DE4127325C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter für Werkzeugma­ schinen mit einem maschinenseitigen und einem werkzeugseitigen Halterteil und mit einer die Halterteile mit radialem Spiel drehfest miteinander verbindenden Kupplungseinrichtung, die in Axialrichtung beidseitig abgestützt ist und eine radial beweg­ bare Kupplungsscheibe mit mindestens zwei senkrecht zueinander verlaufenden radialen Schlitzen aufweist, wobei in den einen Schlitz ein axialer Mitnehmer des einen Halterteils und in den anderen Schlitz ein axialer Mitnehmer des anderen Halterteils eingreift.

Derartige Werkzeughalter, wie sie beispeilsweise aus DE-AS 12 56 039 bekannt sind, dienen zur Präzisionsbearbeitung von bereits vorhandenen Bohrungen. Zu nennen wäre hier das Gewinde­ schneiden oder das Aufreiben von Bohrungen. Die Kupplungsein­ richtung, die auch unter der Bezeichnung Oldham-Kupplung be­ kannt ist, gleicht einen etwaigen Achsversatz zwischen dem Werkzeug und der zu bearbeitenden Bohrung aus, und zwar unter Ausnutzung des von der Kupplungseinrichtung gewährleisteten ra­ dialen Spiels zwischen dem an der Werkzeugmaschine befestigten Halterteil und dem das Werkzeug aufnehmenden Halterteil. Nach Beendigung eines Arbeitsganges verbleibt die Kupplungseinrich­ tung in derjenigen Einstellung, die dieser Arbeitsgang bedingt hat. Diese Einstellung bestimmt also den Ausgangspunkt für die nächstfolgende Kompensation. Dabei kann es zu einer Addition der Kompensationswege kommen. Es besteht daher das Bedürfnis, jeden Kompensationsvorgang aus der Nullage heraus zu beginnen, d. h., den werkzeugseitigen Halterteil nach Beendigung eines Ar­ beitsganges in die Nullage zurückzustellen.

Ein Werkzeughalter anderer Art, der aus der CH-PS 6 57 297 bekannt ist, sieht bereits eine solche Rückstellmöglichkeit vor, und zwar unter Einsatz verschiedenartiger Federeinrichtun­ gen, die zum Teil über Rastelemente wirksam werden und dadurch die Leichtgängigkeit der Verstellung stark herabsetzen. Andere dieser Federeinrichtungen arbeiten radial zwischen den Halter­ teilen und definieren in gegenseitigem Zusammenwirken die Nul­ lage. Diese hängt also von der Vorspannung der radialen Feder­ einrichtung ab und ist dementsprechend ungenau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeug­ halter der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich selbst­ tätig in die Nullage zurückstellt, und zwar mit hoher Präzision und ohne wesentliche Beeinträchtigung der Leichtgängigkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Werkzeughalter nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halterteil mit ei­ ner konischen Fläche versehen ist, wobei die konischen Flächen einander gegenüberliegen und eine sich in Axialrichtung öff­ nende Rinne bilden, und daß in die Rinne ein Ring eingelegt ist, der an jeder konischen Fläche mit einer balligen Fläche anliegt und von mindestens einer Feder in die Rinne hinein ver­ spannt ist.

Sobald es zu einer Kompensationsbewegung des werkzeugseiti­ gen Halterteils relativ zum maschinenseitigen Halterteil kommt, drückt die konische Fläche des werkzeugseitigen Halterteils in Bewegungsrichtung gegen die zugeordnete ballige Fläche des Rings, woraufhin dieser mit seiner gegenüberliegenden balligen Fläche auf der gegenüberliegenden konische Fläche des maschi­ nenseitigen Halterteils in Öffnungsrichtung der Rinne wandert. Der Ring verkantet sich also in der Rinne gegen die Kraft sei­ ner Feder. Sobald keine Auslenkkraft mehr auf den werkzeugsei­ tigen Halterteil einwirkt, läßt die Feder den Ring in seine achssenkrechte Position zurückwandern, wobei der Ring den werk­ zeugseitigen Halter in die Nullposition zurückstellt.

Der mit den Konusflächen zusammenwirkende Ring definiert die Nullage mit hoher Präzision, wobei die Genauigkeit der Rückstellung aufgrund des Zusammenwirkens Ring/Rinne unempfind­ lich ist gegen eine asymmetrische Federbeaufschlagung. Die Leichtgängigkeit der Verstellung wird bestenfalls geringfügig beeinträchtigt, da die zu überwindende Federbelastung des Rings so gewählt werden kann, daß sie in der Nullage ebenfalls nahezu Null ist. Auch kommt es zwischen dem Ring und der Rinne zu rei­ bungsarmen Linienberührungen.

Im übrigen spielt in diesem Zusammenhang die Geometrie der Rinne eine wesentliche Rolle. Besonders vorteilhafte Verhält­ nisse ergeben sich, wenn die konische Fläche des werkzeugseiti­ gen Halterteils steiler geneigt ist als die des maschinenseiti­ gen Halterteils. Die Wahl wird so getroffen, daß die Auslenkbe­ wegung des Rings so wenig wie möglich behindert und die Rück­ stellbewegung des Rings so stark wie möglich unterstützt wird.

