DE3726305A1 - Werkzeugspannvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeug­ spannvorrichtung zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Ver­ bindung eines Werkzeuges mit der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Fräs- und/oder Bohr­ maschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Unter dem Begriff Werkzeugspannvorrichtung sei im nachfolgenden eine in die Arbeitsspindel einer Werkzeug­ maschine integrierte Vorrichtung verstanden, die an den Schaft eines Werkzeuges, z.B. Steilkegelschaft, ankuppel­ bar ist und diesen mit axialer Vorspannung an die Spindel zieht. Die Vorrichtung ist insbesondere für Maschinen mit automatischem Werkzeugwechsler, z.B. Bearbeitungszentren gedacht. Nebst "genügend" grosser Spannkraft sollten von der Spannvorrichtung weitere Bedingungen erfüllt werden:

• 1. Schneller Werkzeugwechsel muss gewährleistet sein.
• 2. Erhaltung der vollen Spannkraft bei Strom- oder Oeldruckausfall.
• 3. Betätigungsmöglichkeit durch stationären, während der Zerspanung berührungsfrei parkierten Hydrau­ likzylinder.
• 4. Betätigungsmöglichkeit ohne Reaktionskräfte auf die Spindellager.
• 5. Anwendbar für bekannte, auf dem Markt eingeführte Werkzeug-Spindelverbindungen wie z.B. Steilkegel- Konusverbindungen.
• 6. Anwendbar für neue, zukunftsorientierte Trennstel­ len mit Planauflage des Werkzeuges.
• 7. Gute Auswuchtbarkeit für schnellaufende Spindeln.

Diese Randbedingungen führten zu einem allgemein be­ kannten, weitverbreiteten Werkzeugspannsystem, bestehend aus einer Tellerfedernsäule, einer Zugstange und einem Greifsystem. Das Greifsystem ist dann meist ein Zangen-, Kugel- oder Ziehkeilsystem, das durch koaxiale Verschie­ bung der Zugstange über Steuerkanten der Spindel geöffnet resp. geschlossen wird und beim Einziehen des Werkzeuges dieses in einer Umfangsnut oder an einem Einzugszapfen formschlüssig umfasst.

Die Abmessungen der Tellerfedernsäule und damit deren Spannkraft sind meist durch den in der Spindel vorhandenen Einbauraum vorgegeben und insbesondere bei modernen, kur­ zen Spindeln ungenügend.

Eine optimale, vom vorhandenen Einbauraum unabhängig dimensionierte Tellerfedernsäule ist durch die erforderli­ che Spannkraft und den zum Oeffnen resp. Schliessen des Greifsystems nötigen Verschiebeweg gegeben. Da die Teller­ federnsäule um den Verschiebeweg über die der eigentlichen Spannkraft entsprechende Einfederung komprimiert werden muss, ist die Kapazität der Tellerfedern schlecht genutzt. Durch diesen Umstand wird die Federnsäule überdimensional gross und findet im vorhandenen Einbauraum keinen Platz. Die Abmessungen werden dann vom Konstrukteur redimensio­ niert und dadurch die Spannkraft verkleinert. Die Spanvo­ lumen, die durch den Einsatz moderner Schneidstoffe mög­ lich wären, können nicht erreicht werden, da durch die ungenügende Werkzeug-Spindelverbindung die Ratterneigung begünstigt wird.

Es zeichnen sich Tendenzen ab, dass die als Schwach­ stelle bekannte Steilkegelverbindung durch eine Verbindung mit Planauflage des Werkzeugs ersetzt werden sollte. Sol­ che Trennstellen verlangen oft einen vergrösserten Ver­ schiebeweg des Greifsystems, was wiederum mit der bekann­ ten Werkzeugspannvorrichtung nicht erreicht werden kann und mit ein Grund sein mag, dass sich der Steilkegel bis heute durchsetzen konnte.

