DE202015104652U1

DE202015104652U1 - Spannvorrichtung und Kombination aus Spannvorrichtung und Werkzeug

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Publication number: DE202015104652U1
Application number: DE202015104652.9U
Authority: DE
Original assignee: Seco Tools AB
Current assignee: Seco Tools AB
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2025-09-03

Abstract

Spannvorrichtung (100) zum Spannen eines rotationssymmetrischen Werkzeugschaftes (50), wobei die Spannvorrichtung (100) eine Hülse (11) zur Aufnahme des Schaftendes (1) und eines Hauptabschnitts des Werkzeugschaftes hat und die Hülse (11) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Innenfläche (11a) und mindestens eine sich darin axial erstreckende Nut (14) zur teilweise Aufnahme eines Stiftes (5) für die Drehmomentübertragung zwischen der Hülse (11) und einem darin aufzunehmenden Schaft aufweist, und mit einer Einrichtung zum Ergreifen und axialen Anziehen des Schaftendes in die Hülse hinein durch Eingreifen von axial beweglichen Elementen (16, 17) in eine Vertiefung (3) an dem Schaft und axiales Anziehen der Elemente (16, 17), dadurch gekennzeichnet, dass die rotationsymmetrische Innenfläche (11a) der Hülse (11) konisch ist mit einem Konuswinkel α zwischen 0,5° und 10°.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkzeugschaftes, sowie eine Kombination aus einer Spannvorrichtung und einem Werkzeug, wobei das Werkzeug einen Werkzeugschaft hat, der ein rotationssymmetrisches Schaftende mit einer umlaufenden Hinterschneidung aufweist, sowie einen Hauptabschnitt, der einen größeren Durchmessers als das Schaftende hat und der auf seiner Umfangsfläche mindestens eine sich axial erstreckende Nut zur Aufnahme eines Stiftes für die Drehmomentübertragung zwischen dem Schaft und einer den Schaft umfassenden Hülse hat.
Die Spannvorrichtung hat dabei eine Hülse zur Aufnahme des Schaftendes und des Hauptabschnittes und die Hülse hat eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Innenfläche und mindestens eine sich darin axial erstreckende Nut für einen teilweise darin aufgenommenen Stift. Weiterhin hat die Spannvorrichtung noch eine Einrichtung zum Ergreifen und axialen Bewegen des Schaftendes durch Eingreifen von axial beweglichen Elementen in die Hinterschneidung am Schaftende und axiales Anziehen der Elemente.
Ein entsprechendes Werkzeug mit einem vorstehend definierten Schaftende sowie ein Werkzeughalter, mit einer entsprechenden Aufnahme für den Schaft und das Schaftende sowie eine Spannvorrichtung zum axialen Anziehen des Schaftendes ist aus der EP 2 719 490 A1 bekannt.
Zum Spannen eines solchen Werkzeuges werden das Schaftende und zumindest ein Teil des rotationssymmetrischen Hauptabschnittes in die Hülse der Spannvorrichtung eingeführt, wobei radial und axial bewegliche Eingriffselemente mit der Hinterschneidung am Schaftende in Eingriff treten um dieses axial weiter in die Hülse hinein zu ziehen. Zur Übertragung von Drehmomenten zwischen der Spannvorrichtung und dem Schaft sind zylindrische Stifte vorgesehen, die in der entsprechend axial verlaufenden Nut in der Innenfläche der Spannvorrichtung vorgesehen und teilweise darin aufgenommen sind, wobei der Schaft des Werkzeuges in einer entsprechenden Position in die Hülse eingeführt wird, sodass der zylindrische Stift bzw. im Falle mehrerer sich axial erstreckender Nuten die zylindrischen Stifte, die in der bzw. den axial verlaufenden Nuten auf der Innenfläche der Hülse teilweise aufgenommen sind, beim Verschieben des Werkzeugschaftes in die Hülse hinein gleichzeitig in die entsprechende axiale Nut bzw. Nuten des Schaftes hineingleiten, sodass die entsprechenden Stifte gleichzeitig in einer Nut des Werkzeugschaftes als auch in einer Nut in der Innenfläche der Aufnahme aufgenommen sind, sodass über den Stift bzw. eine entsprechende Mehrzahl von Stiften Drehmomente von dem Halter auf das Werkzeug (und umgekehrt) übertragen werden können.
Als „rotationssymmetrisch“ werden hier auch überwiegend rotationssymmetrische Flächen oder Gegenstände bezeichnet, die in Umfangsrichtung teilweise unterbrochen sind und dadurch nur bei Drehungen um bestimmte Winkel von 180° oder weniger in sich selbst übergehen, wie vorliegend zum Beispiel konische Flächen, die in gleichen Winkelabständen axial verlaufende Nuten aufweisen.
Im Falle des bekannten Werkzeuges sind der Hauptabschnitt des Schaftes, ebenso wie die Innenfläche der Schaftaufnahmen im Durchmesser einander angepasst, wobei der Sitz des Werkzeuges zusätzlich dadurch definiert wird, dass eine radial über den Schaft überstehende rückwärtige Fläche des Schneidteils an einer stirnseitigen Ringfläche um die Aufnahmeöffnung anliegt.
