DE3839663A1 - Vorrichtung zur verbindung zweier maschinenteile, insbesondere zweier werkzeugteile von werkzeugmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung zweier Maschinenteile, insbesondere zweier Werkzeugteile von Werkzeugmaschinen, mit einem an dem einen Werkzeugteil vorgesehenen zylindrischen Paßzapfen und mit einer im anderen Werkzeugteil zur Aufnahme des Paßzapfens vorge­ sehenen Paßbohrung, wobei das andere Werkzeugteil im Bereich der Paßbohrung zwei diametral gegenüberliegende, radial verlaufende Innengewinde mit je einer Schraube, die einen sich in Axialrichtung verjüngenden, rotations­ symmetrischen Ansatz oder eine kegelförmige Vertiefung aufweist, wobei in einer senkrecht zur Paßzapfenachse ver­ laufenden Querbohrung des Zapfens ein Spannbolzen ver­ schiebbar ist, der an seinen beiden Enden je eine mit dem Ansatz oder der Vertiefung der Schrauben zusammenwirkende, kegelförmige Vertiefung oder einen Ansatz aufweist, und wobei die Achse der Innengewinde bezüglich der Paßzapfen­ achse einen axialen Abstand zur Achse der Querbohrung aufweist, so daß beim relativen Andrücken der Schrauben an den Spannbolzen die Werkzeugteile axial aneinander­ gepreßt werden.

Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung (GB-B-20 94 191) sind die sich verjüngenden, rotationssymmetrischen Ansätze von Schraube und Spannbolzen kegelförmig ausgebildet. Hier­ bei kann entweder der Spannbolzen an seinen beiden Enden kegelförmige Ansätze aufweisen, wobei dann beide Schrauben mit kegelförmiger Vertiefung versehen sind, oder es können umgekehrt beide Schrauben mit kegelförmigen Ansätzen ver­ sehen sein, die in kegelförmige Vertiefungen des Spannbol­ zens eingreifen, oder der Spannbolzen kann an seinem einen Ende mit einem kegelförmigen Ansatz und an seinem anderen Ende mit einer kegelförmigen Vertiefung versehen sein und dementsprechend ist die eine Schraube mit einer kegelför­ migen Vertiefung und die andere Schraube mit einem kegel­ förmigen Ansatz versehen. In jedem Fall wird beim Anziehen einer der Schrauben auf den Spannbolzen eine Spannkraft ausgeübt, die auch eine axial gerichtete Kraftkomponente hat. Die Spannkraft erzeugt an der gegenüberliegenden Schraube eine Reaktionskraft gleicher Größe, die ebenfalls mit einer axial gerichteten Kraftkomponente auf den Spann­ bolzen einwirkt. Durch diese beiden axial gerichteten Kraft­ komponenten werden die Ringfläche und die Stirnfläche mit einer bestimmten Verspannkraft aneinandergepreßt. Die Größe der Verspannkraft hängt im wesentlichen von dem Anzugs­ moment, welches auf die Schraube ausgeübt wird, ab. Bei Paßzapfen mit kleineren Durchmessern und entsprechend kleinen Schrauben kann das Anzugsmoment nicht beliebig gesteigert werden, da sonst ein Ausbrechen der Gewinde befürchtet werden muß. Bei Paßzapfen mit großem Durchmes­ ser und entsprechend großen Schrauben hat sich gezeigt, daß ab einem bestimmten Drehmoment die Verspannkraft nicht mehr linear mit dem Anzugsmoment zunimmt, sondern sich nur noch unwesentlich erhöhen läßt. Von der Verspannkraft hängt jedoch die Steifigkeit der Verbindung und auch das durch die Verbindung übertragbare Drehmoment ab.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Verbindung zweier Maschinenteile, insbesondere zweier Werkzeugteile von Werkzeugmaschinen der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, bei der ohne Erhöhung des Anzugs­ drehmomentes der Schraube eine wesentliche Vergrößerung der Verspannkraft, mit der die zwei Maschinenteile anein­ andergepreßt werden, erzielt werden kann.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Ansätze des Spannbolzens und der Schraube(n) als Kugeln ausgebildet sind, die jeweils in einer Kugelpfanne des Spannbolzens und der Schraube(n), deren Tiefe etwas mehr als der halbe Kugeldurchmesser ist, versenkt angeordnet und drehbar gelagert sind, wobei der Kugeldurchmesser sowie die Spitzenwinkel der kegelförmigen Vertiefungen so bemessen sind, daß sich die Kugeln und die kegelförmi­ gen Vertiefungen an jeweils einem Kraftangriffspunkt be­ rühren, der in axialem Abstand von den freien Enden des Spannbolzens und der Schraube(n) liegt.

