DE4105039A1

DE4105039A1 - Zugstangenmechanismus

Info

Publication number: DE4105039A1
Application number: DE4105039A
Authority: DE
Inventors: David Edward Decaussin
Original assignee: FADAL ENGINEERING Co Inc NORTH HOLLYWOOD CALIF US; FADAL ENGINEERING CO
Current assignee: FADAL ENGINEERING Co Inc NORTH HOLLYWOOD CALIF US; FADAL ENGINEERING CO
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1991-10-02
Anticipated expiration: 2011-02-20
Also published as: DE4105039B4; US5022278A

Description

Die Erfindung betrifft Werkzeugmaschinen und richtet sich insbesondere auf einen Zugstangenmechanismus für ein Spannfut ter.

Bei industriellen Werkzeugmaschinen mit umlaufender Spindel wird das Schneidwerkzeug üblicherweise in einem Spannfutter ge halten. Die Klemmkraft wird in der Regel von einer federbela steten Zugstange an das Futter angelegt. Die Auslegung der Vor richtung, beispielsweise hinsichtlich der Lagergröße und Spin delbelastung, führt dazu, daß die Federgröße praktischen Be schränkungen gehorchen muß. Es wird schwierig, eine ausrei chende Futter-Klemmkraft aufzubringen und dennoch für eine be trächtliche Lebensdauer zu sorgen. Daher wird bei bestimmten bekannten Zugstangenspindeln die Federkraft durch einen Keil ringmechanismus multipliziert. Ein solcher Mechanismus ist in der US-PS 43 47 753 offenbart. Bei dieser und ähnlichen Vor richtungen arbeitet eine Anzahl von Stahlkugeln jeweils mit La gerflächen der Spindel, der Zugstange und einer Gleithülse zu sammen. Die Lagerflächen sind derart im Winkel zueinander ge neigt, daß sich eine mechanische Kraftübersetzung ergibt, wenn die federbelastete Hülse ein Einkeilen der Kugeln zwischen den Lagerflächen der Spindel und der Zugstange bewirkt.

Bei den bekannten Keilringvorrichtungen verkeilt die Hülse die Kugeln zwischen der Spindel und der Zugstange, und zwar un ter der Kraft der Feder. Beim Aufheben der Klemmkraft hingegen steht die Hülse nicht mehr direkt mit den Kugeln in Berührung. Daher muß zum Freigeben des Werkzeugs aus dem Futter eine Frei gabekraft auf die Zugstange ausgeübt werden, um die Kugeln aus ihrer Position heraus zu "entklemmen". Die Größe der Kraft, die auf die Zugstange aufgebracht werden muß, um die Kugeln aus ih rer Klemmposition herauszulösen, ist eine Funktion der relati ven Neigungswinkel zwischen den Lagerflächen der Spindel und der Zugstange. Bei den bekannten Vorrichtungen kann diese Kraft einen beschränkenden Faktor für die Auslegung bilden.

Der Erfindung liegt daher u. a. die Aufgabe zugrunde, einen Keilringmechanismus zu schaffen, bei dem eine ständige direkte Steuerung der Kugelbewegungen beibehalten wird, und zwar sowohl beim Aufbringen als auch beim Aufheben der Spannfutter-Klemm kraft.

Bei dem Zugstangenmechanismus nach der Erfindung ist eine Werkzeugmaschinenspindel mit einer Gegenbohrung versehen, um einen Stapel von Tellerfedern aufzunehmen, die eine Zugstange umgeben. Ein Hülsenelement gleitet axial innerhalb der Bohrung auf der Spindel und stützt sich an den Federn ab. Eine Anzahl geneigter zylinderischer Durchgänge ist innerhalb des Hülsen elementes ausgebildet. Die Durchgänge gehen von einer rückwär tigen Fläche aus, die senkrecht zur Achse der Spindel verläuft, und erstrecken sich durch den Außenumfang des Hülsenelements. Jeder der Durchgänge nimmt eine Lagerkugel auf, die über die rückwärtige Fläche vorspringt. Ein Schubkreuz, das auf der Zugstange gleitet, weist eine Mehrzahl von nach vorne gerichte ten Lagerflächen auf, die mit den vorspringenden Kugeln fluch ten. Das Schubkreuz wird axial auf der Zugstange gehalten und liegt innerhalb des Hülsenelementes, wobei eine Ausstoßkappe mit der Rückseite des Hülsenelementes verschraubt ist.

