DE3314591C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrteiliges Spannsystem, insbesondere für rundlaufende Werkzeuge, mit einem gegebenenfalls einen Spannschaft tragenden Aufnahme­ körper, der an einer Stirnseite eine rechtwinklig zur Drehachse verlaufende Anlagefläche und eine ko­ axiale, kegelige Aufnahmebohrung aufweist, sowie mit einem vorzugsweise als Werkzeugträger ausge­ bildeten Anschlußteil, das auf einer Stirnseite ebenfalls mit einer rechtwinklig zu der Drehachse verlaufenden Anlagefläche und mit einem koaxialen, in die kegelige Aufnahmebohrung passenden Zentrier­ zapfen ausgebildet ist, der über einen ihm zugeord­ neten und zu ihm koaxialen Außenkegel unter elastischer Verformung eines Teiles durch eine Längsverschiebung der Konuslücke zwischen dem Innenkegel der Aufnahme­ bohrung und dem Außenkegel in der Aufnahmebohrung zentrierbar ist, sowie mit einer den Aufnahmekörper mit dem Anschlußteil unter gegenseitiger Anlage der beiden Anlageflächen axial verspannenden lösbaren Spannvorrichtung.

Beispielsweise bei mehrteiligen Werkzeugspann­ systemen für Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel tritt das Problem auf, daß beim Werkzeugwechsel das das Werkzeug tragende Anschluß­ teil mit hoher Rundlaufgenauigkeit mit dem mit der Werkzeugmaschinenspindel verbundenen Aufnahme­ körper verspannt werden muß.

Daher ist bereits ein Spannsystem entwickelt worden, vgl. die gattungs­ bildende (DE-OS 19 00 080), bei dem auf den zylindrisch aus­ gebildeten Zentrierzapfen des Anschlußteiles eine konische Hülse längsverschieblich aufgesetzt ist, die axial gegen einen in eine Ringnut eingelegten elastischen Ring abgestützt ist, welcher als me­ tallische Feder oder als federnder Ring aus Kunst­ stoff bzw. Gummi ausgeführt sein kann.

Die kegelige Aufnahmebohrung des Aufnahmekörpers geht an ihrer von der Anlagefläche des Aufnahme­ körpers entfernten Seite in eine zylindrische Partie über, die keine Zentrier- oder Führungsaufgaben hat, sondern lediglich zur Aufnahme des Endteiles des zylindrischen Zentrierzapfens des Anschlußteiles dient. Da die Zentrierung des Zentrierzapfens und damit des Anschlußteiles bezüglich der kegeligen Aufnahmebohrung des Aufnahmekörpers ausschließlich durch die als ge­ trenntes eigenes Teil angefertigte konische Hülse er­ folgt, muß das Einpassen der verschieblich gelagerten Hülse auf der zylindrischen Partie des Anschlußteiles mit großer Genauigkeit erfolgen. Der Außenkegel der konischen Hülse weist genau die gleiche Neigung wie der Innenkegel der Aufnahmebohrung auf. Die Hülse er­ fährt bei der Längsverschiebung der Konuslücke keine Verformung. Die elastische Verformung des der Hülse benachbarten elastischen Ringes erfolgt beim Spannen lediglich in der Axialrichtung mit dem Ziel, die konische Hülse in die konische Aufnahmebohrung des Aufnahmekörpers axial einzupressen. Der Schiebesitz der konischen Hülse auf dem zylindrischen Zentrier­ zapfen bedingt ein gewisses radiales Mindestspiel, das nicht unterschritten werden kann, so daß auch die Genauigkeit der erzielbaren Zentrierung dadurch begrenzt ist.

Weiterhin sind Spannsysteme bekanntgeworden (DE-OS 30 39 456), bei denen der Zentrierzapfen des Anschlußteiles zylindrisch ausgebildet ist und in eine engtolerierte zylindrische Aufnahmebohrung des Aufnahme­ körpers eingeschoben werden kann bis an dem Anschlußteil und dem Aufnahmekörper stirnseitig vorgesehene Anlageflächen aneinander zur Anlage kommen. Über die aneinander anliegenden Anlage­ flächen können zwar die bei einer Zerspannungs­ bearbeitung auftretenden rechtwinklig zur Drehachse wirkenden Kräfte aufgenommen werden, doch ist die erzielbare Rundlaufgenauigkeit wegen der Bearbeitungstoleranzen der Zylinder­ flächen des Zentrierzapfens und der Aufnahme­ bohrung begrenzt. Auch ist die Verbindung zwischen dem Aufnahmekörper und dem Anschluß­ teil gegen Verkanten beim Zusammenfügen der beiden Teile empfindlich. Wird der Zentrier­ zapfen nämlich nicht genau koaxial auf die Aufnahmebohrung ausgerichtet, so treten Be­ schädigungen an dem Zentrierzapfen oder in der Aufnahmebohrung auf, die die Rundlaufgenauig­ keit beeinträchtigen oder gar ein Lösen der Verbindung zwischen den beiden Teilen er­ schweren oder unmöglich machen. Um das Zu­ sammenfügen zu erleichtern, hat man deshalb den Zentrierzapfen und die Aufnahmebohrung schon gestuft ausgebildet.

