DE19705362A1 - Spannzylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannzylinder zur Betätigung des Spannfutters einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Drehmaschine, bestehend aus einem Zylindergehäuse mit stirnseitig befestigter Deckplatte, einem in einer Arbeits­ kammer des Zylindergehäuses axial verschiebbaren Kolben zum Erzeugen der Spannkraft, dessen Kolbenstange mit dem Spann­ futter kuppelbar ist, und aus einem an der anderen Stirn­ seite des Zylindergehäuses befestigten Verteiler, der An­ schlüsse zum Zu- und Abführen des hydraulischen Druckmit­ tels in die Arbeitskammer aufweist.

Bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken werden allge­ mein Spannfutter zur Halterung des Werkzeugs oder auch des Werkstücks verwendet, in die ein rotationssymmetrisches Bauteil des Werkzeuges, z. B. dessen Schaft, bzw. des Werk­ stücks eingespannt werden. Insbesondere in Drehmaschinen werden derartige Spannfutter von Spannzylindern betätigt, die als Hohlspannzylinder oder als Vollspannzylinder ausge­ führt sind. Hohlspannzylinder dienen zur Halterung von stab- oder rohrförmigen Werkstücken, wobei das Stabmaterial das Spannfutter und auch den Spannzylinder durchragt. Vollspannzylinder werden in Verbindung mit entsprechend ausgebildeten Spannzangen zur Halterung von kurzen Werk­ stücken eingesetzt.

Bei der spanenden Werkstückbearbeitung tritt eine uner­ wünschte Erwärmung der Spannzylinder auf, die durch geeig­ nete Maßnahmen, wie innere Wärmeabfuhr, Luftkühlung od. dgl. , in Grenzen gehalten werden muß. Diese thermischen Probleme sind verknüpft mit einer möglicherweise unzurei­ chenden Schmierung der hochbelasteten Bauteile des Spannzy­ linders, die besonders bei der Langzeitbearbeitung von Werkstücken, d. h. beim Dauerbetrieb, verstärkt auftreten können. Die Schmierung herkömmlicher Spannzylinder und de­ ren Verteiler erfolgt durch das hydraulische Druckmittel, das unter hohem Druck in das im Verteiler vorgesehene Ka­ nalsystem eingeführt und in diesem gesondert zu der einen oder anderen Arbeitskammer im Zylindergehäuse geleitet wird. Aus der Ringnut im druckführenden Zweig des Kanalsy­ stems gelangt eine geringe Menge an Druckmittel in den Spalt zwischen der Umfangsfläche der rotierenden Kolben­ stange und der Innenwandung des Verteilergehäuses. Da auf­ grund der hohen Drücke und Drehzahlen keine elastisch ver­ formbaren Dichtungsringe im Verteiler eingesetzt werden können, erfolgt die Abdichtung durch die Bemessung der schmalen Dichtspalte selbst, wobei die zwangsläufig auftre­ tende Leckage über gesonderte Bohrungen und Kanäle drucklos abgeführt wird. Das durch den Dichtspalt abfließende Lecköl dient der Schmierung und der Wärmeabfuhr. Bei zu schmalem Dichtspalt ergibt sich durch unzureichende Kühlwirkung eine hohe Wärmeentwicklung und eine nur geringe Schmierwirkung. Da beide Arbeitskammern im Zylindergehäuse wechselweise über zwei gesonderte Ringnuten im Verteilergehäuse sowie zwei gesonderte achsparallele Kanäle in der rotierenden Kolbenstange mit Druckmittel versorgt werden und die beiden Ringnuten notwendigerweise einen gewissen axialen Zwischen­ abstand haben, kann es ferner zu einer ungleichmäßigen Ver­ teilung des Lecköls über die axiale Länge des Dichtspalts kommen, was dann zu einer einseitig verstärkten Erwärmung der jeweiligen Bauteile führt.