Die Kraft der zusammengedrückten Tellerfedern wird direkt auf die Hülse und von hier aus auf die Lagerkugeln innerhalb der geneigten Durchgänge übertragen. Die Spindel ist an ihrem rückwärtigen Ende mit einer konischen Fläche versehen, so daß dann, wenn das Futter am Werkzeug angreift, die Lagerkugeln nach außen zwischen die konische Fläche und die Lagerflächen des Schubkreuzes verkeilt werden. Aufgrund der Relativwinkel zwischen den geneigten Durchgängen der konischen Fläche und den Lagerflächen des Schubkreuzes ergibt sich eine mechanische Übersetzung, so daß die auf das Schubkreuz ausgeübt Kraft we sentlich größer ist als die direkt von den Federn gelieferte Kraft. Diese vergrößerte Kraft wird auf die Zugstange übertra gen, um die Futter-Klemmkraft zu liefern. Das Futter wird da durch gelöst, daß man eine Gegenkraft auf die Ausstoßkappe aus übt. Da letztere direkt mit der Hülse gekoppelt ist, wird die Hülse nach vorne bewegt, sobald die Federkraft überwunden wird. Da die Lagerkugeln innerhalb der zylindrischen Durchgänge ge halten werden, führt eine vorwärts gerichtete Bewegung der Hülse dazu, daß die Kugeln augenblicklich aus ihrer Keilposi tion zwischen dem Schubkreuz und der Spindel freikommen. Es ist also nicht erforderlich, eine zusätzliche Kraft auf die Zugstange aufzubringen, um die Lagerkugeln zu "entklemmen".

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine explodierte Ansicht der Hauptkomponenten der er findungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt zur Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Klemmposition;

Fig. 3A bis 3C die erfindungsgemäße Vorrichtung in verschiedenen Stufen beim Aufheben der Futter-Klemmkraft;

Fig. 4 eine vergrößerte Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Hülsenelements;

Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch das Hülsenelement nach Fig. 4;

Fig. 6 die mechanischen Kräfte, die auf die verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung einwir ken.

In der folgenden Beschreibung sind zu Zwecken der Erläute rung, nicht der Beschränkung, spezielle Zahlen, Dimensionen, Materialien, etc. angegeben, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Fachmann die Erfindung auch in anderen Ausführungsformen, die von diesen speziellen Einzelheiten abweichen, praktizieren kann. An anderen Stellen sind bekannte Baugruppen und Komponen ten nicht im einzelnen beschrieben, um zu vermeiden, daß die Offenbarung durch unnötige Details unübersichtlich wird.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Zugstangenmechanismus nach der Erfindung. Eine Maschinenspindel umfaßt ein Rohrelement 12, welches eine Gegenbohrung zur Aufnahme eines Stapels von Tel lerfedern 14 aufweist. Die Federn ruhen auf einer Schulter 16, die innerhalb der Bohrung der Spindel ausgebildet ist. Zwar wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Tel lerfedern erläutert, jedoch sei darauf hingewiesen, daß auch Schraubenfedern oder andere Krafterzeuger verwendet werden kön nen.

Eine Zugstange 18 besteht aus einem langgestreckten, stan genförmigen Element, das sich durch das Rohrelement 12 der Spindel hindurcherstreckt und auf dem die Federn 14 gestapelt sind. An ihrem jeweiligen nach vorne gerichteten Enden sind das Rohrelement 12 der Spindel und die Zugstange 18 mit einem ge bräuchlichen (nicht dargestellten) Spannfutter verbunden, um ein Werkzeug bei dessen Drehung um die Spindelachse zu ergrei fen und zu halten. Aus Gründen der Einfachheit wird das dem Futter zugewandte Ende der Spindel als vorderes Ende bezeich net. Allerdings sei darauf hingewiesen, daß die Spindel in Ab hängigkeit von der Ausbildung der Werkzeugmaschine horizontal oder vertikal oder unter beliebigem anderem Winkel ausgerichtet sein kann.

