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Die Erfindung betrifft eine teilbare Spindelwelle, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DD 212 901 B1 ist eine einteilige Arbeitsspindel mit einer Einrichtung zum Spannen und Lösen von Werkzeugen bzw. Werkzeugträgern mit Steilkegelschaft bekannt, die wechselbar in der Arbeitsspindel aufgenommen werden und mit einem Spannknauf versehen sind, der zum Zweck der Werkzeugspannung von in der Arbeitsspindel längs- und schwenkbeweglich angeordneten Spannsegmenten eines Spann- und Lösemechanismus hintergriffen wird, die in Abhängigkeit vom Bewegungsablauf des die Spannsegmente axial festlegenden Spann- und Lösemechanismus in Kontakt mit einer in ihrer Bewegungsbahn befindlichen ortsfesten Steuerkante und um diese in oder außer Spannstellung gebracht werden. Die erforderliche Spannkraft für den Spann- und Lösemechanismus wird durch vorgespannte Tellerfedern aufgebracht, wobei die Spannsegmente durch ein zentrisch auf einer Zugstange des Spann- und Lösemechanismus angeordneten Betätigungselement in Spannrichtung fixiert sind, das mit den Spannsegmenten jeweils in den Ebenen deren zeitweiligen Kontaktes mit einer Steuerfläche sowie deren Anlage am Spannkopf der Zugstange stirnseitig in kraftschlüssiger Verbindung steht.
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Nachteilig bei dieser einteiligen Arbeitsspindel mit integrierter Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Werkzeugs oder eines Werkzeughalters mit Steilkegelschaft ist, dass es bei häufigem Werkzeugwechsel durch Verunreinigungen dazu kommt, dass die Werkzeugaufnahme verschleißt, so dass bei fortgeschrittenem Verschleiß die Form und Lagetoleranzen bei der Bearbeitung von Werkstücken nicht mehr eingehalten werden, so dass eine Nacharbeitung oder ein Austausch erforderlich ist.
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Darüber hinaus können äußere Einflüsse wie Kollision oder Werkzeugbruch zu Beschädigungen der Werkzeugaufnahme führen, was ebenfalls eine Nacharbeitung und insbesondere einen Austausch der Werkzeugaufnahme erfordert. Wegen der einteilig in die Arbeitsspindel integrierten Werkzeugaufnahme ist es aber erforderlich, die gesamte Arbeitsspindel zu demontieren und dann zu reparieren oder zu erneuern, was zum einen kostenintensiv ist und zum anderen zu einem erheblichen Aufwand in Verbindung mit teuren Reparaturkosten sowie zu einem längeren Ausfall der Werkzeugmaschine und dadurch bedingten Produktionsausfallkosten führt.
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Aus der
DE 199 59 778 A1 ist eine Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine bekannt, die an ihrer arbeitsseitigen Stirnseite einen Spindeleinsatz zur Aufnahme einer HSK-Werkzeugaufnahme trägt, wobei an der Stirnseite des Spindeleinsatzes mit der Spindelwelle rotierende und auf einem gemeinsamen Teilkreis angeordnete Sensoren vorgesehen sind. Die unmittelbar und direkt im Wirkbereich der Schnittstelle angeordneten Sensoren sind über axial durch die Spindelwelle geführte Sensorkabel mit einer am anderen Ende der Spindelwelle angeordneten Telemetrieeinheit für ein Kontrollsystem zur prozesssicheren Überwachung des Spannzustandes und der Plananlage von Werkzeugen oder der Werkzeugaufnahme in der Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine während des Bearbeitungsvorganges verbunden.
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Zwar können die höheren Herstellungskosten der teilbaren Spindelwelle durch deutlich geringere Reparatur- und Produktionsausfallkosten mehr als kompensiert werden, jedoch setzt dies voraus, dass die Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der auswechselbaren HSK-Werkzeugaufnahme auch großen Belastungen standhält, damit nicht Teile der Hauptwelle oder der HSK-Werkzeugaufnahme und die Verbindungselemente an deren Schnittstelle nicht bei Auftreten sehr großer radialer Kräfte und tangentialer Belastungen beschädigt oder zerstört werden und dadurch den Kostenvorteil durch die Auswechselbarkeit bzw. Abtrennbarkeit der HSK-Werkzeugaufnahme zunichte machen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, eine teilbare Spindelwelle der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme auch sehr großen radialen Kräften und tangentialen Belastungen standhält.
