DE3436733C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugaufnahme für Werk­ zeuge, die einen Spannzapfen mit einem als Führungsfläche ausgebildeten, konischen Außenmantel sowie einen an der Basis des Spannzapfens befindlichen, radial überstehenden Flansch besitzen, welcher Spannzapfen aus einem im wesentlichen zylin­ drischen, den Flansch tragenden Schaft und einer darauf aufgezo­ genen, an ihrer Außenseite die Führungsfläche bildenden Konus­ druckhülse besteht, und mit einer Spannhülse, die eine ebene Stirnfläche und eine den Spannzapfen formschlüssig aufnehmende Konusbohrung aufweist, wobei zwischen der Konusdruckhülse und dem Flansch ein Federelement angeordnet ist. Solche Werkzeugauf­ nahmen dienen u. a. dazu, zerspanende Werkzeuge an einer Werk­ zeugmaschine zu spannen.

Bei der sogenannten Steilkegel-Werkzeugaufnahme, einer Werkzeug­ aufnahme nach DIN 2080 oder DIN 6987 1A, trägt das Werkzeug einen Spannzapfen in Gestalt eines Steilkegelstumpfes, dessen konischer Außenmantel als Führungsfläche ausgebildet ist. An der Basis des Spannzapfens, d. h. im Bereich seines größten Durchmessers, befindet sich ein Flansch, der radial allseits über den Spannzapfen übersteht. Der einteilige Spannzapfen wird in eine Spannhülse der Werkzeugmaschine eingesetzt, die eine zu der Steilkegelform komplementäre Konusbohrung besitzt. Die Konusbohrung mündet an einer ebenen Stirnfläche der Spannhülse, und sie nimmt den Spannzapfen formschlüssig auf. Die Spannhülse enthält einen Anzugsmechanismus, der dazu dient, den Spannzapfen in die Konusbohrung hineinzuziehen und ihn darin zu halten, wodurch das Werkzeug gespannt wird. Der Spannzapfen hat ein axiales Übermaß und steht im eingespannten Zustand mit seinem Ende größeren Durchmessers aus der Konusbohrung heraus. Der an diesem Ende befindliche, radial abstehende Flansch kommt im Abstand von der Stirnfläche der Spannhülse zu liegen. Eine kraftübertragende Anlage zwischen Spannzapfen und Spannhülse besteht nur im Berührbereich der einander zugeordneten Konus­ flächen. Man erreicht zwar mit dieser bekannten Werkzeugaufnahme auf bequeme Weise eine präzise Zentrierung des Werkzeugs an der Spindel einer Werkzeugmaschine, jedoch ist die Überleitung der im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente auf die Spindel nicht optimal. Der Einspannquerschnitt wird durch Biegemomente und in Axialrichtung wirkende Zug- und Schubkräfte stark bean­ sprucht und stellt somit eine Schwachstelle dar, bei der durch die Wechselbelastungen Materialermüdungserscheinungen auftreten. Hierdurch verkürzen sich die Standzeiten des Werkzeugs, und das mögliche Betriebsmoment ist begrenzt. Im Extremfall kann es zu einem Bruch des Werkzeugs am Einspannquerschnitt kommen, was die Gefahr von Betriebsunfällen und Sachbeschädigungen mit sich bringt.

Gemäß der Veröffentlichung "DE-Z, technica 20/1983, Seite 1688" hat man auch schon eine Anordnung mit allen Merkmalen aus dem Oberbegriff des Hauptanspruchs vorgeschlagen. Bei dieser bekann­ ten Anordnung, die hinsichtlich Aufbau und Fertigung kompliziert ist, können sich Späne in dem engen Ringraum zwischen Federele­ ment und Flansch festsetzen und möglicherweise auch zwischen die Plananlageflächen gelangen, so daß der ursprünglich erstreb­ te Erfolg ausbleibt. Außerdem könnte wegen des zusätzlichen Federelementes durch das notwendige Einbauspiel und durch eine mögliche über den Umfang nicht gleichmäßige Verlagerung von einzelnen Federelementbestandteilen eine Unwucht erzeugt werden. Bei der weiterhin bekannten Anordnung nach der DE-OS 26 13 526 handelt es sich um eine Spannvorrichtung mit einem Grundkörper und einer Spannhülse, bei der die Spannhülse als Federelement ausgebildet ist, aber in diesem Falle in erster Linie die Drehmitnahme und nur am Rande die Zentrierung bewirkt, die Gefahr einer statischen Überbestimmung ist hier nicht gegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Werkzeugaufnahme mit den im Oberbegriff des Hauptanspruchs beschriebenen Merkma­ len zu schaffen, die sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch der Fertigung einfacher ist und bei der vor allem nicht nur eine zuverlässige axiale Ausrichtung, sondern auch eine einwand­ freie radiale Zentrierung des Werkzeugs erreicht wird.

