DE19531211A1 - Spannwerkzeug mit Dehnhülse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannwerkzeug zum kraftschlüssi­ gen genauen Spannen eines Werkstückes der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Derartige Spannwerkzeuge werden zur genau zentrierten lös­ baren Befestigung eines Werkstückes oder eines Werkzeuges auf beispielsweise einer Spindel o. dgl. eingesetzt, wobei zur Erzielung der erforderlichen Spannkraft in einen Ring­ raum zwischen der Dehnhülse und dem Werkzeugkörper eine Druckflüssigkeit eingebracht wird, die eine radiale Dehnung oder auch Schrumpfung der elastisch begrenzt verformbaren Dehnhülse bewirkt.

Aus der DE 39 31 138 A1 ist ein Spannwerkzeug bekannt, auf dessen zylindrischem Körper eine Spannhülse sitzt, die aus Titan oder einer Titanlegierung besteht und an ihrer mit dem Werkstück in Kontakt gelangenden Oberfläche eine harte Schicht aufweist. Die Spannhülse ist mit einem endseitig angeformten Radialflansch mittels eines Gegenhalteringes an einem Ringbund des Dornkörpers fixiert. Der eigentliche Spannabschnitt der Dehnhülse umfaßt eine eingearbeitete Ringkammer, die endseitig durch Dichtungsringe gegenüber dem Dornkörper abgedichtet ist und über im Dornkörper ver­ laufende Kanäle mit einer Druckflüssigkeit beaufschlagt wird. Die Dehnhülse trägt außen eine Stirnverzahnung, deren Zahnspitzen gehärtet sind. Insbesondere aufgrund der ver­ wendeten Materialien für die Dehnhülse ist diese Ausführung kostspielig, wobei die für die üblicherweise geforderten guten Rundlaufeigenschaften notwendige Feinbearbeitung der Titanhülse einen erheblichen maschinellen und personellen Aufwand erfordert.

In der DE 39 09 630 A1 ist ein Spannwerkzeug zum kraft­ schlüssigen und hochpräzisen Spannen von Werkstücken be­ schrieben, bei dem eine im Spannwerkzeug festgelegte Dehn­ hülse in entspanntem Zustand mit geringem Spiel beweglich in dem zu spannenden Werkstück sitzt und die nach Beauf­ schlagen mit einem Druckmittel eine sehr genaue und feste Fixierung des Werkstückes am Spannwerkzeug herbeiführt. Zur Erzielung einer gegenüber herkömmlichen Stahlhülsen wesent­ lich vergrößerten Dehnrate besteht hier die Dehnhülse aus einer sog. Formgedächtnislegierung, die im austenitischen Zustand mit reversibler spannungsinduzierbarer Änderungs­ möglichkeit des Gefüges in den martensitischen Zustand be­ trieben wird. Das Spannen der Dehnhülse erfolgt entweder mechanisch durch ein spezielles Konusgewinde oder hydrau­ lisch durch Einführen einer Druckflüssigkeit in einen Ring­ raum, der zwischen der Umfangsfläche des Spanndorns und der Innenfläche der Dehnhülse vorgesehen ist. Zum Zuführen der Druckflüssigkeit sind im Spanndorn ein zentraler Axialkanal und von diesem abzweigende Radialkanäle ausgebildet. Auch dieses Spannwerkzeug ist wegen der verwendeten Metallegie­ rungen kostenaufwendig.