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Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet, dass die Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme einer teilbaren Spindelwelle auch sehr großen radialen Kräften und tangentialen Belastungen standhält, ohne dass die Hauptwelle oder die HSK-Werkzeugaufnahme sowie an der Schnittstelle vorgesehene Verbindungselemente beschädigt oder zerstört werden.
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Die Ausbildung der Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme durch einen peripheren Schraubenflansch zur reibschlüssigen Fügung zwischen Hauptwelle und HSK-Werkzeugaufnahme und eines axial verlaufenden Absatzes sichert die Verbindung zwischen Hauptwelle und HSK-Werkzeugaufnahme bei axialen, radialen und tangentialen Kräften und verhindert ein Abscheren der im peripheren Schraubenflansch eingesetzten Spannschrauben bei großen radialen Kräften.
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Dabei besteht der wesentliche Vorteil der teilbaren Spindelwelle darin, dass die Schnittstelle leichter fertigungstechnisch bearbeitet werden kann und im Falle einer verschlissenen HSK-Werkzeugaufnahme die Spindelwelle nicht aus der Werkzeugmaschine ausgebaut werden muss, da die HSK-Werkzeugaufnahme direkt gewechselt werden kann. Dies erspart nicht nur teure Reparaturkosten, sondern ermöglicht auch, dass die Produktionsausfallkosten der Werkzeugmaschine erheblich gesenkt werden.
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Vorzugsweise greift der Absatz mit Spiel in die Bohrung des wellenseitigen Flansches ein, so dass hinreichende Toleranzen der Verbindung zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme gewährleistet sind, was zum einen die Montage der HSK-Werkzeugaufnahme an der Hauptwelle durch Einbringen der Spannschrauben in die Bohrungen der HSK-Werkzeugaufnahme und Einschrauben der Spannschrauben in die im Flanschteil der Hauptwelle vorgesehenen Innengewinde erleichtert und darüber hinaus sicherstellt, dass eine feste, reibschlüssige Verbindung zwischen den Stirnflächen des aufnahmeseitigen und wellenseitigen Flansches gewährleistet ist, so dass bei radialen und tangentialen bzw. in Umfangsrichtung wirkenden Kräften keine oder nur eine geringe Belastung der Spannschrauben auftritt. Dadurch wird ein Festsetzen der Spannschrauben verhindert, was ein Abtrennen der HSK-Werkzeugaufnahme von der Hauptwelle erschweren und damit den Vorteil einer leichten Auswechselbarkeit der HSK-Werkzeugaufnahme mindern würde.
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Zur Anordnung der Spannschrauben sind mehrere und insbesondere acht gleichmäßig am Umfang des aufnahmeseitigen Flansches angeordnete Bohrungen zur Aufnahme von Spannschrauben und mit den Bohrungen fluchtende Innengewinde im wellenseitigen Flansch vorgesehen.
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Um hohe tangentiale Belastungen aufzunehmen, sind am Ende des Absatzes der HSK-Werkzeugaufnahme Mitnehmersteine angeordnet, die in Mitnehmernuten am Ende der Bohrung des wellenseitigen Flansches eingreifen.
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Auch diese Maßnahme dient dazu, ein Abscheren bzw. Festsetzen der Spannschrauben bei hohen tangentialen Belastungen zu verhindern.
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Vorzugsweise ist die Steuerkante zum Ein- und Ausschwenken von Spannsegmenten eines Spann- und Lösemechanismus der Spindelwelle im Bereich der wellenseitigen Stirnfläche und insbesondere am wellenseitigen Ende einer im Absatz angeordneten Bohrung der HSK-Werkzeugaufnahme angeordnet.