Die Genauigkeit des Sitzes des Werkzeuges bzw. des Schaftes des Werkzeuges in der Aufnahme des Werkzeughalters ist dennoch nur begrenzt, da zwischen der zylindrischen Innenfläche der Werkzeugaufnahme und des zylindrischen Schaftes und der in den axialen Nuten aufgenommenen zylindrischen Stifte notwendigerweise ein gewisses Spiel vorhanden ist, um den Schaft in die Aufnahmeöffnung einzubringen die Stifte in die sich axial erstreckenden Nuten gleiten müssen.
Insbesondere bei Werkzeugen mit einem relativ langen Schaft und ggf. auch ohne axiale Anschlagfläche lässt die Genauigkeit der Ausrichtung des Werkzeuges in der Spannvorrichtung zu wünschen übrig.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie auch eine Spannvorrichtung mit einem entsprechenden Werkzeug zu schaffen, welche auch nach wiederholten Spannvorgängen einen sicheren und präzisen Sitz eines Schaftes in der Aufnahme der Spannvorrichtung garantieren.
Für die Spannvorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die rotationssymmetrische Innenfläche der Hülse konisch ist mit einem Konuswinkel α zwischen 0,5° und 10°.
Dieser kleine Konuswinkel erlaubt eine präzise Führung eines entsprechend angepassten Werkzeugschaftes über einen längeren Spannweg hinweg, so dass der Werkzeugschaft in der Endposition exakt mit der Achse der Hülse ausgerichtet ist, die gleichzeitig die Rotationsachse der Spannvorrichtung ist.
Der kleine Konuswinkel der Schaftaufnahme macht es außerdem möglich, auch nach wiederholtem Gebrauch der Spannvorrichtung einen entsprechend konusförmigen Schaft immer so weit in die Aufnahme hineinzuziehen, dass sie entlang des gesamten Umfangs großflächig an der konischen Innenfläche der Schaftaufnahme anliegt. Die axiale Länge der konischen Fläche sollte daher mindestens die Hälfte, vorzugsweise mehr als 80 % des maximalen Durchmessers der konischen Fläche betragen. Bevorzugt ist der Konuswinkel größer als 0,5°.
Die im Wesentlichen axial verlaufenden Nuten in dem Hauptabschnitt des Schaftes und der Hülse haben vorzugsweise einen runden, zum Beispiel halbzylindrischen, elliptischen oder parabolischen Querschnitt und der Stift zur Drehmomentübertragung ist vorzugsweise rotationssymmetrisch und insbesondere zylindrisch. Der Stift kann aber im Prinzip einen beliebigen Querschnitt haben, wobei lediglich zu beachten ist, dass er jeweils teilweise in den beiden einander jeweils gegenüber liegenden Nuten aufgenommen ist und dabei in Umfangsrichtung möglichst geringes Spiel in den Nuten hat. Die Stifte könnten also zum Beispiel auch einen rechteckigen Querschnitt haben und in passenden rechteckigen Nuten aufgenommen sein.
In einer Ausführungsform werden die axial beweglichen Elemente durch radial elastisch bewegbare Spannfinger gebildet, die eine gemeinsame rotationssymmetrische Außenfläche haben und an ihrem rückwärtigen Ende durch einem axial beweglichen Spannring verbunden sind, wobei die vorderen Enden der Spannfinger radial einwärts ragende Vorsprünge für den Eingriff in eine Vertiefung bzw. Hinterschneidung eines Schaftendes haben und wobei die Spannfinger in einer axial zurückgezogenen Position in Eingriff mit der Hinterschneidung eines Werkzeugschaftes radial fixierbar sind.
Die vorzugsweise zylindrischen Drehmomentübertragungsstifte haben vorzugsweise ein geringes radiales Spiel, wenn die Nuten auf der Innenseite der Schaftaufnahme und der Außenseite des Schaftes in derselben Umfangsposition liegen. Mindestens eine Stirnseite der zylindrischen Stifte kann auch durch einen umlaufenden Rand angefast sein, um das Zusammenführen von Schaft und Schaftaufnahme zu erleichtern.
Die Spannfinger sind zweckmäßigerweise in der Weise elastisch vorgespannt, dass ihre radial einwärts ragenden Vorsprünge einen Radius definieren, der kleiner ist als der des Schaftendes, sodass beim Heranführen des Schaftendes an die Spannfinger bzw. die von den Enden der Spannfinger definierte Öffnung die Spannfinger durch das Ende des Schaftes leicht auseinander gedrückt werden, über das Schaftende hinweg gleiten und in der Hinterschneidung, die sich zwischen Schaftende und dem Hauptteil des Schaftes befindet, einrasten. In dieser Position kann die Spannhülse zusammen mit den daran fixierten Spannfingern axial zurückbewegt werden und zieht dabei das Schaftende und den Schaft mit und tiefer in den Aufnahmehohlraum der Hülse hinein, wobei sich die konische Außenfläche des Schaftes fest an die konische Innenfläche der Schaftaufnahme bzw. Hülse anlegt und die entsprechend miteinander ausgerichteten Nuten in der Außenfläche des Schaftes und der Innenfläche der Schaftaufnahme den oder die zylindrischen Stifte aufnehmen.
