DE19920264A1 - Werkzeugaufnahme für eine Schnellfrequenzspindel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugaufnahme für eine Schnellfrequenzspindel der dem Oberbegriff des An­ spruchs 1 entsprechenden Art.

Unter Schnellfrequenzspindel sind solche Werkzeugmaschi­ neneinheiten zu verstehen, die für die üblichen Bearbei­ tungsaufgaben wie Fräsen, Bohren, Schleifen und derglei­ chen dienen, jedoch kein eigenes Maschinengestell besit­ zen. Sie werden vielmehr an ihrem zumindest in axialen Abschnitten zylindrischen Gehäuse in eine externe Auf­ spannvorrichtung eingespannt. Der direkt auf die Spindel wirkende Elektromotor erzeugt hohe Drehzahlen im Bereich von 30 000 bis über 100 000 U/min. Die Elektromotoren wer­ den mit einer erhöhten Frequenz gespeist, die durch einen Frequenzumformer oder in ähnlicher Weise gewonnen wird.

Die Spindel ist an ihrem der Ankopplung eines Werkzeugs dienenden Ende üblicherweise mit einer Werkzeugaufnahme versehen, die - je nach Ausführungsform - einen manuellen oder einen vollautomatischen Werkzeugwechsel gestatten.

Insbesondere an die Werkzeugaufnahmen für einen vollauto­ matischen Werkzeugwechsel werden heutzutage hohe Anforde­ rungen gestellt, da Werkzeugwechselfrequenzen von 30/Std. keine Seltenheit sind und zum Erreichen einer ausreichen­ den Standzeit Betätigungszahlen von einer Million wünschenswert sind.

Automatisch arbeitende Werkzeugaufnahmen zu schaffen, die diesen Anforderungen genügen, stellt insbesondere bei Spindeln mit einer Arbeitsdrehzahl von 30 000/Min. und mehr eine erhebliche Schwierigkeit dar, da zur Reduzierung der in Betrieb entstehenden Zentrifugalkräfte die Spindel­ lager auf solche mit einem Bohrungsdurchmesser kleiner oder gleich 30 mm zu reduzieren sind, wodurch der zur Ausbildung der Werkzeugaufnahme zur Verfügung stehende Raum begrenzt ist.

Aus der DE 43 16 411 C1 ist eine automatisch betätigbare Werkzeugaufnahme bekannt. Sie umfaßt eine sich durch die Längsausnehmung der in diesem Fall hohlgebohrten Spindel­ welle erstreckende Zugstange, die unter der Wirkung einer sie umgebenden, in der Längsausnehmung angeordneten Tel­ lerfeder federkraftbeaufschlagt ist. Die Zugstange weist an ihrem dem Werkzeug zugewandten Ende ein Spannelement auf, welches dem Einziehen des Werkzeugsitz in einen das Ende der Spindelwelle bildenden Kegelsitzes dient. Hierzu ist das Spannelement etwa topfförmig mit kreisrundem Quer­ schnitt ausgebildet, wobei in die Mantelfläche eine Viel­ zahl sich bis nahe des Bodens erstreckende Schlitze einge­ arbeitet sind, so dag sich von letzterem eine Vielzahl von Zungen erstreckt. Diese weisen im Bereich ihrer dem Werk­ zeug zugewandten Enden nach innen gerichtete Vorsprünge auf, die vom Werkzeug fortweisende Arretierflächen umfas­ sen, die dem Hintergreifen einer oder mehrerer an dem Werkzeug oder an einer Werkzeughalterung vorgesehener Arretierflächen dienen. Das Spannelement ruht in einem in der Spindelwelle eingearbeiteten Sitz, dessen Wandungen derart ausgebildet sind, daß sich die die Fortsätze auf­ weisenden Enden der Laschen bei einer Verlagerung des Zugbolzens in Richtung der Federkraft unter einer elasti­ schen Verformung nach innen verlagern, um so in Eingriff mit der Gegenarretierfläche zu gelangen.