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Die Anordnung der Steuerkante hinter der Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme, d. h. innerhalb der HSK-Werkzeugaufnahme, ermöglicht die exakte Ausführung nach DIN-Norm für eine HSK-Werkzeugaufnahme.
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Zur optimalen Ausbildung der Schnittstelle zwischen der Hauptwelle und der HSK-Werkzeugaufnahme sind die Mitnehmersteine und Mitnehmernuten an der Peripherie der Steuerkante angeordnet, wobei vorzugsweise zwei diametral zueinander an der Peripherie der Steuerkante angeordnete Mitnehmersteine und Mitnehmernuten vorgesehen sind.
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In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist an der peripheren Umfangsfläche des wellenseitigen Flansches eine Labyrinthdichtung angeordnet, so dass der wellenseitige Flansch neben der reibschlüssigen Kraftübertragung auch als Dichtungselement dient.
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Die an der Umfangsfläche des wellenseitigen Flansches angeordnete Labyrinthdichtung wirkt entweder mit einer komplementären Labyrinthdichtung einer die Hauptwelle zumindest teilweise umgebenden Hülse oder mit komplementären Labyrinthdichtungen eines axial teilbaren Deckels zusammen, der mit der die Hauptwelle zumindest teilweise umgebenden Hülse verbunden ist.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine schematische Explosionsdarstellung einer teilbaren Spindelwelle mit einer Hauptwelle, einer HSK-Werkzeugaufnahme und einem Werkzeughalter oder Werkzeug;
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2 einen Längsschnitt durch die zusammengesetzte, teilbare Spindelwelle;
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3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs B der teilbaren Spindelwelle gemäß 2;
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4 eine Draufsicht auf die wellenseitige Stirnfläche der HSK-Werkzeugaufnahme;
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5 einen Längsschnitt durch die HSK-Werkzeugaufnahme entlang der Schnittlinie A-A gemäß 4;
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6 eine Draufsicht auf die aufnahmeseitige Stirnfläche der Hauptwelle und
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7 einen Längsschnitt durch die Hauptwelle entlang der Schnittlinie C-C gemäß 6.
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Die in 1 im geteilten und in 2 im zusammengebauten Zustand dargestellte teilbare Spindelwelle 1 zur Aufnahme eines Werkzeugs oder Werkzeughalters 4 besteht aus einer Hauptwelle 2 und einer HSK-Werkzeugaufnahme 3, die über eine Schnittstelle 8 miteinander verbunden bzw. verbindbar sind.
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Die HSK-Werkzeugaufnahme 3 weist einen Hohlschaftkegel 30 mit einer kegelstumpfförmigen Innenfläche zur Aufnahme eines Steilkegelschaftes 40 mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche des Werkzeughalters 4 auf, die komplementär zur kegelstumpfförmigen Innenfläche des Hohlschaftkegels 30 der HSK-Werkzeugaufnahme 3 ausgebildet ist. An das Ende des maximalen Durchmessers des Steilkegelschaftes 40 schließt sich ein radialer Anlagebund 41 an, der die der Stirnfläche 10 der HSK-Werkzeugaufnahme 3 gegenüberstehende Anlagefläche eines Halteschaftes 42 zur Aufnahme eines Werkzeuges über eine Greifernut 43 bildet. Beim Einsetzen des Werkzeughalters 4 in die HSK-Werkzeugaufnahme 3 kommt es zur Anlage der kegelstumpfförmigen Mantelfläche des Steilkegelschaftes 40 an der komplementären kegelstumpfförmigen Innenfläche des Hohlschaftkegels 30 der HSK-Werkzeugaufnahme 3, aus der sich eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Werkzeughalter 4 und der HSK-Werkzeugaufnahme 3 ergibt.