In einer axial zurückgezogenen Position der Spannhülse und der Spannfinger sind die Spannfinger bzw. deren Enden in radialer Richtung fixiert, d.h. sie können nicht in dem Maße wie im axial vorgeschobenen Zustand elastisch nach außen gebogen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geschieht dies dadurch, dass die Spannfinger auf ihrer radial äußeren Fläche mindestens einen sich verjüngenden Abschnitt aufweisen, welcher den Übergang von einem größeren Außendurchmesser am vorderen Ende der Spannfinger zu einem kleineren Außendurchmesser am hinteren Ende der Spannfinger bildet, wobei die Spannvorrichtung axial hinter der Aufnahme für den Werkzeugschaft einen ersten Abschnitt mit einer ersten zylindrischen Innenfläche aufweist, größer ist als der durch die vorderen Abschnitte der Spannfinger definierte Außenradius sowie axial weiter zurück versetzt einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten zylindrischen Innenfläche aufweist, die etwa gleich dem durch die vorderen Abschnitte der Finger definierten Außenradius ist, wenn diese mit der Hinterschneidung eines Werkzeugschaftes in Eingriff steht. In der Spannvorrichtung ist ein sich ebenfalls verjüngender (z. B. konischer) Übergang zwischen den ersten und zweiten zylindrischen Abschnitten vorgesehen und der vordere Abschnitt der Spannfinger ist axial zwischen den ersten und zweiten zylindrischen Abschnitten der Spannvorrichtung bewegbar.
Dies führt dazu, dass beim Zurückziehen der Spannfinger und des Schaftes die sich verjüngenden (z. B. konischen) Übergangsflächen auf der Außenseite der Spannfinger und am Übergang zwischen den Abschnitten und einer zylindrischen Innenfläche der Spannvorrichtung im Falle eines leichten radialen Versatzes aufeinander aufgleiten und das Spannelement zentrieren. Der vordere Abschnitt der Spannfinger ist in der axial vorgeschobenen Position in dem ersten Abschnitt radial nach außen beweglich und in der axial zurückgezogenen Position innerhalb des zweiten Abschnittes mit der zweiten zylindrischen Innenfläche aufgenommen, der in etwa dem Außenradius am vorderen Ende der Spannfinger entspricht. Auf diese Weise werden die Spannfinger in dieser Position daran gehindert, elastisch radial nach außen gebogen zu werden, da sie mit ihrer Außenfläche an der zylindrischen Innenfläche des zweiten Abschnittes anliegen bzw. nur geringes radiales Spiel relativ zu der zylindrischen Innenfläche des zweiten Abschnittes haben.
Die axiale Bewegung der Spannfinger kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der die Spannfinger verbindende Spannring ein Außengewinde für den Eingriff mit einem passenden Innengewinde einer drehbaren Betätigungshülse im hinteren Teil der Spannvorrichtung aufweist. Die Betätigungshülse ist dabei gegen eine axiale Vorwärtsbewegung gesichert, sodass durch Betätigen bzw. Drehen der Hülse in Eingriff mit dem Gewinde des Spannringes der Spannring mit den daran angeordneten Spannfingern axial vor und zurück bewegt werden kann.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich das Gewinde bis auf die an den Spannring anschließenden Endabschnitte der Spannfinger, was zusätzlich dazu beiträgt, dass die Enden der Spannfinger elastisch radial nach außen gebogen werden, während die Spannfinger zusammen mit dem Schaftende radial zurückgezogen werden.
Die Nuten in der konischen Innenfläche der Schaftaufnahme und der konischen Außenfläche des Schaftes können sich mit ihrer jeweiligen gedachten Achse der jeweiligen Nut bzw. mit dem Nutgrund parallel zur Achse des Werkzeugschaftes bzw. der Werkzeugaufnahme erstrecken, sie können aber auch entsprechend dem Konuswinkel parallel bzw. nahezu parallel zum Gradienten der jeweiligen konischen Fläche verlaufen, also gegenüber der zentralen Achse um etwa den halben Konuswinkel geneigt sein. Mit Konuswinkel ist dementsprechend der Spitzenwinkel eines Konus gemeint. Der Neigungswinkel einer Linie die sich in einer die Achse enthaltenden Ebene entlang der konischen Fläche erstreckt, schließt demnach mit der Achse der konischen Fläche den halben Konuswinkel ein.
Der Querschnitt der Nuten ist vorzugsweise so gewählt, dass jede der Nuten etwa die Hälfte eines rotationsymmetrischen Stiftes aufnimmt, der hier als „Drehmomentstift“ bezeichnet wird, da er der Drehmomentübertragung von der Spannvorrichtung auf den Werkzeugschaft oder umgekehrt dient. Der Stift ist entweder zylindrisch oder konisch mit einem sehr kleinen Konuswinkel, so dass seine Flanken dem Verlauf des Grundes der den Stift aufnehmenden Nuten angepasst sind.
In einer Ausführungsform ist jede der Nuten daher in etwa halbzylindrisch mit einem Radius, der dem Radius des Drehmomentstiftes entspricht.
Es kann jedoch auch eine der Nuten bewusst tiefer als die andere gewählt werden und eine leicht hinterschnittene Nut bilden, deren freie Öffnungsbreite kleiner ist als die maximale Breite der Nut, um einen passenden Stift unverlierbar darin aufzunehmen.