Zwar ist mit dieser bekannten Werkzeugaufnahme ein ein­ facher Werkzeugwechsel durch Betätigung des Zugbolzens entgegen der Federkraft, was beispielsweise mit hydrau­ lisch, pneumatisch, mechanisch oder elektromagnetisch betätigbaren Krafterzeugern geschehen kann, möglich. Es hat sich in der Praxis jedoch gezeigt, daß es bei beson­ ders starker Belastung des Spannelements durch hohe Be­ triebsdrehzahlen der Spindel und häufigen Werkzeugwechsel zum Bruch einzelner Laschen des Spannelements kommen kann. Dies ist nach derzeitiger Erkenntnis darauf zurückzufüh­ ren, daß das Spannelement bzw. dessen Laschen im gespann­ ten Zustand während des Betriebes ständig unter einer Biegespannung stehen, die dann im Betrieb zu einer Span­ nungs-Rißbildung führen kann. Ferner ist die mit den La­ schen übertragbare Einzugskraft, mit der das Werkzeug bzw. der Werkzeughalter gezogen werden kann, teilweise zu nied­ rig, da heute oft erforderliche Einzugskräfte von 1000 N und mehr aufgrund der notwendigen Flexibilität der Laschen des Spannelements nicht übertragbar sind.

Von der Fa. Jakob Ott Spanntechnik ist aus dem Prospekt "Modulare Spanntechnik" eine Werkzeugaufnahme bekannt, bei welcher das Spannelement aus mehreren, über den Umfang des Zugbolzens verteilten Spannsegmente besteht. Diese weisen Fortsätze auf, die in einer in den Zugbolzen eingearbeite­ te Rundumnut derart eingreifen, daß sie gegen eine Ver­ schiebung relativ zum Zugbolzen in Richtung der Spindel­ wellenachse gesichert sind, eine Verschwenkbewegung der Segmente zum Hintergreifen bzw. Freigeben der an dem Werk­ zeug oder an dem Werkzeughalter vorgesehenen Arretierflä­ che jedoch möglich ist. Zum Erzeugen der hierfür notwendi­ gen Verschwenkbewegung weist der in der Spindelwelle vor­ gesehene Sitz für die Spannsegmente eine derartige Innen­ kontur auf, daß er für jedes Spannelement, das mit der Kontur jeweils an zwei beidseitig der Schwenkachse vor­ gesehenen Berührungsstellen zusammenwirkt, eine Art Noc­ kenführung bildet, die beim Verlagern des Spannelements in Richtung der Spindelwellenachse die zum An- oder Entkop­ peln des Werkzeugs notwendige Verschwenkbewegung der ein­ zelnen Segmente bewirkt.

Zwar ist das Spannelement bei dieser Werkzeugaufnahme sowohl in seiner Endarretier-, als auch in seiner Arretie­ rungstellung frei von Biegespannungen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es für den Einsatz bei Spindel mit einer Betriebsdrehzahl von mehr als ca. 10 000/Min. nicht ge­ eignet ist, da aufgrund der einzelnen Spannsegmente ein exakt ausgewuchteter Rundlauf insbesondere bei häufigen Werkzeugwechseln nicht gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Werk­ zeugaufnahme für eine Werkzeugaufnahme für eine Schnell­ frequenzspindel zu schaffen, die für eine größere Anzahl von Werkzeugwechseln und zur Übertragung höherer Werk­ zeugeinzugskräfte geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Werkzeugaufnahme gelöst.

Dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, die die Positionen der Spannelemente in Drehrichtung relativ zueinander zu­ mindest im wesentlichen fixieren, ist es möglich, ein Spannelement, welches einzelne Spannsegmente umfaßt, auch bei schnellaufenden Spindeln zu verwenden, da ein einmal erreichter Auswuchtzustand auch nach vielfachen Werkzeug­ wechseln erhalten bleibt.

Die Mittel umfassen vorzugsweise sich von der äußeren Umfangsfläche des Zugbolzens nach innen erstreckende Aus­ nehmungen, in die an den Spannelementen vorgesehene Fort­ sätze, um die sich die Spannsegmente während einer Betäti­ gung der Werkzeugaufnahme verschwenken, eingreifen.

Alternativ oder auch zusätzlich können die Mittel zwischen benachbarten Spannelementen angeordnet Abstandshalter umfassen. Wenn diese - wie bevorzugt - aus einem flexi­ blen, komprimierbaren Material - beispielsweise Gummi - bestehen und jeweils an zwei benachbarte Spannsegmente anvulkanisiert sind, läßt sich das gesamte Spannelement einstückig, gegebenenfalls unter Aufweiten oder Zusammen­ drücken der Abstandshalter, auf einfache Weise an der Zugstange und in dem Sitz montieren, da nicht die Gefahr besteht, daß während der Montage einzelne der Spannsegmen­ te aus ihrer vorgesehenen Position herausfallen oder gar gänzlich verloren gehen.

