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Werkzeugwechselhalter
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Die Erfindung betrifft einen Werkzeugwechselhalter mit den im Oberbegriff
des Anspruches 1 enthaltenen Merkmalen.
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Ein vorgeschlagener Werkzeugwechselhalter der eingangs genannten Art
dient in erster Linie dazu, ein schnelles Auswechseln des kompletten Werkzeugkopfes
zu ermöglichen. Solche Werkzeugwechselhalter werden beispielsweise an Fertigungsautomaten,
insbesondere an roboterisierten Fertigungseinrichtungen verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeugwechselhalter
der obengenannten Art so auszubilden, daß er unter schwerer, auch pulsierender Belastung
eine hohe Spann sicherheit und Positionier- bzw.
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Wiederholgenauigkeit des Werkzeugkopfes gewährleistet und aufrechterhält.
Diese Aufgabe wird durch die Im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten
Merkmale gelöst. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist in den Kennzeichnungsmerkmalen
des Anspruches 2 niedergelegt.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen: Bei einem Werkzeugwechselhalter
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 können die Spann backen mit
ihrer Innenoberfläche im Bereich mindestens zweier, in Axialrichtung nebeneinanderliegender
Konen am Spannbolzen des Werkzeugkopfes# und mit ihrer außenliegenden Oberfläche
mit zwei ebenfalls in Axialrichtung nebeneinanderliegenden Konen oder Zylinderaußenflächen
an einer Innenwand des Werkzeugschaftes anliegen. Diese mindestens Vierpunkt-.bzw.
Vierflächen-Anlage an zwei Bezugsteilen (Spannbolzen, Werkzeugschaft) bedeutet eine
statische Überbestimmtheit, durch die nicht ohne weiteres gewährleistet ist, daß
die genannten Anlageflächen jeweils an ihren entsprechenden Gegenflächen bündig
anliegen und tragen Durch die Erfindung wird eine solche bündige Anlage trotz der
statischen Überbestimmung gewährleistet, weil die Anlagebereiche so über die Längserstreckung
der Spannbacken verteilt an einer Spannbacke angreifen, daß diese unter der Zugkraft
der Zugstange aufgrund der gegebenen Hebelverhältnisse in Spannstellung geringfügig
elastisch durchbiegen kann und dadurch folgende vorteilhafte Wirkungen gewährleistet:
Zum einen ist eine satte Mehrpunktanlage# der Spannbacken sowohl im Bereich ihrer
innenliegenden, konussegmentartigen Oberflächen an den Gegenkonen des Spannbolzens
als auch ihrer außenliegenden konussegmentartigen Oberflächen an den Gegenkonen
der Innenwand des Werkzeugschaftes gewährleistet. Dies ist gerade in gespanntem
Zustand der Spannzange von besonderer Bedeutung für die Beibehaltung der Positioniergenauigkeit
unter Lastangriff. Durch den von der Zugstange eingeleiteten Druck werden infolge
der Lage der vom Werkzeugschaft und vom Spannbolzen eingeleiteten Stützkräfte die
einzelnen Spannbacken einer Vorspannung unterworfen, die auch unter extremen Lastwechselbeanspruchungen
ein sicheres, vorgespanntes Halten des Werk-
zeugkopfes in einer
Formschlußanlage am Werkzeugschaft gewährleistet. Durch das Kennzeichnungsmerkmal
des Anspruches 1 erfolgt im Bereich der werkzeugkopfseitigen Innen- und Außenkonus-Segmentfläche
eine Verkeilung der Spannbacken zwischen Spannbolzen des Werkzeugkopfes und Werkzeugschaft
in etwa einer gemeinsamen Radialebene, während die übrigen Anlageflächen der Spannbacken
an Spannbolzen und Werkzeugschaft in axialer Richtung zur Zugstange hin verteilt
an der Innen- und Außenseite der Spannbacke angreifen und somit die durch die Zugstange
in die Spannbacken eingeleiteten Biegekräfte so.wirksam werden läßt, daß sich die
Spannbacken in diesen Bereichen geringfügig durchbiegen können und somit selbsttätig
die statischen Unbestimmtheiten ausgleichen. Dadurch ist wiederum über eine große
Axiallänge eine wirksame Mehrfachspannung des Spannbolzens bzw. des Werkzeugkopfes
gewährleistet.