Eine bekannte Werkzeugspannvorrichtung ist in die Spindel integriert und besteht aus einem Greifsystem, ei­ ner Tellerfedernsäule und einer Zugstange, welche die Kraft der Tellerfedern auf das Greifsystem bringt, wodurch der Werkzeugschaft durch diese Federkraft an den Hohlkegel der Arbeitsspindel gepresst wird. Im folgenden wird das Wechseln des aktuellen Werkzeuges gegen ein Neues bei ei­ ner bekannten automatischen Werkzeugmaschine, z.B. eines Bearbeitungszentrums anhand der Fig. 1 beschrieben: Ein Werkzeug 1 wird in seiner Greifnut 2 von einem Greifarm des automatischen (nicht dargestellten) Werkzeugwechslers umfasst. Die Magnetspule 3 eines ölhydraulischen Umsteuer­ ventils 4 erhält, ausgelöst durch einen Befehl der Maschi­ nensteuerung Strom, wodurch eine Oelpumpe 5 Drucköl in den Druckraum 6 eines Betätigungszylinders 7 fördern kann und sich ein Kolben 8 gegen die Spannkraft einer Feder 9 be­ wegt. Der Kolben 8 fährt nun gegen den Kopf 10 einer Zug­ stange 11 und komprimiert Tellerfedern 12 so, dass der Kraftschluss zwischen einem Werkzeugschaft 13 und dem Hohlkegel 14 einer Arbeitsspindel 15 aufgehoben wird. Das Werkzeug 1 ist nun nur noch formschlüssig durch eine Zange 16 des Greifsystems gefasst und zwar solange bis die Tel­ lerfedern 12 soweit komprimiert und damit die Zange 16 so­ weit nach vorne gefahren ist, bis eine Steuerkante 17 die Zange 16 zum sich öffnen freigibt. Der Greifarm des Werk­ zeugwechslers fährt nun mit dem Werkzeug 1 soweit nach un­ ten, bis der Kegelschaft 13 vollständig aus der Spindel ausgefahren ist und legt das Werkzeug im Werkzeugmagazin ab, ein neues Werkzeug wird vom Wechselarm gefasst und der Spindel zugeführt, der Strom der Magnetspule unterbrochen (Befehl von der Maschinensteuerung), wodurch der Druckraum 6 mit der Rücklaufleitung 18 zu einem Oelbehälter 19 ver­ bunden und damit drucklos wird. Die Feder 9 führt den Kol­ ben 8 in die Ausgangslage zurück, wobei das Oel in den Be­ hälter 19 zurückfliesst. Nachteilig an diesem System ist, dass die Tellerfedernsäule 12 sehr lang gebaut werden muss, um den zum Oeffnen der Zange nötigen Verschiebeweg ausführen zu können, und dass die volle Federkraft erst erreicht ist, wenn diese schon längst nicht mehr zur kraftschlüssigen Verbindung von Werkzeug mit der Arbeits­ spindel genutzt werden kann.

Bei einem anderen bekannten Greifsystem mit Ziehkeil wird durch die schwache Konizität des Ziehkeils eine Kraftverstärkung bewirkt, was naturgemäss einen grösseren Verschiebeweg erfordert.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Werkzeugspannvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welcher grössere Spannkräfte und/oder grössere Verschiebewege des Greifsystems erreicht werden können als dies mit dem bekannten System möglich ist, wo­ durch eine steifere Verbindung zwischen Werkzeug und Ar­ beitsspindel resultiert und dadurch mehr Material pro Zeiteinheit vom zu bearbeitenden Werkstück abgetragen wer­ den kann, d.h. kürzere Bearbeitungszeiten realisiert wer­ den können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemässe Werkzeugspannvorrichtung ist ähnlich aufgebaut wie das bekannte, oben beschriebene Sy­ stem. Die Kapazität der eigentlichen Spannfeder wird aber um ein Vielfaches besser genutzt, da diese beim Losen resp. Ausstossen des Werkzeuges nur um den Betrag der Ela­ stizität und Fabrikationstoleranzen der am Kraftfluss be­ teiligten Elemente erfordern, über die der Spannkraft ent­ sprechende Einfederung komprimiert wird. Zum Verschieben des Greifsystems wird die den Kraftfluss übertragende Ket­ te von Elementen durch ein Entriegelungssystem getrennt, wonach sich das Greifsystem frei oder gegebenenfalls gegen eine um ein Vielfaches schwächere Rückführfeder verschie­ ben lässt. Dieses Entriegelungssystem wird vorzugsweise im Kraftfluss zwischen Spindel und Spannfeder einerseits und Zugstange, Greifsystem und Werkzeug andererseits angeord­ net, was eine vorteilhafte Gestaltung des Betätigungsor­ gans erlaubt. Eine Anordnung z.B. zwischen Spindel einer­ seits und Spannfeder, Zugstange, Greifsystem und Werkzeug andererseits wäre ebenfalls denkbar.

Bei dem soeben beschriebenen Gegenstand der Erfindung bildenden Werkzeugspannsystem kann von einem System mit Funktionentrennung gesprochen werden. Die Funktionen Grei­ fen und Einziehen sind vom Spannen, resp. Lösen vom Aus­ stossen und Freigeben getrennt. Dementsprechend wird das Betätigungsorgan ein Zweifunktionenorgan sein. Während die erfindungsgemässe Werkzeugspannvorrichtung ihrer vielsei­ tigen Einsatzmöglichkeiten wegen - diverse Werkzeug-Spin­ deltrennstellen; diverse Greifsysteme - als standardisier­ tes Einbauaggregat gebaut werden kann, kann das Betäti­ gungsorgan, das ausserhalb der Spindel angeordnet ist, den individuellen Bedürfnissen angepasst gestaltet werden.

