DE2334940A1 - Hydraulischer hohlspannzylinder zur betaetigung einer spannzange bzw. eines spannfutters einer arbeitsspindel einer drehmaschine - Google Patents

Description

DR.-INO. DIPL.-INQ. M. SC. D"»l..-PHYS. DR. OIPL.-PHYB. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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Firma Index-Werke KG Hahn & Tessky 73 Esslingen, Plochinger Str.

Hydraulischer Hohlspannzylinder zur Betätigung einer Spannzange bzw. eines Spannfutters einer Arbeitsspindel einer Drehmaschine

Die Erfindung betrifft einen an das Hinterende einer Arbeitsspindel einer Drehmaschine ansetzbaren, hydraulischen Hohlspannzylinder zur Betätigung einer Spannzange oder eines Spannfutters mittels eines Spannrohres, der in einem maschinenfesten und mit einem Leckanschluss ausgestatteten Aufnahmegehäuse angeordnet ist und zur Steuerung seines Hohlkolbens ein hohlzylindrisches Ansatzstück aufweist, in dem mindestens zwei achsparallele und jeweils mit einer Zylinderkammer in

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Verbindung stehende, an dessen Umfange im Axialabstand voneinander nach aussen tretende Zuführkanäle angeordnet sind, wobei das Ansatzstück zum wechselweisen Verbinden der Zuführkanäle bzw. der Zylinderkammern mit einer Druckquelle in einem im Aufnahmegehäuse unverdrehbar angeordneten und mit der Druckquelle in Verbindung stehenden Anschlussglied drehbar gelagert ist.

Hydraulische Hohlspannzylinder der eingangs beschriebenen Art sind bereits bekannt. Ihr zentraler Durchlass ermöglicht es, auf Drehautomaten auch Werkstoffstangen zu verarbeiten.

Bei diesen Hohlspannzylindern ist das mit der Druckquelle in Verbindung stehende Anschlussglied im Aufnahmegehäuse feststehend angeordnet und das zylindrische, mit dem Hohlzylinder umlaufende Ansatzstück ist in diesem mit Rollenlagern gelagert. In der Ebene der Austrittsöffnungen der Zuführkanäle des zylindrischen Ansatzstückes befindet sich am Innenumfange des Anschlussgliedes jeweils eine Ringnut, denen über je einen Anschluss Druckmedium zuführbar ist. Von beiden Anschlüssen führt jeweils eine Verbindungsleitung zu einem mit der Druckquelle in Verbindung stehenden Schieberventil.

Die Lagerung des Hohlzylinderansatzstückes im Anschlusstück muss derart präzise ausgeführt sein, dass sich für die Zuführung des Druckmediums in die Zylinderkammern zwischen dem stationären und dem umlaufenden Teil eine Spaltdichtung ergibt, die aufgrund der Anordnung der Ringnuten insgesamt drei ringförmige Dichtspalte aufweist. ■

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Dieser Konstruktion sind allein schon wegen des Einbaues von Rollenlagern relativ grossen Durchmessers hinsichtlich höherer Spindeldrehzahlen, wie sie bei modernen Drehautomaten gefordert werden, Grenzen gesetzt. Ausserdem erhitzt sich das durch die erwähnten Dichtspalte strömende Drucköl bei grossen Drehzahlen beträchtlich, wobei die für das Aufheizen des Öls benötigte Energie an der Arbeitsspindel zu einem erheblichen Drehmomentverlust führt. Zwar könntenin dieser Hinsicht durch eine Querschnittsvergrösserung der Dichtspalte günstigere Voraussetzungen geschaffen werden, doch würde dann der Abfluss grösserer ölmengen durch die Rollenlager diese wiederum unzulässig erwärmen .

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Hohlspannzylinder der gattungsgemässen Art zu schaffen, der extrem hohe Drehzahlen der Arbeitsspindel von Drehautomaten zulässt, der gegenüber der bekannten Ausführungsform im Aufbau einfacher ist und der insbesondere auch bei einer lagerungsbedingten grossen Leckölmenge zwischen dem Änschlussglied und dem zylindrischen Ansatzstück des Hohlspannzylinders einwandfreie Funktionsfähigkeit garantiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemüss dadurch gelöst, dass das Anschlussglied durch einen auf dem Ansatzstück des Hohlzylinderaxial verstellbaren Schieber gebildet ist, der zusammen mit dem Aussenumfang des Ansatzstückes eine von zwei ringförmigen Dichtspalteri. begrenzte_fmit der Druckquelle in Verbindung stehende Ringkammer definiert und mittels einer Betätigungsvorrichtung verstellbar ist und dass in jeder Schieberstellung jeweils

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eine der am Umfange des Ansatzstückes liegenden Mündungen seiner Zuführkanäle sich innerhalb der Ringkammer befindet.

