DE3507225C2 - Werkzeugspanneinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugspanneinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die DE 30 07 440 A1 beschreibt eine Werkzeugspanneinrichtung mit einem einen Aufnahmezapfen aufweisenden Werkzeuggrundhalter und einem eine Aufnahmebohrung aufweisenden Werkzeugkopf, bei der der Aufnahmezapfen in der entsprechend geformten Aufnahme­ bohrung gelagert ist und der Werkzeuggrundhalter einen über einen bestimmten Hub beweglichen Spannbolzen aufweist, der an ihm liegende, radial nach außen wirkende Spannstifte beauf­ schlagt, die zur Arretierung des Werkzeugträgers in Ausnehmun­ gen des Werkzeugträgers eingreifen.

Aus der EP-A1 0 101 917 ist ein Werkzeug bekannt, dessen Kupp­ lung ein Spannfutter enthält, welches koaxial zur Zugstange verläuft und in Schließstellung Vorsprünge der Zugstange um­ faßt. Der Werkzeugkopf wird über die Zugstange, das Spannfutter und der Zugschaft in eine Formschlußverbindung (Hirth-Verzah­ nung) am Werkzeugschaft hineingezogen. Über die Hirth-Verzah­ nung ist zwar eine spielfreie Positionierung des Werkzeugkopfes möglich, aber nachteiligerweise keine günstige Absicherung gegen die relativ hohen durch Zerspanungskräfte auftretenden Momente. Durch die Eingriffswinkel der einzelnen Zähne bedingt, ergeben sich bei Belastung des Werkzeugkopfes axiale Abdräng­ kräfte, die die Positionierlage beeinträchtigen können. Zudem ist die verzahnte Kupplungsstelle sehr schmutzanfällig. Insge­ samt müssen aus vorstehend genannten Gründen sehr hohe Zug­ kräfte aufgebracht werden, die über eine Spannpatrone auf den im Werkzeugkopf eingeschraubten Spannzapfen übertragen werden, die dadurch extrem hoch belastet sind.

Hieraus ergibt sich die Aufgabe, eine Werkzeugspanneinrichtung zu schaffen, die unter Beibehaltung eines spielfreien Sitzes des Werkzeugkopfes auf dem Werkzeuggrundhalter bei großer Stei­ figkeit des Werkzeuges sowohl manuell als auch automatisch ein funktionssicheres Einspannen und leichtes Lösen der Werkzeug­ köpfe bei sicherer Führung der Spannelemente mit niedrigem Kraftaufwand ohne Verkantungsgefahr ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Werkzeug­ spanneinrichtung gelöst. Diese besitzt eine Spannschraube mit Doppelgewinde (Rechts-Links-Gewinde), worüber zwei Spannele­ mente im Aufnahmezapfen gegenläufig senkrecht zur Längsmit­ telachse des Aufnahmezapfens führbar sind. Diese Spannelemente besitzen Spannasen, die in eine entsprechend ausgebildete Nut des Werkzeugkopfes eingreifen. Sowohl die Nut als auch die Spannasen weisen Gleitflächen auf, die spitzwinklig zur Aufnah­ mezapfenlängsmittelachse angeordnet sind. Hierdurch ist eine sichere Führung der Spannelemente gewährleistet. Darüber hinaus ist der Kraftaufwand beim Spannen verhältnismäßig niedrig, was durch die entsprechend abgeschrägten, sich gegenüberliegenden Flächen der Spannasen als auch der Nuten bewirkt wird. Insbe­ sondere ist noch hervorzuheben, daß ein Verkanten der Spannele­ mente im Werkzeuggrundhalter ausgeschlossen ist.

Erfindungsgemäß weisen die Spannelemente an ihrer dem Werkzeug­ kopf zugewandten Seite konisch auseinanderlaufende Gleitflächen auf, die einem konzentrisch zur Längsmittelachse des Aufnahme­ zapfens angeordneten, gleitend im Aufnahmezapfen geführten Abstoßelement als Abstützflächen dienen. Die den Gleitflächen der Spannelemente abgewandte Seite des Abstoßelementes liegt als Stirnfläche an der ebenen Grund­ fläche der Aufnahmebohrung im Werkzeugkopf an. Hiermit wird folgendem Umstand Rechnung getragen. Die Lage des Werkzeugkop­ fes wird zum einen durch die senkrecht zu dessen Schaftachse verlaufenden planaren Stirnflächen, zum anderen durch den kege­ ligen Aufnahmezapfen in Verbindung mit der kegeligen Aufnahme­ bohrung überbestimmt. Um einen einwandfreien Sitz des Werkzeug­ kopfes auf den Werkzeuggrundhalter zu gewährleisten, wird des­ halb die Dimensionierung des Aufnahmezapfens geringfügig größer gewählt als die der Aufnahmebohrung, so daß beim Spannen des Werkzeuges die Mäntel des Aufnahmezapfens und der Aufnahmeboh­ rung aufeinandergepreßt werden. Um ein schadloses Spannen zu ermöglichen, wird vorzugsweise ein oberflächengehärteter Werk­ stoff, z. B. Vergütungsstahl, der durch Nitrieren bzw. Einsatz­ härten oberflächengehärtet ist, verwendet. Das Aufpressen des Werkzeugkopfes auf den Aufnahmezapfen kann zu Schwierigkeiten beim Ablösen bzw. Wechseln des Werkzeugkopfes führen. Diese werden durch Verwendung des beschriebenen Abstoßelementes beseitigt. Soll der Werkzeugkopf gelöst werden, so bewirkt eine Drehung der Spannschraube ein Aufeinanderbewegen der Spann­ keile, die bei dieser Bewegung das Abstoßelement, das in Berüh­ rung mit den schräg verlaufenden Gleitflächen der Spannelemente steht, so bewegen, daß die diesen Gleitflächen abgewandte Seite, die Stirnfläche des Abstoßelementes, gegen die Grundflä­ che der Aufnahmebohrung im Werkzeugkopf gepreßt wird und schließlich den Werkzeugkopf von dem Aufnahmezapfen drückt. Hiermit ist eine Werkzeugspanneinrichtung geschaffen, die ein leichtes Aufschieben wie leichtes Dispositionieren des Werk­ zeugkopfes ermöglicht, ohne daß auf einen spielfreien Sitz im gespannten Zustand verzichtet werden muß.

Vorzugsweise ist das Abstoßelement zylindrisch ausgebildet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es sowohl möglich, neben den üblicherweise verwendeten zylindrischen Aufnahmezap­ fen auch solche Aufnahmezapfen zu verwenden, die zumindest über einen Teil der seitlichen Mantelfläche konisch ausgebildet sind. Diese konische Ausbildung ermöglicht einen spiel freien Sitz als auch ein leichtes Aufschieben des Werkzeugkopfes. Bevorzugt wird die konische Ausgestaltung derart gewählt, daß der vom Mantel des konisch ausgebildeten Aufnahmezapfens mit dessen Längsmittelachse gebildete Keilwinkel 1 bis 10°, vor­ zugsweise 1,5 bis 4°, beträgt.

Der von den Gleitflächen der Nut im Werkzeugkopf bzw. den parallel gegenüberliegenden Flächen der Spannasen und der Längsmittelachse gebildete Keilwinkel beträgt bevorzugt 30 bis 80°.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die genannten Gleitflächen der Spannelemente so angeordnet sind, daß sie mit der Längsmittelachse des Aufnahmezapfens einen Win­ kel von 45 bis 80° bilden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Abstoßelement mit einer zentralen Bohrung versehen, die einen Kühlmittelzu­ fluß zum Werkzeug ermöglicht.

Die Spannschraube besitzt, wie bereits erwähnt, ein Doppelge­ winde, wobei die beiden Teile mit gegensinniger Gewindesteigung über einen zylindrischen Schaft der Spannschraube miteinander verbunden sind, der in einer entsprechend geformten Aufnahme­ bohrung in den Spannelementen geführt ist. Damit wird ein weit­ gehend beigemomentfreies Drehen der Spannschraube ermöglicht.

Die Spannschraube und die Spannelemente selbst ruhen in einem im Werkzeuggrundhalter gelegenen Führungsdurchbruch, der an der dem Werkzeugkopf zugewandten Seite senkrecht zur Längsmittelachse des Aufnahmezapfens liegende Gleit- Stützflächen für die Spannelemente aufweist. Weiterhin wird die Werkzeugspanneinrichtung bevorzugt mit einem zu einem einstückigen Teil kombinierten Mitnehmer-/Spannelemente ausgestattet, was im einfachsten Fall dadurch bewerkstelligt wird, daß die Spannelemente jeweils einen Mitnehmerzapfen aufweisen, der in einer entsprechend geformten Nut im Werkzeuggrundhalter eingreift.

Insgesamt ergibt sich so bei der vorliegenden Erfindung eine nahezu momentenfreie Gleitführung innerhalb des Werkzeughal­ ters, die aufgrund deren besonderer Merkmale ein Verkippen der Spannelemente im Aufnahmezapfen oder ein Verkanten des Werk­ zeugkopfes auf dem Aufnahmezapfen verhindert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt. Es zeigen

Fig. 1a bis c einen Werkzeuggrundhalter mit aufgesetztem Werkzeugkopf in zwei Querschnittsansichten und einer Draufsicht,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Werkzeughalters mit aufgesetztem Werkzeugkopf in einer anderen Ausführung des Aufnahmezapfens,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Werkzeughalters mit zylindrischem Aufnahmezapfen und aufgesetz­ tem Werkzeugkopf und

Fig. 4a bis f verschiedene Gestaltungen für die Durchbrüche zur Aufnahme der Spannelemente mit Mitnehmer­ zapfen im Querschnitt.

Der in Fig. 1 dargestellte Werkzeugkopf 1 besitzt eine Aufnah­ mebohrung mit konisch geformter Mantelfläche, in die eine Nut 12 eingedreht ist, die in einer Abschrägung, nämlich schrägverlaufende Gleitfläche 13, ausläuft. Die kegelstumpfför­ mige Bohrung des Werkzeugkopfes ist auf einen entsprechend kegelstumpfförmig ausgebildeten Aufnahmezapfen 2 aufgesetzt, so daß die den Aufnahmezapfen 2 des Werkzeuggrundhalters 7 und die die Aufnahmebohrung des Werkzeugkopfes 1 umgebenden, senkrecht zur Schaftachse verlaufenden planaren Stirnflächen 37 und 36 spielfrei aneinanderliegen. In Ausnehmungen 15 des Werkzeug­ grundhalters 7 mit seitlichen Führungen 23 und 24 sowie absatz­ förmig ausgebildeten Gleit-Stützflächen 16, 17, die ein Ver­ schieben des Spannelementes in Richtung der Längsmittelachse 22 des Werkzeuggrundhalters verhindern, sind Spannelemente 3, 4 mit einer mit ihr in Eingriff stehenden Spannschraube 5 ange­ ordnet. Die Spannelemente 3, 4 weisen an ihrer der Längsmittel­ achse 22 des Werkzeuggrundhalters 7 abgekehrten Seite Nasen 10, 11 auf, die zu der dem Schneidwerkzeug 38 an der Spitze des Werkzeugkopfes abgewandten Seite in Richtung auf die Längsmit­ telachse 22 zulaufende, abgeschrägte Flächen 27, 28 besitzen. Wie bereits erwähnt, dienen die abgeschrägten Flächen 27, 28 im Zusammenwirken mit den entsprechenden schräg verlaufenden Gleitflächen 13 der Nut 12 als Gleitebenen beim Spannen des Werkzeugkopfes. Die Spannelemente 3 und 4 besitzen zudem jeweils einen, d. h. zusammen zwei Mitneh­ mer 14, die in entsprechende Nuten 34 des Werkzeugkop­ fes eingreifen. Hierdurch wird das durch die Zerspanung auftre­ tende Drehmoment ebenso aufgenommen, wie durch die Stützflä­ chen 16, 17, 18 und 19 der Ausnehmung 15 (Fig. 4).

Die Spannelemente stehen mit dem Doppelgewinde der Spann­ schraube 5 in Eingriff, wobei die Gewindeteile 8, 9 eine gegen­ sinnige Gewindesteigung (Rechts-Links-Gewinde) aufweisen. Zwi­ schen diesen Gewindeteilen 8, 9 besitzt die Spannschraube 5 einen zylindrischen Schaft 20, der in entsprechend großen Auf­ nahmebohrungen der Spannelemente 3, 4 drehbar gelagert ist. Die Spannschraube 5 kann z. B. mittels eines Spannschlüssels oder auch durch automatisches Einkuppeln eines Spannantriebes über die Inbusausnehmung 33 gedreht werden.

Ferner besitzt die Werkzeugspanneinrichtung ein Abstoßele­ ment 6, das im wesentlichen eine zylindrische Form mit einer aus der Stirnseite des Aufnahmezapfens heraustretenden Stirn­ fläche 30 besitzt. Die der Stirnfläche 30 gegenüberliegende Grundfläche des Abstoßelementes 6 ruht in Gleitflächen 25 und 26, die von schräg zur Längsmittelachse 22 des Aufnahmezapfens verlaufenden Flächen der Spannelemente 3, 4 gebildet werden. Diese Flächen bilden einen Winkel mit der Längsmittelachse von ca. 45°, wobei die Schenkel sich zur Werkzeugkopfspitze hin erweitern. Zudem besitzt das Abstoßelement 6 auch noch eine zentrale Bohrung 31 zur Aufnahme eines Kühlmittels.

Die in Fig. 1 dargestellte, Werkzeugspanneinrichtung wird fol­ gendermaßen betätigt. Bei Drehung der Spannschraube 5 werden unter Eingriff der Gewindeteile 8, 9 die Spannelemente 3, 4 gegensinnig bewegt, d. h. zum Spannen in eine von der Längsmit­ telachse 22 führende Richtung und zum Lösen in Richtung der Längsmittelachse 22. Beim Spannen schieben sich die Nasen 10, 11 der Spannelemente 3, 4 in eine entsprechende Nut 12 in der Aufnahmebohrung des Werkzeugkopfes, wobei sich die Gleitflä­ chen 27, 28 der Nasen 10, 11 über die Gleitfläche 13 der Nut 12 schieben. Dies führt dazu, daß die Stirnfläche 36 des Werkzeugkopfes auf die Stirnfläche 37 des Werkzeuggrundhalters gepreßt wird. Der Werkzeugkopf ist gespannt. Beim Lösen des Werkzeugkopfes wird die Spannschraube 5 entgegengesetzt gedreht, wodurch die Spannelemente 3, 4 sich in Richtung zur Längsmittelachse 2 bewegen. Durch die Keilform des Aufnahmezap­ fens, auch wenn der Keilwinkel α zwischen der Längsmittelach­ senrichtung und der Mantelfläche 32 des Aufnahmezapfens 2 unterhalb von 10° liegt, kann es dazu kommen, daß der Werkzeug­ kopf 1 sich nur schwer von dem Aufnahmezapfen 2 löst. Ein leichtes Ablösen ermöglicht das Abstoßelement 6, das über die Gleitflächen 25 und 26 bei Aufeinanderzubewegen der Abstoßele­ mente 3 und 4 durch diese Spannelemente 3, 4 weggedrückt wird, so daß die Stirnfläche 30 des Abstoßelementes gegen die Stirnfläche 29 der Aufnahmebohrung gedrückt wird und diese mitsamt dem Werkzeugkopf 1 vom Aufnahmezapfen 2 weg­ schiebt.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten durch einen andersgeformten Aufnahmezapfen und eine dementsprechend angepaßte Aufnahmebohrung im Werkzeug­ kopf 1. Während der in Fig. 1 dargestellte Aufnahmezapfen kegelstumpfförmig ausgebildet ist, setzt sich die Form des Auf­ nahmezapfens 2 aus einem zylindrischen Teil 39 und einem kegel­ stumpfförmigen Teil 40 zusammen. Dadurch, daß die Aufnahmeboh­ rung entsprechend geformt ist, ergibt sich beim Aufsetzen des Werkzeugkopfes eine ideale Führung, die insbesondere beim auto­ matischen Werkzeugwechsel benutzt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Werkzeuggrundhalter mit einem zylindrischen Aufnahmezapfen 2, der über Spannelemente 3, 4 einen Werkzeug­ kopf 1 mit einer entsprechend geformten zylindrischen Aufnahme­ bohrung spannt.

Da sich bei zylindrischen Aufnahmezapfen im Gegensatz zu kegel­ stumpfförmigen Aufnahmezapfen nicht das Problem des Festklem­ mens des Werkzeugkopfes auf dem Aufnahmezapfen stellt, ist auch kein Abstoßelement erforderlich. Demzufolge ist lediglich ein Sicherungselement 43 vorgesehen, das eine Bohrung 44 für den Kühlmittelzufluß zur Schneide des Schneidwerkzeuges 38 auf­ weist. Die Spannteile 3 und 4 weisen an ihrer dem Schneidwerk­ zeug 38 zugewandten Seite Ausnehmungen 45, 46 auf, die in ihrer Form dem unteren Teil des Sicherungselementes 43 angepaßt sind und ein ungestörtes Bewegen des Spannelementes 3, 4 ohne Behin­ derung durch das genannte Sicherungselement 43 ermöglichen.

Fig. 4 zeigt verschiedene Gestaltungen für die Führungsdurch­ brüche, die Ausnehmungen 15, für die Spannelemente. Die wesent­ lichen Merkmale seien anhand der Fig. 4a erläutert. Der Füh­ rungsdurchbruch weist in der Regel absatzförmige Gleitflä­ chen 16 und 17 auf, die ein Verschieben der Spannelemente in Richtung der Werkzeugkopfspitze verhindern. Zur Minimierung der Drehmomente sind seitliche Führungsflächen 23 und 24 und Abstützflächen 18 (im unteren Teil des Führungsdurchbruches) und 19 (im oberen Teil des Führungsdurchbruches) vorgesehen. Die Spannschraube 5 ist in der Ausnehmung 35 (als Teil der Aus­ nehmung 15) positioniert. Eine ähnliche Gestaltung haben die Führungsdurchbrüche gemäß Fig. 4b, c und f, nämlich eine läng­ lich runde Form mit Abstützflächen 16, 17 in ausgeprägter Form (Fig. 4b) oder entsprechend angedeutet (Fig. 4c, f). Der die Spannschraube aufnehmende Teil des Führungsdurchbruches kann entsprechend den Fig. 4d und e auch im unteren Teil im wesent­ lichen drei- oder viereckig sein, wobei die Funktion der absatzförmigen Flächen 16 und 17 von den Seitenflächen 41 und 42, die ein Verschieben des Spannelementes in Richtung der Werkzeugkopfspitze verhindern, übernommen wird.

Claims (11)

1. Werkzeugspanneinrichtung mit einem einen Aufnahmezapfen (2) aufweisenden Werkzeuggrundhalter (7) und einem eine Aufnahmebohrung aufweisenden Werkzeugkopf (1), bei der der Aufnahmezapfen (2) in der entsprechend geformten Aufnahmebohrung gelagert ist, wobei der Werkzeugkopf (1) und der Werkzeuggrundhalter (7) mittels von außen über eine in dem Werkzeuggrundhalter (7) betätigbar gelagerte Spannschraube radial verschiebbarer Spannelemente (3, 4), die in eine entsprechend ausgebildete mit einer spitzwinklig zur Längsmittelachse (22) des Aufnahmezapfens (2) verlaufenden Gleitfläche (13) ausge­ statteten Nut (12) des Werkzeugkopfes eingreifen, arretierbar sind, wobei an dieser Gleitfläche (13) der Nut (12) des Werkzeugkopfes (1) im Spannzustand entsprechend ausgebildete Gleitflächen (27, 28) der Spannele­ mente (3, 4) und die den Aufnahmezapfen und die die Auf­ nahmebohrung umgebenden planaren Stirnflächen (36, 37) spielfrei aneinanderliegen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannschraube (5) ein Rechts-Links-Gewinde (8, 9) aufweist, worüber zwei Spannelemente (3, 4) im Aufnahme­ zapfen (2) gegenläufig und senkrecht zu dessen Längsmittel­ achse (22) führbar sind, daß die Spannelemente (3, 4) Spannasen (10, 11) mit Gleitflächen (27, 28) aufweisen, die auf der Gleitfläche (13) der Nut (12) des Werkzeugkopfes (1) beim Spannen gleitend führbar sind und daß die Spannelemente (3, 4) an ihrer dem Werkzeugkopf (1) zugewandten Seite konisch ausein­ anderlaufende Gleitflächen (25, 26) aufweisen, die einen konzentrisch zur Längsmittelachse (22) des Aufnahmezapfens (2) angeordneten, gleitend im Aufnahmezapfen (2) ge­ führten Abstoßelement (6) als Abstützflächen dienen und daß die den Gleitflächen (26, 27) abgewandte Seite des Abstoß­ elementes (6) als Stirnfläche (30) an der ebenen Grundfläche (29) der Aufnahmebohrung im Werkzeugkopf (1) anliegt.

2. Werkzeugspanneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstoßelement (6) zylindrisch ausgebildet ist.

3. Werkzeugspanneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmezapfen (2) zumindest über einen Teil seiner Mantelfläche (32) konisch ausgebildet ist.

4. Werkzeugspanneinrichtung nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der vom Mantel des konisch aus­ gebildeten Aufnahmezapfens (2) mit dessen Längsmittel­ achse (22) gebildete Keilwinkel (α) 1° bis 10° beträgt.

5. Werkzeugspanneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Keilwinkel (α) 1,5° bis 4° beträgt.

6. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (13) der Nut (12) und die anliegenden Gleitflächen (27, 28) der Spanna­ sen (10, 11) in einem Winkel (β) von 30 bis 80° im Hin­ blick auf die Längsmittelachse (22) verlaufen.

7. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die Gleitflächen (25, 26) zu der Längsmittelachse (22) in einem Winkel (γ) von 45 bis 80° stehen.

8. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Abstoßelement (6) eine zen­ trale Bohrung (31) zum Kühlmitteldurchfluß aufweist.

9. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spannschraube (5) zwischen den Gewindeteilen des Rechts-Links-Gewindes (8, 9) mit ei­ nem zylindrischen Schaft (20) versehen ist, der in einer entsprechend geformten Aufnahmebohrung (21) in den Spannelementen (3, 4) ruht.

10. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß im Werkzeuggrundhalter (7) ein Führungsdurchbruch (35) vorliegt für die Spannelemente (3, 4) einschließlich Spannschraube (5) an der dem Werkzeugkopf (1) zugewandten Seite senkrecht zur Längsmittelachse (22) liegende Gleit-Stützflächen (16, 17).

11. Werkzeugspanneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (3, 4) jeweils einen Mitneh­ merzapfen (14), der in eine entsprechend geformte Nut (34) im Werkzeuggrundhalter (7) eingreift, aufweisen.