Es hat sich gezeigt, daß bei dieser Ausgestaltung der Vor­ richtung sich bei einem vorgegebenen Anzugsdrehmoment der Schraube sich eine wesentlich höhere axiale Verspannkraft zwischen beiden Maschinenteilen erreichen läßt. So konnte beispielsweise bei einem Paßzapfendurchmesser von 28 mm die mit den bisherigen kegelförmigen Ansätzen von Schrau­ be und Spannbolzen erreichbare Spannkraft von 1,5 t mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf 2,5 t gesteigert werden. Desweiteren hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß an den Schrauben und Spannbolzen ein ge­ ringerer Verschleiß auftritt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 einen Axialschnitt eines ersten Ausführungsbeispie­ les,

Fig. 2 einen Teil-Axialschnitt eines zweiten Ausführungs­ beispieles,

Fig. 3 einen Axialschnitt eines dritten Ausführungsbeispie­ les.

Die Erfindung ist anhand zweier Werkzeugteile von Werkzeug­ maschinen erläutert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich jedoch überall dort, wo es auf höchste Zentriergenauig­ keit und hohe Verspannkraft ankommt, ebenso mit Vorteil an­ wenden. So könnte die Erfindung auch zur Verbindung eines Werkzeugteiles mit einer Werkzeugmaschinenspindel, oder zum genauen gegenseitigen Ausrichten und Verspannen von anderen Maschinenteilen verwendet werden.

Das eine Werkzeugteil 1 weist einen zylindrischen Paßzapfen 2 auf, der von einer senkrecht zur Zapfenachse A verlaufen­ den Ringfläche 3 umgeben ist. In dem anderen Werkzeugteil 4 ist zur Aufnahme des Paßzapfens eine Paßbohrung 5 vorgese­ hen. Der Paßzapfen 2 weist eine Querbohrung 6 auf, in wel­ cher ein Spannbolzen 7 radial zur Zapfenachse A verschieb­ bar ist. Der Spannbolzen 7 weist an seinem einen Ende eine kegelförmige Vertiefung 8 auf. An seinem anderen Ende trägt der Spannbolzen 7 eine Kugel 9, die in einer Kugelpfanne 10 drehbar gelagert ist. Die Tiefe t dieser Kugelpfanne 10 ist etwas größer als der Kugeldurchmesser d. Der die Kugel 9 umgebende Bereich des Endes 7 a des Spannbolzens 7 ist zu der Kugel hin umgebördelt bzw. eingezogen, so daß die Kugel 9 in dem Spannbolzen 7 gehalten ist, sich jedoch in der Kugelpfanne 10 drehen kann.

Die in dem anderen Werkzeugteil 4 vorgesehene Paßbohrung 5 ist von einer ringförmigen Stirnfläche 11 konzentrisch um­ geben, die ebenfalls senkrecht zur Zapfenachse A angeord­ net ist. Das andere Werkzeugteil 4 weist im Bereich der Paßbohrung 5 zwei diametral gegenüberliegende, radial ver­ laufende Innengewinde 12 auf, in welche zwei Schrauben 13, 14 eingeschraubt sind. Die eine Schraube 14 dient dabei als Betätigungsschraube, während die andere Schraube 13 fest in das Werkzeugteil 4 eingeschraubt ist und ein Wider­ lager bildet. Die Schraube 13 ist mit einer kegelförmigen Vertiefung 15 versehen. Der Spitzenwinkel α dieser kegel­ förmigen Vertiefung 15 sowie auch der kegelförmigen Ver­ tiefung 8 im Spannbolzen 7 kann zwischen etwa 40° und 120° liegen. Je kleiner der Spitzenwinkel ist, desto höher ist die erreichbare Verspannkraft, desto größer ist aber auch der Verstellweg der Schraube 14 in Richtung ihrer Achse A 1.