Bei dieser Konstruktion ist somit ein fester Einbau des Anschlussgliedes in das Aufnahmegehäuse und damit eine Rollenlagerung nicht mehr notwendig, vielmehr bildet äas Anschlussglied einen den Fluss des Drucköles steuernden Ventilschieber, der vom Ansatzstück selbst getragen wird. Bei dieser Bauart kann damit auf stabile ümbauteile für die Lagerung verzichtet und der Durchmesser des Ansatzstückes wesentlich kleiner gehalten werden, da der Schieber auf dem Ansatzstück, aufgrund der vorhandenen Dichtspalte, gewissermassen hydrostatisch gelagert ist. Diese Art der Lagerung entsteht durch den die Dichtspalte ständig druchdringenden Leckstrom, durch welchen ein zentrierender Effekt erzielt wird. Durch den relativ grossen Leckölstrom wird jedoch die Funktionsfähigkeit des Hohlspannzylinders in keiner Weise beeinträchtigt, da die Erfindung einen beliebig hohen Systemdruck zulässt, der wiederum die geforderten Arbeitsdrücke mit verhältnismässig kleinem Kolbendurchmesser zu erzeugen gestattet. Dadurch ist es wiederum möglich, mit kleinen Zylinderabmessungen auszukommen.

Aus der durch die Erfindung ermöglichtenDurchmesserverkleinerung des Zylinders und insbesondere auch seines Ansatzstückes und der dadurch erreichten Verringerung der zu bewegenden Massen resultiert ein kleinerer Leistungsbedarf für den Spindelantrieb. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass gegenüber der bekannten Zylinderkonstruk-

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tion während der Rotation der Arbeitsspindel sich erheblich weniger Wärme entwickeln kann, was ursächlich darin begründet ist, dass das als Schieber ausgebildete Anschlussglied lediglich noch zwei ringförmige Dichtspalte aufweist.

Da schliesslich das Anschlussglied durch einen Ventilschieber gebildet ist, ist es des weiteren im Gegensatz zu der bekannten Konstruktion nicht mehr notwendig, in dessen Zuführleitungen ein Wegeventil zwischenzuschalten. Ausserdem kann das aus der einen Zylinderkammer abströmende Drucköl anstatt in eine Rücklaufleitung unmittelbar in das Aufnahmegehäuse abströmen. Diese Gegebenheiten führen zu erheblich kleineren Strömungsverlusten, durch welche zusammen mit dem insgesamt höheren Druckniveau, insbesondere bei kleinen Spanndrücken, die normalerweise sehr langen Spann- und Entspannzeiten wesentlich verkürzt werden können.

Die Betätigungsvorrichtung zur Verstellung des das Anschlussglied bildenden Schiebers kann beliebig ausgebildet sein. Besonders günstig ist es hierbei, auch die Schieberverstellung hydraulisch zu bewerkstelligen, weshalb bei einer bevorzugten Ausführungsform diese Vorrichtung durch ein Zylinderaggregat gebildet ist, dem zur Steuerung ein Vorsteuerventil vorgeschaltet ist. Der Schieber bildet damit zusammen mit dem Zylinderaggregat gewissermassen das Hauptventil, das sich mit einem sehr kleinen Vorsteuerventil steuern lässt, überdies kann dabei das zur Schieberverstellung dienende Zylinderaggregat verhältnismässig klein ausgebildet sein, da aufgrund der quasi hydrostatischen Schieberlagerung nur geringe Verstellkräfte erforderlich sind.

