DE4110857A1 - Einrichtung zum kuppeln eines werkzeughalters mit der arbeitsspindel einer werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein in die kegelige Aufnahme einer Arbeitsspindel ein­ setzbarer Werkzeughalter mit auf zylindrischen Führungen eines Schaftteiles sitzenden, an elastischen Widerlagern abgestützten Konusringen ist aus der DE 35 04 905 C2 be­ kannt. Durch eine solche Ausbildung wird u. a. eine feste und genaue Einspannung des Werkzeughalters, eine sichere Anlage seines Flanschteiles an der stirnseitigen Planflä­ che der Arbeitsspindel sowie eine große Steifigkeit der Verbindung zwischen Werkzeughalter und Arbeitsspindel er­ reicht. Der Werkzeughalter läßt sich mit den üblichen, bei Arbeitsspindeln vorhandenen Spannvorrichtungen er­ greifen und in die Aufnahme ziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Möglich­ keit zu schaffen, einen solchen Werkzeughalter zusätzlich zu seiner Festlegung über die Konusringe und der Plan­ anlage am Flanschteil mit der Arbeitsspindel einer Werk­ zeugmaschine zu kuppeln, ohne daß die Arbeitsspindel dabei auf die ausschließliche Verwendung von Werkzeug­ haltern der angegebenen Ausführung abgestellt sein muß. Die Erfindung strebt dabei auch eine vorteilhafte Aus­ bildung einer Kupplungseinrichtung im einzelnen an. Wei­ tere mit alledem zusammenhängende Probleme, mit denen sich die Erfindung befaßt, ergeben sich aus der jeweili­ gen Erläuterung der aufgezeigten Lösung.

Gemäß der Erfindung weist der Schaftteil des Werkzeug­ halters eine Verriegelungsvorrichtung auf, die im Bereich zwischen den Konusringen radial bewegbare Riegelstücke mit Keilflächen enthält, und es ist in der Aufnahme der Arbeitsspindel eine ringförmige Ausnehmung mit einer Abstützfläche für die Keilflächen der Riegelstücke vor­ gesehen. Dabei ist vorteilhaft die Aufnahme der Arbeits­ spindel so ausgebildet, daß Werkzeughalter mit oder ohne Verriegelungsvorrichtung darin eingesetzt werden können.

Die ringförmige Ausnehmung in der Aufnahme der Arbeits­ spindel läßt sich sehr einfach erzeugen, etwa durch Schleifen. Dies kann bei der Herstellung der Arbeitsspin­ del oder aber auch nachträglich bei einer schon im Ein­ satz befindlichen Arbeitsspindel geschehen. Es sind sonst keine Änderungen erforderlich, weder an der Arbeitsspin­ del, noch an der zugehörigen Maschine. Die Erfindung bietet den großen Vorteil, daß in einer mit der genannten Ausnehmung versehenen Aufnahme sowohl Werkzeughalter der angegebenen Gattung mit Konusringen und Plananlage des Flanschteiles verwendet werden können, und zwar mit Ver­ riegelungsvorrichtung oder ohne eine solche (wie etwa nach der DE 35 04 905 C2), als auch Werkzeughalter mit üblichem Kegelschaft, etwa nach DIN oder ISO.

Verriegelungseinrichtungen zum Verbinden eines Werkzeug­ kopfes mit einer Werkzeugspindel sind an sich bekannt, wie die EP 01 85 842 B1 zeigt. Bei solchen Einrichtungen handelt es sich jedoch um Werkzeuge von besonderer Aus­ bildung, die einen zylindrischen Zapfen haben, wobei entsprechend auch die Spindel eine spezielle zylindrische Aufnahmebohrung haben muß. Demgegenüber ist bei der Er­ findung die Arbeitsspindel mit ihrer üblichen kegeligen Aufnahme für die verschiedensten Ausführungen von Werk­ zeughaltern nutzbar. Bei einer zylindrischen Werkzugauf­ nahme muß im übrigen auch ein radiales Fügespiel vorhan­ den sein. Die erfindungsgemäße Ausführung ist dagegen spielfrei.

Der Begriff des Werkzeughalters umfaßt im Rahmen der Erfindung alle Elemente, die für die Durchführung von Bearbeitungsoperationen in Betracht kommen. Es kann sich dabei insbesondere um eine sog. Grundaufnahme handeln, die mit einem Werkzeug, einem Werkzeugträger, einer Ver­ längerung oder einem sonstigen Teil bestückt wird, oder auch um ein einheitliches Werkzeug.