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Der Gegenstand der Erfindung wird anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt
durch das vordere Ende des Werkzeugwechselhalters, dessen Spannzange oberhalb der
Längsachse in Spannstellung und unterhalb der Längsachse in Öffnungsstellung dargestellt
ist.
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Fig. 2 einen Querschnitt entsprechend der Linie II-II in Fig. 1 durch
den Werkzeugwechselhalter mit geschlossener Spannzange.
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Der Werkzeugwechselhalter besteht im wesentlichen aus dem Werkzeugschaft
1 einer in ihm in Längsrichtung der Werkzeugschaftachse 2 verschiebbar gelagerten
Zugstange 3, dem Werkzeugkopf 4 mit an seinem vorderen Ende beispielsweise befestigten
Schneidkörper 5 und der in
einer vorderen Ausnehmung 6 des Werkzeugschaftes
1 angeordneten, insgesamt mit 7 bezeichneten Spannzange.
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Die Zugstange 3 ist durch einen nicht näher dargestellten Kraftantrieb
- z.B. eine Schraubspindel - in Richtung der Längsachse 2 verschiebbar. Der Werkzeugkopf
4 ist mit einem in Richtung auf den Werkzeugschaft 1 vorstehenden, eingeschraubten
Spannbolzen 8 versehen, der in die Ausnehmung 6 des Werkzeugschaftes 1 hineinsteht.
Der Werkzeugkopf 4 ist durch die Zugstange 3 über die Spannzange 7 und den Spannbolzen
8 formschlüssig gegen die Stirnfläche des Werkzeugschaftes 1 verspannbar. Die Formschlußverbindung
der Anlageteile zwischen Werkzeugkopf 4 und Werkzeugschaft 1 ist durch eine insgesamt
mit 9 bezeichnete Hirth-Verzahnung gebildet, die einerseits eine Fixierung des Werkzeugkopfes
4 in unterschiedlichen Drehstellungen gegenüber dem Werkzeugschaft 1 ermöglicht,
andererseits sich durch eine Selbstzentrierwirkung unter Zug in Richtung der Achse
2 gegen den Werkzeugschaft 1 auszeichnet.
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Die Spannzange 7 besteht aus mehreren in Richtung der Achse 2 parallel
zueinander verlaufenden, die Zugstange 3 und den Spannbolzen 8 umgebenden Spannbacken
10.
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Zwischen den einzelnen Spannbacken 10 ist jeweils ein aus einem gummielastischen
Werkstoff bestehendes Federelement angeordnet, welches mit den Spannbacken 10 lateral
stoffschlüssig verbunden ist. Die Verbindung kann z.B. durch Kleben oder Vulkanisieren
hergestellt sein, so daß die Spannbacken 10 mit den Federelementen 11 eine Einheit,
nämlich die eigentliche Spannzange bilden. Die Federelemente 11 dienen dazu, die
Spannbacken 10 in Öffnungsstellung der Spannzange selbsttätig auseinanderzuspreizen
und dadurch den Spannbolzen 8 freizugeben derart, daß der Werkzeugkopf 4 ungehindert
vom Werkzeugschaft 1 lösbar ist.
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Die einzelnen Spannbacken 10 sind an ihrem zugstangenseitigen Ende
12 mit radial nach innen vorstehenden Zuganlageflächen 13 versehen, die in Anzugsrichtung
14 von dem Radialvorsprung 15 der Zugstange 3 beaufschlagbar sind, gleichgültig,
ob sich die Spannzange 7 in Schließ- oder in Öffnungsstellung befindet. Die radial
außen- und innenliegenden Oberflächen der einzelnen Spannbacken 10 sind mit zwei
in Axialrichtung hintereinander angeordneten Konus-Segmentflächen versehen. Auf
ihrer außenliegenden Oberfläche sind dies die Außenkonus-Segmentflächen 20,21, die
sich in Anzugsrichtung 14 der Zugstange 3 schließen und die in Axialrichtung voneinander
beabstandet (Abstand 22) sind. Weiterhin sind die Innenkonus-Segmentflächen 16,17
vorhanden, die sich in Anzugsrichtung 14 öffnen und bei angezogener Spannzange an
entsprechenden Außenkonen 18,19 des Spannbolzens 8 anliegen. Der Wirkdurchmesser
23 der zugstangenseitigen Außenkonus-Segmentfläche 21 ist kleiner als der Wirkdurchmesser
der werkzeugkopfseitigen Außenkonus-Segmentfläche 20. An jede Außenkonus-Segmentfläche
20,21 schließt sich in Richtung auf den Werkzeugkopf eine zylindrische Außenfläche
24 bzw. 25 an. Die Spannbacken 10 liegen bei in Richtung auf den Werkzeugkopf 4
vorgeschobener Zugstange 3 und folglich geöffneter Spannzange 7 über ihre Außenkonus-Segmentflächen
20,21 an entsprechenden Innenkonusflächen 26,27 des Werkzeugschaftes 1 an. Bei in
Anzugsrichtung 14 angezogener Zugstange 3 und folglich geschlossener Spannzange
7 sind die Spannbacken 10 über ihre Zylindersegmentaußenflächen 24,25 an entsprechenden
Innenzylinderflächen 28,29 des Werkzeugschaftes 1 abgestützt.