Bei anderen bekannten Spannsystemen (DE-OS 24 54 146) wird eine Kegelverbindung gemäß DIN 2080 zwischen dem Anschlußteil und dem Aufnahmekörper verwendet. Die Kegelwinkeltoleranzen sind dabei so gelegt, daß der Außenkegel des Zentrierzapfens auf jeden Fall an seinem Größtdurchmesser trägt, um damit eine größtmögliche Stabilität der Verbindung zu erzielen. Bei Einsatzfällen, bei denen sehr große Kräfte rechtwinklig zur Drehachse auf das Anschlußteil einwirken, können diese aber von den zusammenwirkenden Kegelflächen allein nicht mehr stabil genug aufgenommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Spann­ system zu schaffen, bei dem auch beim Auftreten großer, seitlich auf das Anschlußteil wirkender Kräfte eine hohe Rundlaufgenauigkeit gewährleistet ist, ohne daß dazu übertriebene Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit gestellt oder Schwierig­ keiten beim Anfügen des Anschlußteiles an den Auf­ nahmekörper (bspw. Verkantungsgefahr) in Kauf genommen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs ge­ nannte Spannsystem erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Innenkegel der Aufnahme­ bohrung einen um einen vorbestimmten kleinen Winkelwert größeren Kegelwinkel als der Außen­ kegel des kegelig ausgebildeten Zentrierzapfens aufweist und daß durch entsprechende Ausbildung des Zentrierzapfens und/oder des Aufnahmekörpers bei der Längsverschiebung der Konuslücke zwischen den beiden Kegeln wenigstens einer dieser beiden Kegel bis zur großflächigen Anlage der beiden Kegel aneinander elastisch verformbar ist.

Der kegelige Zentrierzapfen kann in einfacher Weise ohne allzugroße Anforderungen an die Sorg­ falt in die kegelige Aufnahmebohrung des Aufnahme­ körpers eingeschoben werden, bis er im Bereiche seines kleinsten Durchmessers an dem Innenkegel der Aufnahmebohrung zur Anlage kommt, womit selbsttätig eine Zentrierung des Anschlußteiles bezüglich des Aufnahmekörpers erfolgt. Bei der im Verlaufe des weiteren Festziehens auftretenden elastischen Verformung des Außen- und/oder des Innenkegels bleibt diese Zentrierung exakt er­ halten, wobei gleichzeitig die Anlagefläche des Anschlußteiles zur satten Anlage an der Anlage­ fläche des Aufnahmekörpers gebracht wird und die beiden Teile durch die Spannvorrichtung in diesem Zustand gegeneinander verspannt gehalten werden. Damit ist einerseits eine hervorragende Rundlaufgenauigkeit gesichert, während andererseits die Verbindung zwischen dem Anschlußteil und dem Aufnahmekörper auch große, seitlich auf das Anschluß­ teil wirkende Kräfte aufnehmen kann, wie sie bspw. bei der Schwerzerspannungsbearbeitung auftreten.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Winkelwert, um den sich die Kegelwinkel des Außen- und Innenkegels voneinander unterscheiden, in dem Bereich kleiner/gleich 20 Winkelminuten liegt.

Grundsätzlich können sowohl der Aufnahmekörper als auch der Zentrierzapfen im Bereiche des Innen- bzw. Außenkegels durch geeignete konstruktive Maßnahmen mit einer solchen Wandstärke ausgebildet werden, daß die gewünschte elastische Verformung möglich ist. Sehr einfache konstruktive Verhält­ nisse ergeben sich aber, wenn im wesentlichen lediglich der Außenkegel des eine koaxiale Bohrung aufweisenden Zentrierzapfens elastisch verformbar ist. Die Bohrung kann nämlich ohne große Mühe in ihrem Durchmesser so gewählt und im übrigen derart gestaltet werden, daß der Zentrierzapfen im Be­ reiche seines Außenkegels die notwendige elasti­ sche Verformbarkeit erhält.

