DE3814550C1 - Clamping device for clamping two machine parts releasable from one another - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenteile, insbe­ sondere zum Spannen eines Werkzeugteiles in einer Werkzeug­ aufnahme, mit einem an dem ersten Maschinenteil (Werkzeug) vorgesehenen kegeligen oder zylindrischen, hohlen Zentrier- Ansatz, einer an den Ansatz anschließenden, senkrecht zur Zen­ tralachse der Spannvorrichtung verlaufenden Anlagefläche, so­ wie einer innen im Ansatz vorgesehenen Ringnut, die eine sich zum freien Ansatzende hin konisch verjüngende Nut­ flanke aufweist, mit einer im zweiten Maschinenteil (Werk­ zeugaufnahme) vorgesehenen, dem Ansatz angepaßten Aufnahme­ bohrung, an die sich eine senkrecht zur Zentralachse er­ streckende Stirnfläche anschließt, an welche die Anlage­ fläche anpreßbar ist, mit mehreren im zweiten Maschinenteil im wesentlichen parallel zur Zentralachse angeordneten Spannklauen, die sich jeweils mit ihrem einen, ersten Ende an einer Nutflanke einer im zweiten Maschinenteil vorgese­ henen Ringnut abstützen, sowie einer im zweiten Maschinen­ teil axial beweglichen, radial innerhalb der Spannklauen angeordneten Spannhülse, die im Bereich der zweiten Enden der Spannklauen einen Spannkegel aufweist, mittels dem die zweiten Enden der Spannklauen radial nach außen bewegbar und an die Nutflanke des Ansatzes anpreßbar sind.

Bei einer derartigen bekannten Spannvorrichtung (Vortrag der Firma Gottlieb Gühring KG, 7480 Sigmaringen, anläßlich einer Sitzung des Arbeitskreises "Schnittstelle Maschine/ Werkzeug" am 22. 5. 1987 in Frankfurt, VDMA-Haus) sind die Spannklauen als Kipphebel ausgebildet, was mit ge­ wissen Nachteilen verbunden ist. Wenn beim Spannen die zweiten Enden der Spannklauen durch den Spannkegel nach außen gedrückt werden, stützen sich die hakenförmig aus­ gebildeten ersten Enden der Spannklauen an der Ringnut im zweiten Maschinenteil ab. Da jedoch die Spannklauen eine Kippbewegung ausführen, besteht nur Linienberührung zwischen den ersten Enden und der Nutflanke, an der sich diese abstützen. Ebenso liegen auch die zweiten Enden mit Linienberührung an der Nutflanke des Ansatzes an. Infolge dieser Linienberührung entsteht eine hohe Flächenpressung, die mit entsprechend hohem Verschleiß verbunden ist. Des­ weiteren ist der axiale Hub, den die zweiten Enden der Spannklauen bei deren Kippbewegung ausführen, verhältnis­ mäßig klein. Infolgedessen dürfen die zusammenwirkenden Maschinenteile in axialer Richtung nur sehr geringe Toleran­ zen aufweisen, insbesondere die Nutflanke im Ansatz gegen­ über dessen Anlagefläche und die Nutflanke im zweiten Maschinenteil gegenüber dessen Stirnfläche. Weiterhin sind die Spannklauen während ihrer Kippbewegung auf Biegung be­ ansprucht und müssen demzufolge einen entsprechend großen Querschnitt aufweisen. Infolgedessen weist die bekannte Spannvorrichtung in radialer Richtung größere Bauabmessun­ gen auf und erfordert einen entsprechend großen Durchmes­ ser des Ansatzes am ersten Maschinenteil.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenteile, insbesondere zum Spannen eines Werkzeugteiles in einer Werkzeugaufnahme, der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, bei der während des gesamten Spannvorganges ständig eine Flächenberührung zwischen den zusammenwirkenden Flächen der Spannklauen und der Nut­ flanken in beiden Maschinenteilen gewährleistet ist, die kleinere Bauabmessungen in radialer Richtung aufweist und bei der größere Toleranzen bei den zusammenwirkenden Maschinenteilen in axialer Richtung zulässig sind.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß im Be­ reich der ersten Enden der Spannklauen an der Spannhülse ein weiterer, auf diese Enden einwirkender Spannkegel vor­ gesehen ist, so daß bei Axialbewegung der Spannhülse die Spannklauen parallel zu sich selbst radial nach außen bzw. innen bewegbar sind, und daß die Spannklauen an ihren bei­ den Enden Spannflächen aufweisen, deren Winkellage bezüg­ lich der Zentralachse den Nutflanken angepaßt ist, so daß während des gesamten Spannvorganges Flächenberührung zwischen den Spannflächen und den Nutflanken besteht.

