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Hydraulisches Spannelement
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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Spannelement, insbesondere
zum Spannen rotierender Teile wie Werkstücke, Werkzeuge oder Meßzeuge, mit wenigstens
einer hydraulisch dehnbaren, von einem Hydraulik-Medium mit Spanndruck beaufschlagbaren
Spannbüchse, wobei der hydraulische Spanndruck von Hand oder maschinell durch eine
Kraftspanneinrichtung erzeugt und über wenigstens eine im Spannelement verlaufende
Bohrung auf die Spannbüchse übertragen und über die Dauer der Spannung aufrechterhalten
wird.
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Hydraulische Spannelemente der genannten Gattung werden im Maschinenbau
vielfach eingesetzt, wobei sie in der überwiegenden Zahl der Einsatzfälle zur Herstellung
von kraftschlüssigen Verbindungen zwischen beispielsweise Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen
und Werkzeugen bzw. Werkstücken, ggf.
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auch zur Führung von Meßzeugen dienen.
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Sie sind zu diesem Zweck mit elastisch verformbaren metallischen Spannbüchsen
ausgerüstet, die mittels Druckbeaufschlagung eines Hydraulikmediums gleichmäßig
kreisförmig ausgeweitet werden und somit ein Spannen eines Teiles genau mittig zur
Drehachse des Spannelementes ermöglichen. Die aus dem Hydrauliksystem resultierende
große Spannkraft ermöglicht selbst bei kleinen Spanndurchmessern ein absolut sicheres
Spannen sowie die Übertragung hoher relativer Drehmomente.
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Da die Spannbüchse ein geschlossener rotationssymetrischer Körper
ist, wird sie im elastischen Bereich gedehnt, wobei ein Spannhub in der Größenordnung
von ca. 0,3% des Spanndurchmessers erzielbar ist.
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Durch einen Spannkolben, der von Hand oder über eine Spanneinrichtung
einer Maschine betätigt wird, wird das Hydraulik-Medium beim Spannvorgang unter
Druck gesetzt. Weil die zur Spannung benötigte relative Dehnung der Spannbüchse
nur sehr gering ist, wird hierfür nur eine verschwindend kleine 3 Menge von einigen
mm3 an Hydraulik-Medium benötigt.
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So vorteilhaft dies ist, ergibt sich daraus andererseits die Schwierigkeit,
daß bei einer Undichtigkeit ein teilweise oder völliger Verlust der Spannkraft eintreten
könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nachlassen der hydraulischen
Spannkraft im Spannsystem
des Spannelementes wirkungsvoll und unter
Einsatz möglichst einfacher Mittel zu verhindern.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einem hydraulischen Spannelement
der eingangs genannten Gattung mit der Erfindung dadurch, daß die Bohrung, über
welche der hydraulische Spanndruck auf die Spannbüchse übertragen wird, im Bereich
zwischen Kraftspanneinrichtung und Spannbüchse mit einem Verschlußorgan verschließbar
ausgebildet ist.
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Mit Vorteil wird durch diese Ausgestaltung des Spannelementes in wirkungsvoller
und unkomplizierter Weise ein Nachlassen der Spannkraft beim unter Druck gesetzten
System auch dann verhindert, wenn beispielsweise im Bereich der Kraftspanneinrichtung
eine geringe Undichtigkeit auftreten sollte.
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Eine Ausgestaltung des Verschlußorganes sieht vor, daß dieses mit
einem Verschlußelement in Form einer Kugel, vorzugsweise einer Stahlkugel, und die
Bohrung mit einer Schulter ausgebildet ist, gegen welche die Kugel unter Bildung
eines metallischen Dichtsitzes anpreßbar angeordnet ist.
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Mit Vorteil ergibt die Anordnung einer geschliffenen Stahlkugel als
Verschlußelement im Zusammenwirken mit einer Schulter der Bohrung schon bei relativ
geringem Anpreßdruck einen hermetisch dichten Verschluß auch gegen hohe hydraulische
Drücke,
und somit ein Höchstmaß an funktioneller Sicherheit.
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Andererseits ist diese Ausgestaltung fertigungstechnisch unkompliziert,
daher preisgünstig und zuverlässig in der Funktion.
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Weiter ist vorgesehen, daß das Verschlußorgan eine Spannschraube sowie
ein Druckelement zum Anpressen der Kugel gegen die Schulter aufweist.