Die Schraube 14 weist ebenfalls eine Kugel 17 auf, welche in einer Kugelpfanne 16 in der gleichen Weise angeordnet ist wie die Kugel 9 in der Kugelpfanne 10.

Wie weiterhin aus Fig. 1 zu entnehmen ist, weisen die Achsen A 1 der Schrauben 13, 14 von der Stirnfläche 12 einen Abstand a 1 auf, der etwas größer ist als der Abstand a 2 der Achse A 2 der Querbohrung 6 bzw. des Spannbolzens 7 von der Ringfläche 3. Auf diese Weise wird erreicht, daß in der in Fig. 1 dargestellten Spannstellung die Kugeln 9, 17 jeweils in einseitiger Anlage an der zugehörigen kegel­ förmigen Vertiefung 15 bzw. 8 sind. Der Berührungspunkt oder das Berührungsfeld, an dem die Kugeln 9 bzw. 17 an den kegelförmigen Vertiefungen 15 bzw. 8 anliegen, sind in folgendem mit Kraftangriffspunkt P bezeichnet, da an diesen Punkten die Spannkräfte von den Schrauben 13, 14 auf den Spannbolzen übertragen werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, daß die Kraftan­ griffspunkte P in axialem Abstand r 1 bzw. r 2 von den freien Enden 7 b des Spannbolzens bzw. 13 b der Schraube 13 angeord­ net sind. Hierdurch wird eine Berührung und Kraftübertra­ gung an der Kante zwischen der jeweiligen kegelförmigen Vertiefung 8 bzw. 15 und der zugehörigen Endfläche 7 b bzw. 13 b vermieden. Es werden damit unzuverlässige Flächen­ pressungen und Kantendrücke an den genannten Kanten ver­ mieden. Die Kraftübertragung erfolgt dort, wo der Spann­ bolzen 7 bzw. die Schraube 13 bereits eine verhältnismäßig große Wandstärke aufweist. Durch Abstimmung des Spitzen­ winkels α der kegelförmigen Vertiefung 8, 15, ihres Basis­ durchmessers und des Kugeldurchmessers d kann man errei­ chen, daß die Kraftangriffspunkte P jeweils in dem gewünsch­ ten axialen Abstand r 1 bzw. r 2 von den freien Enden 7 b bzw. 13 b liegen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kugeln 9, 17 aus Hartmetall hergestellt sind.

Der Kugeldurchmesser d sollte etwa 2/3 des Durchmessers D der Spannschraube 14 betragen.

Beim Anziehen der Schraube 14 kommt zunächst deren Kugel 17 an der kegelförmigen Vertiefung 8 des Spannbolzens 7 zur Anlage und verschiebt den Spannbolzen 7 gemäß der Zeichnung nach links, bis dessen Kugel 9 an der kegelförmigen Vertie­ fung 15 der Schraube 13 anliegt. Durch den bezüglich der Paßzapfenachse A axialen Versatz der beiden Achsen A 1 und A 2 ist dabei die oben erwähnte einseitige Anlage der Kugeln 9, 17 an den zugehörigen kegelförmigen Vertiefungen 15, 8 gewährleistet. Die radial wirkende Spannkraft F 1 der Schraube 14 erzeugt an der Schraube 13 eine gleich große, entgegengesetzt wirkende Reaktionskraft F 2. Die Spannkraft F 1 und die Reaktionskraft F 2 bewirken an den Kraftangriffs­ punkten P schräg nach innen gerichtete Kräfte F, deren Richtung senkrecht zu den Mantellinien der kegelförmigen Vertiefungen 8, 15 verläuft. Diese Kräfte F haben auch je­ weils eine in Richtung der Zapfenachse A gerichtete Kraft­ komponente FA. Da die Kraftkomponente FA durch jede der beiden Schrauben 13, 14 erzeugt wird, werden die Ringfläche 3 und die Stirnfläche 11 mit einer Verspannkraft V aneinan­ dergepreßt, die zweimal so groß ist wie die Kraftkomponen­ te FA.