Weist der Zugbolzen einen Betätigungsteil und einen von der der Werkzeugaufnahme zugewandten Stirnseite her in den Betätigungsteil einführ- und festlegbaren, den stirnseiti­ gen Abschluß des. Zugbolzens bildenden Zugbolzenkopf auf und erstrecken sich die Ausnehmungen, in die die Fortsätze der Spannelemente hineinragen, bis zur Stirnseite des Betätigungsteils, so ist die Werkzeugaufnahme für beson­ ders kleine Lagerbohrungsdurchmesser und damit verbundene besonders kleine Räume zur Ausbildung des Spannelementsit­ zes geeignet. Denn zur Montage des Spannelements kann dieses unter Kompression der Abstandshalter zunächst durch eine relativ kleine Öffnung von seiten des Werkzeugs her in den Sitz eingefügt werden. Anschließend kann der Betä­ tigungsteil des Zugbolzens von der gegenüberliegenden Seite durch die Längsausnehmung der Spindelwelle einge­ führt und so gedreht werden, daß die Ausnehmungen des Betätigungsteils mit den Fortsätzen der Spannelemente fluchten und durch weiteres Verschieben des Betätigungs­ teils in Eingriff gebracht werden können. Anschließend kann der Zugbolzenkopf an dem Betätigungsteil festgelegt werden, wozu dieser vorzugsweise einen in eine zentrale Gewindebohrung des Betätigungsteils einschraubbaren Gewin­ debolzen aufweist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Werkzeugaufnahme graphisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schnellfrequenzspin­ del mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme;

Fig. 2 - ausschnittsweise - den Bereich der Werkzeugauf­ nahme einer Schnellfrequenzspindel im Längsschnitt;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Spannelement einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme;

Fig. 4 dasselbe Spannelement in einer Ansicht der im mon­ tierten Zustand dem Werkzeug zugewandten Stirnseite des Spannelements (Ansicht A in Fig. 3) sowie

Fig. 5 - schematisch und teilgeschnitten - den Aufbau einer erfindungsgemäßen Werkzeugaufnahme in einer perspek­ tivischen Darstellung.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Schnellfre­ quenzspindel umfaßt ein Gehäuse 10, welches einen vorde­ ren, d. h. der Werkzeugaufnahme zugewandten Gehäuseteil 1 mit zylindrischer Außenumfangsfläche besitzt. Im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Ende springt der zylindrische Außenumfang des Gehäuseteils 1 in einem zy­ lindrischen Umfangsbund 2 radial auf einen größeren Durch­ messer vor. An der gemäß Fig. 1 rechten Stirnfläche des Bundes 2 ist eine Trennstelle 3 gebildet, an die sich ein zylindrischer Gehäuseteil 4 anschließt, dessen Außendurch­ messer dem Außendurchmesser des Bundes 2 entspricht. Der Gehäuseteile 4 endet auf seiner der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Seite in einen ebenen Deckel 5.

Die Werkzeugaufnahme 20 ist an dem aus dem Gehäuseteil gemäß Fig. 1 nach links hervorstehenden Ende einer als Ganzes mit 30 bezeichneten Spindelwelle angeordnet. Der Gehäuseteil 1 ist rohrförmig mit einer den Stabilitäts­ anforderungen entsprechenden Wanddicke ausgebildet und besitzt eine zylindrische Ausnehmung 7, die der Aufnahme der Spindelwelle 30, der im Bereich des der Werkzeugauf­ nahme 20 zugewandten Endes und im Bereich des anderen Endes des Gehäuseteils vorgesehenen Lageranordnungen 8, 9 sowie eines die Spindelwelle umgebenden Stators 6 dient.

Die Spindelwelle umfaßt eine zentrale Längsausnehmung 11, durch die sich ein Zugbolzen 12 hindurch erstreckt, der unter der Wirkung einer ihn umgebenden, in der Längsaus­ nehmung 11 angeordneten Tellerfederanordnung 13 in von der Werkzeugaufnahme 20 fortweisenden Richtung, d. h. gemäß Fig. 1 nach rechts, federkraftbeaufschlagt ist. Der Zug­ bolzen 12 wirkt auf ein in der Werkzeugaufnahme 20 vorhan­ denes Spannelement 14, welches in Fig. 1 in der Spannstel­ lung dargestellt ist.

In dem in Fig. 1 rechten Gehäuseteil 4 ist eine als Ganzes mit 40 bezeichnete Betätigungseinrichtung vorgesehen, die einen koaxial in den Gehäuseteil 4 eingesetzten Mehrfach­ zylinder 41 mit einem darin unter der Wirkung eines durch einen Einlaß 42 zugeleiteten Druckmediums verschiebbaren Mehrfachkolben 43 umfaßt. Mit letzterem ist ein sich in die zentrale Längsausnehmung 11 der Spindelwelle 30 hin­ einerstreckender Druckstift 44 vorgesehen, der gegen das in Fig. 1 rechts dargestellte Ende des Zugbolzens 12 wirkt.

