DE3838959A1 - Werkzeugspannvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugspannvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Derartige Werkzeugspannvorrichtungen zum Befestigen oder Einspannen eines Werkzeuges an bzw. in einer Spindel einer Maschine, wie zum Beispiel einer Werkzeugmaschine sind in die Spindel oder die rotierende Welle der Maschine eingefügt.

Bei bekannten Werkzeugspannvorrichtungen dieser Art, die in die Spindel einer Werkzeugmaschine wie zum Beispiel eines Bearbeitungszentrums eingefügt sind, wird ein Werkzeug an der Spindel dadurch befestigt, daß ein Werkzeughalter zusammen mit dem Werkzeug in die Spindel eingesetzt wird, worauf ein Spannzapfen des Werkzeughalters durch Schließen einer Spannzangeneinrichtung (die in der Spindel angeordnet ist und in Abhängigkeit von der Axialbewegung einer Zugstange geöffnet und geschlossen werden kann) durch axiales Verschieben der Zugstange erfaßt wird, wobei eine elastische Kraft von konischen Scheibenfedern oder einer Schraubenfeder verwendet wird, sodaß der Werkzeughalter mit dem Werkzeug fest an der Spindel befestigt wird.

Bei bekannten Werkzeugspannvorrichtungen war es erforderlich, ein Spiel zwischen den Federn und einem Gehäuse zur Aufnahme der Federn sowie zwischen den Federn und einer Federführungsstange vorzusehen, weil die konischen Scheibenfedern oder die Schraubenfedern, die zum Spannen der Zugstange zum Schließen der Spannzangeneinrichtung verwendet werden, bei ihrer Kompression eine Verringerung des Innendurchmessers und eine Vergrößerung des Außendurchmessers aufweisen. Entsprechend war es möglich daß während der Drehung der Spindel die Feder gegenüber ihrer zentrierten Position über eine Strecke verschoben wurde, die diesem Spiel entspricht, und diese Abweichung oder Exzentrizität der Feder kann Schwingungen der rotierenden Spindel und/oder des rotierenden Werkzeuges hervorrufen, weil sich eine Unwucht bei der Drehung ergibt. Weiterhin waren die Federn selbst nicht unbedingt ausgewuchtet, sodaß sie bei der Drehung Unwuchterscheinungen hervorriefen. Aus diesem Grunde ergab sich bei üblichen Werkzeugspannvorrichtungen die Schwierigkeit, daß die Spindel nicht in wirkungsvoller Weise mit hohen Drehzahlen betrieben werden konnte, weil Schwingungen auftraten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugspannvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Nachteile üblicher Werkzeugspannvorrichtungen beseitigt sind und keine Unwucht auftritt, sodaß die Spindel ohne Schwierigkeiten mit hoher Drehzahl betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Werkzeugspannvorrichtung zur Befestigung eines Werkzeuges, einer Schleifscheibe oder dergleichen an einer Spindel oder einer rotierenden Welle einer Maschine unter Verwendung von elastischen Einrichtungen, die in die Spindel oder dergleichen eingefügt sind, weist elastische Einrichtungen auf, die eine elastische Kraft dadurch hervorrufen, daß ein abgedichtet eingeschlossenes hochelastisches Strömungsmedium komprimiert wird.

Auf diese Weise tritt keinerlei Unwucht in den elastischen Einrichtungen auf, sodaß die Spindel mit hohen Drehzahlen ohne Schwingungen betrieben werden kann, und die Lebensdauer der Werkzeugspannvorrichtung ist wesentlich größer als bei mechanischen Einrichtungen, weil sich keine mechanische Ermüdung einer Feder oder dergleichen ergibt. Weiterhin ist es möglich, die auf den Werkzeughalter ausgeübte Spannkraft in einfacher Weise einzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform einer Werkzeugspannvorrichtung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Zentrums für maschinelle Bearbeitung, bei dem eine Ausführungsform der Werkzeugspannvorrichtung verwendet wird.