Durch die Flächenberührung während des gesamten Spannvor­ ganges tritt zwischen den zusammenwirkenden Flächen eine geringere Flächenpressung und damit auch ein geringerer Verschleiß auf. Gleichzeitig ergibt sich durch die geringe­ re Flächenpressung auch eine höhere Steifigkeit. Beim Spann­ vorgang werden die Spannklauen parallel zu sich selbst radial nach außen geschoben und nicht mehr, wie bisher, gekippt. Hierbei entsteht in den Spannklauen lediglich eine Zugbelastung und keine Biegebelastung. Die Spann­ klauen können infolgedessen einen kleineren Querschnitt aufweisen, wodurch die gesamte Spannvorrichtung im Durch­ messer kleiner baut. Außerdem können die zusammenwirkenden Maschinenteile in Achsrichtung größere Toleranzen aufwei­ sen. Dies ist dadurch bedingt, daß die Spannflächen an den Enden der Spannklauen und die Nutflanken bei der Nach­ außenbewegung der Spannklauen wie Keilflächen wirken und eine entsprechend große Axialbewegung zwischen den Maschi­ nenteilen bewirken. Gleichzeitig werden auch größere axiale Anpreßkräfte zwischen der Anlagefläche und der Stirnfläche bewirkt und damit eine höhere Steifigkeit zwischen den zusammengespannten Maschinenteilen erzielt. Man kann die Winkel, mit denen die Spannflächen und die Nutflanken gegenüber der Bohrungsachse bzw. Schaftachse geneigt sind, variieren, um dadurch das Verhältnis der von den Spann­ klauen ausgeübten Radialkraft zur Axialkraft zu verändern und den jeweiligen Verhältnissen anzupassen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist in folgendem, anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt der Spannvorrichtung, rechts in gespannter Stellung, links in gelöster Stellung,

Fig. 2 und 3 jeweils eine der Spannklauen mit unterschiedlichen Winkelanordnungen der Spannflächen.

In der Zeichnung ist mit 1 ein erstes Maschinenteil bezeich­ net, welches mit dem zweiten Maschinenteil 2 über die Spann­ vorrichtung verbunden werden soll. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten Maschinenteil 1 um ein Werkzeug und bei dem zweiten Maschinenteil 2 um eine Werkzeugmaschinenspin­ del handeln. Die erfindungsgemäße Spannvorrichtung ist je­ doch auch zur Verbindung anderer Maschinenteile geeignet, beispielsweise zur Verbindung eines Fräskopfes an einem Frässchlitten, zur Verbindung zweier Werkzeugmaschinen­ tische untereinander, oder zur Verbindung von Aufspannvor­ richtungen für Werkstücke mit Werkzeugmaschinentischen oder dgl.

Das erste Maschinenteil 1 kann einen kegelförmigen oder zylindrischen Zentrier-Ansatz 3 aufweisen, mit dem es in eine entsprechend angepaßte Aufnahmebohrung 4 eines mit dem zweiten Maschinenteil 2 fest verbundenen Zentrierrin­ ges 5 einsetzbar ist. Die Art der Zentrierung zwischen den beiden Maschinenteilen 1, 2 ist für die vorliegende Erfin­ dung ohne wesentliche Bedeutung. Die Aufnahmebohrung 4 kann in dem zweiten Maschinenteil 2 auch direkt vorgesehen sein.

Der Ansatz 3 ist von einer senkrecht zur Ansatzachse bzw. Zentralachse A der Spannvorrichtung verlaufenden Anlage­ fläche 6 umgeben, die an eine sich ebenfalls senkrecht zur Zentralachse A erstreckende, die Aufnahmebohrung 4 umgeben­ de Stirnfläche 7 anpreßbar ist. Der hohl ausgebildete An­ satz 3 ist mit einer Ringnut 8 versehen, die eine sich zum freien Ansatzende hin konisch verjüngende Nutflanke 9 aufweist. Die Nutflanke 9 wird durch eine Konusfläche ge­ bildet.