In einer anderen Ausführungsform könnte der runde Nutquerschnitt auch leicht parabolisch sein mit einer Krümmung im Scheitelpunkt, die kleiner ist als die Krümmung der zylindrischen Fläche des Drehmomentstiftes, jedoch mit einem Öffnungsdurchmesser der Nut zur jeweiligen konischen Oberfläche hin, der in etwa dem Durchmesser des zylindrischen Stiftes entspricht. Der Stift hat dadurch ein geringfügiges radiales Spiel, welches das Einführen des Schaftes in die Aufnahme der Spannvorrichtung erleichtert, wobei die entsprechenden Nuten an den Schaft und Schaftaufnahme miteinander ausgerichtet sein müssen, andererseits jedoch praktisch kein Spiel in Umfangsrichtung, sodass bei Übertragung eines Drehmomentes zwischen Werkzeugaufnahme und Schaft praktisch keine Relativbewegung zwischen Werkzeugaufnahme und Schaft stattfinden kann.
Mindestens eine der Stirnseiten des Drehmomentstiftes oder der Drehmomentstifte kann entlang des Umfanges bzw. Randes der Stirnfläche angefast sein.
Grundsätzlich würde ein einziger Drehmomentstift mit jeweils einer einzigen Nut in der konischen Fläche des Schaftes und der konischen Fläche der Schaftaufnahme für die Drehmomentübertragung ausreichen, für eine gleichmäßigere Verteilung der Kräfte kann es jedoch zweckmäßig sein, wenn mehrere Nuten und eine entsprechende Anzahl von Drehmomentstiften jeweils um den Umfang des Schaftes und der Hülse gleichmäßig verteilt sind, wobei in jedem zusammenwirkenden Paar von Nuten jeweils ein Drehmomentstift aufgenommen ist.
Hinsichtlich einer Kombination aus einer Spannvorrichtung und einem Werkzeug mit einem Schaft, wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Spannvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art verwendet wird und das Werkzeug einen Schaft hat, wie er in Anspruch 9 definiert wurde, wobei der Hauptabschnitt des Schaftes ebenso wie die Schaftaufnahme jeweils einen Konuswinkel von weniger als 10° haben, wobei die Radien der konischen Flächen so angepasst sind, dass die Radiusbereiche des Schaftes und der konischen Innenfläche der Aufnahme überlappen, sodass der konische Hauptabschnitt in der konischen Hülse passend aufnehmbar ist.
Aufgrund der überlappenden Radiusbereiche des Hauptabschnittes des Schaftes und der Hülse der Spannvorrichtung ist sichergestellt, dass die konischen Flächen im gespannten Zustand des Werkzeuges großflächig in Kontakt sind, da wegen des kleinen Konuswinkels schon eine geringe Überlappung der Radiusbereiche ausreicht, um eine große axiale Überdeckung der konischen Flächen sicherzustellen. In einer Ausführungsform umfasst der Radiusbereich des Hauptabschnittes den Radiusbereich der Hülse. In einer anderen Ausführungsform ist dies umgekehrt.
Eine entsprechende Kombination aus Spannvorrichtung und Werkzeug ist insbesondere zweckmäßig für ein Werkzeug zur Herstellung eines Ventilsitzes und einer Ventilführung, bei welchem die Spannvorrichtung ihrerseits eine Teilwerkzeug ist und auf ihrer Außenseite mindestens ein Schneidelement zur Herstellung des Ventilsitzes aufweist und das Werkzeug einen sich von dem konischen Hauptabschnitt des Schaftes zu einem in axialem Abstand zu dem Schneidelement angeordneten Schneidkopf erstreckenden zylindrischen Schaftabschnitt hat.
Dabei ist der Schneidkopf zur Herstellung oder Fertigstellung einer zylindrischen Bohrung vorgesehen, die sich in einem axialen Abstand zu dem Ventilsitz befindet, der typischerweise ein Mehrfaches des Durchmessers der zylindrischen Bohrung beträgt. Diese zylindrische Bohrung dient der Führung eines Ventilstiftes, der mit einem Ventilkopf verbunden ist, welcher wiederum in dichtenden Eingriff mit dem Ventilsitz treten soll, was wiederum eine exakte Ausrichtung der Achsen der zylindrischen Bohrung und des im Allgemeinen konischen bzw. trichterförmigen Ventilsitzes erfordert. Besondere Genauigkeit des axialen Abstandes zwischen dem Schneidkopf, der auch als Reibahle ausgebildet sein kann, und dem Schneidelement oder den Schneidelementen an der Spannvorrichtung, welche den Ventilsitz bearbeiten, kommt es dabei nicht so sehr an, da die Ventilführung oft eine Durchgangsbohrung ist und zumindest ein größeres axiales Spiel aufweisen darf, wohingegen die Genauigkeit der Ausrichtung der Achsen der Führungsbohrung und des Ventilsitzes von entscheidender Bedeutung sind. Diese Genauigkeit der Achsenausrichtung wird durch den Eingriff der konischen Flächen des Hauptabschnittes des Schaftes und der Schaftaufnahme mit einem relativ kleinen Konuswinkel erreicht, wobei die Stifte in den Nuten innerhalb dieser Flächen eine gute Drehmomentübertragung sicherstellen.
Weitere Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:
1a, b Eine perspektivische Ansicht eines Werkzeuges mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung.