Um die Verspannkraft V noch zu steigern, kann man gemäß Fig. 2 den Spitzenwinkel α 1 der kegelförmigen Vertie­ fung 15′ der Schraube 13′ und dementsprechend auch den Spitzenwinkel der kegelförmigen Vertiefung des Spannbol­ zens auf beispielsweise 50° verkleinern. Hierdurch wird die axial gerichtete Kraftkomponente FA′ und demzufolge auch die Verspannkraft größer.

Die Erfindung soll nicht auf die dargestellten Ausführungs­ beispiele beschränkt sein. So wäre es beispielsweise auch denkbar, Kugeln an beiden Enden des Spannbolzens vorzuse­ hen, wobei dann beide Schrauben mit kegelförmigen Vertie­ fungen ausgerüstet wären. Ferner könnten gegebenenfalls auch an jeder der beiden Schrauben Kugeln angeordnet sein, wobei dann der Spannbolzen an beiden Enden mit kegelförmi­ gen Vertiefungen versehen wäre.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Teile gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen be­ zeichnet, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel. Obige Beschreibung trifft deshalb sinngemäß auch auf das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zu. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel, bei dem das Spannen und Lösen der Verbindung radial von außen erfolgt, ist bei dem in Fig. 3 darge­ stellten Ausführungsbeispiel eine zentrale Betätigungs­ vorrichtung vorgesehen. Der Spannbolzen besteht in diesem Fall aus zwei identischen Spannbolzenteilen 7′, von denen jedes an seinem äußeren Ende eine in einer Kugelpfanne 10 des Spannbolzens 7′ gelagerte Kugel 9 trägt. Die Ausge­ staltung der Lagerung dieser Kugeln 9 und ihr Zusammen­ wirken mit den Schrauben 13 entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Beide Schrauben 13 bleiben in diesem Fall fest in die Werkzeugmaschinenspin­ del 20 eingeschraubt. Sie können bei Verschleiß leicht ausgetauscht werden.

Jedes der beiden Spannbolzenteile 7′ weist an seinem inne­ ren Ende 7 c eine Schrägfläche 21 auf, wobei die beiden Schrägflächen entgegengesetzt zueinander geneigt sind. Zwischen den inneren Enden 7 c der Spannbolzenteile 7′ ist ein Spannkeil 23 angeordnet, der mit der Betätigungsstan­ ge 24 fest verbunden ist und mittels dieser in Richtung der Paßzapfenachse A verstellbar ist. Die Betätigungs­ stange kann mit einem Anzugsbolzen 25 verbunden sein. An diesem Anzugsbolzen 25 kann eine nicht dargestellte Spann­ zange einer ebenfalls nicht dargestellten, in der Werkzeug­ maschinenspindel 20 axial verschiebbaren Zugstange angrei­ fen. Wird auf diese Weise auf die Betätigungsstange 24 eine in Richtung B wirkende Zugkraft ausgeübt, dann wer­ den die Spannbolzenteile 7′ unter Wirkung der Keilflächen 23 a des Spannkeiles 23 radial nach außen gedrückt. Bei Be­ rührung der Kugeln 9 in den kegelförmigen Vertiefungen 15 wird wiederum die Ringfläche 3 des Werkzeugteiles 1 an die Stirnfläche 20 a der Werkzeugmaschinenspindel 20 ange­ preßt.