Die obige Aufgabe wird bei einer Werkzeugaufnahme mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Hauptanspruches dadurch gelöst, daß das Federelement mit der Konusdruckhülse aus einem Stück besteht, indem deren axiales Ende größeren Durchmessers als mit der Konusdruckhülse einstückiger elasti­ scher Verformungsbereich ausgebildet ist, in welchem Verfor­ mungsbereich die Materialstärke der Konusdruckhülse dadurch herabgesetzt ist, daß in den Innenmantel und/oder Außenmantel der Konusdruckhülse eine oder mehrere umlaufende Nut(en) eingearbeitet sind, und daß zum Zwecke der Zentrie­ rung der elastische Verformungsbereich mit seinem Außenumfang sich im gespannten Zustand praktisch vollständig in der Konus­ bohrung der Spannhülse befindet.

Die zur Lösung der obigen Aufgabe dienende erfindungsgemäße Anordnung weist die sich hieraus ergebenden Vorteile auf: der Aufbau und die Montage sind einfacher, es gibt keine Unwucht­ probleme, die Verschmutzungsgefahr wird vermieden, ebenso eine Verschleißgefahr, eine Schwächung des Querschnitts, wie bei den bekannten Anordnungen, bei denen noch ein Federelement im Inneren untergebracht werden muß, ist hier nicht festzustellen, insgesamt gesehen handelt es sich um eine Anordnung relativ einfacher Konstruktion, bei der auch die Montage einfach ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. So ermöglicht die axiale Fixierung der Konusdruckhülse nach An­ spruch 2 eine gewisse Stauchung des Verformungsbereichs beim Spannen, durch die radiale Zentrier- und Haltekräfte auf den Schaft des Werkzeugs bereitgestellt werden. Die Bauform des Anspruchs 4 vermeidet eine Überbestimmung der Werkzeugführung an radialen Ebenen. Weiterhin wird die Feinbearbeitung einer den Schaft aufnehmenden Paßbohrung in der Konusdruckhülse erleichtert. Anspruch 5 beinhaltet eine einfache, fertigungs­ technisch günstige Lösung für die axiale Fixierung der Konus­ druckhülse.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt einen Querschnitt durch einen Frässpindelkopf SK 50 nach DIN 2 079, dessen Werkzeugaufnahme in weitgehender Anlehnung an DIN 6 987 1A ausgebildet ist.

Der Frässpindelkopf hat eine Spannhülse 10 mit einer Konus­ bohrung 12. In letzterer ist ein Fräser 14 gespannt. Die Konus­ bohrung 12 entspricht derjenigen üblicher Steilkegel-Werkzeug­ aufnahmen. Sie nimmt formschlüssig einen Spannzapfen des Fräsers 14 auf, der zweiteilig ausgebildet ist und im einzel­ nen aus einem Schaft 16 und einer darauf aufgezogenen Konus­ druckhülse 18 besteht.

Der Schaft 16 setzt einstückig an dem Fräser 14 an. Er bildet eine axiale Verlängerung der Fräserwelle 22, die einen nicht näher dargestellten, zerspanenden Fräskopf trägt. Von der Fräserwelle 22 steht in Radialrichtung ein ebenfalls einstückig daran angeformter Flansch 24 ab. Die dem Fräskopf abgewandte Stirnseite 26 des Flanschs 24 ist als plane Anlagefläche ausgebildet. Sie kommt in der Spann­ stellung des Fräsers 14 mit einer gleichfalls ebenen Stirn­ fläche 28 der Spannhülse 10 zur Anlage. An dieser Stirn­ fläche 28 endet die Konusbohrung 12.