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Mit Vorteil ergibt sich hierdurch, entsprechend der gestellten Aufgabe,
ein Optimum an funktioneller Sicherheit mit einem Minimum an mechanischem Aufwand.
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Um das Abheben der Kugel vom Dichtsitz nach Lösen der Spannschraube
sicher zu gewährleisten, ist weiter vorgesehen, daß an der der Spannschraube entgegengesetzten
Seite der Kugel ein Rückstellelement vorzugsweise in Form einer Spiral-Druckfeder
angeordnet ist.
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Bei einer Ausgestaltung des Spannelementes, wobei die Kraftspanneinrichtung
mit einer Kolben/Zylinder-Einheit mit einem Verdrängerkolben ausgebildet ist und
zum Antrieb des Verdrängerkolbens eine Spannschraube angeordnet ist, sieht eine
weitere Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die Spannschrauben einander identisch
gleichend ausgebildet sind.
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Weiter ist vorgesehen, daß der Verdrängerkolben
und
das Druckelement identisch gleich ausgebildete Teile sind.
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Mit Vorteil wird durch die Gleichheit der verwendeten Bauelemente
einerseits eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung von Fertigung und Montage
und andererseits beispielsweise im Falle einer Überholung des Spannelementes eine
Verringerung der Ersatzteilbevorratung erreicht.
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Und schließlich ist das Spannelement mit Vorteil so ausgebildet, daß
es eine Füllöffnung mit einem Verschlußstopfen aufweist, die mit einer Querbohrung
oberhalb der Schulter in die Bohrung einmündet und eine Verbindung zwischen der
Kolben/Zylinder-Einheit und dem Verschlußorgan herstellt.
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Die Erfindung wird in der Zeichnung in einer bevorzugten Ausführungsform
gezeigt, wobei aus der Zeichnung weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung
entnehmbar sind.
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Die Zeichnung zeigt im einzelnen: Fig. 1 einen Schnitt durch ein hydraulisches
Spannelement, entlang der Mittelachse, Fig. 2 einen Schnitt durch das Spannelement
entsprechend Fig. 1, quer zur Längsachse, entlang einer Schnittebene II-II in Fig.
1.
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Das hydraulische Spannelement 18 in Fig. 1 weist einen Grundkörper
19 und einen mit diesem verbundenen Spannkörper 20 auf. Beide Körper können je nach
Anforderung lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sein. Der Spannkörper 20,
der nur ein Beispiel stellvertretend für viele Anwendungsfälle darstellt, und in
der überwiegenden Anzahl von praktischen Anwendungsfällen als fertigungsbezogene
Sonderanfertigung hergestellt wird, weist eine zylindrische Bohrung 24 auf. In diese
ist die eigentliche Spannbüchse 3 eingesetzt. Zwischen dieser und der zylindrischen
Bohrung 24 des Spannkörpers 20 ergibt sich ein freier Ringraum 21, der mit einem
Hydraulik-Medium gefüllt und Teil des Hydrauliksystems des Spannelementes 18 ist.
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Die Spannbüchse 3 ist zu beiden Seiten des Ringraumes 21 mit Flanschen
25 und 26 ausgebildet.
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Diese sind in die zylindrische Bohrung 24 eingepaßt und mit dieser
beispielsweise durch eine Schutzgas-Hartlötung mediendicht verbunden. Da die Spannbüchse
3 eine geschlossene Büchse ist, wird sie im elastischen Bereich durch den Druck
des Hydraulik-Mediums gedehnt und umschließt daher ein einzuspannendes Teil (nicht
dargestellt) kraftschlüssig mit hoher Spannkraft. Dabei legt sich die Spannfläche
27 der Spannbüchse 3 praktisch auf der ganzen Fläche an die Kontaktfläche des eingespannten
Teils an.
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Dieser Spannvorgang wird dadurch begünstigt, daß die Spannbüchse 3
aus einem besonders elastischen Stahl hergestellt wird.
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Das .Hydrauliksystem des Spannelementes 18 umfaßt - wie gesagt - den
Ringraum 21, die Bohrung 1 mit dem Verschlußorgan 4, die Querbohrung 17 mit der
Füllöffnung 15 und die Kraftspanneinrichtung 2.
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Das Verschlußorgan 4 weist als Verschlußelement 5 die Kugel 7 auf.