Konzentrisch zur Zentralachse A sind in gleichen Umfangs­ winkelabständen mehrere Spannklauen, beispielsweise acht, angeordnet, die sich im wesentlichen parallel zur Zentral­ achse erstrecken. Am eraten Ende 10 a jeder Spannklaue 10, ist eine durch einen konischen Flächenabschnitt gebildete Spannfläche 11 vorgesehen. Diese Spannfläche 11 stützt sich an einer Nutflanke 12 einer im zweiten Maschinenteil 2 vor­ gesehenen Ringnut 13 ab. Die Ringnut 13 und die Nutflanke 12 sind zweckmäßig unmittelbar in dem zweiten Maschinen­ teil 2 angeordnet. Die Nutflanke 12 ist eine Konusfläche und gegenüber den Zentralachse A im gleichen Winkel β ge­ neigt wie die Spannfläche 11. Das zweite Ende 10 b jeder Spannklaue ist mit einer entgegengesetzt gerichteten Spann­ fläche 14 versehen, die ebenfalls durch einen konischen Flächenabschnitt gebildet wird und die gegenüber der Zen­ tralachse A in einem Winkel β 1 geneigt ist, der dem Nei­ gungswinkel der Nutflanke 9 gegenüber der Zentralachse A entspricht. Die Winkel β und β 1 sind zweckmäßig gleich groß ausgebildet, sie können jedoch gegebenenfalls auch voneinander abweichen.

Radial innerhalb der Spannklauen 10 ist eine Spannhülse 15 vorgesehen, die mit einer Betätigungsstange 16 fest ver­ schraubt ist. Die Spannhülse 15 weist im Bereich der zwei­ ten Enden 10 b der Spannklauen einen Spannkegel 17 auf. Ein weiterer Spannkegel 18 ist im Bereich der ersten Enden 10 a der Spannklauen 10 vorgesehen. Jeder der Spannkegel weist zwei in unterschiedlichen Winkeln gegenüber der Zentralachse A geneigte konische Flächenabschnitte 17 a, 17 b bzw. 18 a, 18 b auf, von denen die jeweils näher zur Stirnfläche 7 liegenden Flächenabschnitte 17 b, 18 b einen kleineren Winkel mit der Zentralachse A einschließen, als die jeweils entfernter liegenden anderen Flächenabschnitte 17 a, 18 a.

Angrenzend an die ersten Enden 10 a der Spannklauen ist ein in Achsrichtung federbelasteter Druckring 19 vorgesehen, der beispielsweise durch die Tellerfedern 20 belastet ist. Der Druckring 19 weist eine der Anzahl der Spannklauen ent­ sprechende Anzahl von radialen Vorsprüngen 21 auf, von denen jeder mit einer Schrägfläche 22 versehen ist. Die Vorsprünge 21 greifen passend in entsprechende, in den ersten Enden 10 a vorgesehene Führungsnuten ein. Auf diese Weise werden die Spannklauen 10 in radialer Richtung geführt und in Umfangs­ richtung in Abstand gehalten. Am Grund jeder Nut ist eine mit der Schrägfläche 22 des Vorsprunges 21 zusammenwirkende Schrägfläche 23 vorgesehen. Gegebenenfalls könnte die Anord­ nung auch umgekehrt sein, nämlich daß an den ersten Enden 10 a der Spannklauen 10 jeweils eine Führungsrippe vorgese­ hen ist, die in einen radialen Führungsschlitz des Druck­ ringes 19 eingreift.

Bei kegelförmiger Ausgestaltung des Zentrier-Ansatzes 3 ist zweckmäßig am freien Ende der Spannhülse im Anschluß an den ersten Spannkegel 17 ein axialer Fortsatz 24 vorgesehen, der zum Lösen des ersten Maschinenteils 1 mit einer an diesem vorgesehenen Ausstoßfläche zusammenwirkt.

Ferner sind am freien Ende des Ansatzes 3 des ersten Maschi­ nenteils 1 mehrere axial vorspringende Mitnehmerzapfen 26 vorgesehen, die in entsprechende Mitnehmerausnehmungen 27 im zweiten Maschinenteil 2 eingreifen. Diese Mitnehmer­ zapfen 26 und Mitnehmerausnehmungen 27 sind zur Übertra­ gung des Drehmomentes vorgesehen, soweit dieses nicht durch Reibschluß der aneinandergepreßten Flächen, insbesondere der Anlagefläche 6 und der Stirnfläche 7 der beiden Maschi­ nenteile 1, 2 übertragen werden. Der Ansatz 3 könnte gege­ benenfalls auch mit Mitnehmerausnehmungen versehen sein, in welche mit dem zweiten Maschinenteil 2 verbundene Mit­ nehmersteine eingreifen.