In Fig. 2 ist ein übliches Zentrum für maschinelle Bearbeitung dargestellt, das einen Tisch (2) aufweist, der auf einem Maschinenbett in X- und Z-Richtungen beweglich befestigt ist, um bestimmte Einstellpositionen einzunehmen. Weiterhin ist ein Ständer (3) senkrechtstehend hinter dem Maschinenbett (1) befestigt, und ein Spindelkopf (4) ist auf einer Gleitführungsfläche befestigt, die in einer Y-Richtung verschiebbar ist und die in einem Mittelteil des Ständers (3) angeordnet ist, wobei der Spindelkopf so beweglich ist, daß er auf eine bestimmte Einstellposition gebracht werden kann. Eine Spindel (5) ist mit Hilfe einer Vielzahl von (nicht gezeigten) Lagern an dem Spindelkopf (4) befestigt und erstreckt sich in der horizontalen Z-Richtung. Weiterhin ist ein Werkzeugmagazin (6) vorgesehen, um ein gewünschtes Werkzeug in eine Werkzeugwechselposition zu überführen. Ein automatischer Werkzeugwechsler (7) (ATC) mit einem Werkzeugarm (8) ist so angeordnet, daß er einen automatischen Werkzeugwechsel von von dem Werkzeugmagazin (6) getragenen Werkzeugen, die in die Werkzeugwechselposition überführt werden, und einem Werkzeug (T) ermöglicht, das von der Spindel (5) gehaltert ist.

Die Spindel (5) ist an ihrem freien oder vorderen Ende mit einer sich verjüngenden Mittelbohrung (5 a) zur Aufnahme eines Werkzeughalters (18) mit dem Werkzeug versehen, wobei die sich verjüngende oder konische Bohrung mit einer Mittelbohrung in Verbindung steht, die in der Spindel ausgebildet ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform schließt die Mittelbohrung der Spindel einen erweiterten Bohrungsabschnitt (5 b) am hinteren Teil der Spindel ein, wobei dieser Bohrungsabschnitt (5 b) mit einem langen Innengewindeabschnitt (5 c) versehen ist, der sich von dem äußeren hinteren Ende der Spindel in Richtung auf deren vorderes Ende erstreckt. Ein Zylinder (19) ist einstellbar in den erweiterten Bohrungsabschnitt (5 b) der Spindel eingesetzt. Der Zylinder (19) ist an seinem äußeren Umfangsendteil mit einem Außengewindeabschnitt (19 a) versehen, der in Gewindeeingriff mit dem Gewindeabschnitt (5 c) der erweiterten Bohrung (5 b) steht. Entsprechend ist es möglich, durch eine Drehung des Zylinders (19) in der erweiterten Bohrung (5 b) der Spindel (5) mit Hilfe der Gewindeabschnitte (19 a und 5 c) den Zylinder in Axialrichtung bezüglich der Spindel (5) einzustellen. Der Zylinder (19) ist jedoch normalerweise an der Spindel (5) mit Hilfe einer Kontermutter (20) festgelegt, um eine Drehung des Zylinders bezüglich der Spindel zu verhindern. Um sicherzustellen, daß die Kontermutter (20) nicht bei Auftreten von Stößen, Schlägen oder dergleichen gelockert wird, ist eine Drehsicherungsschraube (21) durch die Kontermutter parallel zur Achse der letzteren eingeschraubt, sodaß ein freies Ende dieser Schraube (21) von einer entsprechenden Bohrung in der Endfläche der Spindel (5) aufgenommen wird. Ein Kolben (23) ist abgedichtet und verschiebbar in dem Zylinder (19) angeordnet. Eine Kolbenstange, die sich über beide Enden des Kolbens (23) hinaus erstreckt, bildet eine Zugstange (22). Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, ist das linke Ende der Zugstange (22) mit einem mit Gewinde versehenen Verbindungsstück (22 a) versehen, mit dem ein Zugbolzen (26) durch Verschrauben verbunden ist, während das rechte Ende der Zugstange (22) durch einen in das rechte Ende des Zylinders eingeschraubten Deckel (25) hindurchläuft und mit geringem Abstand einer Kolbenstange (30) einer (nicht gezeigten) Kolben-/Zylindereinheit gegenüberliegt, die eine Druckkraft auf die Zugstange (22) ausüben kann.