Bei Spannzylindern und deren Spannzangen spielt noch der Aspekt der auftretenden Massenträgheit insbesondere dann eine erhebliche Rolle, wenn diese Spannelemente in modernen mit hohen Drehzahlen arbeitenden Drehmaschinen eingesetzt werden sollen. Dies gilt im besonderen Maße für die Hohlspannzylinder, die aufgrund ihrer zur Aufnahme des Stabmaterials erforderlichen Innenbohrung einen entspre­ chend größeren Außendurchmesser haben müssen und bei denen extrem hohe Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Um die Mas­ senträgheit der Spannzylinder zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen, die wesentlichen Bauteile, wie das Zylinder­ gehäuse und dessen Deckel, aus Aluminium herzustellen. Es hat sich allerdings gezeigt, daß diese Ausführungen wegen der relativen Weichheit des Al-Werkstoffs einem zu großen Verschleiß unterliegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannzylinder zur Betä­ tigung von Spannfuttern zu schaffen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik wesentlich verringert werden und der durch sein verbessertes Betriebsverhalten, insbesondere hinsichtlich Trägheitsmoment, Schmierung und Wärmeabfuhr, für den Einsatz bei hohen Drehzahlen besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zylindergehäuse mit seinem Deckel und der Verteiler aus Leichtmetall bestehen, wobei deren Gleitflächen zumindest teilweise hart-coatiert sind, daß der Kolben aus Werkzeug­ stahl besteht und hartbeschichtete Laufflächen aufweist und daß der Dichtungsspalt zwischen der Kolbenstange und der Verteilerwandung über gesonderte Bohrungen mit Druckmittel beaufschlagt ist.

Die Ausführung des Zylindergehäuses und seines Deckels aus einem Leichtmetall ermöglicht eine Gewichtsverringerung dieser Bauteile bei weitestgehend gleichen Abmessungen, was zu einer erheblichen Reduzierung der im Betrieb auftreten­ den Trägheitsmomente führt. Der erfindungsgemäße Einsatz von hart-coatierten Gleitflächen insbesondere an der Innen­ wandung der Durchgangsbohrung im Verteilergehäuse ergibt in Verbindung mit den hartbeschichteten Laufflächen der Kol­ benstange eine extreme Verschleißminderung, die sich in ei­ nem wesentlich verbesserten Laufverhalten besonders im Langzeitbetrieb, einer wirksameren Druckölschmierung in dem über seine Länge praktisch konstanten Dichtungsspalt und schließlich auch zu einer verbesserten Kühlwirkung führt. Eine Optimierung der Schmier- und Kühl-Effekte wird noch dadurch erreicht, daß in jedem Betriebszustand des Spannzy­ linders Drucköl jeweils an zwei Stellen in den Dichtungs­ spalt eingeführt wird, und zwar einmal in herkömmlicher Weise über die Ringnut und zum anderen über die erfindungs­ gemäß zusätzlich vorgesehene Radialbohrung, die in einem ausreichend großen axialen Abstand zur jeweils zugehörigen Ringnut vorgesehen ist. Diese zusätzliche Drucköleinfuhr in den Dichtungsspalt gewährleistet eine weitestgehend gleich­ mäßige Verteilung des Drucköls über die gesamte axiale Län­ ge des Dichtungsspalts und damit hervorragende Schmier- und Kühleffekte.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wärmeabfuhr durch ein speziell ausgebildetes Luftlei­ tungssystem weiter intensiviert, das zweckmäßig ein am Ver­ teilergehäuse befestigtes und das Zylindergehäuse teilweise übergreifendes Luftleitblech und äußere Axialnuten im Ver­ teilergehäuse umfaßt, die eine intensive gerichtete Kühl­ luftströmung erzeugen.

Weitere Besonderheiten und Aspekte lassen sich der folgen­ den Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vollspannzylinder in schematischer perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 den Vollspannzylinder nach Fig. 1 im Axial­ schnitt.