Wenn die Anlageflächen des Aufnahmekörpers und des Anschlußteiles exakt rechtwinklig zu der Drehachse verlaufende Planflächen sind, kann - bedingt durch vorhandene Herstellungstoleranzen - die Gefahr auftreten, daß zwischen den Anlage­ flächen im Bereiche deren größten Durchmessers ein keilförmiger Ringspalt verbleibt, durch den die Biegesteifigkeit des Spannsystems beein­ trächtigt wäre. Um dies auszuschließen, ist es vorteilhaft, wenn die Anlageflächen derart ge­ staltet sind, daß sie beim Verspannen zunächst im Bereiche des größten Durchmessers zur gegen­ seitigen Anlage kommen. Im weiteren Verlauf der axialen Spannbewegung tritt dann in diesem Be­ reiche des größten Durchmessers eine gering­ fügige elastische Verformung ein, unter deren Wirkung die Anlageflächen radial von außen nach innen fortschreitend zunehmend in großflächige gegenseitige Anlage übergehen.

Um dies zu erreichen, kann wenigstens eine der Anlageflächen kegelig sein, doch kann die Anord­ nung auch derart getroffen sein, daß wenigstens eine der Anlageflächen im Bereiche ihres größten Durchmessers einen axial geringfügig vorstehenden Ringflächenbereich aufweist, der in der erwähnten Weise elastisch verformbar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Werkzeugspannsystem gemäß der Erfindung, im axialen Schnitt, in einer Seitenansicht, und

Fig. 2 das Werkzeugspannsystem nach Fig. 1, im Ausschnitt und in einer Seitenansicht, unter Veranschaulichung des Zentrier­ zapfens, des Anschlußteiles und der Auf­ nahmebohrung des Aufnahmekörpers, in einem anderen Maßstab.

Ein im wesentlichen zylindrischer Aufnahme­ körper 1 weist einen zu der Drehachse 2 ko­ axialen, als Steilkegel ausgebildeten Spann­ schaft 3 auf, mit dem er in bekannter Weise mit der nicht weiter dargestellten Spindel einer Werkzeugmaschine, bspw. einer Fräs­ maschine, verbunden werden kann. An der dem Spannschaft 3 gegenüberliegenden Stirnseite ist der Aufnahmekörper 1 mit einer recht­ winklig zu der Drehachse 2 verlaufenden ge­ schliffenen Planfläche 4 versehen, von der aus sich eine zu der Drehachse 2 koaxiale Aufnahmebohrung 5 in den Aufnahmekörper 1 erstreckt. Die Aufnahmebohrung 5 ist kreis­ kegelig ausgebildet; ihr Innenkegel ist mit 6 bezeichnet (Fig. 2). An die Aufnahmebohrung 5 schließt sich eine koaxiale zylindrische Aus­ drehung 7 an, deren Durchmesser größer ist als der Kleinstdurchmesser des Innenkegels 6. In eine auf die Ausdrehung 7 in Achsrichtung folgende, zu der Drehachse 2 ebenfalls koaxiale Bohrung 8 ist ein Stützring 9 eingesetzt, der durch radiale Gewindestifte 10 lagefest fixiert ist und zur Abstützung einer Zylinderkopfschraube 11, bspw. mit Innensechskant 12, dient, deren Innen­ sechskant 12 über eine Durchgangsbohrung 13 von der Rückseite des Aufnahmekörpers 1 her mittels eines entsprechenden Schraubenschlüssels zugängig ist.

Mit dem Aufnahmekörper 1 ist mit hoher Rundlauf­ genauigkeit ein koaxiales zylindrisches Anschluß­ teil 14 verbunden, das das als Träger für ein nicht weiter dargestelltes Werkzeug, bspw. ein Fräswerkzeug, dient.

Das Anschlußteil 14 ist an seiner dem Aufnahme­ körper 1 zugewandten Stirnseite mit einer Plan­ fläche 15 (Fig. 2) ausgebildet, die rechtwinklig zu der Drehachse 2 verläuft und geschliffen ist. Außerdem trägt das Anschlußteil 14 auf dieser Stirnseite einen koaxialen vorstehenden Zentrier­ zapfen 16, der ebenfalls kegelig ausgebildet und dessen Außenkegel mit 17 bezeichnet ist. Durch den Zentrierzapfen 16 erstreckt sich eine koaxiale Gewindebohrung 18, in die die Zylinder­ kopfschraube 11 eingeschraubt ist (Fig. 1), die gemeinsam mit der Gewindebohrung 18 eine axial wirkende Spannvorrichtung bildet. Oberhalb des Gewindeteils der Zylinderkopfschraube 11 setzt sich die Gewindebohrung 18 in einer koaxialen, glattwandigen, zylindrischen Bohrung 19 des Anschluß­ teiles 14 fort.