Ein eine hohe Elastizität aufweisendes Strömungsmedium (24) ist in eine strömungsmitteldicht abgedichtete Kammer eingefüllt, die durch den Kolben (23) und den Zylinder (19) umgrenzt ist. Dieses hochelastische Strömungsmittel kann eine im Handel erhältliche Silikon-Flüssigkeit sein, die um 9,4% bei einem Druck von 1400 kg/c² zusammengedrückt werden kann, wenn sie mechanisch komprimiert wird. Eine elastische oder federnde Kraft, die durch Kompression des hochelastischen Strömungsmediums (24) erzielt wird, kann so eingestellt werden, daß sie auf die Zugstange (22) eine optimale Zugkraft bezüglich aller einzuspannenden Werkzeuge ausübt. Wenn die Einstellung erfolgen soll, werden die Drehsicherungsschraube (21) und die Kontermutter (20) gelöst, worauf der Zylinder (19) gedreht und nach rechts (Fig. 1) verschoben wird, und zwar mit Hilfe einer Relativbewegung zwischen den Gewindeabschnitten (19 a und 19 c), wobei gleichzeitig der Kolben (23) und die Zugstange (22) bewegt werden und das hochelastische Strömungsmedium (24) zwischen dem festgehaltenen Kolben (23) und dem sich bewegenden Zylinder (19) komprimiert wird.

Der mit der Zugstange (22) in Gewindeeingriff stehende Zugbolzen (26) wird von einer Mittelbohrung (5 e) aufgenommen, die sich an die verjüngte Bohrung (5 a) der Spindel (5) anschließt, und dieser Zugbolzen (26) ist an seinem linken Ende mit einer Spannzangeneinrichtung (27) verbunden, die eine Vielzahl von schwenkbar befestigten, sich in Axialrichtung erstreckenden Spannzangen (27 a) umfaßt, die alle in die geöffnete Position mit Hilfe einer Feder (28) vorgespannt sind, die in einer Ausnehmung untergebracht ist, die am hinteren oder rechten Endteil der Spannzangen ausgebildet ist. In der dargestellten Position (Fig. 1) wurden die Spannzangen (27 a) dadurch in eine geschlossene Stellung verschoben, daß sie mit der Innenoberfläche der Bohrung (5 e) in Eingriff gebracht wurden, wodurch ein Spannzapfen (29) des Werkzeughalters (18) erfaßt wird, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Wenn die Zugstange (22) und entsprechend der Zugbolzen (26) nach links verschoben werden, so werden die Spannzangen (27 a) der Spannzangeneinrichtung (27) in eine ringförmige Nut (5 d) eingeführt, die zwischen den Bohrungen (5 a und 5 e) ausgebildet ist. Daher werden die Spannzangen durch die Wirkung der Feder (28) geöffnet. In dieser geöffneten Position kann der Werkzeughalter (18) in die Spannzangeneinrichtung (27) eingeführt oder aus dieser entfernt werden. Wenn der Werkzeughalter (18) in die Spannzangeneinrichtung (27) eingeführt wird, wird ein Kopf (29 a) des Spannzapfens (29) des Werkzeughalters zwischen den geöffneten Spannzangen (27 a) aufgenommen.