2a, b, c Zwei perspektivische Ansichten und eine Seitenansicht eines Werkzeuges für die Verwendung mit einer Spannvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3a, b Teilweise Schnittansichten einer Spannvorrichtung mit einem darin aufgenommenen Schaft in zwei verschiedenen axialen Positionen.
4a, b Vergrößerte Ausschnitte aus den 3a, 3b
5a, b Ein axial bewegliches Spannelement der Spannvorrichtung in zwei verschiedenen perspektivischen Ansichten.
6a, b Eine perspektivische Ansicht und eine Stirnseitige Draufsicht einer Spannhülse gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 erkennt man ein Werkzeug, wie es beispielsweise verwendet wird zur gleichzeitigen Herstellung einer Ventilführung und eines Ventilsitzes in einem KFZ-Motor. Ein Werkzeugteil 50 weist dabei einen Schaft 51, einen Schneidkopf 52 und einem Hauptabschnitt 2 auf, wobei der Hauptabschnitt 2 in einer Spannhülse 11 aufgenommen wird, die einen Teil der Spannvorrichtung 100 bildet, die am vorderen Ende eines Spindelkopfes 110 angebracht ist. Die Spannvorrichtung 100 bzw. das vordere Ende der Spindelkopfes 110, in welchem die Spannvorrichtung 100 angeordnet ist, weist Schneidelemente 101 auf, die beispielsweise zur Herstellung eines Ventilsitzes dienen, während das Teilwerkzeug 50 beispielsweise als Reibahle ausgebildet ist und die Bohrung einer Ventilführung fertig bearbeitet, die exakt mit Achse des in etwa konischen Ventilsitzes ausgerichtet sein muss, welcher durch die Schneidelemente 101 erzeugt wird. Das Werkzeug wird also insgesamt gebildet durch das Teilwerkzeug 50 und die Spannvorrichtung 100, die ihrerseits Schneidelemente 101 trägt und insoweit auch einen Teil des Schneidwerkzeuges insgesamt bildet.
Die von dem Schneidkopf 52 erzeugte Führungsbohrung hat zum Beispiel bei KFZ-Motoren einen erheblichen Abstand von dem Ventilsitz, der durch die Schneidelemente 101 erzeugt wird. Der Schaft 51 ist dementsprechend lang. Für einen dichten Ventilsitz muss demzufolge der Schaft 51 mit seinem Hauptabschnitt 2 möglichst präzise ausgerichtet in der ebenso präzise hergestellten Spannhülse 11 aufgenommen werden, damit Ventilsitz und Ventilführung bezüglich derselben Achse rotationssymmetrisch sind.
In 2 erkennt man ein entsprechendes Teilwerkzeug 50 im Detail, wobei in diesem Fall der größte Teil des Schaftes 51 stark verkürzt dargestellt ist, weil der Fokus auf dem zu spannenden Hauptabschnitt 2 des Schaftes 51 liegt. Der Schneidkopf 52 ist auch hier als Reibahle ausgebildet.
Die Länge des Schaftes 51 ist grundsätzlich beliebig, wobei es umso mehr auf die exakte Ausrichtung der Schaftachse und der Achse der Spannvorrichtung gemeinsam entlang der Spindelachse 20 ankommt, je länger der Schaft 51 ist bzw. je weiter der Schneidkopf 52 von den Schneidelementen 101 an der Spindel oder der Spannvorrichtung 100 entfernt ist
Der Schaft 51 hat außerdem ein relativ kurzes Schaftende 1 und eine an das Schaftende anschließende umlaufende Vertiefung 3, von der aus sich eine konische Übergangsfläche 7 zu dem Hauptabschnitt 2 des Schaftes 51 erstreckt. Der im Wesentlichen rotationssymmetrische Hauptabschnitt 2 ist seinerseits konisch, jedoch mit einem sehr kleinen Konuswinkel α, wobei als Konuswinkel α hier der Spitzenwinkel des Konus definiert ist, d.h. der Winkel zwischen zwei in derselben Axialebene liegenden Linien auf gegenüberliegenden Seiten des Konus. Demzufolge ist der Winkel den eine Gradientenlinie auf der Außenfläche 2a mit der Achse 20 einschließt, die Hälfte (α/2) des so definierten Konuswinkels α und beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 2°. Gemäß der Erfindung ist der Winkel α < 10°, vorzugsweise zwischen 2° und 5°, kann aber beispielsweise nur 1° oder auch nur 0,5° betragen.
Die in 6 erkennbare Spannhülse 11, die man im Schnitt auch in den 3 und 4 erkennt, hat eine entsprechende konische Innenfläche 11a, die in etwa denselben Durchmesserbereich abdeckt wie die konische Fläche 2a des Hauptabschnittes 2.
In der konischen Fläche 2a erstrecken sich außerdem drei axial verlaufende Nuten 4, wobei die Zahl dieser Nuten beliebig ist und auch nur eins betragen kann, für Werkezuge mit größerem Schaftdurchmesser beispielsweise aber auch 10 oder 12 betragen kann.