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Für die Zuleitung des Drucköles in die beiden Zylinderkammern des Hohlspannzylinders wird man vorteilhaft je Zylinderkammer mehrere Zuführkanäle vorsehen, um das Füllen und Entleeren der Zylinderkammern so schnell wie möglich bewerkstelligen zu können. Was hierbei die Verbindung der auf der vom Ansatzstück abgekehrten Seite des Hohlkolbens liegenden Zylinderkammer mit den ihr im Ansatzstück zugeordneten Zuführkanälen betrifft, so ergibt sich hierbei eine vorteilhafte Konstruktion, wenn diese Zuführkanäle mit dieser Zylinderkammer durch einzelne im Zylinder achsparallel angeordnete, den Hohlkolben durchdringende Rohre verbunden sind. Damit erfolgt die Verbindung zu dieser Zylinderkammer ohne Umwege bei kleinen Strömungsverlusten, und die erwähnten Rohre bilden zugleich eine Verdrehsicherung des Hohlkolbens innerhalb des Hohlspannzylinders. Schliesslich ist es günstig, wenn in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die zusammen mit dem Umfang des Ansatzstückes des Hohlspannzylinders die ringförmigen Dichtspalte definierenden Lagerbohrungen des Schiebers in an sich bekannter Weise sich in Strömungsrichtung des Druckmediums konisch verjüngen. Durch eine derartige Form der Lagerbohrungen wird bekanntlich ein besonders intensiver zentrierender Effekt erzielt, d.h. der Querschnitt der Dichtspalte hält sich über alle Umfangsbereiche von selbst gleich gross und eine gegenseitige Berührung der spaltbildenden Umfangsteile von Schieber und Ansatzstück ist unmöglich.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung können dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel entnommen werden. Es zeigen:

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Fig.l einen Längsschnitt durch eine mit einem Hohlspannzylinder ausgestattete, in einem Spindelkasten einer Drehmaschine angeordnete Arbeitsspindel,

Fig.2 eine Einzelheit aus Fig.l zur Darstellung einer anderen Schieberstellung,

Fig.3 ein Druckdiagramm zur Veranschaulichung des Druckverlaufs bei verschieden ge- stalteten Lagerbohrungen des Schiebers.

In Fig.l ist mit Io ein Spindelkasten eines Drehautoraaten bezeichnet, in dem eine Arbeitsspindel 12 drehbar gelagert ist, in deren Spindelkopf 14 eine Spannzange 16 eingesetzt ist, die in bekannter Weise durch Axialverschieben spann- bzw. offenbar ist. Der Spannzange ist eine Druckfeder 18 zugeordnet, die versucht, die Spannzange in Offenstellung zu halten. Zu ihrer Betätigung wirkt ein die Spannzange aufnehmende Druckhülse 2o mit einem in der Arbeitsspindel axial verschiebbar geführten Spannrohr 22 zusammen, das seinerseits durch den Hohlkolben 24 eines als Ganzes mit 26 bezeichneten Hohlspannzylinders betätigbar ist. Der letztere ist an das Hinterende der Arbeitsspindel koaxial zu dieser angeflanscht. Der Hohlspannzylinder befindet sich innerhalb eines mittels einer Montageplatte 28 an die hintere Stirnwand des Spindelkastens Io angebrachten Aufnahmegehäuses 3o_r das einen Leckölanschluss 32 aufweist. Zur Steuerung des Hohlkolbens 24 weist

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der Ilohlzylinder auf seiner von der Arbeitsspindel abgekehrten Stirnseite ein hohlzylindrisches Ansatzstück 34 auf, in dem zu den beiden Zylinderkammern 36 und 38 führende Zuführkanäle angeordnet sind. Jeder Zylinderkammer sind hierbei im Winkelabstand voneinander mehrere Zuführkanäle zugeordnet, die aus dem Ansatzstück an dessen Umfange bei 4o bzw. 42 austreten. Währendhierbei die die Mündungsöffnung 4o aufweisenden Zuführkanäle 44 unmittelbar in die Zylinderkammer 36 münden, münden die die Mündungsöffnung 42 aufweisenden Zuführkanäle 46 in innerhalb des Zylinders zu diesem achsparallel angeordnete und den Hohlkolben 24 durchdringende Rohrstücke 48 ein, die eine direkte Verbindung der Zuführkanäle 46 mit der Zylinderkammer herstellen und gleichzeitig eine Verdrehsicherung für den Hohlkolben 24 bilden. Zur Steuerung des Hydrauliköles in die eine oder andere Zylinderkammer 36 bzw. 38 dient ein Anschlussglied, das in Form eines unverdrehbar, jedoch axial verschiebbar auf dem zylindrischen Ansatzstück angeordneten Schiebers 5o ausgebildet ist. Dieser Schieber definiert zusammen mit dem Aussenumfang des zylindrischen Ansatzstückes 34 eine von zwei ringförmigen Dichtspalten52,54 begrenzte, mit einer Druckquelle in Verbindung stehende Ringkammer 56. Die axiale Länge derselben ist kleiner als der Abstand der beiden Umfangslinien, auf denen die Mündungsöffnungen 4o bzw. 42 der zu den beiden Zylinderkammern führenden Zuführkanäle 44 bzw. 46 liegen. Die Ringkammer ist mittels eines am Schieber 5o angeschlossenen Anschlussnippels 6o mit einem Schlauch 62 verbunden, der seinerseits über einen im Aufnahmegehäuse 3o gehaltenen Anschlussnippel 64 mit einer von einer Hydraulikpumpe 65 kommenden Leitung 68