Schließlich ist aus der DE 31 16 289 A1 ein Spanndorn mit einer hydraulisch dehnbaren Spannhülse bekannt, die aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht und endseitig über besonders geformte Stahlringe am Dornkörper festgelegt ist. In einer Zentralbohrung des Dornkörpers von begrenzter Länge sitzt eine dünnwandige Hülse, in die ein zylindri­ scher Stutzen eines endseitig angeschraubten Zylinderkopfes hineinragt. Ferner befindet sich im Innenraum dieser dünn­ wandigen Hülse ein Kolben, dessen Kolbenstange den Zylin­ derkopf und auch die an das Spannwerkzeug montierte Spindel durchragt und an eine äußere Betätigungsvorrichtung ange­ schlossen ist. Der Arbeitsraum zwischen dem Kolben und dem zylindrischen Abschnitt des Zylinderkopfes steht über Boh­ rungen im Dornkörper mit einer äußeren Ringkammer in Strö­ mungsverbindung, die zwischen der Mantelfläche des Spann­ dorns und der Dehnhülse ausgebildet ist. In der Praxis haben sich jedoch bei der Verwendung von Dehnhülsen aus faserverstärkten Kunststoffen erhebliche Nachteile gezeigt. Zur Erzielung von akzeptablen Rundlaufeigenschaften ist es unerläßlich, die Hülsen an ihrem Außen- oder Innenmantel spanend zu bearbeiten. Dabei werden regelmäßig Verstär­ kungsfasern angeschnitten und/oder freigelegt, die durch Aufspleißen oder Brechen einen erheblichen Verschleiß ver­ ursachen. Ferner werden nach längeren Betriebszeiten Mikro­ risse beobachtet, die u. a. auf die verschiedenen Elastizi­ tätsmodule der verwendeten Glasfasern und des Kunstharzes sowie auch auf die problematischen Haftungsverhältnisse in den Grenzschichten zwischen Fasern und Kunststoffen zurück­ zuführen sind. Zur Verbesserung der Haftung der in das Kunstharz eingebetteten bruchfesten Fasern müssen zusätz­ liche Haftverstärker verwendet werden und insbesondere nach längeren Betriebszeiten besteht die Gefahr von Mikrorissen und einer ungenügenden Diffusionsdichtigkeit gegenüber dem verwendeten Druckmittel. Da ferner eine gleichmäßige Ver­ teilung und eine zuverlässige Orientierung der Verstär­ kungsfasern im Kunststoffmaterial praktisch nicht zu er­ reichen ist, treten Spannungskonzentrationen auf, die letztlich Ursache für ungenügende Rundlaufgenauigkeiten sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem gattungsgemäßen Spannwerkzeug die Nachteile bekannter Ausführungen zu ver­ meiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Verwendung einer bestimmten kriechfesten Kunststoffart als Dehnhülsenmaterial bewirkt, daß die bei faserverstärk­ ten Kunststoffen auftretenden Spannungskonzentrationen und Haftungsprobleme zwischen Fasern und Kunstharz vermieden werden, wodurch eine der Hauptursachen für das Entstehen von Mikrorissen und für die unzureichenden Rundlaufeigen­ schaften beseitigt sind. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Dehnhülsen sind gegenüber bekannten Ausführungen aus Stahl um ein Mehrfaches dickwandiger ausgebildet und können in­ nerhalb bestimmter Bereiche nachgearbeitet werden. Dies be­ deutet in der Praxis, daß sich der jeweilige Anwender die jeweils gewünschten Spanndurchmesser am fertigen Dorn oder auch am Spannfutter selbst anfertigen kann. Die Dehnungs­ rate einer erfindungsgemäß ausgebildeten Dehnhülse beträgt etwa 0,5 bis 2,0% und liegt damit erheblich über derjeni­ gen von den Hülsen aus Stahl oder faserverstärktem Kunst­ harz.

Der verwendete Kunststoff besitzt aufgrund seines minimalen Kriechverhaltens eine hohe Zeitstandfestigkeit. Seine Feuchtigkeitsaufnahme ist praktisch Null, woraus sich eine hohe Formbeständigkeit und Diffusionsdichtheit, insbeson­ dere auch gegenüber dem Druckmedium ergibt. Weitere wesent­ liche Eigenschaften des verwendeten Kunststoffmaterials sind gutes Rückformvermögen beim Entspannen der Dehnhülse, hohe Warmfestigkeit bis über 100°C, gutes Gleit- und Ver­ schleißverhalten sowie UV-Beständigkeit und Spanbarkeit.

Von wesentlicher Bedeutung für die Erzielung der ange­ strebten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Spannwerk­ zeuges sind die Anordnung und Abstützung der Dehnhülse im entspannten Zustand, die quasi spielfrei oder auch mit leichtem Preßsitz auf den Spanndorn bzw. in das Spannfutter geschoben und anschließend fixiert wird. Dabei erfolgt eine selbsttätige Formanpassung der Dehnhülse an den aus dem Spanndorn bzw. dem Spannfutter gebildeten Grundkörper, wobei die auf diese Weise fixierte entspannte Dehnhülse anschließend feinbearbeitet werden kann, was äußerst genaue Rundlaufeigenschaften ergibt, die gemessen auf einem Ideal- Werkstück in gespanntem Zustand bei 2 µm liegen.