In diesen Optimierungsprozeß geht auch die Leichtgängigkeit der Kupplungseinrichtung ein. Die Kräfte für die Kompensations­ bewegung werden vom Werkzeug beim Eingriff in die Bohrung über­ tragen; die Rückstellung muß die Federbelastung des Rings lie­ fern. Je kleiner die zu überwindenden Kräfte der Kupplungsein­ richtung sind, desto schwächer kann die Rückstellfeder des Rings ausgelegt sein, was wiederum der Leichtgängigkeit der Kompensationsbewegung zu gute kommt.

Unter optimalen Verhältnissen arbeitet die Vorrichtung nach der Erfindung dann, wenn zum Abstützen der Kupplungseinrichtung in Axialrichtung Rollen vorgesehen sind. Diese Rollen bieten praktisch dieselbe Leichtgängigkeit wie Kugeln, haben jedoch nicht die Tendenz, sich in die jeweiligen Gegenflächen einzu­ drücken und dadurch die ursprüngliche Leichtgängigkeit zu ver­ lieren oder die Kupplungseinrichtung sogar zu blockieren. Dabei besteht die vorteilhafte Möglichkeit, die Rollen in Ausnehmun­ gen der Kupplungsscheibe anzuordnen, so daß die Kupplungscheibe als Rollenkäfig arbeitet. Je nach Orientierung der Rollen (gleichachsig, radial, in Umfangsrichtung) ergeben sich unter­ schiedliche Kombinationen von Gleit- und/oder Wälzbewegungen. Alternativ kann es vorteilhaft sein, die Kupplungsscheibe beid­ seitig mit axialen Flächen auf den Rollen abzustützen und die Rollen jeder Seite parallel zueinander auszurichten, wobei ihre Achsen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Kupplungsscheibe be­ züglich des Mitnehmers des zugehörigen Halterteils stehen. Bei dieser Anordnung erfolgt jede Kompensations- und Rückstellbewe­ gung unter Abwälzen der Rollen. Dabei sind die Rollen jeder Seite vorzugsweise in einem Käfig angeordnet, der mindestens einen radialen Schlitz für den Durchtritt des Mitnehmers des zugehörigen Halterteils aufweist und mit Ausnehmungen für die Rollen versehen ist, die parallel zueinander und senkrecht zu dem radialen Schlitz ausgerichtet sind. Um die Rollen unter ge­ ringer Vorspannung zu halten, so daß sie sich auch in unbela­ stetem Zustand nicht vekanten können, kann man den einen Hal­ terteil gegen den anderen Halterteil elastisch verspannen, wo­ bei die Federkraft unter Zwischenschaltung eines Kugellagers übertragen wird.

Der erfindungsgemäße Werkzeughalter eignet sich vor allen Dingen für die Bearbeitung von Leichtmetall, da dieses Material beschädigt wird, sofern die Kompensationsbewegungen höhere Ge­ genkräfte voraussetzen, wie sie beispielsweise von Stahl ohne weiteres aufgebracht werden können. Allerdings ist die Erfin­ dung auch mit Vorteil auf die Stahlbearbeitung anwendbar.

Die Leichtgängigkeit der Kupplungseinrichtung beeinflußt also die Leichtgängigkeit der Rückstelleinrichtung, wobei diese wiederum die Kompensationswege minimiert.

Grundsätzlich kann die Anordnung der Rinne und des Rings zwischen den beiden Halterteilen beliebig getroffen werden, so­ lange der Ring nicht mit den bei der Bearbeitung der Bohrungen auftretenden Axialkräften belastet wird. Eine bevorzugte Aus­ führungsform allerdings zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Rinne werkzeugseitig öffnet und daß die Feder am maschinensei­ tigen Halterteil abgestützt ist. Diese Konstruktion läßt sich einfach fertigen und montieren.

Ebenfalls aus fertigungstechnischen Gründen empfiehlt es sich, daß mindestens eine der konischen Flächen von einem Bau­ teil getragen wird, welches gegenüber dem zugehörigen Halter­ teil in Axialrichtung verstellbar ist. Mit einer derartigen Verstellmöglichkeit lassen sich extrem enge Toleranzen für eine exakte Einfügung des Rings in die Rinne vermeiden. Dabei erge­ ben sich besonders günstige Verhältnisse, wenn die konische Fläche des maschinenseitigen Halterteils an einem Ringkörper angeordnet ist, der mit dem maschinenseitigen Halterteil ver­ schraubt ist.

Zum Verspannen kann eine den werkzeugseitigen Halterteil umgebende Schraubenfeder verwendet werden. Vorteilhafter hinge­ gen ist es, eine Reihe von elastischen Kunststoffelementen vor­ zusehen, die bei geringer Bauhöhe eine gleichmäßige Verspannung gewährleisten und sich sehr gut an die gewünschte Federcharak­ teristik anpassen lassen.

Der Querschnitt des Rings muß eine innere und eine äußere konvexe Kontur besitzen. Hierzu ist der Ring vorzugsweise als in Axialrichtung beidseitig abgeflachter Toruskörper ausgebil­ det. Er läßt sich einfach fertigen und arbeitet sehr gut mit den konischen Flächen der Rinne zusammen.