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verbunden ist. Das Druckregelventil 66 dient zur Einstellung der gewünschten Spannkraft. Am Schieber 5o ist ein Mitnehmerarm 7o befestigt, an dem eine Kolbenstange 72 eines in einem in die Montageplatte 28 eingearbeiteten Zylinder 74 geführten Betätigungskolbens 76 angreift. Dessen Zylinderkammern 78 und sind über entsprechende Verbindungsleitungen 82,84 mit einem Vorsteuerventil 86 verbunden. Aus den Fig.l und 2 sind die beiden Endstellungen des Schiebers 5o ersichtlich, und diese Endstellungen sind zugleich die Endstellungen des Kolbens 76. Die Schieberstellungen werden mittels zweier im Aufnahmegehäuse in der Ebene des Mitnehraerarmes 7o in entsprechendem Abstand voneinander angeordnete Endschalter 88,9o überwacht, wozu der Mitnehmerarm an seinem freien Endstück ein entsprechendes, mit den Endschaltern 88 und 9o zusammenwirkendes Kurvenstück 92 bildet.
Die Wirkungsweise des Hohlspannzylinders ist folgende:

In jeder der beiden in Fig.l und 2 gezeigten Stellungen des Schiebers 5o befinden sich entweder die Mündungsöffnungen 4o oder 42 der Zuführkanäle 44,46 innerhalb der Ringkammer 56 so dass das ständig über die Verbindungsleitung 68 und den Schlauch 62 der Ringkammer zugeführte Drucköl in die eine oder andere Zylinderkammer 36 bzw. 38 einströmen kann, während das bei der Verstellung des Kolbens aus der entsprechenden Zylinderkammer verdrängte Drucköl unmittelbar in das Aufnahmegehäuse abströmen kann. Wie oben bereits erwähnt, ist der Schieber mit zwei zusammen mit dem Aussenumfang des Ansatzstückes 34 Dichtspalte 52,54 definierenden Lagerbohrungen 9 3,94 auf dem Ansatz stück verschiebbar angeordnet, und diese Lagerbohrungen sind

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gemäss Fig.2 in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung des Drucköles konisch verjüngt ausgebildet. Diese Ausbildung der Lagerbohrungen bewirkt, dass aus den ringförmigen Dichtspalten, aufgrund dessen, dass die Ringkammer 56 ständig mit der Druckquelle verbunden ist, beständig ein Leckstrom ausströmt und sich dabei die Lagerbohrungen des Schiebers selbsttätig exakt auf dem zylindrischen Ansatzstück zentrieren, d.h. der Dichtspaltquerschnitt bleibt über den gesamten Spaltumfang gleich gross. Eine metallische Berührung der spaltbildenden Teile kann damit nicht erfolgen und die somit gegebene, gewissermassen hydrostatische Lagerung des Schiebers bewirkt, dass dessen Axialverstellung mit kleinstem Kraftaufwand bewerkstelligt werden kann. Aus diesem Grunde kann das aus dem Zylinder 74 und dem Betätigungskolben 76 gebildete Zylinderaggregat auch relativ klein sein, so dass das Vorsteuerventil 86 ausserordentlich klein ausgelegt sein kann.