Um bei dieser Anordnung eine Versorgung mit Druckmittel in dem Raum zwischen den Wandungen des Grundkörpers und der Dehnhülse zu gewährleisten, ist auf der vollen Länge des wirksamen Dehnhülsen-Abschnittes eine vorzugsweise spiralförmige Nut vorgesehen, die an einem im Grundkörper verlaufenden Druckmittelkanal angeschlossen ist und die Einleitung von Druckmitteln in den gesamten sich durch Spannen der Dehnhülse bildenden Spaltraum zwischen diesen beiden Wandungen ermöglicht.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die besondere Ge­ staltung der Spannkrafterzeugung, die manuell von der Werk­ stück-Seite des Spannwerkzeugs vorgenommen werden kann, was das sichere und hochgenaue Spannen von kleinsten Dornen mit Durchmessern von z. B. kleiner als 8 mm ermöglicht. Die Boh­ rung in dem hierzu verwendeten Spanndorn muß nur so groß sein, daß ein stabförmiges Betätigungswerkzeug, z. B. ein Sechskantsteckschlüssel, eingeführt werden kann, um durch eine Schraubbewegung den im hinteren breiteren Teil des Spannwerkzeuges vorgesehenen Kolben zu verschieben und einen entsprechend hohen Flüssigkeitsdruck in der vorge­ ordneten Kammer zu erzeugen. Die Druckflüssigkeit wird da­ durch über die Kanäle in die genannte Spiralnut zwischen Grundkörper und Dehnhülse gepreßt und bewirkt eine radiale Aufweitung der Hülse auch in den zwischen den Nutgängen liegenden Bereichen, so daß ein durchgehender etwa ring­ zylindrischer Druckraum entsteht. Diese Betätigungsart bringt Vorteile in der Handhabung und ist eine der Voraus­ setzungen bei Drehmaschinen, um den Dorn in ein Backen­ futter einzuspannen, wobei die Werkstückzuführung und das Festspannen von derselben Seite aus erfolgen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung lassen sich der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen entnehmen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 ein als Spanndorn ausgeführtes Spannwerkzeug im Axialschnitt; und

Fig. 2 ein als Spannfutter ausgebildetes Spannwerkzeug im Axialschnitt.

Der in Fig. 1 dargestellte Spanndorn enthält einen zylin­ drischen mehrstufig abgesetzten Spanndornkörper 1, auf des­ sen schmalerem Endabschnitt mehrere plattenförmige Werk­ stücke 2 mittels einer Dehnhülse 3 achszentriert und mit hoher Rundlaufgenauigkeit aufgespannt werden. Die Spannhül­ se 3 hat bei dieser Ausführung eine durchgehend konstante Wandstärke und besteht aus einem besonderen thermoplasti­ schen Kunststoff, insbesondere aus linearen Polyestern, wie PET, PBT und PC sowie deren Blends und Polyblends (Poly­ merisat-Gemische erhöhter Schlagzähigkeit mit chloriertem Polyethylen). An einem Ende weist die Dehnhülse 3 einen Radialkragen 4 auf, der sich an einer Ringschulter 5 des Körpers 1 abstützt, wobei in der Auflagefläche ein Dich­ tungsring 6 angeordnet ist. Dieser Radialkragen 4 wird ge­ gen die Ringschulter 5 und den Dichtungsring 6 mittels einer Überwurfmutter gepreßt, die auf den an die Ringschul­ ter 5 angrenzenden Abschnitt des Dornkörpers 1 aufge­ schraubt ist.

Im Dornkörper 1 ist eine durchgehende mehrfach abgesetzte Zentralbohrung 8 ausgebildet, die an dem in Fig. 1 rechten Ende eine Erweiterung zur Aufnahme einer Buchse 9 aufweist. In dem an diese Buchse 9 anschließenden glattwandigen Län­ genabschnitt 10 hat die Zentralbohrung 8 einen Durchmesser, der zum Einführen eines stabförmigen Sechskantschlüssels ausreicht. An diesen Längenabschnitt 10 schließt ein Gewin­ deabschnitt 11 an, in welchem eine Stellschraube 11 mit Außengewinde und einer Sechskant-Einstecköffnung 13 zur Aufnahme des Steckschlüssels angeordnet ist. Diese Stell­ schraube 12 steht mit einer Kolbenstange 14 in Wirkver­ bindung, deren Kolben 15 mittels einer Dichtungsanordnung 16 in einem erweiterten Abschnitt 17 der Zentralbohrung axialverschiebbar angeordnet ist. In einen nochmals erwei­ terten endseitigen Abschnitt der Zentralbohrung 8 ist ein Stopfen 19 mit einer zentralen Ventilanordnung 20 befestigt und durch einen Dichtungsring 21 abgedichtet. Die Ventil­ anordnung 20 enthält ein Kugelventil 22, das axial von ggfs. verstellbaren Stützgliedern an seinem Sitz gehalten ist und das eine zentrale Entlastungsbohrung 23 zu dem einen Druckmittelraum bildenden Abschnitt 17 der Zentral­ bohrung 8 sperrt.