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Auf ihrer Innenoberfläche sind die Spannbacken 10 des weiteren mit
radialen Innenvorsprüngen 30 versehen, an die sich bei einer Öffnungsbewegung der
Zugstange 3
deren Radialvorsprung 15 anlegt und die Spannzange
7 in ihre Öffnungsstellung (Fig. 1, unten) verschiebt.
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Diese Öffnungs-Verschiebebewgung kann auch durch andere Mittel bewirkt
werden.
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Die bei angezogener Zugstange 3 von der werkzeugkopffernen Innenzylinderfläche
29 des Werkzeugschaftes 1 beaufschlagte zylindrische Segmentaußenfläche 24 einer
jeden Spannbacke 10 liegt mit Bezug auf die Axialrichtung zwischen der Zuganlagefläche
13 und der ihr nächsten Innenkonus-Segmentfläche 17, insbesondere etwa mittig dazwischen.
Hingegen liegt die dem Werkzeugkopf 4 zugewandte zylindrische Segmentaußenfläche
25 der Spannbacken 10 in etwa derselben Radialebene wie die dem Werkzeugkopf 4 zugewandte
Innenkonus-Segmentfläche 16.
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Die Zugstange 3 ist mit einer gestrichelt dargestellten Durchgangsbohrung
31 versehen, die sich durch den Spannbolzen 8 erstreckt und durch eine entsprechende
Bohrung 32 im Werkzeugkopf 4 fortsetzt. Die Bohrungen 31,32 dienen zum Durchtritt
optischer Meßstrahlen zur Überwachung des Schneidkörpers 5.
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Als besonders vorteilhaft im Hinblick auf die angestrebte Wiederhol-
und Positioniergenauigkeit hat sich eine Winkelstellung 33 der Innenkonus-Segmentflächen
17,18 der Spannbacken 10 mit der Achse 2 von etwa 300 erwiesen.
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Die Spannvorrichtung arbeitet wie folgt: Bei in Öffnungsstellung befindlicher
Spannzange (Fig. 1, unterer Teil) befinden sich die Spannbacken 10 in aufgespreizter,
radial außenliegender Stellung. In dieser Stellung kann der Spannbolzen 8 des Werkzeugkopfes
4 frei in den Zwischenraum zwischen den Spannbacken 10 eintre-
ten
bzw. aus diesen in Richtung der Achse 2 herausgezogen werden. In dieser Öffnungsstellung
der Spannzange liegen deren radial äußere Oberflächen mit den Außenkonus-Segmentflächen
20,21 an ihren entsprechenden Innenkonusflächen 26,27 des Werkzeugschaftes 1 an.
Soll bei angesetztem Werkzeugkopf 4 die Spannzange geschlossen werden, so wird die
Zugstange 3 in Anzugsrichtung 14 angezogen. Dabei gleiten die Spannbacken 10 der
Spannzange 7 mit ihren Außenkonus-Segmentflächen 20,21 zunächst über die Innenkonusflächen
26,27 des Werkzeugschaftes 1 mit der Folge, daß die Spannbacken 10 radial nach innen
verschoben werden. Die Spannzange schließt sich. Mit fortschreitendem Anziehen der
Zugstange 3 tritt die gegenseitige Anlage zwischen Spannbacken 10 und Werkzeugschaft
1 aus den beiderseitigen Konusbereichen in die beiderseitigen Zylinderbereiche über.