Im Bereiche seiner freien Stirnseite ist der Zentrierzapfen 16 mit einer zu der Drehachse 2 koaxialen Ausdehnung 20 versehen, die sich über einen bestimmten Teil seiner axialen Länge er­ streckt und deren Bedeutung im einzelnen noch erläutert werden wird.

Im Bereiche seiner Wurzel ist der Zentrierzapfen 16 bei 21 (Fig. 2) mit einer umlaufenden rinnen­ artigen Vertiefung ausgebildet, an die sich eine kreisringförmige Vertiefung 22 im Bereiche der Planfläche 15 anschließt. Beide Vertiefungen 21, 22 dienen zur Erleichterung der Bearbeitung des Außenkegels 17 und der Planfläche 15.

Schließlich weist der Aufnahmekörper 1 im Be­ reich seiner Planfläche 4 zwei achsparallele, auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 2 angeordnete zylindrische Sackbohrungen 22 auf, in die zwei über die Planfläche 4 vorstehende Mitnehmer 23 mit einem zylindrischen Schaft 24 eingepreßt sind. Die im Querschnitt recht­ eckigen Mitnehmer 23 greifen in entsprechende Nuten 25 im Bereich der Planfläche 15 des Anschlußteiles 14 ein und gewährleisten eine lagerichtige, drehfeste Verbindung zwischen dem Anschlußteil 14 und dem Aufnahmekörper 1.

Wie insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen, ist der Kegelwinkel 26 des Innenkegels 6 der Auf­ nahmebohrung 5 um einen kleinen, bei 27 ange­ deuteten Winkelwert größer als der Kegelwinkel 28 des Außenkegels 17 des Zentrierzapfens 16. Der Winkelwert 27 liegt normalerweise in der Größenordnung von kleiner/gleich 20 Winkel­ minuten; er kann, insbesondere bei sehr großen Zentrierzapfen 16 und Aufnahmebohrungen 5, auch größer sein.

Der Unterschied zwischen dem Kegelwinkel 26 des Innenkegels 6 und dem Kegelwinkel 28 des Außenkegels 17 bewirkt, daß beim Einfügen des Zentrierzapfens 16 in die Aufnahmebohrung 5 der Außenkegel 17 mit dem Innenkegel 6 zunächst im Bereiche seines kleinsten Durchmessers - bei 30 - in Berührung kommt. Dies ist dadurch ermöglicht, daß der Zentrierzapfen 16 mit seinem Ende frei in die Ausdrehung 7 größeren Durchmessers ragt.

Wird nun anschließend die Innensechskantschraube 11 festgezogen, so wird der Zentrierzapfen 16 mit entsprechender Kraft weiter in die Aufnahme­ bohrung 5 hineingezogen. Dabei erfährt der Außen­ kegel 17 des Zentrierzapfens 16, ausgehend von dem Bereich 30 seines kleinsten Durchmessers, eine zunehmende elastische Verformung, so daß der Außenkegel 17 über immer weitere Flächenbereiche an dem Innenkegel 6 zur Anlage kommt, bis sich eine satte großflächige Anlage zwischen den beiden Kegeln ergibt, wenn die beiden Plan­ flächen 4, 15 aneinander anliegen, d. h. der in Fig. 2 bei 31 angedeutete Spalt zwischen diesen beiden Planflächen 4, 15 völlig geschlossen ist.

Die elastische Verformung im Sinne der Ver­ kleinerung des Außendurchmessers des Zentrier­ zapfens 16 im Bereiche seines Außenkegels 17 ist insbesondere durch die Ausdrehung 20 er­ möglicht, deren Durchmesser derart gewählt ist, daß der die Ausdrehung 20 umgebende ringförmige Teil des Zentrierzapfens 16 elastisch nachgeben kann.

Alternativ könnte die Anordnung auch derart ge­ troffen sein, daß der Aufnahmekörper 1 in dem den Innenkegel 6 umgebenden Bereich durch ent­ sprechende Bemessung seiner Wandstärke, durch Anordnung von Ringnuten oder dergl. so geschwächt ist, daß der Innenkegel 6 um das erforderliche Maß elastisch aufweitbar ist. Es wäre auch denk­ bar, sowohl den Außenkegel 17 als auch den Innen­ kegel 6 elastisch verformbar zu gestalten.