Der in der Zeichnung dargestellte Vollspannzylinder zur Be­ tätigung eines Spannfutters umfaßt den im Betrieb rotieren­ den Zylinder 1, den an einem Maschinenteil befestigten Ver­ teiler 2 für die Druckmittelzufuhr und eine Kolbenbaugruppe 3.

Der Zylinder 1 besteht aus einem Zylindergehäuse 4, an des­ sen in Fig. 2 rechter Stirnseite ein Deckel 5 druckdicht befestigt ist. Der Deckel 5 und die rückwärtige Stirnwand 6 des Zylindergehäuses 4 weisen jeweils eine achszentrierte Bohrung 7 bzw. 8 mit Ringdichtungen 9, 10 auf. Im Inneren des Zylindergehäuses 4 befindet sich eine Arbeitskammer 11, in welcher ein Kolben 12 der Kolbenbaugruppe 3 axial ver­ schiebbar angeordnet ist. Dieser Kolben 12 ist einstückig mit einer sich an seinen beiden Seiten erstreckenden Kol­ benstange 13 ausgeführt, deren in Fig. 2 rechter Teil 14 die Bohrung 7 im Deckel 5 abgedichtet durchragt und an sei­ nem Ende Kupplungsmittel 15 zur direkten oder indirekten Befestigung eines Spannfutters aufweist. An der dem Zylin­ dergehäuse 4 zugewandten Stirnseite des Deckels 5 sind zwei Ringansätze 16, 17 angeformt, von denen der radial äußere Ringansatz 17 den Deckel 5 im Gehäuse zentriert und gleich­ zeitig einen Endanschlag für den Kolben 12 in seiner darge­ stellten äußersten rechten Endstellung bildet. Der radial innere Ringansatz 17 verlängert die Führungsfläche der Dec­ kelbohrung 7 und kann ebenfalls als Endanschlag für den Kolben 12 dienen.

In dem Kolben 12 sind zwei entsperrbare Rückschlagventile 20, 21 hier diametral gegenüberliegend angeordnet, die bei Ausfall der Druckmittelversorgung automatisch sperren und damit den Druck in der jeweiligen Arbeitskammer 11, 11' aufrechterhalten. Die beiden Rückschlagventile 20, 21 sind im wesentlichen gleich ausgebildet und entgegengerichtet eingebaut. Jedes Ventil weist eine in einer Axialbohrung des Kolbens abgedichtet befestigte Buchse auf, in der ein schwach federbelastetes Ventilglied axial verschiebbar an­ geordnet ist, dessen Stirnfläche dem Druck in der jeweili­ gen Arbeitskammer ausgesetzt ist. Bei einem Druckabfall in der Druckmittelversorgung wird dieses Ventilglied durch den in der Arbeitskammer herrschenden Druck gegen einen ring­ förmigen Ventilsitz gedrückt, der in der Buchse ausgebildet ist. Dieses Ventilglied ist über eine Stange mit einem Kol­ ben fest verbunden, der in dem anderen Endabschnitt der je­ weiligen Buchse angeordnet ist. Beim Umschalten, d. h. wenn die Arbeitskammer 11 entlastet und die Arbeitskammer 11' mit Drucköl beaufschlagt werden soll, erfolgt eine entspre­ chende Verstellung der beiden Ventilglieder aufgrund der geänderten Druckbeaufschlagung ihrer Kolben.

An der in Fig. 2 linken Seite des Kolbens 12 ist eine wei­ tere Kolbenstange 22 vorgesehen und einstückig mit dem Kol­ ben 12 ausgebildet. Diese Kolbenstange 22 durchragt die Bohrung 8 in der rückwärtigen Stirnwand des Zylindergehäu­ ses 4, wobei die Dichtungsringe 10 einen Austritt des Druckmittels aus der Arbeitskammer 11 durch den Ringspalt zwischen der Kolbenstange 22 und der Gehäusewand 6 verhin­ dern. Da die Bauteile 4, 6 und 22 mit der gleichen Drehzahl rotieren, können die Dichtungsringe 9 und 10 einen Austritt von Lecköl wirksam verhindern.