Eine Steilkegel-Konusverbindung z.B. neigt bei länge­ rem Einsatz ein und desselben Werkzeugs zum Verkleben, was eine grosse Ausstosskraft erfordert. Hier wird vorteilhaf­ terweise nebst dem die Spannkraft lösenden Hydraulikzylin­ der ein zweiter, separat angesteuerter Zylinder angeord­ net, dessen uneingeschränkte Kolbenkraft voll zum Ausstos­ sen des Werkzeugs genutzt werden kann. Die Kolbenstangen beider Zylinderkolben können koaxial zueinander angeord­ net werden.

Bei einer zylindrischen Werkzeugzentrierung mit Plan­ auflage des Werkzeugs dagegen ist ein Verkleben wenig wahrscheinlich. Der Ausstosskolben, der das Oeffnen des Greifsystems bewirkt, kann hier federvorgespannt und vom gleichen Druckraum wie der spannkraftlösende Kolben beauf­ schlagt werden. Kolbenvorspannung und Kolbenflächen werden dann so dimensioniert, dass bei kontinuierlichem Druckan­ stieg die koaxiale Verschiebung des Greifsystems erst einsetzt, wenn die Spannkraft zwischen Werkzeug und Spin­ del aufgehoben ist (und umgekehrt). Dies ergibt eine sehr einfache Ansteuerung des Betätigungsorgans mit nur einer Druckleitung und eine einfache Befehlsfolge für den Werk­ zeugwechsel.

Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie dessen Verwen­ dung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt teilweise weggebrochen einer bekannten Ausführungsform einer Werkzeugspannvorrichtung,

Fig. 2 die Werkzeugspannvorrichtung mit geschlossener Zange,

Fig. 3 die Werkzeugspannvorrichtung mit geöffneter Zange.

Gemäss Fig. 2 ist ein Werkzeug 20 mit einem Kegel­ schaft 21 in eine Spindel 22 eingespannt. Ueber Kegelrol­ len 23 ist die Spindel 22 in vorderen und hinteren Spin­ dellagern 24 und 25 gelagert. Der Antrieb der Spindel 22 erfolgt durch ein Antriebszahnrad 26. Das Werkzeug 20 wird in seiner Greifnut 27 von einem Greifarm eines nicht dar­ gestellten Werkzeugwechslers umfasst. Eine Greifzange 28 umschliesst den hinteren Teil 29 des Kegelschaftes 21. Zum Wechseln des Werkzeuges sind zur Betätigung der Werkzeug­ spannvorrichtung zwei Kolbenstangen 30 und 31 angeordnet, wobei die äussere Kolbenstange 31 konzentrisch zur inneren Kolbenstange 30 verläuft. Zur Betätigung der inneren Kol­ benstange wird eine Magnetspule 32 eines ölhydraulischen Umsteuerventils 33 unter Spannung gesetzt, wodurch eine erste Oelpumpe 34 Drucköl über eine Zuleitung 35 in den Druckraum eines ersten Betätigungszylinders 37 fördert. Wenn der Strom durch die Magnetspule 32 auf Befehl der Maschinensteuerung unterbrochen wird, so wird der Druck­ raum 36 mit einer Rücklaufleitung 38 zu einem Oelbehälter 39 verbunden und damit drucklos. Zur Betätigung der äusse­ ren Kolbenstange 31 ist ein zweites Umsteuerventil 40 vor­ gesehen, welches durch eine Magnetspule 41 betätigt wird. Von einer Oelpumpe 42 wird Drucköl über eine Zuleitung 43 einem Druckraum 44 eines zweiten Betätigungszylinders 45 zugeführt, wodurch sich die äussere Kolbenstange 31 nach unten gegen den Druck einer Feder 53 bewegt. Wird der Strom in der Magnetspule 41 durch Befehl von der Maschi­ nensteuerung unterbrochen, so fliesst Oel vom Druckraum 44 zu einem Oelbehälter 47 zurück und eine Feder drückt die Kolbenstange 31 wieder gegen den Druckraum 44.

Der Kegelschaft 21 des Werkzeuges 20 wird durch die Zange 28 des Greifsystems, eine Zugstange 48, eine Kugel­ büchse 49, Kugeln 50 über die Konusfläche 51 einer Druck­ hülse 52 durch Tellerfedern 53 in den Innenkonus 54 der Spindel 22 gezogen, die sich ihrerseits über einen Ab­ stimmring 55 auf einer Ringfläche 56 der Spindel 22 ab­ stützen. Die Kolbenstangen 30 und 31 der Betätigungsvor­ richtung sind im Abstand "a" von den drehenden Teilen der Spindel in Parkstellung.