Zur Betätigung der Werkzeugaufnahme wird über den Einlaß 42 der Mehrfachkolben/Zylindereinheit 41, 43 ein Druckmedi­ um - beispielsweise Preßluft - zugeleitet, wodurch der mit dem Mehrfachkolben 43 verbundene Druckstift 44 den Zug­ bolzen gemäß Fig. 1 nach links bewegt und das in seiner technischen Ausführung und Funktion noch zu beschreibende Spannelement 14 in seinem Sitz 15 ebenfalls nach links verlagert wird. Wird der Einlaß 42 von der Quelle des Druckmediums getrennt, verlagert die Tellerfederanordnung 13 den Zugbolzen 12 und damit das Spannelement 14 in sei­ nem Sitz 15 in umgekehrter Richtung, d. h. gemäß Fig. 1 nach rechts. Der Zurückverlagerung des Mehrfachkolbens 43 dienen in dem Gehäuseteil 4 angeordnete Schraubenfedern 45.

Der Aufbau und die Funktionsweise der Werkzeugaufnahme 20 soll nun anhand der Fig. 2 bis 5 im einzelnen beschrieben werden. Wie insbesondere Fig. 5 entnehmbar ist, besteht sie im wesentlichen aus dem am Werkzeug zugewandten Ende 21 des Zugbolzens angeordneten Spannelement 14, welches im eingebauten Zustand in seinem Sitz 15 ruht, und einem Zugbolzenkopf 16, der einen in eine Längsmittelbohrung des Zugbolzens 12 einschraubbaren Gewindefortsatz 17 und einen radial vorstehenden Kopf 18 aufweist, dessen Außendurch­ messer etwa dem Außendurchmesser des Zugbolzens 12 ent­ spricht.

Das in Fig. 5 teilgeschnitten dargestellte Spannelement 14 umfaßt eine Mehrzahl - im hier dargestellten Ausführungs­ beispiel sechs - Spannsegmente 19, die im Bereich ihres in den Zeichnungen rechts dargestellten, d. h. dem Zugbolzen 12 zugewandten Endes mittels aufvulkanisierter Abstands­ halter 22 miteinander verbunden sind. Jedes dieser Spann­ segmente weist im Abstand von etwa zwei Dritteln der ge­ samten Länge vom dem Werkzeug zugewandten Ende einen nach innen weisenden radialen Fortsatz 23 auf, welcher derart bemessen ist, daß er in entsprechende, von der Stirnseite des vorderen, als Betätigungsteil 21 bezeichneten Endes des Zugbolzens 12 eingearbeitete Ausnehmungen 24 einführ­ bar ist. Die Abmessungen der Fortsätze 23 und Ausnehmungen 24 sind so gewählt, daß nach Einschrauben des Zugbolzen­ kopfes 18 ein im wesentlichen in Längs- und Drehrichtung spielfreier, Verschwenkbewegungen um im Bereich der Fort­ sätze 23 liegende Achsen der einzelnen Spannsegmente je­ doch erlaubender Sitz gewährleistet ist.

Wie insbesondere aus Fig. 4 entnehmbar ist, weisen die Spannsegmente 19 einen im wesentlichen kreissegmentförmi­ gen Querschnitt auf und sind über die flexiblen Abstands­ halter 22 zueinander derart beabstandet, daß ein Einfügen des gesamten Spannelements 14 unter Komprimierung der Abstandshalter 22 auch in Öffnungen möglich ist, die klei­ ner als der Außendurchmesser des Spannelements 14 im ent­ lasteten Zustand der Abstandshalter 22 sind. Hierdurch wird - wie bereits eingangs erwähnt - eine Montierbarkeit auch in schnelldrehende Spindeln mit kleinen Lagerdurch­ messern erzielt.

