander
komplementäre
Schlüsselelemente,
beispielsweise durch Zapfen-Loch- oder durch Keil-Schlitz-Kombinationen 70,72 in
den einander zugewandten Ringflächen 22,24 gewährleistet.
Diese Art der Drehorientierung ist auch bei herkömmlichen Verbindungsvorrichtungen
ohne den erfindungsgemäßen Zentrierkonus vorgesehen.
Um zu verhindern, dass Werkzeuge mit herkömmlicher ABS-Kupplung (ABS® =
Marke der Firma Komet) mit den erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtungen
kombiniert werden können,
wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass die
für die
Drehorientierung vorgesehenen exzentrisch angeordneten, achsparallel
ausgerichteten, zueinander komplementären Schlüsselelemente 70,72 in
ihren Abmessungen so verändert,
beispielsweise verlängert,
verbreitert oder verkürzt
werden, dass eine Fehlkombination ausgeschlossen ist. Ohne diese
Maßnahme
könnte es
bei unsachgemäßem Gebrauch
zu einer Beschädigung
der Verbindungsvorrichtung kommen.
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Zur Herstellung einer Verbindung
zwischen den beiden Bauteilen 10, 12 wird zunächst der
Passzapfen 14 bei ausgedrehter Bewegungsschraube 54 lose
in die Aufnahmehülse 16 des
zweiten Bauteils 12 bis zum Anschlag der Ringfläche 22 gegen
die Stirnfläche 24 eingeführt. Beim
anschließenden
Eindrehen der Bewegungsschraube 54 in das Innengewinde 50 kommt
es zunächst
zum Anschlag zwischen der Bewegungsschraube 54 und dem
Klemmbolzen 46 im Bereich der einander zugewandten Konusflächen 62, 64.
Im weiteren Verlauf des Spannvorgangs wird der Klemmbolzen 46 mit
seinem Außenkonus 58 bis
zum Anschlag gegen die Anschlagschraube 52 in den Innenkonus 60 eingeschoben.
In diesem Zustand setzten der eigentliche Spannvorgang ein, bei
welchem die durch die Halteschrauben 52, 54 eingeleiteten
Spannkräfte über die
konischen Anlageflächen
den Passzapfen 14 in die Aufnahmehülse 16 einziehende
Axialkräfte
umgesetzt werden. Die Axialkräfte
führen
zunächst
zu einer Aufweitung der Innenkonuspartie 34 der Aufnahmehülse 16 durch
die Außenkonuspartie 30 des
Passzapfens 14 bis die Ringfläche 22 des Passzapfens
gegen die Stirnfläche 24 der
Aufnahmehülse 16 anliegt.
Beim weiteren Anziehen der Bewegungsschraube 54 kommt es
schließlich
zu einer Planflächenverspannung
zwischen der Ringfläche 22 und
der Stirnfläche 24 des
ersten und des zweiten Bauteils 10, 12. Die Außenkonuspartie 30 und
die Innenkonuspartie 34 sorgen für eine exakte Zentrierung der
Bauteile 10, 12 und eliminieren das im Bereich
der Zylinderpassung vorhandene Spiel und die im Spannmechanismus 20 vorhandene
Unsymmetrie.
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Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten:
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur lösbaren Kupplung
zweier Bauteile 10, 12 beispielsweise zweier Werkzeugteile.
Das erste Bauteil 10 weist einen zylindrischen Passzapfen 14 sowie eine
den Passzapfen an dessen Wurzel 28 begrenzende, radial überstehende
Ringfläche 22 auf,
während
das zweite Bauteil 12 eine Aufnahmehülse 16 mit zylindrischer
Innenfläche 32 aufweist.
Weiter ist ein Spannmechanismus 20 vorgesehen, der beim Spannvorgang
dafür sorgt,
dass der Passzapfen 14 in die Aufnahmehülse 16 eingezogen
wird und dabei die Ringfläche 22 und
die Stirnfläche 24 gegeneinander
gepresst werden. Um mit einfachen Mitteln eine exakte Zentrierung
der Bauteile zu gewährleisten, wird
gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, dass der Passzapfen 14 im Bereich seiner
Wurzel 28 ein von der zylindrischen Mantelfläche 26 zur
Ringfläche 22 hin
divergierende Außenkonuspartie 30 und
die Aufnahmehülse 16 eine
hierzu komplementäre,
von der zylindrischen Innenfläche 32 zur
Stirnfläche 24 hin
divergierende Innenkonuspartie 34 aufweist.