Die Zugstange 48 mit dem Greifsystem wird nach Auf­ heben des Kraftschlusses zwischen Werkzeug 20 und Arbeits­ spindel 22 durch den Hydraulikzylinder 45, durch den zwei­ ten, koaxial zum ersten angeordneten Hydraulikzylinder 37 von den Tellerfedern 53 abgekuppelt, wodurch sich Zug­ stange 48 und Greifsystem durch diesen zweiten Zylinder 37 koaxial verschieben und somit die Zange 28 sich öffnen lässt, ohne die Tellerfedern 53 über den zum Aufheben des Kraftschlusses nötigen Federweg zu komprimieren. Die Tel­ lerfedern 53 können somit bei gespanntem Werkzeug 20 prak­ tisch bis zur Belastungsgrenze vorgespannt sein. Die Mag­ netspulen 32 und 41 erhalten die Signale wie beim bekann­ ten System nach Fig. 1 von der Maschinensteuerung, wobei das Signal für die Spule 32 mit einer kleinen Zeitverzö­ gerung von der Steuerung abgegeben wird. Beim Spannen des neuen Werkzeuges ist das Signal für die Spule 41 gegenüber demjenigen für die Spule 32 zeitverzögert, so dass das Verriegeln wie Entriegeln jeweils ohne Reibkräfte zwischen Kugeln 50 und einem Verriegelungszapfen 58 erfolgen kann.

In Fig. 3 ist die Spindel 22 mit ausgestossenem Werkzeug 20 dargestellt. Ein Verriegelungszapfen 58 wurde von der Kolbenstange 30 bis zum Aufliegen auf dem oberen Rand der Kugelbüchse 49 und anschliessend diese gemeinsam mit dem Verriegelungszapfen 58 um den Verschiebeweg "b" verschoben, wobei die Zange 28 des Greifsystems durch ei­ ne Steuerkante 59 zum Oeffnen freigegeben wurde. Der Ver­ schiebeweg "b" ist in der Darstellung grösser als dies das dargestellte Zangensystem erfordert. Andere Greifsysteme, z.B. mit Ziehkeil betätigte, benötigen aber diesen Ver­ schiebeweg.

Das Einziehen des neuen Werkzeugs geschieht in umge­ kehrter Reihenfolge. Nach erfolgtem Rückzug der Kolben­ stange 30 führt eine Rückführfeder 60 die Zange 28, Zug­ stange 48 mit Kugelbüchse 49 und eine Verriegelungsfeder 61 den Verriegelungszapfen 58 in Verriegelungsstellung zurück (Fig. 2). Nach Rückzug der Kolbenstange 31 wirkt die Spannkraft der Tellerfedern 53 wieder auf die Trenn­ stelle Werkzeug/Spindel, womit der Werkzeugwechsel abge­ schlossen ist.

Die Funktionen Greifen und Spannen resp. Lösen und Freigeben des Werkzeuges sind voneinander getrennt.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist anstelle der Zange ein Ziehkeil vorgesehen.

Claims (10)

1. Werkzeugspannvorrichtung zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung eines Werkzeuges mit einer Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine mit einem innerhalb der Spindel angeordneten Greiforgan zum Ergreifen des Werkzeuges sowie mindestens einer innerhalb der Spindel angeordneten Spannfeder, gekennzeichnet durch erste Mittel (52) zum Spannen respektive Lösen des Werkzeuges und zwei­ te Mittel (58) zum Ergreifen respektive Freigeben des Werkzeuges.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Spannfeder mit dem ersten Mittel zusam­ menwirkt.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Druck­ hülse (52) umfassen.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die zweiten Mittel mit dem Greiforgan (28) in Wirkverbindung stehen.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel einen Verriege­ lungszapfen (58), eine Verriegelungsfeder (61) und eine Zugstange (48) umfassen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentan­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten und zweiten Mitteln konzentrisch zu denselben dritte Mit­ tel vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die dritten Mittel eine Kugelbüchse umfassen, wobei in einem Endbereich derselben mit einer Konusfläche (51) der Druckhülse (52) und dem Verriege­ lungszapfen (58) zusammenwirkende Kugeln (50) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patent­ ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zug­ stange (48) und der Spindel (22) eine Rückführfeder (60) angeordnet ist.

9. Betätigungsvorrichtung für eine Werkzeugspannvor­ richtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche mit einem ersten Organ (31) zur Betätigung des ersten Mittels der Werkzeugspannvorrichtung und einem zweiten Organ (30) zur Betätigung des zweiten Mittels der Werkzeugspannvor­ richtung.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das erste und zweite Organ als hydrau­ lisch betätigte Zylinder-Kolbenaggregate ausgebildet sind.