Die konische Innenfläche 11a hat eine entsprechende Anzahl von Nuten 14 mit denselben Umfangswinkelabständen wie die Nuten 4 am Hauptabschnitt 2, wobei zylindrische Stifte 5 vorzugsweise unverlierbar in den Nuten 14 aufgenommen sind. Die unverlierbare Aufnahme kann z.B. dadurch sichergestellt werden, dass etwas mehr als die Hälfte der zylindrischen Stifte 5 in der Nut 14 aufgenommen ist und die lichte Öffnung der Nut zur konischen Fläche 11a hin etwas kleiner ist als der Durchmesser der Stifte 5. Ebenso gut könnten die Stifte aber auch an einer oder beiden Stirnseiten zentrale Zapfen aufweisen, die in Bohrungen am hinteren Ende der Hülse geführt sind.
Die in 6 sichtbaren Stirnseiten der Stifte 5 weisen entlang ihres Umfanges Fasenflächen 5a auf, welche das Einführen des Hauptabschnittes 2 des Werkzeuges 50 in die Spannhülse 11 erleichtern sollen.
Wie man vor allem in 2c erkennt, hat das Schaftende 1 einen Radius R₃, der kleiner als der kleinste Radius des konischen Hauptabschnittes 2 ist, jedoch größer als der Radius r der Vertiefung 3. Ist, welche die Form einer umlaufenden Nut mit annähernd V-förmigem Querschnitt hat. Dies ermöglicht ein Ergreifen des Schaftendes 1 mit Hilfe von Vorsprüngen 17, die radial aus verschiedenen, zumindest teilweise gegenüber liegenden Richtungen in die Vertiefung 3 eingreifenden und die insbesondere an den dafür vorgesehenen Spannfingern 16 in den 3, 4 und 5 genauer zu erkennen sind und im Folgenden beschrieben werden.
3a zeigt dabei einen teilweisen axialen Schnitt eines Spannelementes 15, wobei der Hauptabschnitt 2 des Werkzeuges 50 teilweise in der Spannhülse 11 aufgenommen ist. 3b zeigt einen Zustand des Werkzeuges 50 und der Spannvorrichtung 100, in welchem das Werkzeug 50 und der Hauptabschnitt 2 tiefer in die Hülse 11 hineingezogen sind.
4a und 4b sind Ausschnittvergrößerungen aus den 3a und 3b.
Zum Spannen des Werkzeugs 50 wird das Schaftende 1 von Vorsprüngen 17 dreier Spannfinger 16 hintergriffen, wobei die Vorsprünge 17 und die Spannfinger 16 noch besser in der perspektivischen Ansicht gemäß den 5a, b sichtbar sind.
Die Spannfinger 16 sind Teil eines Spannelementes 15, dass aus drei durch drei Schlitze 18 voneinander getrennten Spannfingern 16 und einem Spannring 12 besteht, durch welchem die hinteren Enden der Spannfinger 16 einstückig verbunden sind. Es versteht sich, dass die Zahl dieser Spannfinger nicht unbedingt 3 betragen muss sondern auch kleiner (minimal 2) oder größer sein kann.
Aufgrund der Trennung durch die Schlitze 18 zwischen den Spannfingern 16 sind diese elastisch radial nach außen bewegbar.
Der Spannvorgang wird nun anhand der 1, 3 und 4 beschrieben.
Das in 1a dargestellte Werkzeug 50 wird mit seinem Schaftende 1 und dem konischen Hauptabschnitt 2 in die Spannhülse 11 hineingeschoben, während das Spannelement 15 sich in der in 3a und 4a dargestellten Position befindet. In dieser Position liegen nämlich die vorderen Enden 16a der Spannfinger 16 innerhalb eines ersten zylindrischen Abschnittes 21 hinter der Spannhülse 11 und haben damit radiales Spiel. Die vorderen Enden der Spannfinger 16 verlaufen abgerundet oder auf der Innenseite zur Achse geneigt, ebenso wie auch das Schaftende 1 eine stirnseitige Fase oder Abrundung aufweist, sodass beim axialen Zusammendrücken des Schaftendes 1 und der Spannfinger 16 die vorderen Enden der Spannfinger 16 auseinandergedrückt werden, sodass, nachdem der größte Durchmesser des Schaftendes 1 die am weitesten radial einwärts ragenden Teile der Vorsprünge 17 passiert hat, diese Vorsprünge 17 in die Vertiefungen 3 hinter dem Schaftende 1 einrasten. Diese verrastete Position ist in 3a und 4a dargestellt.
Anschließend wird das Spannelement 15 axial zurückgezogen, wobei im vorliegenden Fall dieses Zurückziehen mithilfe eines Gewindeeingriffs erfolgt, indem der Spannring 12 des Spannelementes 15 mit einem Außengewinde versehen ist, das in ein entsprechendes Innengewinde in der Spannvorrichtung eingreift. Der Spannring kann in seinem Zentrum eine hexagonale Aussparung 19 aufweisen, in die von der Rückseite des Spindelkopfes 110 her ein Steckschlüssel eingeführt werden kann, sodass das Spannelement 15 gedreht und damit axial zurückbewegt werden kann. Alternativ kann jedoch auch eine Gewindehülse mit Innengewinde im Inneren der Spindel angeordnet sein, die mit dem Außengewinde des Spannelementes 15 verbunden ist, wobei anstelle des Spannringes die Gewindehülse ein entsprechendes Betätigungselement aufweist und wobei die Gewindehülse gleichzeitig gegen eine axiale Bewegung gesichert ist. Durch Drehen der Gewindehülse wird das Spannelement 15 axial zurück- bzw. einwärts gezogen oder bei entgegengesetztem Drehsinn in Richtung der Spannhülse 11 bewegt.