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Die Schnittstelle 8 zwischen der Hauptwelle 2 und der HSK-Werkzeugaufnahme 3 verläuft entlang
- – einer Flanschverbindung 9 mit einander zugewandten Stirnflächen 25, 35 eines wellenseitigen Flansches 21 der Hauptwelle 2 und eines aufnahmeseitigen Flansches 31 der HSK-Werkzeugaufnahme 3,
- – einer im Bereich des wellenseitigen Flansches 21 angeordneten axialen Bohrung 22 der Hauptwelle 2 und eines in die axiale Bohrung 22 der Hauptwelle 2 einsteckbaren, vom aufnahmeseitigen Flansch 31 ausgehenden und sich axial erstreckenden Absatzes 32 der HSK-Werkzeugaufnahme 3 sowie
- – an der axialen Stirnfläche der HSK-Werkzeugaufnahme 3 ausgebildeter Mitnehmersteine 33, die in der Hauptwelle 2 eingreifen, die am axialen Ende der Bohrung 22 zur Aufnahme des Absatzes 32 der HSK-Werkzeugaufnahme 3 angeordnet sind.
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Der aufnahmeseitige Flansch 31 der Flanschverbindung 9 weist gemäß 4 acht gleichmäßige am Umfang verteilt angeordnete Bohrungen 34 zur Aufnahme von in den 2 und 3 dargestellten Spannschrauben 7 auf, die mit Innengewindebohrungen 24 des wellenseitigen Flansches 21 fluchten. In dem in den 2 und 3 dargestellten zusammengebauten Zustand der teilbaren Spindelwelle sind die Spannschrauben 7 durch die aufnahmeseitigen Bohrungen 34 gesteckt und mit den Innengewindebohrungen 24 des wellenseitigen Flansches 21 verschraubt, so dass die Stirnflächen 25, 35 des wellenseitigen Flansches 21 und des aufnahmeseitigen Flansches 31 der Flanschverbindung 9 reibschlüssig aneinanderliegen. Die reibschlüssige Verbindung des wellenseitigen Flansches 21 und des aufnahmeseitigen Flansches 31 der Flanschverbindung 9 gewährleistet die Aufnahme üblicher radialer und tangentialer Kräfte, ohne dass die Spannschrauben 7 wesentlich beansprucht werden.
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Zur Entlastung der Flanschverbindung zwischen dem wellenseitigen Flansch 21 und dem aufnahmeseitigen Flansch 31 bei Einwirkung großer radialer Kräfte auf die teilbare Spindelwelle 1, insbesondere bei Kollision, weist die HSK-Werkzeugaufnahme 3 den sich axial erstreckenden, vom aufnahmeseitigen Flansch 31 ausgehenden Absatz 32 auf, der mit Spiel in die axiale Bohrung 22 der Hauptwelle 2 einsteckbar ist, die innerhalb des wellenseitigen Flansches 21 angeordnet ist.
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Durch die Entlastung der Flanschverbindung beim Auftreten großer radialer Kräfte wird verhindert, dass die zum Herstellen der reibschlüssigen Verbindung zwischen dem wellenseitigen Flansch 21 und dem aufnahmeseitigen Flansch 31 der Flanschverbindung 9 dienenden Spannschrauben 7 abscheren. Dabei ermöglicht das Spiel zwischen dem Absatz 32 und der axialen Bohrung 22 hinreichend große Toleranzen zur Verbindung des wellenseitigen Flansches 21 mit dem aufnahmeseitigen Flansch 31 der Flanschverbindung 9, so dass die Spannschrauben 7 leicht und ohne die Gefahr eines Verkantens und Beschädigung oder Zerstörung der Gewinde in die Innengewindebohrungen 24 des wellenseitigen Flansches 21 eingeschraubt werden können.
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Die am stirnseitigen Ende des Absatzes 32 angeordneten Mitnehmersteine 33 der HSK-Werkzeugaufnahme 3 greifen im zusammengebauten Zustand gemäß den 2 und 3 in die Mitnehmernuten 23 der Hauptwelle 2 ein und nehmen große tangentiale, d. h. in Umfangsrichtung der Spindelwelle 1 wirkende Kräfte auf, so dass diese ebenfalls nicht auf die Spannschrauben 7 einwirken können.