Im Betrieb wird der Spindelkopf (4) in Y-Richtung so verschoben, daß er eine obere Werkzeugwechselposition einnimmt. Der Werkzeugwechselarm oder Doppelarm (S) des automatischen Werkzeugwechslers (7), dessen eine Greifvorrichtung das nächste Werkzeug erfaßt hat, wird um 90° in Richtung auf die Spindel gedreht, worauf der andere Greifer den Werkzeughalter (18) erfaßt, der in der konischen Bohrung (5 a) der Spindel (5) eingespannt ist. Daraufhin wird die Kolbenstange (30) der Kolben-/Zylindereinheit durch deren Betätigung nach links verschoben, wodurch die Zugstange (22) nach links gedrückt oder gepreßt wird. Die so betätigte Zugstange (22) bewegt sich nach vorn (nach links in Fig. 1) um die Spannzangen (27 a) über den Zugbolzen (26) nach links zu verschieben, bis die Spannzangen (27 a) in die ringförmige Nut (5 d) eingeführt sind, wodurch die Spannzangeneinrichtung (27) durch die Wirkung der Federn (28) geöffnet wird. Während der vorwärts gerichteten Bewegung der Zugstange (22) wird das in dem Zylinder (19) abgedichtete hochelastische Strömungsmedium (24) durch den einstückig mit der sich bewegenden Zugstange (22) ausgebildeten Kolben (23) weiter komprimiert. Der Doppelarm (8) entfernt oder löst dann den gebrauchten Werkzeughalter aus der konischen Bohrung (5 a) der Spindel (5), dreht sich um 180°, um den nächsten Werkzeughalter mit dem Werkzeug in eine Position zu bringen, in der dieser mit der konischen Bohrung (5 a) ausgerichtet ist, und der neue Werkzeughalter (18) wird dann in die konische Bohrung (5 a) der Spindel (5) eingeführt, sodaß der Kopf (29 a) des Spannzapfens (29) des Werkzeughalters in die geöffneten Spannzangen (27 a) der Spannzangeneinrichtung (27) eingeführt wird. Dannach wird die Kolbenstange (30) der Kolben-/Zylindereinheit durch Abschalten dieser Einheit zurückgezogen, wodurch die Zugstange (22) durch die elastische Kraft des komprimierten elastischen Strömungsmediums (24) zurückgezogen wird, die auf den Kolben (23) wirkt, mit dem Ergebnis, daß die Spannzangen (27 a) der Spannzangeneinrichtung (27) ebenfalls nach rechts gezogen werden, sodaß sie sich aus der ringförmigen Nut (5 d) herausbewegen und mit der Innenoberfläche der Mittelbohrung (5 e) in Eingriff kommen. Hierdurch wird der Kopf (29 a) des Spannzapfens (29) erfaßt und der neue Werkzeughalter mit dem Werkzeug an der Spindel (5) sicher festgelegt. Weil in diesem Fall die Spannkraft für die feste Befestigung des Werkzeughalters an der Spindel durch den Betrag der Kompression des hochelastischen Strömungsmediums (24) bestimmt ist, kann diese Spannkraft dadurch eingestellt werden, daß die axiale Position des Zylinders (19) relativ zur Spindel eingestellt wird.

Obwohl anhand des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels die Erläuterung in Verbindung mit einer Spindel und einem Werkzeug (Werkzeughalter) erfolgte, sei darauf hingewiesen, daß dieses Ausführungsbeispiel in keiner Weise beschränkend ist. Beispielsweise sind Ausführungsformen denkbar, bei der eine Schleifscheibe lösbar an einer Schleifscheibenwelle befestigt wird, oder bei denen andere lösbare Befestigungseinrichtungen vorgesehen sind, die gespannt werden müssen.

Weil bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das hochelastische Strömungsmedium in einen Zylinder eingefüllt ist, der einstellbar in der Bohrung angeordnet ist, die im hinteren Teil der Spindel ausgebildet ist, während der Kolben einstückig mit der Zugstange ausgebildet und verschiebbar in dem Zylinder derart angeordnet ist, daß die Spann- und Zugkraft für den Werkzeughalter mit dem Werkzeug durch die elastische Rückstellkraft des hochelastischen Strömungsmediums ohne die Verwendung von konischen Scheibenfedern oder Schraubenfedern erzielt wird, ergibt sich keine Unwucht bei der Drehung der Spindel aufgrund der Exzentrizität einer derartigen Feder, sodaß die Spindel mit hohen Drehzahlen und ohne Schwingungen umlaufen kann. Hierdurch kann auch die Lebensdauer der Spannvorrichtung vergrößert werden, weil weiterhin keine mechanische Ermüdung einer Feder oder dergleichen auftritt, und die Befestigungs- und Spannkraft für den Werkzeughalter kann in einfacher Weise eingestellt werden.

Claims (3)

1. Werkzeugspannvorrichtung zum festen Einspannen eines Werkzeuges, eines Schleifrades oder dergleichen in eine Spindel einer Maschine unter Verwendung von elastischen Einrichtungen, die in die Spindel eingefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Einrichtungen (19, 23, 24) derart ausgebildet sind, daß eine elastische Kraft durch Kompression eines abgedichtet eingeschlossenen hochelastischen Strömungsmittels erzeugt wird.

2. Werkzeugspannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochelastische Strömungsmittel (24) abgedichtet zwischen einem Zylinder (19) und einem Kolben (23) angeordnet ist, der abgedichtet in dem Zylinder (19) verschiebbar und einstückig mit einer Zugstange (22) ausgebildet ist, und daß die elastische Kraft durch Einstellen der Axialposition des Zylinders (19) in der Spindel (5) einstellbar ist.

3. Werkzeugspannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hochelastische Strömungsmittel eine Silikonflüssigkeit ist.