Die Spannfinger 16 haben einen vorderen Abschnitt 16a mit einem Außenradius R₁ und einen hinteren Abschnitt 16b mit einem Außenradiusradius R₂, der kleiner ist als der Radius R₁. Dazwischen erkennt man einen konischen Übergang 18. Analog dazu besteht der Hohlraum hinter der Hülse 11 bzw. das hintere Ende der Hülse 11 aus einem ersten Abschnitt 21, mit einer zylindrischen Innenfläche 21a mit größerem Radius und einem vorderen bzw. hinteren Abschnitt 22 mit einer zylindrischen Innenflächen 22a mit kleinerem Radius, wobei der Radius der zylindrischen Fläche 22a dem Radius R₁ des vorderen Abschnittes 16a der Spannfinger entspricht oder allenfalls geringfügig größer ist. Vor dem Spannen des Werkzeuges, wenn die Spannfinger 16 ihre vorgeschobene Position gemäß 3a und 4a einnehmen, haben sie ausreichend radiales Spiel, um die Vorsprünge 17 durch Spreizen der Spannfinger 16 über das Schaftende 1 hinwegzubewegen, so dass sie in der Vertiefung 3 verrasten. Durch axiales Zurückziehen des Spannelementes 15 wird das Werkzeug mit seinem konischen Hauptabschnitt 2 tiefer in die Hülse 11 hineingezogen, wobei die konische Innenfläche 11a der Hülse 11 mit der konischen Außenfläche 2a des Hauptabschnittes 2 in Eingriff kommt und wobei die entsprechenden Nuten 4, 14 in diesen Flächen einander jeweils gegenüberliegen und gemeinsam je einen Stift 5 aufnehmen.
Die Durchmesser bzw. Radien des Hauptabschnittes 2a und der zylindrischen Innenfläche 11a der Hülse 11 sind so aufeinander abgestimmt, dass das Spannelement 15 die in 4b dargestellte Position erreichen kann, bevor der Hauptabschnitt 2 seine endgültige feste Sitzposition in der Spannhülse 11 erreicht hat und die auf das Schaftende 1 ausgeübte Zugkraft noch relativ gering ist. Der kleine Konuswinkel α ermöglicht in diesem Fall einen relativ langen axialen Bewegungsweg des Hauptabschnittes 2 relativ zu der Hülse 11 bei gleichzeitiger Führung und Zentrierung bevor die Spannkraft stark anwächst. Dies ist insofern von Bedeutung als die Spannkraft, mit welcher die Vorsprünge 17 auf das Schaftende 1 wirken, anfänglich noch nicht zu groß werden darf, weil sich ansonsten die Spannfinger spreizen und den Eingriff mit der Vertiefung 3 verlieren würden, solange der vordere Abschnitt 16a der Spannfinger noch innerhalb des zylindrischen Abschnittes 21 der Spannvorrichtung liegt. Wenn aber die Spannfinger 16 die in 3b und 4b dargestellte Position erreicht haben, liegt die Außenfläche des Abschnittes 16a zumindest teilweise an der zylindrischen Innenfläche 22a des zweiten Abschnittes 22 an, die den gleichen oder einen geringfügig größeren Radius als die Außenfläche des Abschnittes 16a der Spannfinger 16 hat, sodass die Enden 16a der Spannfinger 16 mit den Vorsprüngen 17 praktisch nicht mehr radial nach außen gespreizt werden können, sodass die Vorsprünge 17 eine relativ große Zugkraft auf das Schaftende 1 ausüben können, ohne dass die Vorsprünge 17 aus den Vertiefungen 3 herausgleiten. Dementsprechend kann eine relativ große Spannkraft erzeugt werden, wobei aufgrund des sehr kleinen Konuswinkels α eine sehr gute Zentrierung des Hauptabschnittes 2 und damit des gesamten Schaftes 51 relativ zu der Achse der Hülse bzw. der Spindelachse 20 erreicht wird.
Die konischen Übergangsflächen 18, 23 stellen eine Zentrierung der Spannfinger 16 während des Spannvorganges sicher.
Zum Lösen des Werkzeuges 50 wird das Spannelement 15 bzw. eine entsprechende Hülse in die Richtung entgegen der Drehung wegen des Spannens gedreht, sodass das Spannelement 15 axial nach vorn bewegt und mit seinen Vorsprüngen den Hauptabschnitt 2 aus der Hülse ausdrückt bzw. den festen Spanneingriff zwischen den Flächen 11a der Hülse und 2a des Hauptabschnittes 2 löst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2719490 A1 [0003]

Claims

Spannvorrichtung (100) zum Spannen eines rotationssymmetrischen Werkzeugschaftes (50), wobei die Spannvorrichtung (100) eine Hülse (11) zur Aufnahme des Schaftendes (1) und eines Hauptabschnitts des Werkzeugschaftes hat und die Hülse (11) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Innenfläche (11a) und mindestens eine sich darin axial erstreckende Nut (14) zur teilweise Aufnahme eines Stiftes (5) für die Drehmomentübertragung zwischen der Hülse (11) und einem darin aufzunehmenden Schaft aufweist, und mit einer Einrichtung zum Ergreifen und axialen Anziehen des Schaftendes in die Hülse hinein durch Eingreifen von axial beweglichen Elementen (16, 17) in eine Vertiefung (3) an dem Schaft und axiales Anziehen der Elemente (16, 17), dadurch gekennzeichnet, dass die rotationsymmetrische Innenfläche (11a) der Hülse (11) konisch ist mit einem Konuswinkel α zwischen 0,5° und 10°.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der konischen Innenfläche (11a) der Hülse mindestens die Hälfte, vorzugsweise mehr als 80 % des maximalen Durchmessers der konischen Fläche beträgt.