Fig.3 zeigt den Druckverlauf bei verschieden ausgebildeten Lagerbohrungen des Schiebers 5o, und aus dieser Darstellung geht hervor, dass die gewählte konische Ausbildung der Lagerbohrungen in Strömungsrichtung des Drucköles optimale Lagerungsverhältnisse schafft. Die Zentrierwirkung beruht bekanntlich auf der Tatsache, dass der Druckgradient einer laminaren Spaltströmung mit der dritten Potenz der Spalthöhe abnimmt. Das Druckdiagraram der Fig,3 zeigt den Druckverlauf entlang eines Ringspaltes bei parallelem Spalt (a) / bei konischem Spalt (b) und bei konischem Spalt, der gerade an der engsten Stelle berührt (c) Die Lagerbohrungen 9 3_#94 des Schiebers sind nun so ausgebildet,

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dass sie den Druckverhältnissen unter b entsprechen, d.h. es bildet sich' über die gesamte L'änge_ der Lagerbohrungen ein bestimmter Flüssigkeitsdruckverlauf aus, der die gewünschte ■Schieberzentrierung herbeiführt.

Die Anordnung des Schiebers auf dem zylindrischen Ansatzstück und die spezielle Art seiner Lagerung erlauben es, die Leckölmenge und den Öldruck optimal zu wählen, wobei lediglich geringe Wärme zwischen den beiden relativ zueinander bewegten Teile 34,5o entsteht. Da der Schieber ausschliesslich vom Hohlzylinder selbst aufgenommen wird, ist es auch möglich, denselben in den Abmessungen kleiner zu halten, was wieder einen geringeren Leistungsbedarf zur Massenbeleunigung des Hohlzylinders erbringt. Da ausserdem mit hohen Drücken gefahren werden kann, die verringerte Zylinderquerschnitte ermöglichen, ergeben sich auch verringerte Füllmengen, was sich wiederum durch Verkürzen der Schaltzeiten vorteilhaft auswerten lässt.

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   Patentansprüche :

   [ 1. ) An das Hinterende einer Arbeitsspindel einer Drehmaschine ansetzbarer, hydraulischer Hohlspannzylinder zur Betätigung einer Spannzange oder eines Spannfutters mittels eines Spannrohres, der in einem maschinenfesten und mit einem Leckanschluss ausgestatteten Aufnahmegehäuse angeordnet ist und zur Steuerung seines Hohlkolbens ein hohlzylindrisches Ansatzstück auf v/eist, in dem mindestens zwei achsparallele und jeweils mit einer Zylinderkammer in Verbindung stehende, an dessen Umfang im Axialabstand voneinander nach aussen tretende Zuführkanäie angeordnet sind, wobei das Ansatzstück zum wechselweisen Verbinden der Zuführkanäle bzw. der Zylinderkammern mit einer Druckquelle in einem im Aufnahmegehäuse unverdrehbar angeordneten und mit der Druckquelle in Verbindung stehenden Anschluscglied drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussglied (5o) durch einen auf dem Ansatzstück (34) des Hohlspannzylinders (26) axial verstellbaren Schieber (5o) gebildet ist, der zusammen mit dem Aussenumfang des Ansatzstückes (34) eine von zv/ei ringförmigen Dichtspalten (52,54) begrenzte, mit der Druckquelle in Verbindung stehende Ringkammer (56) definiert und mittels einer Betätigungsvorrichtung (74,76) verstellbar ist und dass in jeder Schieberstellung jeweils eine der ain Umfang des Ansatzstückes (34) liegenden Mündungen (4o, 42) seiner Zuführkanäle (44,46) sich innerhalb der Ringkammer (56) befindet.

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2. 2. Hydraulischer Hohlspannzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Betätigungsvorrichtung des Schiebers (5o) ein Zylinderaggregat (74,76) dient, dem zur Steuerung ein Vorsteuerventil (86) vorgeschaltet ist_r
3. 3. Hydraulischer Hohlspannzylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (5o) über eine flexible Leitung (62) mit der Druckquelle (66) in Verbindung steht.
4. 4. Hydraulischer Hohlspannzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der vom Ansatzstück (34) abgekehrten Seite des Hohlkolbens (24) liegende Zylinderkammer (38) mit den ihr zugeordneten Zuführkanälen (46) des Ansatzstückes (34) durch einzelne im Hohlspannzylinder (26) achsparallel angeordnete, den Hohlkolben (24) durchdringende Rohre (48) verbunden ist.
5. 5. Hydraulischer Hohlspannzylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammen mit dem Umfang des Ansatzstückes (34) die ringförmigen Dichtspalte (52,54) definierenden Lagerbohrungen (92,94) des Schiebers (5o) in an sich bekannter Weise sich in Strömungsrichtung des Druckmediums konisch verjüngen.

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