Durch die flächige Anlage des Flanschs 24 an der Stirnseite 28 der Spannhülse 10 wird der Fräser 14 oder ein anderes zu spannendes Werkzeug in Axialrichtung ausgerichtet. Die in einer Radialebene liegende, große Berührfläche ist hervor­ ragend geeignet, Kräfte und Momente von dem Fräser 14 oder einem anderen gespannten Werkzeug auf die Spannhülse 10 zu übertragen. Insbesondere wird der Einspannquerschnitt von Biegemomenten und axialen Schub- und Zugkräften ent­ lastet. Hierdurch wird die Betriebssicherheit des Werkzeugs erhöht, seine Standzeit verlängert und ein Arbeiten mit höherer Werkzeugbelastung ermöglicht.

Der Schaft 16 befindet sich in mittiger und axialer Anord­ nung auf der der Fräserwelle 22 abgewandten Seite des Flanschs 24. Unmittelbar angrenzend an die eine Plananlage vermitteln­ de Stirnseite 26 erkennt man einen kreiszylindrischen Bund 30, der eine Partie größeren Durchmessers des Schafts 16 darstellt, gegenüber dem Flansch 24 aber im Durchmesser beträchtlich vermindert ist. An den Bund 30 schließt unter erneuter radialer Abstufung eine kreiszylindrische Schaftpartie 16 kleineren Durchmessers an.

Ausgehend von der Stirnfläche 32 des Schafts 16 ist in letzterem eine mittige und axiale Sackgewindebohrung 34 ausgenommen. In diese greift die nicht näher dargestellte Gewindespindel eines Anzugsmechanismus′ ein. Der Anzugs­ mechanismus übt eine axiale Spann- und Haltekraft aus, die den Fräser 14 oder ein anderes Werkzeug in das Innere der Spannhülse 10 zieht und den Flansch 24 gegen die Stirn­ fläche 28 der Spannhülse 10 preßt.

Wie schon erwähnt, ist auf den Schaft 16 des Fräsers 14 als separates Teil eine Konusdruckhülse 18 aufgezogen. Diese hat eine Kegelstumpfform. Ihr konischer Außenmantel 36 ist an die Konusbohrung 12 angepaßt, so daß die Konus­ druckhülse 18 formschlüssig in die Konusbohrung 12 paßt. Der Boden 38 an dem im Durchmesser größeren Ende der Konus­ druckhülse 18 steht mit der Stirnseite 26 des Flanschs 24 in Anlage.

Die Konusdruckhülse 18 weist eine mittige Axialbohrung 40 auf, mittels derer sie sich auf den Schaft 16 aufstecken läßt. Auf der Höhe des Bunds 30 ist die Axialbohrung 40 in Form einer Gegenbohrung 42 erweitert. Der Schaft 16 und der Bund 30 kommen jeweils mit sehr geringem Radialspiel in der Axialbohrung 40 bzw. Gegenbohrung 42 zu liegen.

Die axiale Erstreckung des Bunds 30 ist geringer als die der Gegenbohrung 42, so daß sich ein Freistich 44 vor der Stirnfläche des Bunds 30 befindet. Dieser Freistich 44 verhindert eine Überbestimmung der Führung für die axiale Ausrichtung des Fräsers 14 o. ä. zu spannenden Werkzeugs. Diese axiale Ausrichtung wird allein durch die Anlagestellung der Planflächen 26; 28 von Spannhülse 10 und Flansch 24 definiert. Die Stirnfläche des Bunds 30 ist hingegen nicht geführt. Weiterhin erleichtert der Freistich 44 die Fein­ bearbeitung der Gegenbohrung 42, die den Bund 30 paßgenau aufnimmt. Es empfiehlt sich, das Feinbearbeitungswerkzeug wie z. B. einen Schleifer in der Gegenbohrung 42 auslaufen zu lassen, wozu der Freistich 44 einen geringfügig größeren Durchmesser haben kann als die übrige Gegenbohrung 42.

Die Konusdruckhülse 18 ist in ihrer Anlagestellung mit dem Flansch 24 auf dem Schaft 16 axial fixiert. Der Schaft 16 steht hierzu in Axialrichtung aus dem sich verjüngenden Ende der Konusdruckhülse 18 heraus. Der überstehende Abschnitt 46 trägt ein Sicherungselement, das gegen das axiale Ende der Konusdruckhülse 18 wirkt. Insbesondere kann auf dem Außenmantel des überstehenden Abschnitts 46 eine Ringnut ausgenommen sein, in die sich ein Sicherungsring 48 ein­ setzen läßt, nachdem die Konusdruckhülse 18 auf den Schaft 16 aufgesteckt ist. Im montierten Zustand ist die Konusdruck­ hülse 18 dann unverlierbar und in Axialrichtung unbeweglich zwischen dem Flansch 24 und dem Sicherungsring 48 gehaltert.