In der linksseitigen Kolbenstange 22 sind zwei Axialkanäle 23, 24 angeordnet, die endseitig durch je einen Pfropfen 25, 26 verschlossen sind und deren in Fig. 2 rechtes Ende über je eine im Kolben 12 verlaufende Radialbohrung 27, 28 mit jeweils einem der beiden Rückschlagventile 20, 21 ver­ bunden sind.

Im mehrteiligen Gehäuse 29, 29a des Verteilers 2 sind zwei- gestrichelt dargestellte - Druckmittelkanäle 31, 32 aus­ gebildet, die an einen geeigneten Druckerzeuger angeschlos­ sen sind und in je eine Ringnut 33, 34 ausmünden. Eine die­ ser Ringnuten 33 ist mit dem einen Axialkanal 24 und die andere Ringnut 34 mit dem zweiten Axialkanal 23 über je ei­ ne Radialbohrung 35 bzw. 36 in der Kolbenstange verbunden. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Betriebszustand sind die druckmittelführenden Kanäle und Räume durch Kreuze und den Pfeil an der Einmündung des Kanals 31 gekennzeichnet. Der Kolben 12 und die beidseitigen Kolbenstangen 14, 22 befin­ den sich somit aufgrund des im Arbeitsraum 11 wirksamen Druckes in der rechten Endstellung, in welcher die Kupp­ lungsmittel 15 am Ende der Kolbenstange 14 über die Deck­ platte 5 maximal vorstehen und die Arbeitskammer 11 mit dem Druckmittel beaufschlagt ist.

Die linke zusammen mit dem Kolben 2 und den weiteren Teilen des Zylinders 1 rotierende Kolbenstange 22 ist in zwei Ku­ gelrillenlagern 38, 39 im Verteilergehäuse 29 gelagert. Diese beiden Kugelrillenlager 38 und 39 gewährleisten einen durchgehenden Dichtungsspalt 40 zwischen der Bohrung im Zy­ lindergehäuse 29 und der Umfangswand des Kolbenstange 22. In diesen Dichtungsspalt 40 wird Drucköl aus der jeweils druckführenden Ringnut, hier der Ringnut 33, hineinge­ drückt. Um eine zusätzliche Versorgung des Dichtungsspaltes 40 mit Drucköl zu gewährleisten, sind erfindungsgemäß zwei Radialbohrungen 41, 42 in der Kolbenstange ausgebildet, die jeweils von einem der Axialkanäle 23 bzw. 24 zu dem einen bzw. anderen Endabschnitt des Dichtungsspaltes 40 führen. Die Anordnung dieser beiden Radialbohrungen ist so getrof­ fen, daß jeweils das der druckführenden Ringnut 33 bzw. 34 abgewandte Endteil des Dichtungsspalts 40 wirksam mit Drucköl über die zugehörige Radialbohrung 41 bzw. 42 ver­ sorgt wird. Wie dargestellt, befindet sich die funktionsmä­ ßig der linken Ringnut 33 zugeordnete Radialbohrung 42 am rechten Endabschnitt des Dichtungsspalts 40 und die der jetzt drucklosen rechten Ringnut 34 zugeordnete Radialboh­ rung 41 ist am linken Ende des Dichtungsspalts 40 positio­ niert.

Das Drucköl tritt an beiden Enden aus dem Dichtungsspalt 40 aus und wird nach Durchfluß jedes der beiden Rollenlager 38, 39 über Kanäle 44, 45 und einen Auslaß 46 aus dem Ver­ teilergehäuse drucklos abgezogen.