Die Wirkungsweise der neuen Spannvorrichtung ist folgende:

Zur Verbindung der beiden Maschinenteile 1, 2 wird das Maschinenteil 1 mit seinem Zentrier-Ansatz 3 in die Auf­ nahmebohrung 4 bei gelöster Spannvorrichtung eingesetzt, wie es in Fig. 1, links, dargestellt ist. Dann wird die Betätigungsstange 16 gemäß Fig. 1 nach oben verschoben und nimmt dabei die Spannhülse 15 mit. Hierdurch werden die sich zunächst an den Flächenabschnitten 17 a und 18 a abstützenden Spannklauen 10 bei geringer Axialbewegung der Betätigungsstange 16 verhältnismäßig weit radial nach außen verschoben, wobei jede Spannklaue 10 parallel zu sich selbst und parallel zur Zentralachse A nach außen bewegt wird. Bei weiterer Bewegung der Betätigungsstange 16 nach oben kommen schließlich die Flächenabschnitte 17 b und 18 b mit den Enden 10 a und 10 b der Spannklauen in Berührung. Da diese Flächenabschnitte 17 b und 18 b in einem kleineren Winkel gegenüber der Zentralachse A geneigt sind, werden jetzt die Spannklauen 10 mit hoher Kraft radial nach außen gedrückt. Während der Verschiebung der Spannklauen 10 radial nach außen legen sich die an den unteren Enden 10 b vorgese­ henen Spannflächen 14 an die Nutflanke 9 an. Die sich radial nach außen bewegende Spannfläche 14 wirkt auf die Nutflanke 9 ähnlich wie ein Keil ein und drückt den Ansatz 3 gemäß Fig. 1 nach oben. Hierdurch wird die Anlagefläche 6 fest an die Stirnfläche 7 in axialer Richtung angepreßt. Da die Spannklauen sich auch mit ihren ersten Enden 10 a über ge­ neigte Spannflächen 11 an der konischen Nutflanke 12 ab­ stützen, bewegt sich jede Spannklaue 10 bei ihrer Radial­ bewegung auch axial in Richtung B nach oben. Durch diese in bezug auf das Maschinenteil 2 einwärts gerichtete Bewe­ gung der Spannklauen 10 können größere axiale Toleranzen ausgeglichen werden. Während des gesamten Spannvorganges ändert sich die Winkelstellung der Spannklauen 10 in bezug auf die Zentralachse nicht, so daß die Spannflächen 11 bzw. 14 ständig Flächenberührung mit den zugehörigen Nutflanken 12 bzw. 9 haben. Die Flächenpressung und der Verschleiß werden hierdurch gering gehalten.

Zum Lösen der Spannvorrichtung wird die Betätigungstange 16 entgegen der Pfeilrichtung B nach unten gedrückt. Der federbelastete Druckring 19 wirkt über die Schrägflächen 22, 23 auf die oberen Enden 10 a der Spannklauen 10 ein und drückt diese radial nach innen. Am Ende des Hubes der Spannhülse 15 stößt deren Fortsatz 24 auf die Ausstoß­ fläche 25 und drückt das Maschinenteil 1 von dem Maschinen­ teil 2 weg. Hierdurch wird der konische Ansatz 3 aus der Aufnahmebohrung 4 gelöst.

In den Fig. 2 und 3 ist der Kräfteverlauf an einer Spann­ klaue 10 bzw. 10′ bei unterschiedlich großen Winkeln α und β bzw. α′ und β′ dargestellt. Hierdurch soll gezeigt werden, daß die axial wirkenden Kraftresultierenden R bzw. R′ in einfacher Weise verändert und den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden können. Wählt man anstelle des in Fig. 2 dargestellten Winkels β einen größeren Winkel β′ und/oder verkleinert man den Winkel α in α′, dann ergibt sich bei gleich großer, auf die Spannhülse 15 einwirkender, axialer Kraft FE bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei­ spiel der Spannklaue 10′ eine als Spannkraft wirkende Kraftresultierende R′ in axialer Richtung, die vielfach größer ist als die entsprechende Kraftresultierende R bei der Spannklaue 10 gemäß Fig. 2.