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Am Übergang des Absatzes 32 in die Mitnehmersteine 33 ist die Steuerkante 6 zum Ein- und Ausschwenken der Spannsegmente des Spann- und Lösemechanismus für den Werkzeughalter 4 vorgesehen. Durch die Anordnung der Steuerkante 6 hinter die Schnittstelle 6 in Bezug auf die Hauptwelle 2 ist gewährleistet, dass die HSK-Werkzeugaufnahme 3 eine hinreichende Länge zur Ausbildung des Hohlschaftkegels 30 zur Aufnahme des Steilkegelschaftes 40 des Werkzeughalters 4 erhält.
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Die vorstehend beschriebene Schnittstelle 8 zwischen der Hauptwelle 2 und der HSK-Werkzeugaufnahme 3 ermöglicht die Anordnung einer Labyrinthdichtung 26 an der Peripherie des wellenseitigen Flansches 21, die im Zusammenwirken mit komplementären Labyrinthdichtungen 15, 16 den Zwischenraum zwischen der Hauptwelle 2 und einer stationären Hülse 5 mit darin angeordneten Kugellagern abdichtet.
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Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind die komplementären Labyrinthdichtungen 15, 16 an einem axial teilbaren Deckel 12, 13 mit einem inneren Deckel 12 und der Labyrinthdichtung 15 sowie einem äußeren Deckel 13 mit der Labyrinthdichtung 16 ausgebildet, die mittels mehrerer am Umfang verteilt angeordneter Innensechskantschrauben 14 mit der Hülse 5 verschraubt sind. Zur Montage wird der innere Deckel 12 in umlaufende Ausnehmung der Hülse 5 eingesetzt, anschließend die HSK-Werkzeugaufnahme 3 mit der Hauptwelle 2 verbunden und abschließend der äußere Deckel 13 auf den inneren Deckel 12 aufgesetzt und mit diesem mittels der Innensechskantschrauben 14 mit der Hülse 5 verbunden.
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Kommt es bei längerem Gebrauch oder infolge häufigen Werkzeugwechsels dazu, dass die HSK-Werkzeugaufnahme 3 verschleißt, oder durch Kollision verformt bzw. beschädigt wird, so dass bei der Bearbeitung Form und Lagetoleranzen nicht mehr eingehalten werden können, so bedarf es lediglich eines Lösens der Spannschrauben 7, um die HSK-Werkzeugaufnahme 3 von der Hauptwelle 2 zu trennen und zu bearbeiten bzw. durch eine andere HSK-Werkzeugaufnahme 3 zu ersetzen. Dadurch werden teure Reparaturkosten vermieden und die Produktionsausfallkosten wegen eines längeren Stillstands der Werkzeugmaschine zum Ausbau einer einteiligen Spindelwelle erheblich gesenkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Teilbare Spindelwelle
- 2
- Hauptwelle
- 3
- HSK-Werkzeugaufnahme
- 4
- Werkzeughalter
- 5
- Hülse
- 6
- Steuerkante
- 7
- Spannschrauben
- 8
- Schnittstelle
- 9
- Flanschverbindung
- 10
- Stirnfläche
- 12
- innerer Deckel
- 13
- äußerer Deckel
- 14
- Innensechskantschrauben
- 15, 16
- Komplementäre Labyrinthdichtungen
- 21
- Wellenseitiger Flansch
- 22
- axiale Bohrung
- 23
- Mitnehmernuten
- 24
- Innengewindebohrungen
- 25
- Aufnahmeseitige Stirnfläche
- 26
- Labyrinthdichtung
- 30
- Hohlschaftkegel
- 31
- aufnahmeseitiger Flansch
- 32
- Absatz
- 33
- Mitnehmersteine
- 34
- Bohrungen
- 35
- Wellenseitige Stirnfläche
- 40
- Steilkegelschaft
- 41
- Anlagebund
- 42
- Halteschaft
- 43
- Greifernut
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 212901 B1 [0002]
- DE 19959778 A1 [0005]