Jedes der Spannsegmente 19 weist an seinen Längsenden radial nach außen vorspringende Fortsätze 25, 26 auf, die im in den Sitz 15 eingebauten Zustand des Spannelements an zwei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Stellen 27, 28 die Sitzfläche 29 berühren. Die Sitzfläche 29 weist eine Nockenkontur auf, die derart ausgestaltet ist, daß bei einer Betätigung des Zugbolzens 12 in Richtung auf die in der Zeichnung als Ganzes mit 50 bezeichnete Werkzeug­ halterung, die in einem das Ende der Spindelwelle 30 bil­ denden Kegelsitz 51 ruht, die Spannsegmente um die Fort­ sätze 23 derart verschwenkt werden, dag ein an jedem Spannsegment 19 vorgesehener Arretiervorsprung 52 aus einer eine an der Werkzeughalterung 50 vorgesehene Arre­ tierfläche 53 hintergreifenden und den Werkzeughalter somit in Längsrichtung arretierenden Stellung in eine die Arretierfläche 53 freigebende und somit den Werkzeugwech­ sel ermöglichende Stellung verlagert wird.

BEZUGSZEICHEN-LISTE

1

Gehäuseteil

2

Umfangsbund

3

Trennstelle

4

Gehäuseteil

5

Deckel

6

Stator

7

zylindrische Ausnehmung

8

Lageranordnung

9

Lageranordnung

10

Gehäuse

11

Längsausnehmung

12

Zugbolzen

13

Tellerfederanordnung

14

Spannelement

15

Sitz

16

Zugbolzenkopf

17

Gewindefortsatz

18

Kopf

19

Spannsegment

20

Werkzeugaufnahme

21

Ende

22

Abstandshalter

23

Fortsatz

24

Ausnehmungen

25

Fortsatz

26

Fortsatz

27

Stelle

28

Stelle

29

Sitzfläche

30

Spindelwelle

40

Betätigungseinrichtung

41

Zylinder

42

Einlaß

43

Mehrfachbolzen

44

Druckstift

45

Schraubenfedern

50

Werkzeughalterung

51

Kugelsitz

52

Arretiervorsprung

53

Arretierfläche

100

Schnellfrequenzspindel

Claims (7)

1. Werkzeugaufnahme für eine Schnellfrequenzspindel, mit einem mit der Spindelwelle (30) um deren Drehachse rotierenden, mittels eines sich in Drehachsrichtung er­ streckenden Zugbolzens (12) in Richtung der Drehachse verlagerbaren und hierbei zum Hintergreifen oder Freigeben einer an einem Werkzeug oder an einer Werkzeughalterung (50) vorgesehenen Arretierfläche (53) eine Querbewegung durchführenden Spannelement (14), das eine Mehrzahl von radial über den Umfang des Zugbolzens (12) verteilten Spannsegmente (19) umfaßt, die jeweils an zwei in Dreh­ richtung voneinander beabstandeten Stellen (27, 28) mit der inneren Umfangsfläche (29) einer das Spannelement (14) zumindest teilweise umgebenden Spannelementaufnahme (15) und an einer in Drehachsrichtung zwischen den Stellen (27, 28) mit dem Zugbolzen (12) in Wirkverbindung stehen, wobei die innere Umfangsfläche (29) eine derartige Innen­ kontur aufweist, daß zumindest einige der Spannsegmente (19) bei einer Verlagerung in Richtung der Drehachse eine Kippbewegung um etwa in den Stellen, in denen die Spann­ segmente (19) mit dem Zugbolzen (12) in Wirkverbindung stehen, liegende Achsen ausüben und hierdurch die Arre­ tierfläche (53) freigegeben oder hintergriffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Positionen der Spann­ segmente (19) in Drehrichtung relativ zueinander zumindest im wesentlichen fixieren.

2. Werkzeugaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel sich von der äußeren Umfangsfläche des Zugbolzens (12) nach innen erstreckende Ausnehmungen (24) umfassen, in die an den Spannelementen vorgesehene Fort­ sätze (23) eingreifen.

3. Werkzeugaufnahme nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel zwischen benachbarten Spann­ elementen (19) angeordnete Abstandshalter (22) umfassen.

4. Werkzeugaufnahme nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstandshalter (22) aus einem flexiblen, komprimierbaren Material bestehen.

5. Werkzeuganordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstandshalter (22) aus Gummi bestehen und jeweils an zwei benachbarte Spannsegmente (19) anvulkani­ siert sind.

6. Werkzeugaufnahme nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zugbolzen (12) einen Betä­ tigungsteil (21) und einen von der Werkzeugaufnahme zu­ gewandten Stirnseite her in den Betätigungsteil (21) fest­ legbaren, den stirnseitigen Abschlug des Zugbolzens (12) bildenden Zugbolzenkopf (16) umfaßt, und daß sich die Aus­ nehmungen (24) bis zur Stirnseite des Betätigungsteils (21) erstrecken.

7. Schnellfrequenzspindel, die eine Werkzeugaufnahme nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt.