DE3701602A1 - Einrichtung zum halten eines werkzeuges an der spindel einer numerisch gesteuerten werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Halten eines auswechselbaren Werkzeugs an einer Spindel einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, einer der Spindel zugeordneten Aufnahmebohrung mit einer als Steilkegel ausgebildeten Kegelfläche zur Aufnahme eines dem Werkzeug zugeordneten Spannschaftes mit einer ebenfalls als Steilkegel ausgebildeten Kegelfläche, und einer Spannvorrichtung zum Erzeugen einer axialen Spannkraft, die den Spannschaft in die Aufnahmebohrung zieht, wobei des Kegelverhältnis des Steilkegels 7 : 24 beträgt und die Kegelflächen über den größten Teil der axialen Länge der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes sich erstrecken.

Bei für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen ist es üblich, zum Spannen des Werkzeugs einen als Steilkegel ausgebildeten Spannschaft zu verwenden, der durch eine axiale Spannkraft in eine entsprechend ausgebildete Aufnahmebohrung der Spindel gezogen wird (vgl. z. B. DIN 2079 bzw. ISO/DES 297/1976). Bei dieser sogenannten Steilkegelspannung liegen die Kegelflächen des Spannschaftes und der Aufnahmebohrung über ihrer gesamten Länge aneinander an, während der für den Werkzeugwechsel vorgesehene radiale Flansch des Kegelschaftes einen axialen Abstand von der Stirnfläche der Spindel hat.

Bei dieser Steilkegelspannung beträgt das Kegelverhältnis 7 : 24 (vgl. DIN 69871 in Verbindung mit DIN 254). Das Kegelverhältnis C ist hierbei wie folgt definiert:
C = D - d/L = 2 tan α /2,
worin D und d der größte bzw. der kleinste Durchmesser und L die Länge des Kegels sowie α der Kegelwinkel bedeutet. Für den größten Durchmesser D und die Länge L ergeben sich aus DIN 69871 folgende Werte:

Die Werte D und L sind in mm angegeben.

Der Abstand des radialen Flansches des Spannschaftes von der Stirnfläche der Spindel beträgt hierbei 3,2 mm (vgl. DIN 69871).

Während diese Steilkegelspannung weltweit verwendet wird, hat sich gezeigt, daß sie bei einem Teil der in der Praxis auftretenden Bearbeitungen unbefriedigend ist. So kann es z. B. aufgrund von in die Aufnahmebohrung gelangten Spänen oder dergl. zu mangelnder Rundlaufgenauigkeit des Werkzeuges und/oder Ratterschwierigkeiten kommen.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 35 14 929.2 ist vorgeschlagen worden, bei einer Einrichtung der eingangs angegebenen Gattung den radialen Flansch so auszubilden, daß der durch die axiale Spannkraft in Spannanlage mit der an der Aufnahmebohrung angrenzenden Stirnfläche gezogen wird und daß der Bereich, in dem die Kegelflächen der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes aneinander anliegen, auf eine zur Zentrierung des Werkzeuges ausreichende axiale Länge beschränkt ist. Der radiale Flansch und der Spannschaft sind hierbei gewissermaßen im Sinne einer Kurzkegelspannung modifiziert. Aufgrund der stirnseitigen Verspannung des Flansches mit der Stirnfläche der Spindel ist eine größere Ausspannlänge des Werkzeuges (d. h. größerer axialer Abstand des Werkzeuges von der Spindel) als bei herkömmlicher Steilkegelspannung möglich. Auch ergibt sich eine höhere Wechselgenauigkeit (Rundlaufgenauigkeit) des Werkzeuges, da in der Aufnahmebohrung enthaltene Späne oder dergl. die Spanngenauigkeit nicht beeinträchtigen. Die Herstellung der "Kurzkegelflächen" und insbesondere die damit verbundenen geringen Toleranzen erfordern allerdings einen gewissen Herstellungsaufwand.

Die herkömmliche Kurzkegelspannung, wie sie z. B. aus DIN 55021 bzw. ASA B 5.9/1948 bekannt ist und bei der das Kegelverhältnis 1 : 4 beträgt, ist für den automatischen Werkzeugwechsel nicht geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß sie durch eine geringe Modifizierung der Spindel und des Werkzeuges ein im Sinne einer größeren Ausspannlänge des Werkzeuges besseres Spannen des Werkzeuges erlaubt und dennoch die Werkzeuge mit den für die herkömmliche Steilkegelspannung ausgebildeten Werkzeugwechseleinrichtungen und -magazinen gehandhabt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung mit den eingangs angegebenen Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aufnahmebohrung an ihrem Ende größten Durchmessers mit einer zylindrischen Zentrierfläche versehen ist, die eine entsprechend dimensionierte zylindrische Zentrierfläche am Spannschaft aufnimmt, wobei der Bereich, in dem die beiden zylindrischen Zentrierflächen aneinander anliegen, auf eine zur Zentrierung des Werkzeugs ausreichend axiale Länge beschränkt ist, die wesentlich kleiner als die axiale Länge der Kegelflächen ist, und daß senkrecht zur Drehachse verlaufende Planflächen angrenzend an der Aufnahmebohrung und dem Spannschaft durch die axiale Spannkraft in Spannanlage gehalten werden, während die Kegelflächen der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes beabstandet zueinander sind.

Aus der DE-OS 35 22 555 ist bereits eine Einrichtung zum Halten eines auswechselbaren Werkzeuges an einer Spindel einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine bekannt, bei der die Aufnahmebohrung und der Spannschaft mit zylindrischen Zentrierflächen versehen sind und senkrecht zur Drehachse verlaufende Planflächen angrenzend an der Aufnahmebohrung und dem Spannschaft durch die axiale Spannkraft einer Spannvorrichtung in Spannanlage gehalten werden. Bei dieser Einrichtung erstrecken sich jedoch die zylindrischen Zentrierflächen über den größten Teil der axialen Länge der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes, wobei die zylindrische Zentrierfläche der Aufnahmebohrung mit axialem Abstand zu dem Ende größten Durchmessers angeordnet ist. Die Aufnahmebohrung ist daher zum Spannen herkömmlicher Steilkegelschäfte nicht mehr geeignet. Da außerdem der zylindrische Spannschaft gegenüber dem herkömmlichen Steilkegelschaft überdimensioniert ist, lassen sich die mit diesen zylindrischen Schäften versehenen Werkzeuge nicht mit denselben Werkzeugwechseleinrichtungen und Werkzeugmagazinen wie die mit den Steilkegelschäften versehenen Werkzeuge handhaben.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung dagegen läßt sich die Aufnahmebohrung, die über den größten Teil ihrer Länge gegenüber der herkömmlichen Steilkegelbohrung unverändert bleibt, nicht nur zum Spannen erfindungsgemäß ausgebildeter Spannschäfte, sondern auch zum Spannen der herkömmlichen Steilkegelschäfte verwenden. Außerdem lassen sich die erfindungsgemäß ausgebildeten Spannschäfte mit den gleichen Werkzeugwechseleinrichtungen und -magazinen handhaben, die für Werkzeuge mit herkömmlichen Steilkegel- Spannschäften ausgebildet sind. Aufgrund der Spannanlage an den Spannflächen ist eine vergleichsweise große Ausspannlänge des Werkzeuges möglich. Auch ergibt sich eine hohe Wechselgenauigkeit (Rundlaufgenauigkeit) des Werkzeuges, da die Kegelflächen der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes nicht aneinander anliegen. Da die Herstellung von Kegelflächen unter Einhaltung hoher Fertigungstoleranzen vermieden ist, ist der Herstellungsaufwand vergleichsweise gering.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Spannschaft an seinem Ende kleinsten Durchmessers mit einer Vorzentrierfläche versehen ist, die beim Einführen des Spannschaftes in die Aufnahmebohrung mit einer entsprechenden Vorzentrierfläche der Aufnahmebohrung an deren Ende kleinsten Durchmessers zusammenwirkt.

Durch die zu den eigentlichen Zentrierflächen beabstandete Vorzentrierung wird sichergestellt, daß beim Einführen des Spannschaftes in die Aufnahmebohrung ein Verkanten der zylindrischen Zentrierflächen vermieden wird. Auf diese Weise ist ein problemloser, rascher Werkzeugwechsel möglich. Die Vorzentrierung kann ggf. so ausgebildet sein, daß sie auch im Spannzustand wirksam ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der einzigen Figur, die einen Längsschnitt durch eine Einrichtung zum Halten eines Werkzeuges an einer Spindel zeigt, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung dient zum Halten eines Werkzeuges (z. B. einer Bohrstange) an einer umlaufenden Spindel 2 einer für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine (nicht gezeigt). Die in Lagern 4 drehbare Spindel 2 ist am vorderen Ende mit einer Aufnahmebohrung 6 versehen, die zur Aufnahme eines Spannschaftes 8 eines Werkzeuges 10 bzw. Werkzeughalters dient. Das Werkzeug 10 ist mit einem radialen Flansch 12 versehen, der eine Rille 14 trapezförmigen Querschnitts für die Greifer einer Werkzeugwechseleinrichtung (nicht gezeigt) aufweist.

Am (in der Figur rechtsseitigen) Ende des Spannschaftes 8 ist ein Anzugsbolzen 16 vorgesehen, der durch eine zur Drehachse des Werkzeuges konzentrische Betätigungsstange (nicht gezeigt) und einen damit verbundenen Stellmotor (nicht gezeigt) axial verschoben werden kann. Der Anzugsbolzen 16 kann, wie gestrichelt angedeutet, mit dem Spannbolzen 8 fest verbunden sein, so daß der Anzugsbolzen 16 unmittelbar auf den Spannschaft 8 einwirkt. Statt dessen kann der Anzugsbolzen 16 mit einer (nur schematisch angedeuteten) Spannvorrichtung 18 verbunden sein, die eine erhöhte Spannkraft auf den Spannschaft 8 ausübt. Die Spannvorrichtung 18 kann z. B. wie in der DE-OS 35 22 555 ausgebildet sein.

Die Aufnahmebohrung besitzt einen Abschnitt mit einer Kegelfläche 20, die als Steilkegel mit einem Kegelverhältnis von 7 : 24 ausgebildet ist. Ferner besitzt die Aufnahmebohrung 6 eine zylindrische Zentrierfläche 22, die an dem Ende größten Durchmessers der Aufnahmebohrung 6 vorgesehen ist und mit der Kegelfläche 20 über einen Zwischenabschnitt 24 verbunden ist.

Die zylindrische Zentrierfläche 22 nimmt im Gleitpaßsitz eine zylindrische Zentrierfläche 26 des Spannschaftes 8 auf. Die zylindrische Zentrierfläche 26 des Spannschaftes 8 ist über einen Zwischenabschnitt 28 mit einer Kegelfläche 30 verbunden, die ebenfalls als Steilkegel mit einem Kegelverhältnis von 7 : 24 ausgebildet ist, jedoch gegenüber einem herkömmlichen Steilkegel um z. B. ¹/₁₀ bis ⁵/₁₀ mm durchmesserverringert ist, so daß im Spannzustand die Kegelfläche 30 des Spannschaftes 8 von der Kegelfläche 20 der Aufnahmebohrung 6 beabstandet ist, wie in der Zeichnung etwas übertrieben dargestellt ist.

An der zylindrischen Zentrierfläche 22 der Aufnahmebohrung 6 und der zylindrischen Zentrierfläche 26 des Spannschaftes 8 grenzt jeweils an eine senkrecht zur Drehachse verlaufende Planfläche 32 bzw. 34 an, die in Spannanlage gegeneinander gedrückt werden, wenn über den Anzugsbolzen 16 eine axiale Spannkraft auf den Spannschaft 8 ausgeübt wird.

Am (in der Figur rechtsseitigen) Ende des Spannschaftes 8 befindet sich eine Vorzentrierfläche 36, die über einen querschnittverringerten Abschnitt 38 mit der Kegelfläche 30 des Spannschaftes 8 verbunden ist. Die Vorzentrierfläche 36 ist als Kugelringfläche ausgebildet, deren Durchmesser in Spannrichtung abnimmt.

Der kugeligen Vorzentrierfläche 36 ist eine zylindrische Vorzentrierfläche 40 der Aufnahmebohrung 6 zugeordnet, die sich an die Kegelfläche 20 an deren Ende kleinsten Durchmessers anschließt. An die zylindrische Vorzentrierfläche 40 schließt sich ein durchmessererweiterter Abschnitt 42 an.

Die axiale Länge l des Bereiches, in dem die zylindrischen Zentrierflächen 22 und 26 im Spannzustand aneinander anliegen, ist vergleichsweise klein und auf einen Wert beschränkt, der zum Zentrieren des Werkzeuges ausreicht. Beispielsweise beträgt die axiale Länge l ungefähr ⅛ bis ¹/₆ des Durchmessers D der zylindrischen Zentrierflächen 22 und 26. Die Länge l ist somit wesentlich kleiner als die axiale Länge der Kegelflächen 20 und 30, die z. B. 8 bis 10mal so groß wie die Länge l ist.

Die zylindrische Vorzentrierfläche 40 am anderen Ende der Aufnahmebohrung 6 ist so angeordnet und ausgebildet, daß sie von der kugeligen Vorzentrierfläche 36 beim Einführen des Spannschaftes 8 in die Aufnahmebohrung 6 erfaßt wird, ehe die zylindrische Zentrierfläche 26 in die zylindrische Zentrierfläche 22 eintritt. Diese Vorzentrierung bleibt erhalten, wenn die zylindrische Zentrierfläche 26 in der zylindrischen Zentrierfläche 22 gleitet. Auf diese Weise wird ein Verkanten der zylindrischen Zentrierflächen 22 und 26 relativ vermieden, was einen raschen und problemlosen Werkzeugwechsel erlaubt.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die axiale Länge der Vorzentrierfläche 40 so bemessen, daß die kugelringförmige Vorzentrierfläche 36 im Spannzustand mit der zylindrischen Vorzentrierfläche 40 nicht mehr in Berührung steht. Statt dessen ist auch eine Ausführungsform möglich, bei der die Vorzentrierung zwischen den Vorzentrierflächen 36 und 40 auch im gespannten Zustand erhalten bleibt, so daß dann der Spannschaft 8 im gespannten Zustand an beiden Enden zentriert wird.