Nunmehr gleiten die Spannbacken 10 mit ihren zylindrischen Segment-Außenflächen
24,25 an den entsprechenden Innenzylinderflächen 28,29 des Werkzeugschaftes 1. Die
radial nach innen gerichtete Bewegung der Spannbacken 10 ist abgeschlossen. Es erfolgt
nur noch eine in Anzugsrichtung 14 verlaufende Gleitbewegung zwischen Spannbacken
10 und Werkzeugschaft 1.
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Mit weiterem Anzug der Zugstange 3 in Anzugsrichtung 14 legen sich
die Innenkonus-Segmentflächen 16,17 der Spannbacken 10 an die entsprechenden Außenkonen
18,19 des Spannbolzens 8 des Werkzeugkopfes 4 an. Dadurch wird zunächst der Werkzeugkopf
4 mit seiner Stirn-bzw. Hirth-Verzahnung 9 in die entsprechende Gegenverzahnung
der Stirnfläche des Werkzeugschaftes 1 hineingezogen. Nach Erreichung der gegenseitigen
Formschlußanlage zwischen Werkzeugkopf 4 und Werkzeugschaft 1 wird die von den Innenkonus-Segmentflächen
16 der Spannbacken 10 ausgehende Spann- bzw. Verkeilwirkung
voll
wirksam. Es erfolgt eine Verkeilung der Spannbacken 10 zwischen dem werkzeugkopfseitigen
Außenkonus 18 des Spannbolzens 8 und der werkzeugkopfseitigen Innenzylinderfläche
28 des Werkzeugschaftes 1 und zwar etwa in derselben Radialebene. Unter dem weiteren
Anzugsdruck seitens der Zugstange 3 wirkt der zugstangenseitige Teil einer jeden
Spannbacke 10 gewissermaßen wie ein zweiarmiger Hebel, der etwa mittig zwischen
den die beiden Hebelarmenden bildenden Zuganlagefläche 13 und Innenkonus-Segmentfläche
17 mit seiner zylindrischen Segmentaußenfläche 24 an der Innenzylinderfläche 29
des Werkzeugschafte.s 1 partiell anliegt, die gewissermaßen das Lager des zweiarmigen
Hebels bildet. Durch die Freischneidung zwischen zugstangenseitiger Außenkonus-Segmentfläche
21 der Spannzange 7 und Innenzylinderfläche 29 des Werkzeugschaftes 1 kann sich
- selbstverständlich im elastischen Bereich - der zugstangenseitige Hebelarm des
theoretischen, zweiarmigen Hebels aufbiegen mit der Folge, daß im Bereich der Innenkonus-Segmentfläche
17 ein radial nach innen gerichteter Druck zusätzlich wirksam ist, obwohl die Spann
backen 10 in der Radialebene der Innenkonus-Segmentflächen 17 der Spannbacken 10
außen am Werkzeugschaft 1 nicht abgestützt sondern ebenfalls freigeschnitten sind.
Diese Wirkung nach Art eines zweiarmigen Hebels führt zu einer sicheren Beaufschlagung
auch des zugstangenseitigen Außen konus 19 des Spannbolzens 8 und damit zu einer
Überwindung etwaiger negativer Folgen der statischen Überbestimmung durch das Vorhandensein
mehrerer Anlageflächen zwischen Spannbacken 10 und Werkzeugschaft 1 bzw. Spannbolzen
8.
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Bezugszeichenliste 1 Werkzeugschaft 2 Achse 3 Zugstange 4 Werkzeugkopf
5 Schneidkörper 6 Ausnehmung 7 Spannzange 8 Spannbolzen 9 Hirth-Verzahnung 10 Spannbacke
11 Federelement 12 Ende 13 Zuganlagefläche 14 Anzugsrichtung 15 Radialvorsprung
16 Innenkonus-Segmentfläche 17 Innenkonus-Segmentfläche 18 Außenkonus 19 Außenkonus
20 Außenkonus-Segmentfläche 21 Außenkonus-Segmentfläche 22 Abstand 23 Wirkdurchmesser
24 Segmentaußenfläche 25 Segmentaußenfläche 26 Innenkonusfläche 27 Innenkonsusfläche
28 Innenzylinderfläche 29 Innenzylinderfläche 30 Innenvorsprung 31 Durchgangsbohrung
32 Bohrung 33 Winkel
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