Bei der dargestellten Ausführung bestehen das Zylinderge­ häuse 4, dessen Deckel 5 und auch das Verteilergehäuse 29 aus einem Leichtmetall, vorzugsweise einer Al-Legierung. Dadurch werden die Trägheitsmomente des rotierenden Zylin­ dergehäuses 4 und des Deckels 5 gegenüber herkömmlichen Ausführungen aus Stahl wesentlich verringert. Der Kolben 12 und seine beiden mitrotierenden Kolbenstangen 14, 22 beste­ hen aus einem Werkzeugstahl. Um den Verschleiß zu minimie­ ren, sind die den Dichtungsspalt 40 begrenzende Innenwand des Verteilergehäuses 29 und auch die Innenwand 11a der Ar­ beitskammer 11 im Zylindergehäuse 4 hart-coatiert. Beim sog. Hart-Coatieren von Aluminiumkörpern wird auf der je­ weiligen Oberfläche durch hartanodische Oxidation eine ke­ ramikähnliche Schicht gebildet, die vorwiegend aus ver­ schleißfesten und außerordentlich harten Aluminiumoxiden mit Härten von 1100 bis 1300 Hv und einem Porenvolumen von 8 bis 12% besteht. Durch Imprägnierung dieser Schicht mit PTFE (Polytetrafluorethylen), d. h. Einlagerung von PTFE in die Poren, wird der Reibungskoeffizient wesentlich verrin­ gert, so daß letztendlich eine verschleißfeste Oberflächen­ schicht an der Bohrungswandung im Verteilergehäuse erzeugt wird, die den Dichtungsspalt 40 begrenzt und hervorragende Gleiteigenschaften besitzt.

Zur Optimierung der Verschleißminderung sind die Laufflä­ chen des Kolbens 12 und der Kolbenstangen 14, 22 hartbe­ schichtet, und zwar mit einer besonders harten und dichten Chromschicht, deren Härte mindestens 1100 Hv beträgt und die aus mindestens 99% Chrom besteht. Gegenüber herkömmli­ chen Chrom- oder Nickel-Beschichtungen zeichnen sich die hartbeschichteten Laufflächen durch eine wesentlich erhöhte Verschleißfestigkeit, eine verbesserte Korrosionsbeständig­ keit und günstigere Gleiteigenschaften aus. Insgesamt wird somit durch das Hart-Coatieren der Gleitflächen der Al- Bauteile und durch das Hartverchromen der Kolben- und Kol­ benstangen-Bauteile eine wesentliche Verschleißminderung erreicht, die eine genaue Konstanthaltung des Dichtungs­ spalts auch nach langen Betriebszeiten und damit eine in­ tensive Kühl- und Schmierwirkung durch das den Dichtspalt gleichmäßig durchfließende Drucköl gewährleistet.

Zur weiter verbesserten Wärmeabfuhr verfügt der erfindungs­ gemäße Spannzylinder über ein Luftleitsystem, das eine das Verteilergehäuse 29 durchsetzende Luftströmung erzeugt, die in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet ist. Zu diesem Zweck ist auf dem zylindrischen Teil des Verteilergehäuses 29 ein Leitblech 50 befestigt, das sich über etwa den halben Um­ fang des Verteilergehäuses 29 erstreckt und axial in einen schrägen Abschnitt 51 übergeht, an den sich ein teilzylin­ drischer Abschnitt 52 anschließt, welcher zumindest einen Teil des Zylindergehäuses mit radialem Abstand umgibt. Durch die Rotation des Zylindergehäuses wird eine rotieren­ de Luftströmung erzeugt, die noch durch Befestigungsschrau­ ben 53 für den Gehäusedeckel 5 sowie durch einen Radialkra­ gen 54 verstärkt wird. Ein Teil dieser Luftströmung wird vom Leitblech 50 bis 52 in Richtung auf das Verteilergehäu­ se geführt und durchströmt Axialnuten 55, die im Verteiler­ gehäuse 29 ausgebildet sind.

