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Die
Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkzeugs
oder Werkzeughalters in einer Maschinenspindel, insbesondere einer Werkzeugmaschine,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Spannvorrichtung ist aus der
EP 0 339 321 B1 bekannt.
Dort ist innerhalb einer mit einem Innenkegel versehenen Maschinenspindel eine
mittels einer Zugstange verschiebbare Spannbuchse angeordnet, an
deren Außenseite
mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Spannelemente
anliegen. Diese weisen an ihrem vorderen Ende schräge erste
Spannflächen
zur Anlage an korrespondierenden Spannschrägen des Hohlschaftwerkzeugs
und an ihrem hinteren Ende schräge zweite
Spannflächen
zur Anlage an einer entsprechenden Gegenfläche der Maschinenspindel auf. Durch
Axialverschiebung der Spannbuchse werden die Spannelemente in einer
zur Mittelachse der Maschinenspindel parallelen Lage radial nach
außen oder
innen verschoben, wodurch das Hohlschaftwerkzeug gespannt bzw. freigegeben
werden kann. Ein Problem derartiger Spannvorrichtungen besteht darin,
dass der Spannzustand von außen
nicht ohne weiteres beurteilt werden kann. Auch eventuelle Verschleißerscheinungen
des Spannsystems, die das Spannverhalten beinträchtigen können, sind von außen nicht
erkennbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist, eine Spannvorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, deren Spannzustand einfach erfasst und überwacht werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung
können über den
Kraft- oder Drucksensor verschiedene Kräfte bzw. Spannzustände sowohl
im Stillstand als auch während
der Drehung der Maschinenspindel erfasst werden. So können durch
einen den Spannelementen zugeordneten Kraft- oder Drucksensor z.B.
die Spann- oder Einzugkräfte
gemessen und der ordnungsgemäße Spannzustand überwacht
werden. Durch einen dem Federelement zugeordneten Kraft- oder Drucksensor
kann außerdem
die Federkraft erfasst und überwacht
werden. Auch eventuelle Verschleißerscheinungen oder ungleichmäßige Spannkraftverteilungen
sind erkennbar. Bei einer mehrteiligen Ausführung der Kraft- oder Drucksensors
kann auch eine Aussage über
die Plananlage oder eventuelle Fehlstellungen getroffen werden,
da dann die notwendige gleichmäßige Verteilung
der Kraft über
den Umfang nicht erreicht wird. Da sich der Kraft- oder Drucksensor
an einer geschützten
Stelle innerhalb der Maschinenspindel befindet, ist er auch besonders
gut gegen Verschmutzung oder Beschädigungen geschützt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht
der Kraft- oder Drucksensor aus einer dünnen Sensorschicht, die auf
diamantartigen Kohlenstoff basiert und extrem verschleiß- und korrosionsfest
ist. Im Vergleich zu konventionellen Kraft- und Drucksensoren sind
derartige Dünnschicht-Sensoren
relativ starr und erfahren auch bei großen Belastungen nur eine geringe Verformung.
Die Sensorschicht weist neben der hohen Verschleißbeständigkeit
auch einen geringen Reibungskoeffizienten auf, was bei den hier
auftretenden Belastungen von Vorteil ist. Die Sensoren können somit
in idealer Weise in die Spannvorrichtung integriert und im Hauptkraftfluss
eingesetzt werden. Derartige Sensoren sind hoch belastbar und außerdem auch
unempfindlich gegen äußere Umgebungseinflüsse, wie
sie beim Einsatz von Werkzeugmaschinen auftreten. Aber auch die
Verwendung konventioneller piezo-elektrischer, piezo-resistiver oder
DMS-Sensoren ist grundsätzlich
möglich.
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In
einer möglichen
Ausgestaltung kann die Sensorschicht auf einem einteiligen oder
mehrteiligen Druckring aufgebracht sein, der als Widerlager für die Spannelemente
dient. Ein mehrteiliger Druckring weist den wesentlichen Vorteil
auf, dass er von der Vorderseite der Maschinenspindel bei Bedarf
einfach ausgetauscht werden kann. Bei einem Druckring kann die Sensorschicht
sowohl auf der den Spannelementen zugewandten Seite als auch an
der gegenüberliegenden
Seite angeordnet sein. Auch an der Maschinenspindel kann der Kraft-
oder Drucksensor bzw. die Sensorschicht angebracht sein.
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In
einer zweckmäßigen Ausführung ist
die Kraft- oder Drucksensor mit einer geeigneten Auswerteeinrichtung
verbunden. Dies kann über
geeignete Verbindungsleitungen oder drahtlos auf der Grundlage der
Transpondertechnologie erfolgen.
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Weitere
Besonderheiten und Vorzüge
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäße Spannvorrichtung
in einem Längsschnitt;
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2 einen
vergrößerten Teil
der in 1 gezeigte Spannvorrichtung im Längsschnitt
und
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3 eine
Sensoranordnung zur Kraftmessung innerhalb der in 1 gezeigten
Spannvorrichtung.