Das in Fig. 3 gezeigte Prinzip mit zwei Spannbolzenteilen, die durch einen Spannkeil betätigbar sind, kann auch in kinematischer Umkehr angewendet werden. In diesem Fall ist dann der Paßzapfen mit den Spannbolzenteilen und dem Spann­ keil an der Werkzeugmaschinenspindel direkt oder einem mit dieser verbundenen Träger, wie z.B. einem Vorsatzflansch, angeordnet. Die Betätigungsstange ragt dann nicht aus dem freien Ende des Paßzapfens heraus, sondern sie erstreckt sich zum Spindelinneren hin, damit dort an ihr die Spann­ zange eines in der Spindel angeordneten Werkzeugspanners angreifen kann. Bei dieser Ausgestaltung ist die Paßbohrung dann am Werkzeugteil vorgesehen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Verbindung zweier Maschinenteile, ins­ besondere zweier Werkzeugteile von Werkzeugmaschinen, mit einem an dem einen Werkzeugteil vorgesehenen, zylin­ drischen Paßzapfen und mit einer im anderen Werkzeug­ teil zur Aufnahme des Paßzapfens vorgesehenen Paßboh­ rung, wobei das andere Werkzeugteil im Bereich der Paß­ bohrung zwei diametral gegenüberliegende, radial ver­ laufende Innengewinde mit je einer Schraube, die einen sich in Axialrichtung verjüngenden rotationssymmetri­ schen Ansatz oder eine kegelförmige Vertiefung aufweist, wobei in einer senkrecht zur Paßzapfenachse verlaufen­ den Querbohrung des Paßzapfens ein Spannbolzen verschieb­ bar ist, der an seinen beiden Enden je eine mit dem An­ satz oder der Vertiefung der Schraube zusammenwirkende Vertiefung oder einen Ansatz aufweist, und wobei die Achse der Innengewinde bezüglich der Paßzapfenachse einen axialen Abstand zur Achse der Querbohrung auf­ weist, so daß beim relativen Andrücken der Schrauben an den Spannbolzen die Werkzeugteile axial aneinander­ gepreßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansätze des Spannbolzens (7, 7′) und der Schraube(n) (14) als Kugeln (9, 17) ausgebildet sind, die jeweils in einer Kugelpfanne (10, 16) des Spannbolzens (7) und der Schraube(n) (14), deren Tiefe (t) etwas mehr als der halbe Kugeldurchmesser (d) ist, versenkt angeordnet und drehbar gelagert sind, wobei der Kugeldurchmesser (d) sowie die Spitzenwinkel (α, α 1) der kegelförmigen Vertiefungen (8, 15, 15′) so bemessen sind, daß sich die Kugeln (9, 17) und die kegelförmigen Vertiefungen (8, 15, 15′) an jeweils einem Kraftangriffspunkt (P) berühren, der in axialem Abstand (r 1, r 2) von den frei­ en Enden (7 b, 13 b) des Spannbolzens (7) und der Schrau­ be(n) (13) liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Kugel (9, 17) umgebende Bereich des jewei­ ligen Endes (7 a) des Spannbolzens (7, 7′) oder der Schraube (14) zu der Kugel (9, 17) hin umgebördelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kugeln (9, 17) aus Hartmetall bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kugeldurchmesser (d) etwa 2/3 des Durchmessers (D) der Schraube (14) beträgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwinkel (α, α 1) der kegelförmigen Ver­ tiefungen (8, 15, 15′) zwischen etwa 40° und 120° liegt.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannbolzen aus zwei voneinander getrennten Spannbolzenteilen (7′) besteht, die an ihren einander zugekehrten inneren Enden (7 c) entgegengesetzt geneigte Schrägflächen (21) aufweisen, und daß zwischen den inneren Enden (7 c) ein mit seinen Keilflächen (23 a) an den Schrägflächen (21) anliegen­ der Spannkeil (23) vorgesehen ist, der in Richtung der Paßzapfenachse (A) verstellbar ist.