Die Größe des Keilwinkels an den Keilflächen der Riegel­ stücke und des entsprechenden Winkels an der Abstützflä­ che läßt sich nach den jeweiligen Erfordernissen bzw. mit Rücksicht auf die Gestaltung anderer Teile der Vorrich­ tung festlegen. Er wird vorteilhaft so gewählt, daß keine Selbsthemmung der Riegelstücke an der Abstützfläche ein­ tritt. Dies macht es möglich, daß die Riegelstücke nach Wegfall einer Betätigungskraft leicht in ihre radial innere Löseposition zurückkehren können. Der Keilwinkel im Bereich liegt insbesondere zwischen etwa 15° und 30° mit Bezug auf eine Querebene zur Längsachse des Werkzeug­ halters bzw. der Arbeitsspindel.

Zum radialen Auswärtsbewegen der Riegelstücke ist zweck­ mäßig im Schaftteil ein zentrales, axial bewegbares Betä­ tigungsglied vorgesehen, das mit Betätigungsflächen auf Schrägflächen an den Riegelstücken einwirkt. Der Winkel, unter dem diese Flächen zu einer Querebene stehen, be­ stimmt die Übersetzung zwischen der Axialbewegung des Betätigungsgliedes und der dadurch verursachten radialen Auswärtsbewegung der Riegelstücke. Somit läßt sich der Winkel u. a. also entsprechend der gewünschten Übersetzung wählen. Ein weiterer Gesichtspunkt kann sein, ob eine Selbsthemmung in Betracht kommen soll oder nicht.

Das Betätigungsglied kann durch eine in Richtung auf seine Ruheposition wirkende Druckfeder belastet sein. In seine Arbeitsposition wird es zweckmäßig mittels einer Spannvorrichtung gebracht, wie sie bei Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen normalerweise vorhanden ist. Dazu kann das Betätigungsglied an seinem freien Ende einen geeigneten Teil, z. B. einen sog. Spannpilz, zum Angriff einer Spannvorrichtung aufweisen oder als solcher ausge­ bildet sein.

Soll der Werkzeughalter aus der Spindel entnommen werden, so tritt beim Aufhören der Spannkraft schon dadurch eine Lösewirkung ein, daß sich die Widerlager der Konusringe infolge ihrer Entlastung ausdehnen und den Werkzeughalter axial zu bewegen suchen, wobei sich dessen Flanschteil von der Stirnfläche der Arbeitsspindel abheben kann. Ein selbständiges Lösen des Werkzeughalters beim Entriege­ lungsvorgang läßt sich durch einen Schlagimpuls noch unterstützen, der vom Betätigungsglied ausgeübt wird. Dazu weist das Betätigungsglied zweckmäßig eine den Rie­ gelstücken zugewandte Anschlagfläche auf.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung von Aus­ führungsbeispielen, aus der zugehörigen Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen:

Fig. 1 den vorderen Teil einer Arbeitsspindel im Schnitt mit eingesetztem Werkzeughalter,

Fig. 2 eine Draufsicht zu Fig. 1,

Fig. 3 einen axialen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 einen der Fig. 1 entsprechenden Schnitt durch den vorderen Teil der Arbeitsspindel mit einem eingesetzten Werkzeughalter anderer Ausfüh­ rung.

Mit der Zahl 1 ist in den Fig. 1, 3 und 5 die in ihrem vorderen Teil wiedergegebene Arbeitsspindel einer Werk­ zeugmaschine bezeichnet, z. B. eines Bohrwerks, eines Bearbeitungszentrums od. dgl. Die Arbeitsspindel 1 weist eine ebene Stirnfläche 2 und eine kegelige Aufnahme 3 für den Schaftteil 12 eines Werkzeughalters 11 auf. Nach rückwärts setzt sich die kegelige Aufnahme 3 in einer zylindrischen Bohrung 4 der Arbeitsspindel 1 fort. Im bereich zwischen den Enden der Aufnahme 3, also zwischen der Stirnfläche 2 und der Übergangsstelle 5 zu der Boh­ rung 4, befindet sich in der Arbeitsspindel 1 eine ring­ förmige Ausnehmung 6, die auf ihrer zur Stirnfläche 2 hin gelegenen Seite von einer konischen Fläche 7 begrenzt ist. Beim Einsatz eines mit einer Verriegelungsvorrich­ tung ausgestatteten Werkzeughalters 11 dient diese koni­ sche Fläche 7 als Abstützfläche für Teile der Verriege­ lungsvorrichtung, wie noch erläutert werden wird. Mit dem Buchstaben a ist der Winkel bezeichnet, unter dem die Fläche 7 zu einer Querebene E auf die Längsachse L der Arbeitsspindel 1 bzw. des Werkzeughalters 11 liegt. Die sonstige Gestaltung der Ausnehmung 6 kann sich nach den jeweiligen Erfordernissen richten. Bei der dargestellten vorteilhaften Ausführung wird die Ausnehmung 6 außer von der Fläche 7 von einer Zylinderfläche 8 und einer sich daran anschließenden konischen Fläche 9 begrenzt, wobei die letztere in die kegelige Aufnahme 3 der Arbeitsspin­ del 1 übergeht.