Die in der Zeichnung dargestellte Aufnahmebohrung kann nicht nur in Verbindung mit Spannschäften der dargestellten Art, sondern auch mit herkömmlichen Steilkegel-Spannschäften verwendet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, das Werkzeugmagazin der zugehörigen Werkzeugmaschine zum einen Teil mit Werkzeugen der herkömmlichen Steilkegel-Spannschäften und zum anderen Teil mit Werkzeugen mit den in der Figur gezeigten Spannschäften zu bestücken. Beide Arten von Werkzeugen können dann in dieselbe Aufnahmebohrung 6 der Spindel 2 eingesetzt werden, wobei die Spannart (Kurzzylinder- oder Steilkegelspannung) je nach der vorzunehmenden Bearbeitung ausgewählt wird. Beide Arten von Werkzeugen lassen sich im übrigen mit derselben herkömmlich ausgebildeten Werkzeugwechseleinrichtung handhaben, da die Grundform der beiden Arten von Werkzeugen die gleiche ist.

Claims (7)

1. Einrichtung zum Halten eines auswechselbaren Werkzeugs an einer Spindel einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine, einer der Spindel zugeordneten Aufnahmebohrung mit einer als Steilkegel ausgebildeten Kegelfläche zur Aufnahme eines dem Werkzeug zugeordneten Spannschaftes mit einer ebenfalls als Steilkegel ausgebildeten Kegelfläche, und einer Spannvorrichtung zum Erzeugen einer axialen Spannkraft, die den Spannschaft in die Aufnahmebohrung zieht, wobei das Kegelverhältnis des Steilkegels 7 : 24 beträgt und die Kegelflächen über den größten Teil der axialen Länge der Aufnahmebohrung und des Spannschaftes sich erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebohrung (6) an ihrem Ende größten Durchmessers mit einer zylindrischen Zentrierfläche (22) versehen ist, die eine entsprechend dimensionsierte zylindrische Zentrierfläche (26) am Spannschaft (8) aufnimmt, wobei der Bereich, in dem die beiden zylindrichen Zentrierflächen (22, 26) aneinander anliegen, auf eine zur Zentrierung des Werkzeuges (10) ausreichend axiale Länge (1) beschränkt ist, die wesentlich kleiner als die axiale Länge der Kegelflächen (20, 30) ist, und daß senkrecht zur Drehachse verlaufende Planflächen (32, 34) angrenzend an der Aufnahmebohrung (6) und dem Spannschaft (8) durch die axiale Spannkraft in Spannanlage gehalten werden, während die Kegelflächen (20, 30) der Aufnahmebohrung (6) und des Spannschaftes (8) beabstandet zueinander sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannschaft (8) an seinem Ende kleinsten Durchmessers mit einer Vorzentrierfläche (36) versehen ist, die beim Einführen des Spannschaftes (8) in die Aufnahmebohrung (6) mit einer entsprechenden Vorzentrierfläche (40) der Aufnahmebohrung (6) an deren Ende kleinsten Durchmessers zusammenwirkt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzentrierfläche (36) des Spannschaftes (8) als Kugelringfläche und die zugehörige Vorzentrierfläche (40) der Aufnahmebohrung (6) als Kreiszylinderfläche ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzentrierflächen (36 , 40) im Spannzustand aneinander anliegen.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzentrierflächen (36 , 40) im Spannzustand voneinander beabstandet sind.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge (l) des Bereiches, in dem die zylindrischen Zentrierflächen (22, 26) aneinander anliegen, ungefähr ⅛ bis ¹/₆ des Durchmessers (D) der zylindrischen Zentrierflächen beträgt.

7. Anwendung der Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei einer für den automatischen Werkzeugwechsel eingerichteten numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit einer Werkzeugwechseleinrichtung und einem Werkzeugmagazin, bei dem ein Teil der im Werkzeugmagazin gehaltenen Werkzeuge mit herkömmlich ausgebildeten Steilkegel- Spannschäften und ein anderer Teil der Werkzeuge mit Spannschäften nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.