Nach den Fig. 4 und 5 umfaßt ein Hülsenelement 24 einen vor deren Abschnitt 26, dessen Durchmesser geringfügig kleiner als der der Gegenbohrung im Rohrelement 12 der Spindel ist, so daß der vordere Abschnitt frei in der Gegenbohrung gleiten kann. Ein rückwärtiger Abschnitt 28 des Hülsenelementes 24 weist einen Durchmesser auf, der größer ist als der des vorderen Ab schnitts 26. Der rückwärtige Abschnitt definiert also, wenn er mit einer rückwärtigen Fläche 20 des Rohrelementes 12 der Spin del in Berührung tritt, einen Anschlag für die Vorwärtsbewegung des Hülsenelementes 24. Der rückwärtige Abschnitt 28 des Hül senelementes 24 ist kreuzweise geschlitzt, um Arme 32 eines Schubkreuzes 30 aufzunehmen. Das Schubkreuz 30 ist aufgebohrt, um auf der Zugstange 18 zu gleiten, wie es auch für den vorde ren Abschnitt 26 des Hülsenelementes 24 gilt. Das Schubkreuz 30 wird von Federhaltern 34 axial auf der Zugstange 18 gehalten. Eine Ausstoßkappe 36 ist durch Bolzen 38 mit dem rückwärtigen Abschnitt 28 des Hülsenelementes 24 verbunden. Das Schubkreuz 30 befindet sich also zwischen dem Hülsenelement 24 und der Ausstoßkappe 36. Ein O-Ring 35 bildet eine Abdichtung zwischen der Zugstange 18 und der Ausstoßkappe 36, um den Durchfluß ei nes Fluids durch eine Bohrung der Zugstange 18 zu ermöglichen.

Das Hülsenelement 24 ist durch Bohren oder Fräsen spanabhe bend bearbeitet, um Schlitze 29 an deren Basisfläche je mit ei nem zylindrischen Durchgang 40 zu versehen. Die Durchgänge sind unter einem Winkel A gegen die Achse des Hülsenelements 24 ge neigt und durchdringen eine Außenwand 25 des vorderen Ab schnitts 26 des Hülsenelementes. Diese Durchgänge enden vor zugsweise in einer sphärischen Fläche 42 an der Außenwand des vorderen Abschnitts 26. Lagerkugeln 44 sind in die zylindri schen Durchgänge 40 eingesetzt und werden durch die sphärischen Flächen 42 daran gehindert, durch die Außenwand 25 herauszufal len.

Die Durchgänge 40 des Hülsenelementes 24 werden in gebräuch licher Weise durch maschinelle Bearbeitung erzeugt, beispiels weise mit einer einzigen Bohreinstellung. Das Hülsenelement 24 liegt mit seiner Hauptachse parallel zur Werkzeugachse, die im Falle der vorliegenden Beschreibung als Z-Achse bezeichnet ist. Ein Schneidwerkzeug, bei dem es sich um einen kugelkopfzen trierten Stirnfräser handeln kann, wird über eine Fläche 27 ge setzt und gleichzeitig sowohl in Richtung der Z-Achse als auch in Richtung einer der X- oder Y-Achsen vorgeschoben. Das Werk zeug kann die Außenwand 25 z. T. durchdringen und auf diese Weise die sphärische Fläche 42 ausbilden.

Fig. 2 zeigt den Zugstangenmechanismus in der vollen Ein griffsposition, wobei das Spannfutter ein Werkzeug fest ergrif fen hat. Die Tellerfedern 14 sind zwischen der Schulter 16 und dem Hülsenelement 24 zusammengedrückt, wobei sie das Hülsenele ment innerhalb der Bohrung des Rohrelementes 12 der Spindel nach hinten verspannen. Die zylindrischen Wände der Durchgänge 40 liegen an den Kugeln 44 an und übertragen dadurch die Feder kraft auf die Kugeln, und zwar unter einem schiefen Winkel A, bezogen auf die Spindelachse. Die Kugeln 44 springen aus der Fläche 27 des Hülsenelementes 24 vor und berühren die Lagerflä chen 33 der Schubkreuz-Arme 32.