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In 1 ist
eine hohlzylindrische Maschinenspindel 1 einer Werkzeugmaschine
im Längsschnitt
gezeigt. Die Maschinenspindel 1 enthält an ihrem in 1 linken
vorderen Ende einen Innenkegel 2, der zum Eingriff eines
Kegel-Hohlschafts 3 eines Hohlschaftwerkzeugs 4 oder
eines Werkzeughalters ausgebildet ist. In der Maschinenspindel 1 ist
eine Spannvorrichtung zum Spannen des Hohlschaftwerkzeugs 4 integriert.
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Die
Spannvorrichtung enthält
eine innerhalb der Maschinenspindel 1 zu deren Mittelachse 5 konzentrische
Zugstange, die an ihrem Ende eine Spannhülse 7 trägt. Die
Spannhülse 7 wird über die Zugstange 6 durch
ein um dieses konzentrisch angeordnetes Federelement 8 in
Form eines Tellerfederpakets nach hinten vorgespannt. Das als Tellerfederpaket
ausgeführte
Federelement 8 ist an der einen Seite an einer innerhalb
der Maschinenspindel 1 abgestützten Anlagescheibe 9 und
an der anderen Seite an einem am hinteren Ende der Zugstange 6 befindlichen
Ringabsatz 10 abgestützt.
Die Zugstange 6 ist für
die Zuführung
eines Arbeitsfluids zum Hohlschaftwerkzeug 4 hohl ausgeführt. An
dem hinteren Ende der Zugstange 6 ist eine – nicht
dargestellte – Betätigungseinrichtung
angeordnet, durch welche die Zugstange 6 entgegen der Kraft
des Federelements 8 nach vorne geschoben werden kann.
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Wie
aus 2 hervorgeht, hat die Zugstange 6 an
ihrem dem Hohlschaftwerkzeug 1 zugewandten vorderen Ende
ein Gewinde 11, auf das die Spannhülse 7 aufgeschraubt
ist. Durch eine zusätzliche
Konterschraube 12 wird die Spannhülse 7 an der Zugstange 6 axial
gesichert. An der Außenseite
der Spannhülse 7 liegen
mehrere in Umfangsrichtung gleich beabstandete Spannelemente 13 in
Form von Zangensegmenten an, die sich parallel zur Mittelachse 5 der Maschinenspindel 1 erstrecken.
Die Spannelemente 13 haben an ihrem zum Kegel-Hohlschaft 3 weisenden
vorderen Ende eine radiale Verdickung 14 mit einer durch
einen konischen Flächenabschnitt gebildeten
ersten Spannfläche 15.
Diese Spannfläche 15 liegt
bei der in 1 dargestellten Spannstellung
an einer konischen Innenfläche 16 an
der Innenseite des Kegel-Hohlschafts 3 an.
Die konische Innenfläche 16 weist
gegenüber
der Längsachse
des Kegel-Hohlschafts 3 denselben
Neigungswinkel wie die erste Spannfläche 15 der Spannelemente 13 auf. Auch
an ihrem hinteren Ende haben die Spannelemente 13 eine
Verdickung 17 mit einer zur ersten Spannfläche 15 entgegengesetzt
geneigten zweiten Spannfläche 18,
mit der sich die Spannelemente 13 an einer Sensorschicht 19 eines
in einer Ringnut 20 der Maschinenspindel 1 angeordneten
Kraft- oder Drucksensors 21 abstützen. Die zweite Spannfläche 18 der
Spannelemente 13 ist ebenfalls durch einen konischen Flächenabschnitt
gebildet und weist einen an die Neigung der Gegenfläche 19 am
Sensor 21 angepassten Neigungswinkel auf.
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Die
Spannhülse 7 hat
an der Außenseite
ihres dem Kegel-Hohlschaft 3 zugewandten vorderen Endes
erste konische Spannflächenbereiche 22,
an denen eine entsprechende Innenfläche 23 am vorderen
Ende der Spannelemente 13 zur Auflage gelangt. An dem hinteren
Ende der Spannhülse 7 sind
an deren Außenseite
zweite konische Spannflächenbereiche 24 vorgesehen,
an denen eine korrespondierende Innenfläche 25 am hinteren
Ende der Spannelemente 13 zur Auflage kommt. Die Spannflächenbereiche 22 und 24 der
Spannhülse 7 und
die korrespondierenden Innenflächen 23 und 25 der
Spannelemente 13 sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Spannelemente 13 durch
Axialbewegung der Spannhülse 7 in
einer zur Mittelachse 5 der Maschinenspindel 1 parallelen
Stellung radial nach außen oder
innen verschoben werden.
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An
die hinteren Enden der Spannelemente 13 anschließend ist
innerhalb der Maschinenspindel 2 ein im weiteren näher erläuterter
Abstandshalter angeordnet, durch den die Spannelemente 13 in
Umfangsrichtung in einem vorbestimmten Abstand voneinander gehalten
werden. Der Abstandshalter enthält
eine radial äußere buchsenartige
Halterung 26, die an ihrem den Spannelemente 13 zugewandten Ende
mehrere in Umfangsrichtung gleich beabstandete, in Axialrichtung
vorstehende Ansätze 28 mit
abgeschrägten
Stirnflächen 27 aufweist.