Es versteht sich, daß der Schaft 16 und der Bund 30 je einen so kleinen Durchmesser haben, daß sie im Abstand von der Mantelfläche der Konusbohrung 12 zu liegen kommen, und daß die Konusdruckhülse 18 zwischen dem Schaft 16 und der Mantelfläche der Konusbohrung 12 zu liegen kommt. In dem sich verjüngenden Bereich der Konusbohrung 12 bzw. Konusdruckhülse 18 kann dabei der Durchmesser des Schafts 16 der lichten Weite der Konusbohrung 12 nahekommen, so daß die Konusdruckhülse 18 nur wenig aufträgt. Hingegen ist der Durchmesser des Flanschs 24 so gewählt, daß er die Mündung der Konusbohrung 12 an der Stirnfläche 28 der Spannhülse 10 radial übergreift. Die axiale Länge der Konus­ druckhülse 18 ist so gewählt, daß sie - wie in der Abbildung gezeigt - in der Spannposition des Fräsers 14 vollständig versenkt in der Konusbohrung 12 zu liegen kommt.

Das axiale Ende größeren Durchmessers der Konusdruckhülse 18 ist erfindungsgemäß als elastischer Verformungsbereich ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Materialstärke der Konusdruckhülse 18 in der entsprechenden Partie herabge­ setzt, und zwar zunächst durch die dort angebrachte, zylin­ drische Gegenbohrung 42. Als elastischer Verformungsbereich der Konusdruckhülse 18 ist im wesentlichen der Abschnitt anzusprechen, der mit dem Bund 30 des Schafts 16 zur Anlage kommt. Zur weiteren Materialschwächung sind in diesem Verformungsbereich auf dem Innenmantel und Außenmantel der Konusdruckhülse umlaufende Ringnuten ausgenommen. Eine erste Ringnut 50 ist auf dem Boden 38 der Konusdruckhülse 18 vorgesehen. Diese Ringnut 50 trifft die Gegenbohrung 42 und erweitert sie radial nach außen. Axial im Abstand von der ersten Ringnut 50 ist auf dem Außenmantel der Konus­ druckhülse 18 eine zweite Ringnut 52 angeordnet, und eine dritte Ringnut 54 befindet sich in etwa nochmal demselben axialen Abstand auf dem Innenring der Gegenbohrung 42. Die Ringnuten 50, 52, 54 haben einen im wesentlichen recht­ eckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten. Für den elasti­ schen Verformungsbereich der Konusdruckhülse 18 ergibt sich so eine im Querschnitt mäanderförmige Struktur. Diese hat sich für die angestrebte elastische Verformung der Konusdruckhülse als besonders vorteilhaft erwiesen.

Die Konusdruckhülse 18 besteht vorzugsweise aus Stahl, d. h. einem Material mit guten Elastizitätseigenschaften. Sie wird gehärtet und geschliffen oder aus Vergütungsmaterial hergestellt. In jedem Fall kommt es darauf an, daß die Konusdruckhülse 18 den Schaft 16 mit minimalem radialen Spiel umschließt und genau in die Konusbohrung 12 paßt.

Die Funktion der Konusdruckhülse 18 beim Spannen eines Fräsers 14 o. ä. Werkzeugs ist nun die folgende. Der Anzugs­ mechanismus wirkt auf den Schaft 16, und der daran angeformte Flansch 24 nimmt die Konusdruckhülse 18 in einer Axial­ bewegung mit, durch die sie über ihre volle Länge am Außen­ mantel der Konusbohrung 12 zur Anlage kommt. Die Konusdruck­ hülse 18 hindert den Flansch 24 nicht daran, seine Anlage­ stellung mit der Stirnfläche 28 der Spannhülse 10 einzu­ nehmen, durch die das Werkzeug axial ausgerichtet wird. In dieser Anlagestellung wird aber die Konusdruckhülse 18 von dem Flansch 24 axial gepreßt. Ihr Verformungsbereich wird gestaucht und in der Konusbohrung 12 so deformiert, daß eine radiale Kraftkomponente auf den Bund 30 des Schafts 16 wirkt. Auf Grund der Drehsymmetrie des Verformungsbereichs wirkt diese radiale Kraftkomponente allseits und gleich­ mäßig, so daß das Werkzeug zentriert wird.