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axial beweglichen Elemente (16, 17) durch radial elastisch bewegliche Spannfinger (16) gebildet werden, die eine gemeinsame rotationsymmetrische Einhüllende haben und an ihrem rückwärtigen Ende mit einem axial beweglichen Spannring (12) verbunden sind, wobei die vorderen Enden der Spannfinger (16) radial einwärts ragende Vorsprünge (17) für den Eingriff in die zwischen Hauptabschnitt (2) und dem Schaftende (1) angeordnete Vertiefung 3 haben und wobei die Spannfinger (16) mindestens in einer axial zurückgezogenen Position in Eingriff mit der Vertiefung (3) radial fixierbar sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannfinger (16) auf ihrer radial äußeren Fläche mindestens einen konischen Abschnitt (18) aufweisen, welcher den Übergang von einem größeren Radius (R1) am vorderen Ende der Finger (16) zu einem kleineren Radius (R2) am hinteren Ende der Finger bildet, wobei die Spannvorrichtung axial hinter der Hülse (11) zur Aufnahme des Hauptabschnitts (2) einen ersten Abschnitt (21) mit einer ersten zylindrischen Innenfläche (21a) aufweist, deren Radius (r1) größer ist als der durch die vorderen Abschnitte (16a) der Spannfinger (16) definierte Außenradius und axial weiter zurückversetzt einen zweiten Abschnitt (22) mit einer zweiten zylindrischen Innenfläche (22a) aufweist, deren Radius (r2) in etwas gleich dem durch die vorderen Abschnitte (16a) der Finger (16) definierten Außenradius ist, wenn diese mit der Vertiefung (3) eines Werkzeugschaftes in Eingriff stehen, mit einem konischen Übergang (23) zwischen den ersten und zweiten Abschnitten (21, 22), wobei der vordere Abschnitt (16a) der Spannfinger (16) zwischen den ersten und zweiten Abschnitten (21, 22) der Spannvorrichtung bewegbar ist.
Spannvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Spannfinger verbindende Spannring (12) ein Außengewinde für den Eingriff mit einem passenden Innengewinde einer zentralen Bohrung im hinteren Teil der Spannvorrichtung hat.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Bohrung mit dem passenden Innengewinde an eine einer drehbar in der Spannvorrichtung gelagerten Betätigungshülse vorgesehen ist.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde des Spanrings sich teilweise auf die Außenfläche des hinteren Endes (16b) der Spannfinger (16) erstreckt.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten einen teilzylindrischen, insbesondere halbzylindrischen Querschnitt oder einen parabolischen Querschnitt haben.
Spannvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (5) oder die Stifte (5) rotationsymmetrisch und vorzugsweise zylindrisch sind.
Kombination aus einer Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einem Werkzeug mit einem vorderen Schneidkopf und einem Schaft, der ein hinteres Schaftende (1) sowie einen rotationssymmetrischen Hauptabschnitt (2) aufweist, der einen größeren Radius als das Schaftende hat, und mit einer umlaufenden Vertiefung (3) zwischen dem Schaftende (1) und dem Hauptabschnitt (2), die einen kleineren Minimalradius (r) hat als das Schaftende (1), wobei der Hauptabschnitt (2) auf seiner Umfangsfläche (2a) mindestens eine sich axial erstreckende Nut (14) zur teilweise Aufnahme eines Stiftes (5) für die Drehmomentübertragung zwischen der Hülse (11) und einem darin aufzunehmenden Schaft des Werkzeuges aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft konisch mit einem Konuswinkel zwischen 0,5° und 10° ist und der Bereich des Schaftradius mit dem Bereich des Radius der konischen Innenfläche der Aufnahme überlappt, so dass der konische Schaftabschnitt passend in der konischen Innenfläche (11a) der Hülse (11) aufnehmbar ist.
Kombination nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, dass die axiale Länge der konischen Fläche (2a) des Hauptabschnittes (2) mindestens die Hälfte, vorzugsweise mehr als 80 % des maximalen Durchmessers der konischen Fläche (2a) beträgt.
Kombination nach Anspruch 9 oder 10, zur Herstellung eines Ventilsitzes und einer Ventilführung, wobei die Spannvorrichtung auf Ihrer Außenseite mindestens ein Schneidelement zur Herstellung eines konischen Ventilsitzes aufweist, und das Werkzeug einen sich von dem konischen Hauptabschnitt zu einem in axialem Abstand zu dem Schneidelement angeordneten Schneidkopf erstreckenden zylindrischen Schaftabschnitt aufweist.
Kombination nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schneidkopf zur Herstellung oder Fertigstellung einer zylindrischen Bohrung vorgesehen ist, deren Radius deutlich kleiner als der Radius der Schneidelemente an der Spannvorrichtung ist.