Die Kugeln 44 springen ferner aus der Außenwand 25 des Hül senelementes 24 vor und berühren somit die Bohrung des Rohrele mentes 12 der Spindel. Die rückwärtige Fläche 20 des Rohrele mentes 12 ist unter einem Winkel B, bezogen auf die Spindel achse, abgeschrägt, um eine konische Fläche 22 zu bilden. In der vollen Eingriffsposition gemäß Fig. 2 stehen die Kugeln 44 mit der konischen Fläche 22 des Rohrelementes 12 der Spindel in Berührung. Die von den Federn 14 aufgebrachte Kraft führt in Verbindung mit der Neigung der Durchgänge 40 dazu, daß die Ku geln 44 zwischen den Flächen 22 und 33 eingekeilt werden, wo raus eine Vervielfachung der an das Schubkreuz 30 angelegten Kraft resultiert. Da letzteres von den Federhaltern 34 auf der Zugstange 18 gehalten wird, wird diese multiplizierte Kraft di rekt auf die Zugstange 18 übertragen, um als Futter-Klemmkraft wirksam zu werden. Eine Rückwärtsbewegung der Zugstange 18 wird begrenzt durch die Wirkung des das Werkzeug einklemmenden Fut ters. Um, wie oben beschrieben, eine Dreipunktberührung der Ku geln 44 sicherzustellen, wenn das Werkzeug vollständig im Fut ter eingespannt ist, kann eine (nicht dargestellte) Abstands scheibe zwischen dem Schubkreuz 30 und den Haltefedern 34 ein gesetzt werden.

Gemäß Fig. 6 berechnen sich die Kräfte, die, wie oben be schrieben, auf die Elemente der Spindelanordnung einwirken, folgendermaßen. F₁ sei die Axialkraft, die von den Federn 14 ausgeübt wird. Als Kraft F₂, die auf die Kugel 44 normal zu ih rem Berührungspunkt im zylindrischen Durchgang 40 ausgeübt wird, ergibt sich:

F₂=F₁/sin A.

Als Kraft F₃, die axial gegen die Lagerfläche 33 des Schubkreuzes 30 und damit auf die Zugstange 18 ausgeübt wird, ergibt sich:

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel A = 30° und der Winkel B = 45°. Dies führt zu einer mechanischen Kraftübersetzung (Verhältnis F₁ zu F₃) von annä hernd 2,73.

Ein Lösen der Futter-Klemmkraft wird schrittweise anhand der Fig. 3A bis 3C erläutert. Fig. 3A entspricht im wesentlichen Fig. 2, wobei die Zugstange in ihrer vollen Eingriffsposition dargestellt ist. Zum Aufbringen einer Lösekraft auf die Aus stoßkappe 36 dienen beliebige mechanische, hydraulische oder pneumatische Mittel. Da die Ausstoßkappe 36 fest mit dem Hül senelement 24 verbunden ist, wirkt die Lösekraft direkt auf die Federn 14 ein. Sobald die Federkraft überschritten wird, be ginnt das Hülsenelement 24 mit einer nach vorne gerichteten Be wegung, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Da die Kugeln 44 inner halb der zylindrischen Durchgänge 40 gefangen sind, führt eine nach vorne gerichtete Bewegung des Hülsenelementes 24 dazu, daß die Kugeln 44 kraftschlüssig aus ihrem Keileingriff zwischen den Flächen 22 und 33 herausbewegt werden. Die Vorwärtsbewegung der Ausstoßkappe 36 und des Hülsenelementes 24 kann sich so lange fortsetzen, bis die Ausstoßkappe 36 das Ende der Zugstange 18 und das Schubkreuz 30 berührt. Wird die Vorwärts bewegung der Ausstoßkappe 36 weitergeführt, so wird sie direkt auf die Zugstange 18 übertragen. Der Vorwärtshub der Zugstange 18 wird dadurch begrenzt, daß die Arme 32 des Schubkreuzes 30 die rückwärtige Fläche 20 des Rohrelementes 12 der Spindel be rühren. An diesem Punkt ist das Futter völlig geöffnet, um ein einfaches Abnehmen und Austauschen des Werkzeugs zuzulassen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Erfin dung in anderen speziellen Ausführungsformen realisiert werden kann, ohne daß damit der Rahmen der Erfindung verlassen würde. Die Erfindung ist also nicht auf das vorstehend erläuterte Aus führungsbeispiel beschränkt.