An dem das Zylindergehäuse 4 umgebenden Teil 52 des Leit­ bleches sind noch zwei Näherungsschalter 60, 61 verstellbar befestigt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung beschränkt, sondern umfaßt auch verschiedene an­ dere Ausführungen von Einzelteilen der Spannzylinder. Ins­ besondere umfaßt die Erfindung auch die sog. Hohlspannzy­ linder, bei denen sich eine durchgehende Bohrung zur Auf­ nahme des Stabmaterials durch den gesamten Zylinder-Baukör­ per, d. h. durch den Zylinderkörper 1 und den Verteiler 2 erstreckt. Zu Abwandlungen der Erfindung gehören weiterhin auch Beschichtungen der Laufflächen von in Spannzylindern verwendeten Kolben und Kolbenstangen sowie der Gleitflächen an den Leichtmetallbauteilen, insbesondere am Verteilerge­ häuse, die qualitativ vergleichbare Eigenschaften wie die Hartchrom-Beschichtungen an den Kolben-Bauteilen bzw. die Hart-Coatierungen an den Leichtmetall-Bauteilen haben.

Claims (7)

1. Spannzylinder zur Betätigung des Spannfutters insbeson­ dere einer Drehmaschine, bestehend aus

• - einem Zylindergehäuse (4) mit stirnseitig befestigter Deckplatte (5),
• - einem in der Arbeitskammer (11) des Zylindergehäuses (4) axial verschiebbaren Kolben (12) zum Erzeugen der Spannkraft, dessen Kolbenstange direkt oder indirekt mit dem Spannfutter kuppelbar ist, und
• - einem axial neben dem Zylindergehäuse (4) ortsfest angeordneten Verteiler (2) mit einem Kanalsystem (31 bis 34) zum Zu- und Abführen des Druckmittels in die Arbeitskammer (12),
  dadurch gekennzeichnet daß
• - das Zylindergehäuse (4), der Gehäusedeckel (5) und das Verteilergehäuse (29) aus einem Leichtmetall be­ stehen,
• - die Gleitflächen der fluchtenden Bohrungen (7, 8; 11) im Zylindergehäuse und der Bohrung im Verteilergehäu­ se (29) zur Aufnahme der mit dem Kolben (12) eintei­ lig ausgeführten Kolbenstangen (14, 15) hart-coatiert sind,
• - der Kolben (12) und seine beidseitig angeformten Kol­ benstangen (14, 22) aus einem Stahl bestehen und hartchrom-beschichtete Laufflächen aufweist und
• - von mindestens einem in der Kolbenstange (22) verlau­ fenden Druckmittelkanal (23 bzw. 24) eine Radialboh­ rung (41; 42) zu dem Dichtungsspalt (40) zwischen der Kolbenstange (22) und dem Verteilergehäuse (29) führt.

2. Spannzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem der in der Kolbenstange (22) achsparallel verlaufenden Axialkanäle (23, 24) je eine Radialbohrung (41 bzw. 42) zu dem Dichtungsspalt (40) führt.

3. Spannzylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringnuten (33, 34) zwischen den beiden Radialbohrungen (41; 42) angeordnet sind, wobei die axial äußere Radialbohrung (41) der axial inneren Ring­ nut (34) und die axial innere Radialbohrung (42) der axial äußeren Ringnut (33) funktionsmäßig zugeordnet ist.

4. Spannzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch ein Leitsystem (52 bis 55) zur Erzeugung eines Kühlluftstromes durch das Verteilergehäuse (29).

5. Spannzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Verteilergehäuse (29) Ausnehmun­ gen zur Gewichtsverminderung und zur Kühlluftführung ausgebildet sind.

6. Spannzylinder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem zylindrischen Teil des Verteiler­ gehäuses (29) ein teilzylindrisches Leitblech (50) be­ festigt ist, das mit seinem erweiterten Endabschnitt (52) das rotierende Zylindergehäuse zumindest teilweise mit einem radialen Zwischenabstand umgibt, und daß im Verteilergehäuse (29) mehrere über den Umfang mit Zwi­ schenabstand versetzte Axialkanäle (55) angeordnet sind, die von dem erzeugten Kühlluftstrom durchströmt werden.

7. Spannzylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Näherungsschalter (60, 61) zum Er­ fassen der jeweiligen Stellung des Kolbens (12) vorge­ sehen sind.