Eine Arbeitsspindel mit einer nach diesem Prinzip ausge­ bildeten Aufnahme 3 bietet die Möglichkeit, Werkzeughal­ ter der verschiedensten Art einzusetzen. Ein erstes Bei­ spiel hierfür zeigt Fig. 5. Hier handelt es sich um einen Werkzeughalter 51 mit einem normalen Kegelschaft 52, etwa einem ISO-Steilkegel. Dieser ist in die entspre­ chend kegelige Aufnahme 3 der Arbeitsspindel 1 eingefügt und mittels einer herkömmlichen Spanneinrichtung festge­ zogen, wobei eine ebene Ringfläche 56 an der Rückseite des Flanschteiles 53 des Werkzeughalters 51 in üblicher Weise Abstand von der Stirnfläche 2 der Arbeitsspindel hat. Die Ausnehmung 6 in der Aufnahme 3 behindert das Einsetzen eines solchen Werkzeughalters in keiner Hin­ sicht, sondern kann vielmehr zur sicheren Einspannung des Werkzeughalters und zur Verbesserung des Tragverhaltens der Arbeitsspindel beitragen.

In den Fig. 1 bis 4 ist der Einsatz eines mit einer Verriegelungsvorrichtung ausgestatteten Werkzeughalters 11 gezeigt. Der Werkzeughalter 11 ist als sog. Grundauf­ nahme ausgebildet und ebenso wie derjenige nach Fig. 5 zur Verwendung bei einem automatischen Werkzeugwechselsy­ stem geeignet. Er weist einen sich nach vorne hin an den Schaftteil 12 anschließenden Flanschteil 13 auf. Dieser bildet einen Ringflansch 14 mit einer Umfangsnut 15 zum Erfassen durch den Greifer des Werkzeugwechselsystems. Im Ringflansch 14 sind an gegenüberliegenden Stellen Ausnehmungen 18 vorhanden, in die nicht gezeigte Mitneh­ mersteine an der Arbeitsspindel eingreifen können. Mit den Zahlen 16 und 17 sind ein Sitz und ein Anschlußteil zur Aufnahme und Festlegung von entsprechend ausgebilde­ ten Werkzeugen, Bohrstangen, Fräsdornen, Verlängerungen oder anderen Arbeitselementen bezeichnet.

Über den Schaftteil 12 des Werkzeughalters 11 steht nach hinten ein Bolzen 19 vor, an dessen pilzartigem Ende eine Spannzange einer in der Arbeitsspindel 1 vorgesehenen, nicht dargestellten Spanneinrichtung bekannter Ausbildung angreifen kann, um den Werkzeughalter in die Aufnahme 3 hineinzuziehen und darin zu spannen. Entsprechendes gilt für die Ausführung nach Fig 5.

Der Schaftteil 12 weist an seinem vorderen und hinteren Ende je eine zylindrische Führungsfläche 21 bzw. 22 als Sitz für einen darauf verschiebbaren Konusring 23 bzw. 24 auf (Fig. 3). Jeder dieser Konusringe hat eine zylin­ drische Bohrung mit entsprechender Passung bezüglich des Sitzes 21 bzw. 22 und ist mit einer konischen Außenfläche 27 bzw. 28 versehen. Der Neigungswinkel dieser Außenflä­ chen ist gleich dem Neigungswinkel der kegeligen Aufnahme 3 der Arbeitsspindel 1. Bei der dargestellten Ausführung weist jeder der beiden Konusringe 23 und 24 in abwech­ selnder Aufeinanderfolge Einschlitzungen 29 auf, die jeweils von dem einen und dem anderen Rand des Ringes ausgehen.