Der Stopfen 19 ist so ausgebildet, daß zwischen seiner Stirnfläche und einer am Dornkörper 1 ausgebildeten Ring­ schulter ein schmaler Ringraum besteht, der einerseits mit dem Arbeitsraum 17 und andererseits mit einem achsparallel im Dornkörper verlaufenden Druckmittelkanal 22 in Strö­ mungsverbindung steht. Dieser Druckmittelkanal 24 führt zu einer Spiralnut 25, die beim vorliegenden Ausführungsbei­ spiel an dem Außenmantel des die Dehnhülse 3 tragenden Ab­ schnitts des Dornkörpers ausgearbeitet ist. Am Ende dieser Spiralnut 25 befindet sich ein Dichtungsring 26, der zusam­ men mit dem Dichtungsring 6 den wirksamen Spannabschnitt der Dehnhülse 3 begrenzt. Im entspannten Zustand sitzt die Dehnhülse 3 im leichten Preßsitz auf dem entsprechenden Ab­ schnitt des Dornkörpers 1, so daß ihre Innenfläche bis auf die Spiralnuten 25 in durchgehender Druckanlage an dem Au­ ßenmantel dieses Dornkörperabschnittes anliegt.

Da das Kunststoffmaterial der Dehnhülse eine gewisse Form­ steifigkeit besitzt und die Dehnhülse in ihrem entspannten Zustand durch die großflächige Druckanlage und auch durch die Einspannung ihres Ringflansches 4 auf dem zugehörigen Abschnitt des Dornkörpers 1 festgelegt ist, kann der Außen­ umfang der so eingespannten Dehnhülse 3 feinbearbeitet wer­ den, um eine hochgenaue Achszentrierung und damit hervorra­ gende Rundlaufeigenschaften zu erzielen.

Nach Einführen eines - nicht dargestellten - Sechskant­ schlüssels in die Ausnehmung 13 der Stellschraube 12 kann durch Verdrehen dieser Stellschraube 12 der Kolben 15 axial verschoben werden, wodurch die in dem Arbeitsraum 17 einge­ schlossene Flüssigkeit über den spaltförmigen Ringraum 18 in den achsparallelen Kanal 24 und aus diesem in die Spi­ ralnut 25 gedrückt wird. Damit erfolgt eine gleichförmige radiale Aufweitung der Dehnhülse 3 unter Ausbildung eines schmalen langgestreckten Ringraums zwischen der Innenwan­ dung der Dehnhülse 3 und der Außenwandung des die Spiral­ nuten 25 enthaltenden Abschnitts des Dornkörpers 1.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Spannfutter weist ein zylindrischer Grundkörper 30 eine stirnseitig offene zylin­ drische Ausnehmung 31 auf, in der eine erfindungsgemäße Dehn- bzw. Spannhülse 32 in leichtem Preßsitz aufgenommen ist, so daß die Außenwandung dieser Dehnhülse 32 in leich­ ter Druckanlage an der Innenwandung der Ausnehmung 31 an­ liegt. Die Dehnhülse 32 besitzt einen endseitigen radial nach innen vorstehenden Kragen 33, der als Widerlager für ein am Ende der Ausnehmung 31 durch Schrauben 34 im Grund­ körper 30 lösbar befestigtes Druckelement 35 dient. Die Dehnhülse 32 besteht aus dem gleichen Werkstoff wie die Dehnhülse 3 der Ausführung nach Fig. 1. In der die Aus­ nehmung 31 umgebenden Wandung sind Spiralnuten 36 ausge­ bildet, die mit einem zentralen Ringraum 37 in Strömungs­ verbindung stehen. Der die Nuten 36 enthaltende Längen­ abschnitt wird von zwei Ringdichtungen 38, 39 begrenzt. Der Ringraum 37 steht über einen im Grundkörper 30 verlaufenden Druckmittelkanal 40 mit einer äußeren - nicht dargestell­ ten - Druckmittelversorgung in Verbindung. Ferner befindet sich im Grundkörper 30 und im Druckstück 35 eine Zentral­ bohrung 41.

Die Funktion bzw. Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Spannfutters entspricht derjenigen des Spanndorns gemäß Fig. 1, wobei das Spannfutter bestimmungsgemäß zur Fixie­ rung eines in die Ausnehmung 31 eingeführten zylindrischen Bauteils dient.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungen und Einzelheiten beschränkt. So können statt der Spiralnuten 25 bzw. 36 auch Axial- und/oder Ringnuten vorgesehen sein. Ferner kann auf die dargestellten Ring­ dichtungen 6, 26 bzw. 38, 39 unter Umständen verzichtet werden, wenn die Endteile der Dehnhülse versteift und mit­ tels einer stärkeren Schrumpfverbindung auf die entspre­ chenden Abschnitte des Grundkörpers 1 bzw. 30 aufgezogen werden. Darüber hinaus können die Nuten 25, 36 auch in der Wandung der Dehnhülse ausgebildet sein. Sollte der Grund­ körper aus einem relativ weicheren Werkstoff, z. B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, bestehen, dann können geeignete Zentriereinsätze zur genauen Fixierung der Dehnhülse eingesetzt werden.