Die miteinander zusammenwirkenden beiden Kegel 6, 17 gewährleisten eine exakte Zentrierung des Anschlußteiles 14 bezüglich des Aufnahmekörpers 1, während die in satter gegenseitiger Anlage mit­ einander verspannten Planflächen 4, 15 eine genau fluchtende Ausrichtung des Anschlußteiles 14 bezüglich des Aufnahmekörpers 1 sicherstellen und im übrigen die Aufnahme auch von großen, seitlich auf das Anschlußteil 14 wirkenden Kräften ermöglichen.

Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel sind der Aufnahmekörper 1 und das Anschlußteil 14 jeweils mit einer genau rechtwinklig zu der Drehachse 2 verlaufenden geschliffenen Planflä­ che 4 bzw. 15 als Anlagefläche ausgebildet. Um unabhängig von Herstellungstoleranzen sicher­ zustellen, daß die beiden Anlageflächen beim Verspannen im Bereiche ihres größten Durchmessers in gegenseitige Anlage kommen, kann die Planfläche 4 und/oder 15 durch eine leicht kegelige Anlage­ fläche ersetzt sein, die schräg nach innen zu zur Drehachse 2 verläuft. Alternativ könnte die An­ ordnung auch derart getroffen sein, daß wenigstens eine der Planflächen 4, 15 im Bereiche ihres größten Durchmessers einen axial geringfügig vorstehenden Ringflächenbereich aufweist, so daß sich grundsätz­ lich die gleiche Anordnung ergibt, wie sie in Fig. 2 bezüglich der Vertiefung 22 und der Planfläche 15 veranschaulicht ist.

In beiden Fällen wird bei der axialen Verspannung eine elastische Verformung im Bereiche des größten Durchmessers der dort zunächst in gegenseitige Anlage kommenden Anlageflächen eintreten, die dann radial nach innen zu fortschreitend zu einer großflächigen gegenseitigen Anlage der Anlageflächen in einer ringförmigen Berührungs­ fläche führt.

Auf diese Weise wird mit Sicherheit ausge­ schlossen, daß zwischen den Anlageflächen im Bereiche deren größten Durchmessers ein im Querschnitt keilförmiger Ringspalt verbleibt, der die Biegesteifigkeit des Spannsystems beeinträchtigen könnte.

Claims (6)

1. Mehrteiliges Spannsystem, insbesondere für rund­ laufende Werkzeuge, mit einem gegebenenfalls einen Spannschaft tragenden Aufnahmekörper, der an einer Stirnseite eine rechtwinklig zu der Drehachse verlau­ fende Anlagefläche und eine koaxiale, kegelige Auf­ nahmebohrung aufweist, sowie mit einem vorzugsweise als Werkzeugträger ausgebildeten Anschlußteil, das auf einer Stirnseite ebenfalls mit einer rechtwinklig zu der Drehachse verlaufenden Anlagefläche und mit einem koaxialen, in die kegelige Aufnahmebohrung passenden Zentrierzapfen ausgebildet ist, der über einen ihm zugeordneten und zu ihm koaxialen Außen­ kegel unter elastischer Verformung eines Teiles durch eine Längsverschiebung der Konuslücke zwischen dem Innenkegel der Aufnahmebohrung und dem Außenkegel in der Aufnahmebohrung zentrierbar ist, sowie mit einer den Aufnahmekörper mit dem Anschlußteil unter gegenseitiger Anlage der beiden Anlageflächen axial verspannenden lösbaren Spannvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkegel (6) der Aufnahmebohrung (5) einen um einen vorbestimmten kleinen Winkelwert (27) größeren Kegelwinkel (26) als der Außenkegel (17) des kegelig ausgebildeten Zentrierzapfens (16) aufweist und daß durch ent­ sprechende Ausbildung des Zentrierzapfens (16) und/ oder des Aufnahmekörpers (1) bei der Längsverschiebung der Konuslücke zwischen den beiden Kegeln (6 oder 17) wenigstens einer dieser beiden Kegel bis zur groß­ flächigen Anlage der beiden Kegel aneinander elastisch verformbar ist.

2. Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelwert (27), in dem Bereich kleiner/gleich 20 Winkelminuten liegt.

3. Spannsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im wesentlichen lediglich der Außen­ kegel (17) des eine koaxiale Bohrung (20, 18) auf­ weisenden Zentrierzapfens (16) elastisch verformbar ist.

4. Spannsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlageflächen (4, 15) derart gestaltet sind, daß sie beim Verspannen zu­ nächst im Bereiche des größten Durchmessers zur gegenseitigen Anlage kommen.

5. Spannsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Anlageflächen (4, 15) kegelig ist.

6. Spannsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Anlageflächen (4, 15) im Be­ reiche ihres größten Durchmessers einen axial ge­ ringfügig vorstehenden Ringflächenbereich aufweist.