Zwischen den beiden zylindrischen Sitzen 21 und 22 hat der Schaftteil 12 zweckmäßig eine kegelige Form. Bei der gezeigten Ausführung liegt dieser Zwischenteil im Bereich der Ausnehmung 6 der Arbeitsspindel 1.

Mit den Zahlen 25 und 26 sind elastische Widerlager für die beiden Konusringe 23 und 24 bezeichnet. Bei der ge­ zeigten vorteilhaften Ausführung sind dies Ringe aus elastischem Material, vorzugsweise aus einem geeigneten Kunststoff, die von Nuten 31 und 32 aufgenommen sind. Es lassen sich als Widerlager aber auch andere Elemente, insbesondere Federanordnungen, vorsehen. Die Konusringe 23 und 24 sind nach dem Aufschieben auf die Sitze 21 und 22 durch in Umfangsnuten des Schaftteiles 12 eingelegte Sprengringe 33 und 34 oder andere geeignete Mittel gegen Herabgleiten nach hinten gesichert.

Der Schaftteil 12 des Werkzeughalters 11 weist eine Ver­ riegelungsvorrichtung auf, die im Bereich zwischen den Konusringen 23 und 24 radial bewegbare Riegelstücke 41 enthält. Diese haben im Querschnitt beispielsweise eine rechteckige oder quadratische Grundform (s. auch Fig. 1) und sind in Ausnehmungen 42 mit entsprechendem Quer­ schnitt im Schaftteil verschiebbar geführt. An ihren vorderen, radial äußeren Partien bilden sie auf ihren Oberseiten Keilflächen 43, die mit Bezug auf eine zur Längsachse L des Werkzeughalters 11 senkrechte Querebene E unter einem Winkel nach außen hin abfallend geneigt sind. Dieser Winkel ist gleich dem Winkel a, unter dem die Abstützfläche 7 der Aufnahme 3 verläuft, so daß für beide Winkel die gleiche Bezeichnung verwendet werden kann.

An ihren radial inneren Enden sind die Riegelstücke 41 mit Schrägflächen 44 versehen, die beispielsweise unter 45° oder 50° bezüglich der Querebene E liegen und denen unter gleicher Neigung verlaufende Betätigungsflächen 45 an einem zentralen Betätigungsglied 46 funktionsmäßig zugeordnet sind. Das Betätigungsglied 46 ist mit einem geringen Radialspiel in einer Bohrung 39 des Schaftteiles 12 angeordnet und darin um einen begrenzten Betrag axial bewegbar. In einer Nut im vorderen Kopfteil des Betäti­ gungsgliedes ist ein O-Ring 47 vorgesehen, der im Kontakt mit der Bohrung 39 ist. Durch eine sich an einem Bund 49 des Betätigungsgliedes abstützende Druckfeder 48 ist das­ selbe in Richtung auf seine Ruheposition hin belastet. Die den Riegelstücken 41 zugewandte Seite des Bundes 49 bildet eine Anschlagfläche 40, die auf die Riegelstücke einwirken kann. Auf das hintere Ende des Betätigungsglie­ des 46 ist der Bolzen 19 aufgeschraubt, an dem eine schon erwähnte, nicht dargestellte Spanneinrichtung angreifen kann.

Die Riegelstücke 41 stehen unter der Wirkung von Druckfe­ dern 37, die sie in Richtung auf ihre radial innere Löse­ position zu drücken suchen. Bei der gezeigten Ausführung liegen die Federn 37 in Nuten an der Unterseite der Rie­ gelstücke. In diese Nuten ragen Stifte 38 hinein, die einerseits als Anlage für die Federn 37 dienen und ande­ rerseits Anschläge bilden, um die Bewegung der Riegel­ stücke nach innen zu begrenzen.