Die Konusdruckhülse 18 wirkt also als Zentrierhilfe beim Anziehen des Werkzeugs 14. Dessen axiale Ausrichtung wird durch die Plananlage des Flanschs 24 an der Spannhülse 10 erhalten, und die Konusdruckhülse 18 sorgt für die radiale Zentrierung des Werkzeugs 14.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Konusdruckhülse 18 als von dem Schaft 16 separates Teil erlaubt es, durch Deformation eines elastischen Verformungsbereichs an der Konusdruckhülse 18 eine radiale Zentrierung des Schafts 16 zu bewirken. Des weiteren erleichtert die separate Gestal­ tung der Konusdruckhülse 18 das fertigungstechnische Anbrin­ gen des elastischen Verformungsbereichs.

Die Spannhülse 10 ist üblicherweise mit einer angetrieben rotierenden Maschinenspindel verbunden. Der Fräser 14 oder ein anderes, in der Spannhülse 10 gespanntes Werkzeug wird bei dieser Drehung mittels eines Mitnehmersteins 56 mitgenommen. Der Mitnehmerstein 56 ist stirnseitig 28 mit der Spannhülse 10 verschraubt. Er greift in eine passende Kerbe 58 in dem Flansch 24 ein.

Es versteht sich, daß die Darstellung eines Frässpindel­ kopfes mit einem Fräser 14 in der Zeichnung nur exemplari­ schen Charakter hat. Die erfindungsgemäße Werkzeugaufnahme kann für alle möglichen Werkzeugmaschinen zum Einsatz kommen, wobei der Vorteil besteht, daß sie mit konventionellen Steilkegelaufnahmen vollkompatibel ist.

Claims (5)

1. Werkzeugaufnahme für Werkzeuge, die einen Spannzapfen mit einem als Führungsfläche ausgebildeten, konischen Außenmantel sowie einen an der Basis des Spannzapfens befindlichen, radial überstehenden Flansch besitzen, welcher Spannzapfen aus einem im wesentlichen zylindrischen, den Flansch tragenden Schaft und einer darauf aufgezogenen, an ihrer Außenseite die Führungs­ fläche bildenden Konusdruckhülse besteht, und mit einer Spann­ hülse, die eine ebene Stirnfläche und eine den Spannzapfen form­ schlüssig aufnehmende Konusbohrung aufweist, wobei zwischen der Konusdruckhülse und dem Flansch ein Federelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement mit der Konusdruckhülse (18) aus einem Stück besteht, indem deren axiales Ende größeren Durchmessers als mit der Konusdruckhülse einstückiger elastischer Verformungsbereich ausgebildet ist, in welchem Verformungsbereich die Materialstärke der Konusdruck­ hülse (18) dadurch herabgesetzt ist, daß in den Innenmantel und/oder Außenmantel der Konusdruckhülse (18) eine oder mehrere umlaufende Nut(en) (50, 52, 54) eingearbeitet sind, und daß zum Zwecke der Zentrierung der elastische Verformungsbereich mit seinem Außenumfang sich im gespannten Zustand praktisch voll­ ständig in der Konusbohrung (12) der Spannhülse befindet.

2. Werkzeugaufnahme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konusdruckhülse (18) auf dem Schaft (16, 30) axial fixiert ist.

3. Werkzeugaufnahme nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nuten (50, 52, 54) mit im wesentlichen recht­ eckigem Profil in axialem Abstand zueinander angeordnet sind, so daß sich für den Verformungsbereich eine im Querschnitt mäanderförmige Struktur ergibt.

4. Werkzeugaufnahme nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Schaft (16) aufnehmende Axialboh­ rung (40) der Konusdruckhülse (18) in dem Verformungsbereich durch eine Gegenbohrung (42) erweitert ist und daß der Schaft (16) einen abgestuften, zylindrischen Bund (30) größeren Durch­ messers aufweist, der passend in der Gegenbohrung (42) zu liegen kommt und dessen axiale Erstreckung geringer ist als diejenige der Gegenbohrung (42), so daß sich im montierten Zustand ein Freistich (44) vor der Stirnfläche des Bunds (30) befindet.

5. Werkzeugaufnahme nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (16) in Axialrichtung aus dem sich verjüngenden Ende der Konusdruckhülse (18) heraussteht und einen auf seinem Außenmantel befestigten Sicherungsring (48) trägt, zwischen dem und dem Bund (30) die Konusdruckhülse (18) unverlierbar gehaltert ist.