Die Ansätze 27 der
Halterung 26 greifen in eine Nut 29 an dem rückseitigen
Ende der Spannelemente 13 ein und liegen mit ihrer abgeschrägten Stirnfläche 27 an
einer entsprechenden schrägen
Gegenfläche 30 im
Grund der Nut 29 an.
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Die
Halterung 26 ist auf einer Buchse 31 verschiebbar
und wird durch eine Druckfeder 32 in Richtung der Spannelemente 13 beaufschlagt.
Die Buchse 31 liegt mit ihrem hinteren Ende an einem Rohr 33 an,
das durch einen Sicherungsring 34 in der Maschinenspindel 1 axial
gesichert angeordnet ist.
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Wie
bereits vorstehend erläutert,
liegen die Spannelemente 13 mit ihren Spannflächen 18 an
der Sensorschicht 19 eines Kraft- oder Drucksensors 21 an,
der in einer entsprechenden Ringnut 20 im Inneren der Maschinenspindel 1 untergebracht
ist. Der Kraft- oder Drucksensor 21 liegt somit direkt
im Kraftfluss der Spannvorrichtung und kann die Spannkräfte erfassen.
Bei der gezeigten Ausführungsform
besteht der Kraft- oder Drucksensor 21 aus einem Druckring,
der mit einer auf diamantartigen Kohlenstoff basierenden, dünnen Sensorschicht 19 beschichtet
ist. Derartige DLC (diamond-like-carbon) Schichten weisen neben
einem guten piezoresistiven Effekt auch eine hervorragende Verschleißbeständigkeit
und ein gutes Reibungsverhalten auf. Die Herstellung derartiger
Sensorschichten kann mit Hilfe von plasmagestützten CVD- oder PVD-Verfahren
erfolgen.
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Der
in Form eines Druckrings ausgeführte Druck-
oder Kraftsensor 21 kann entweder einteilig oder mehrteilig
mit mehreren Ringsegmenten 35 ausgeführt sein, wie dies in 3 gezeigt
ist. Die Sensorschichten 19 sind an eine Auswerte- und/oder Überwachungseinrichtung 36 angeschlossen.
Es ist aber auch eine drahtlose Ankopplung des Druck- oder Kraftsensors 21 an
eine Auslese- oder Auswerteeinheit auf der Grundlage der Transpondertechnologie
möglich.
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Auch
an dem ein- oder mehrteilig ausgeführten Anlagering 9 kann
eine Sensorschicht angebracht sein. Dadurch kann die Kraft des Federelements 8 erfasst
und überwacht
werden. Die Sensorschicht kann hier ebenfalls an der Vorder- oder
Rückseite
des Anlagerings 9 oder an der Maschinenspindel 1 angebracht
sein.
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Die
vorstehend beschriebene Spannvorrichtung funktioniert wie folgt:
Bei
der in den 1 und 2 gezeigten
Spannstellung wird die Spannhülse 7 über die
Zugstange 6 und das als Tellerfederpaket ausgeführte Federelement 8 nach
hinten gedrückt.
In dieser Stellung werden die Spannelemente 13 radial nach
außen
gedrückt,
wobei die Spannflächen 15 und 18 in
Eingriff mit der konischen Innenfläche 16 am Kegel-Hohlschaft 3 bzw. der
Sensorschicht 19 des in der Maschinenspindel 1 fest
angeordneten Druck- und Kraftsensors 21 sind. Dadurch wird
das Hohlschaftwerkzeug 1 in der Maschinenspindel 2 unter
Zug gehalten, wobei über
den Kraft- oder Drucksensor 21 die Einzugskraft bzw. der Spannzustand
erfasst werden kann.
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Zum
Lösen der
Spannvorrichtung wird die Spannhülse 7 mit
Hilfe der Zugstange 6 z.B. durch einen Hydraulikkolben
oder einen anderen geeigneten Betätigungsmechanismus aus der
in 1 gezeigten Spannstellung in Richtung des Hohlschaftwerkzeugs 4 verschoben.
Durch die Vorwärtsbewegung der
Spannhülse 7 in
Richtung des Hohlschaftwerkzeugs 1 werden die an der Außenseite
der Spannhülse 7 anliegenden
Spannelemente 13 parallel nach innen verschoben, bis deren
Spannflächen 15 außer Eingriff
mit der konischen Innenfläche 16 an
der Innenseite des Kegel-Hohlschafts 3 gelangen und das Hohlschaftwerkzeug 1 freigeben.
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Die
erfindungsgemäße Spannvorrichtung
ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So
kann der Kraft- oder Drucksensor auch an anderen geeigneten Stellen
innerhalb der Maschinenspindel oder auch direkt in den Spannelementen
integriert sein. Die Kraftmessung mit Hilfe des Kraft- und Drucksensors
kann außerdem
auch bei Steilkegelspannsystemen zum Einsatz gelangen.