Wird der Werkzeughalter 11 z. B. mittels eines Werkzeug­ wechslers in die Aufnahme 3 der Arbeitsspindel 1 einge­ führt und dann von einer am Kopf des Bolzens 19 angrei­ fenden Spanneinrichtung erfaßt und in die Aufnahme her­ eingezogen, so kommen zunächst die Konusringe 23 und 24 zur Anlage an der Kegelfläche der Aufnahme 3. Weil die Konusringe 23 und 24 unabhängig voneinander auf ihren Sitzen 21 und 22 verschiebbar sind, werden auch Toleran­ zen im Kegelwinkel der einander zugeordneten Flächen ausgeglichen. Durch weiteres Hereinziehen des Werkzeug­ halters in die Spindel werden die elastischen Widerlager 25 und 26 je nach den Gegebenheiten um einen gewissen Betrag zusammengedrückt bzw. weiter verspannt, und zwar so lange, bis eine ebene Ringfläche 10 an der Rückseite des Ringflansches 14 zur Anlage an der Stirnfläche 2 der Arbeitsspindel 1 kommt.

Anschließend an diesen Vorgang bzw. in zeitlicher Über­ schneidung damit wird das Betätigungsglied 46 gegen die Kraft der Druckfeder 48 in der Bohrung 39 verschoben, wodurch die Riegelstücke 41 infolge der Einwirkung der Betätigungsflächen 45 auf die Schrägflächen 44 radial nach außen bewegt werden. Dies veranschaulicht Fig. 1. Über die dabei zunehmend mit der Abstützfläche 7 in An­ lage kommenden Keilflächen 43 der Riegelstücke erfolgt eine feste und sichere Verspannung des Werkzeughalters 11 mit der Arbeitsspindel 1.

Beim Lösevorgang kann sich das Betätigungsglied 46 mit Unterstützung durch die Druckfeder 48 nach vorne ver­ schieben, so daß die Riegelstücke 41 sich unter der Kraft der Federn 37 radial nach innen aus der Ausnehmung 6 heraus und in ihre Löseposition bewegen. Durch die Ela­ stizität der Widerlager 25 und 26 ergibt sich bei Auf­ hören der Einspannkraft ein Selbstlöse-Effekt, wobei sich die Ringfläche 10 am Ringflansch 14 etwas von der Stirn­ fläche 2 der Arbeitsspindel 1 abhebt. Das selbstständige Lösen kann noch dadurch unterstützt werden, daß der Bund 49 des Betätigungsgliedes 46 mit seiner Anschlagfläche 40 einen Stoß auf die eingeschobenen Riegelstücke 41 aus­ übt.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt, für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fal­ lend angesehen werden.

Claims (8)

1. Einrichtung zum Kuppeln eines Werkzeughalters od. dgl. mit einer eine kegelige Aufnahme für einen Schaftteil des Werkzeughalters aufweisenden Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine, wobei der Schaftteil des Werkzeug­ halters in seinem vorderen und seinem hinteren Be­ reich zylindrische Führungen für an elastischen Wi­ derlagern abgestützte Konusringe aufweist, und wobei ein die vordere Fortsetzung des Schaftteiles bilden­ der Flanschteil an einer stirnseitigen Planfläche der Arbeitsspindel zur Anlage bringbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schaftteil (12) eine Verriege­ lungsvorrichtung (41, 46) aufweist, die im Bereich zwischen den Konusringen (23, 24) radial bewegbare Riegelstücke (41) mit Keilflächen (43) enthält, und daß in der Aufnahme (3) der Arbeitsspindel (1) eine ringförmige Ausnehmung (6) mit einer Abstützfläche (7) für die Keilflächen (43) der Riegelstücke (41) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme (3) der Arbeitsspindel (1) zum Ein­ setzen von Werkzeughaltern (11) mit oder ohne Verrie­ gelungsvorrichtung ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Keilwinkel (a) an den Keilflächen (43) der Riegelstücke (41) und der entsprechende Win­ kel der Abstützfläche (7) im Bereich zwischen etwa 15° und 30° liegt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Riegelstücke (41) durch sie in ihre radial innere Löseposition zu bewegen suchen­ de Federn (37) belastet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum radialen Auswärtsbewegen der Riegelstücke (41) ein zentrales, axial bewegbares Be­ tätigungsglied (46) im Schaftteil (12) vorgesehen ist, das auf Schrägflächen (44) an den Riegelstücken (41) einwirkende Betätigungsflächen (45) aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (46) durch eine in Richtung auf seine Ruheposition wirkende Druckfeder (48) bela­ stet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (46) an sei­ nem freien Ende mit einem Teil (19) zum Angriff einer Spannvorrichtung versehen oder als solcher ausgebil­ det ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied (46) eine den Riegelstücken (41) zugewandte Anschlagfläche (40) aufweist.