Claims (11)

1. Spannvorrichtung zum axialen Spannen zweier voneinander lösbarer Maschinenteile, insbesondere zum Spannen eines Werkzeugteiles in einer Werkzeugaufnahme, mit einem an dem ersten Maschinenteil (Werkzeug) vorgesehenen kegeli­ gen oder zylindrischen, hohlen Zentrier-Ansatz, einer an den Ansatz anschließenden, senkrecht zur Zentralachse der Spannvorrichtung verlaufenden Anlagefläche, sowie einer innen im Ansatz vorgesehenen Ringnut, die eine sich zum freien Ansatzende hin konisch verjüngende Nutflanke aufweist, mit einer im zweiten Maschinenteil (Werkzeug­ aufnahme) vorgesehenen, dem Ansatz angepaßten Aufnahme­ bohrung, an die sich eine senkrecht zur Zentralachse erstreckende Stirnfläche anschließt, an welche die Anlagefläche anpreßbar ist, mit mehreren im zweiten Maschinenteil im wesentlichen parallel zur Zentralachse angeordneten Spannklauen, die sich jeweils mit ihrem einen, ersten Ende an einer Nutflanke einer im zweiten Maschinenteil vorgesehenen Ringnut abstützen, sowie einer im zweiten Maschinenteil axial beweglichen, radial innerhalb der Spannklauen angeordneten Spannhülse, die im Bereich der zweiten Enden der Spannklauen einen Spann­ kegel aufweist, mittels dem die zweiten Enden der Spann­ klauen radial nach außen bewegbar und an die Nutflanke des Ansatzes anpreßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der ersten Enden (10 a) der Spannklauen (10) an der Spannhülse (15) ein weiterer auf diese Enden (10 a) einwirkender Spannkegel (18) vorgesehen ist, so daß bei Axialbewegung der Spannhülse (15) die Spannklauen (10) parallel zu sich selbst radial nach außen bzw. innen be­ wegbar sind, und daß die Spannklauen (10) an ihren bei­ den Enden (10 a, 10 b) Spannflächen (11, 14) aufweisen, deren Winkellage bezüglich der Zentralachse (A) den Nut­ flanken (9, 12) angepaßt ist, so daß während des gesam­ ten Spannvorganges Flächenberührung zwischen den Spann­ flächen (11, 14) und den Nutflanken (9, 12) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutflanke (12) im zweiten Maschinenteil (2) sich zur Stirnfläche (7) hin konisch verjüngend ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Spannkegel (17, 18) zwei in unterschied­ lichen Winkeln zur Zentralachse (A) geneigte konische Flächenabschnitte (17 a, 17 b; 18 a, 18 b) aufweist, von denen die jeweils näher zur Stirnfläche (7) liegenden Flächenabschnitte (17 b, 18 b) einen kleineren Winkel (α) mit der Zentralachse (A) einschließen als die jeweils entfernter liegenden anderen Flächenabschnitte (17 a, 18 a).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die ersten Enden (10 a) der Spannklauen (10) ein in Achsrichtung federbelasteter Druckring (19) vorgesehen ist, der an seiner den ersten Enden (10 a) zu­ gekehrten Seite mit Steuerflächen (22) versehen ist, die mit entsprechenden Steuerflächen (23) an den ersten Enden (10 a) zusammenwirken, um die zweiten Enden (10 b) der Spannklauen im gelösten Zustand der Spannvorrichtung außer Eingriff mit der Nutflanke (9) des ersten Maschi­ nenteils (1) zu bringen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerflächen als gegenüber der Zentralachse (A) ge­ neigte Schrägflächen (22, 23) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckring (19) an seiner den ersten Enden (10 a) zugekehrten Seite mit einer der Anzahl der Spann­ klauen (10) entsprechenden Anzahl von radial verlaufen­ den Vorsprüngen (21) versehen ist, welche je in eine in den ersten Enden (10 a) vorgesehenen Führungsnuten pas­ send eingreifen, wobei der Grund der Führungsnut die eine Schrägfläche (23) bildet und an jedem Vorsprung (21) die andere Schrägfläche (22) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckring (19) an seiner den ersten Enden (10 a) der Spannklauen (10) zugekehrten Seite mit einer der Anzahl der Spannklauen (10) entsprechenden Anzahl von radialen Führungsschlitzen versehen ist, in welche je eine an jedem ersten Ende vorgesehene Führungsrippe eingreift.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ringnut (13) unmittelbar im zweiten Maschi­ nenteil (2) ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (13) unmittelbar in einer Werkzeugmaschinen­ spindel ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende der Spannhülse (15) im Anschluß an den ersten Spannkegel (17) ein axialer Fortsatz (24) vorge­ sehen ist, der zum Lösen des ersten Maschinenteils (1) mit einer an diesem vorgesehenen Ausstoßfläche (25) zu­ sammenwirkt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem freien Ende des Ansatzes (3) des ersten Maschinen­ teils (1) mehrere axial vorspringende Mitnehmerzapfen (26) vorgesehen sind, die in entsprechende Mitnehmeraus­ nehmungen (27) in dem zweiten Maschinenteil (2) eingrei­ fen.