Die Bohrung 1 geht im Bereich der Kugel 7 von einem kleineren Durchmesser in einen
größeren Durchmesserbereich 1' über. Dadurch ergibt sich eine Schulter 6, gegen
die sich die Kugel 7 unter Bildung eines metallischen Dichtsitzes 8 anlegt. Das
Verschlußorgan 4 umfaßt weiter die Spannschraube 9 und das Druckelement 10. Durch
Anziehen der Spannschraube 9 wird eine Druckkraft erzeugt und über das Druckelement
10 auf die Kugel 7 übertragen, die sich form- und kraftschlüssig gegen den Dichtsitz
8 preßt und damit die Bohrung 1 gegenüber der Querbohrung 17 bzw. der Kraftspanneinrichtung
2 hermetisch verschließt. Umgekehrt hebt sich beim Lösen der Spannschraube 9 die
Kugel 7 unter der Wirkung des Rückstellelementes 11 vom Dichtsitz 8 ab und gibt
die Verbindung zwischen dem Hydrauliksystem im Grundkörper 19 und dem hydraulischen
Ringraum 21 frei. Die Kräftspanneinrichtung 2 umfaßt eine Kolben/Zylinder-Einheit
12. Hierbei bildet die Bohrung 23 den Zylinderraum, in welchem der Verdrängerkolben
13 beweglich angeordnet ist. Dieser wird durch die Spannschraube 14 durch Einschrauben
in das Gewinde 14' angetrieben und verdrängt aus dem Zylinderraum der Bohrung 23
einen Teil des Hydraulik-Mediums. Weil die Querbohrung
17 in Richtung
der Füllöffnung 15 durch den Verschlußstopfen 16 mit der Verschlußkugel 28 druckdicht
verschlossen ist, wird auf diese Weise im Hydrauliksystem ein Druck aufgebaut, der
sich durch die Bohrung 1 auf den hydraulischen Ringraum 21 überträgt und in der
vorgängig beschriebenen Art und Weise mittels Innendehnung der Spannbüchse 3 den
Spannvorgang bewirkt. Während der Arbeitsphase des Spannens ist die Kugel 7 nach
Lösen der Spannschraube 9 unter der Wirkung des Rückstellelementes 11, einer Spiral-Druckfeder,vom
Dichtsitz 8 abgehoben und gibt damit die Verbindung zwischen dem Zylinderraum der
Bohrung 23 und dem Ringraum 21 frei.
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Nach Aufbau eines Spanndruckes von vorgegebener Größenordnung im Hydraulik-Medium
des Hydrauliksystems wird die Spannschraube 9 in das Gewinde 9' eingeschraubt und
überträgt den damit erzeugten Schließdruck über das Druckelement 10 auf die Kugel
7, die nunmehr auf den Dichsitz 8 gepreßt wird und in der bereits beschriebenen
Art und Weise das Hydrauliksystem gegenüber dem Ringraum 21 der Spannbüchse 3 unter
Druck hermetisch verschließt.
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Wie aus der Darstellung in Fig. 1 hervorgeht, sind die beiden Spannschrauben
9 und 14 untereinander gleich ausgebildet, ebenso der Verdrängerkolben 13 und das
Druckelement 10, desgleichen sind die Kugeln 7 und 28 von gleicher Dimension und
gleichem Werkstoff. Hierdurch wird die Fertigung und Montage sehr erleichtert und
vereinfacht. Es ergibt sich dadurch eine verbilligte Fertigung. Im Falle einer
Überholung
und Austauschs dieser Teile ergibt sich auch eine sparsame Ersatzteil-Lagerhaltung,
was sich ebenfalls kostengünstig auf Fertigung und Unterhalt des Spannelementes
18 auswirkt.
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Fig. 2 veranschaulicht in sehr übersichtlicher Weise die Anordnung
und gegenseitige Verbindung der Füllöffnung 15, der Querbohrung 17, des Zylinderraumes
der Bohrung 23, sowie der Bohrung 1, 1' mit der Schulter 6.
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Das Spannelement nach der Erfindung erlaubt durch.
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seinen unkomplizierten Aufbau und übersichtlichunkomplizierte Bedienung
eine Erhöhung der Funktionssicherheit beim Spannen mit vorteilhaft unkomplizierten
Mitteln.
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Weil dabei mittels weniger Handgriffe nach Einspannen des zu bearbeitenden
Teils die Gefahr des Nachlassens der Spannung infolge geringfügiger Undichtigkeiten
sicher behoben ist, was durch Einsatz weniger artgleicher Bauteile erreicht wird,
erfüllt das Spannelement nach der Erfindung in idealer Weise die eingangs gestellte
Aufgabe.