Von besonderer praktischer Bedeutung ist es, daß es sich bei den erfindungsgemäßen Kunststoff-Dehnhülsen um kon­ struktiv einfache und preiswerte Artikel handelt, die bei Bedarf schnell und kostengünstig ausgewechselt werden kön­ nen. Da die Wandstärke der erfindungsgemäßen Kunststoff- Dehnhülsen erheblich größer, und zwar bis zu dem Achtfachen größer als die herkömmlicher Dehnhülsen aus Stahl, Titan oder einer Formgedächtnislegierung ist, und da ihre Deh­ nungsrate erheblich über derjenigen bekannter Dehnhülsen- Ausführungen liegt, kann eine ggfs. teilverschlissene Dehn­ hülse vom Anwender nachgearbeitet werden. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Dehnhülse auch mit einer ver­ schleißfesten und harten Oberflächenbeschichtung versehen sein. Schließlich kann die erfindungsgemäß ausgebildete Dehnhülse einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt haben, wobei die wirksame Spannfläche der inneren oder äußeren Umfangsfläche des zu spannenden Gegenstandes angepaßt ist.

Claims (8)

1. Spannwerkzeug zum kraftschlüssigen präzisen Spannen eines Bauteils, z. B. eines Werkstücks, eines Werk­ zeugschaftes od. dgl., bestehend aus

• - einem Grundkörper (1; 30),
• - einer auf einem Teil des Grundkörpers (1; 30) lösbar montierten und radial elastisch verformbaren Dehnhül­ se (3; 32) mit axial beabstandeten Dichtungen (6, 26; 38, 39), die einen Druckraum zwischen ihrer wirksamen Mantelfläche und der gegenüberliegenden Wandung des Grundkörpers (1) abdichten, und
• - einer Einrichtung zum Einleiten und Ablassen eines Druckmittels in den Druckraum, dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Dehnhülse (3; 32) zumindest in ihrem radial ver­ formbaren Teil aus einem dickwandigen und kriechfe­ sten thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht.

2. Spannwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radialen Endabschnitte der Dehnhülse (3; 32) formsteifer als ihr radial verformbarer Teil ausgebil­ det sind und im druckdichten Preßsitz auf dem zugehö­ rigen Teil des Grundkörpers (1; 30) montiert sind.

3. Spannwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dehnhülse (3; 32) zumindest einen Radialkragen (4; 34) zum lösbaren Befestigen am Grund­ körper (1; 30) aufweist.

4. Spannwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zusammen­ wirkenden Wandungen des radial verformbaren Teils der Dehnhülse (3; 32) und des Grundkörpers (1; 30) nutför­ mige Druckmittelkanäle (25; 36) vorgesehen sind, die mit der Einrichtung zum Einleiten eines Druckmittels über im Grundkörper (1; 30) verlaufende Kanäle (24; 40) in Strömungsverbindung stehen.

5. Spannwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nutförmigen Druckmittelkanäle (25; 36) in Form von Spiralnuten ausgebildet sind.

6. Spannwerkzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Spanndorn bildenden Grundkörper (1) eine Kolben-Zylinder-Einheit (14 bis 17) zentral angeordnet ist, deren Kolben (15) über Stellglieder (12, 13) von der freien Spannseite aus manuell verschiebbar ist und deren Arbeitsraum (17) über eine endseitige Ringkammer und einen achsparallel im Grundkörper verlaufenden Kanal (24) mit dem Druck­ raum (25) in Strömungsverbindung steht.

7. Spannwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der abgedichtet in einer erweiterten Zentralbohrung (8, 17) angeordnete Kolben (15) über seine Kolbenstange (14) mit einer in einem Gewindeabschnitt (11) der Zentralbohrung (8) sitzenden Stellschraube (12) in Wirkverbindung steht, welche durch Verdrehen eines vom freien Dornende aus eingeführten Werkzeugs verstellbar ist.

8. Spannwerkzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im spindelseitigen Endteil des Grund­ körpers (1) eine Ventilanordnung (19 bis 23) zum Ein­ speisen bzw. Ablassen des Druckmittels in den bzw. aus dem Arbeitsraum (17) angeordnet ist.