Claims

1. Zugstangenmechanismus zum Betätigen eines Spannfutters, gekennzeichnet durch
ein langgestrecktes Rohrelement (12), das eine Achse defi niert und eine konische Fläche (22) an seinem ersten Ende auf weist;
ein langgestrecktes Stangenelement (18), das koaxial inner halb des langgestreckten Rohrelementes (12) angeordnet und axial um eine Hubstrecke zwischen einer ersten Position und ei ner zweiten Position bewegbar ist, wobei die erste Position der Verriegelung des Spannfutters und die zweite Position der Frei gabe des Spannfutters entspricht;
ein koaxial zwischen dem Rohrelement (12) und dem Stangen element (18) angeordnetes Hülsenelement (24) mit einer Mehrzahl geneigter Durchgänge (40), die sich radial durch das Hülsenele ment hindurcherstrecken;
eine Mehrzahl von Kugeln (44), von denen je eine innerhalb jedes der Durchgänge (40) angeordnet ist;
ein Kreuzelement (30), das axial auf dem Stangenelement (18) gehalten wird und eine Mehrzahl radial vorspringender Lagerflä chen (33) aufweist, die zur Anlage an den Kugeln (44) gegen das Hülsenelement (24) gerichtet sind;
Federmittel (14) zum Verspannen des Hülsenelementes (24) axial gegen das erste Ende des Rohrelementes (12) derart, daß die Kugeln (44) durch Berührung innerhalb der geneigten Durch gänge (40) nach außen zur Anlage an die konische Fläche (22) des Rohrelementes (12) und axial zur Anlage an die Lagerflächen (33) des Kreuzelementes (30) verspannt werden;
wodurch die Verspannungskraft der Federmittel (14) verstärkt und durch zusammenwirkenden Eingriff zwischen dem Hülsenelement (24), den Kugeln (44), dem Kreuzelement (30) und dem Stangen element (18) übertragen wird, um das Stangenelement gegen seine erste Position zu drücken.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das axial zwischen dem Rohrelement (12) und dem Stangenelement (18) angeordnete Hülsenelement (24) einen ersten zylindrischen Abschnitt (26) zum Gleiteingriff in das Rohrelement (12) und einen zweiten zylindrischen Abschnitt (28) aufweist, dessen Durchmesser größer als der des ersten Abschnittes ist, wobei der erste zylindrische Abschnitt die Mehrzahl der geneigten Durchgänge (40) aufweist, die sich radial durch ihn hindurch erstrecken, und wobei der zweite zylindrische Abschnitt eine Mehrzahl von radialen, mit den Durchgängen fluchtenden Schlit zen (29) aufweist; und daß das auf dem Stangenelement (18) axial gehaltene Kreuzelement (30) eine Mehrzahl radial vor springender Arme (32) aufweist, die mit den Schlitzen (29) fluchten, wobei jeder Arm mit einer der Lagerflächen (33) ver sehen ist, die gegen das Hülsenelement (24) zur Anlage an der zugehörigen Kugel (44) gerichtet sind.

3. Mechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Durchgänge (40) in dem Hülsenelement (24) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, der geringfügig größer als der der Kugeln (44) ist, so daß sich über dem gesamten Hub des Stangenelementes (18) eine positive Bewegungssteuerung der Ku geln ergibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Durchgänge (40) dort, wo sie aus dem Au ßenumfang (25) des Hülsenelementes (24) austreten, einen ver minderten Querschnitt aufweisen, um die Auswärtsbewegung der Kugeln (44) zu begrenzen.

5. Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lagerflächen (33) des Kreuzelementes (30) etwa achssenkrecht ausgerichtet sind.

6. Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Durchgänge (40) des Hülsenelementes (24) um einen Winkel von etwa 30° zur Achse geneigt sind.

7. Mechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die konische Fläche (22) des Rohrelementes (12) um einen Winkel von etwa 45° zur Achse geneigt ist.