Der Ring kann als einstückiger umlaufender Körper ausgebil­ det sein. In Weiterbildung der Erfindung besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Ring aus einer Mehrzahl von Ring­ segmenten besteht. Diese können in Umfangsrichtung einander an­ stoßen, oder aber auch mit Abstand zueinander verteilt sein. Besonders voreilhaft ist eine Anordnung, bei der der Ring aus drei relativ kurzen Segmenten besteht, wobei deren Abstand zu­ einander allerdings durch zwischengelegte Abstandselemente fi­ xiert ist. Dies bringt gegenüber einem umlaufenden Ring ge­ wichtsmäßige und ggf. fertigungstechnische Vorteile mit sich.

Die erfindungsgemäße Nullagen-Rückstellung arbeitet nicht nur bei reiner radialer Kompensation, sondern gleichermaßen auch dann, wenn der Werkzeughalter in der Lage ist, Winkelab­ weichungen zwischen dem Werkzeug und der zu bearbeitenden Boh­ rung zu kompensieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Werkzeughalter nach der Erfindung;

Fig. 2 die in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendete Kupp­ lungsscheibe;

Fig. 3 einen der in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwende­ ten Käfige;

Fig. 4 eine Kupplungsscheibe für eine abgewandelte Ausfüh­ rungsform.

Der Werkzeughalter nach Fig. 1 weist einen maschinenseiti­ gen Halterteil 1 auf, der in den Antrieb der Maschine einge­ steckt werden kann. Der Halterteil 1 ist mit einem werkzeugsei­ tigen Halterteil 2 verbunden, der zur Aufnahme des Werkzeugs, im vorliegenden Falle einer Reibahle, dient. Zum Ausgleich ei­ nes etwaigen Achsversatzes zwischen dem Werkzeug und der aufzu­ reibenden Bohrung kann der Halterteil 2 relativ zum Halterteil 1 geringfügige radiale Bewegungen durchführen. Diese Radialbe­ wegungen werden von einer Kupplungseinreichung 3 zugelassen, die gleichzeitig dazu dient, die Axialkräfte vom Halterteil 1 auf den Halterteil 2 zu übertragen.

Die Kupplungseinrichtung 3 umfaßt vor allem eine Kupplungs­ scheibe 4, deren Form sich am besten aus Fig. 2 ergibt. Die Kupplungsscheibe weist zwei Paare von radialen Schlitzen 5 und 6 auf, die um 90° gegeneinander versetzt sind. In die Schlitze 5 greift ein Paar von Bolzen 8 des maschinenseitigen Halter­ teils 1 ein, während die Schlitze 6 mit einem Paar von Bolzen 7 des werkzeugseitigen Halterteils im Eingriff stehen. Insoweit ist die Darstellung der Mitnehmer 7 und 8 in Fig. 1 um 90° versetzt.

Beidseitig der Kupplungsscheibe 4 sind Käfige 9 vorgesehen, von denen einer in Fig. 3 dargestellt ist. Er weist vier Aus­ nehmungen 10 zur Führung von Rollen 11 auf. Ferner sind zwei Paare von um 90° gegeneinander versetzten Schlitzen 12 und 13 vorgesehen. Die Rollen 11 sind parallel zueinander ausgerich­ tet, wobei ihre Achsen senkrecht zu den radialen Schlitzen 13 verlaufen. Bei Radialbewegungen in Richtung dieser Schlitze wird also der Abrolleffekt der Rollen 11 wirksam.

Die beiden Käfig 9 sind identisch ausgebildet, jedoch um 90° versetzt montiert. Sämtliche Bewegungen der Kupplungsein­ richtung 3 erfolgen also unter Mitwirkung der Rollen 11. Daraus ergibt sich eine extrem leichtgängige Einstellung, und zwar auch unter gleichzeitiger Übertragung hoher Axialkräfte. Selbst bei Langzeitbetrieb kommt es nicht zu einer Beschädigung der Laufflächen auf der Kupplungsscheibe 4 bzw. den jeweils zugehö­ rigen Halterteilen.

Die radialen Schlitze 12 in den Käfigen 9 sind zur Gewicht­ sentlastung vorgesehen. Bei einer abgewandelten Ausführungsform können sie auch dem Eingriff des gegenüberliegenden Mitnehmer­ paares dienen, wobei die Käfige dann zur Drehmomentübertragung herangezogen werden.

Um dafür zu sorgen, daß die Rollen auch in unbelastetem Zu­ stand unter geringer Vorspannung stehen und dementsprechend nicht verkippen können, sind Federelemente 14 - im vorliegenden Fall aus Kunststoff - vorgesehen, die sich am maschinenseitigen Halterteil 1 abstützen und den werkzeugseitigen Halterteil 2 gegen den Halterteil 1 verspannen. Die Federkraft wird unter Zwischenschaltung eines Ringes 15 und eines Kugellagers 16 übertragen. Das Kugellager 16 sorgt dafür, daß die Kompensa­ tionsbewegungen durch die Vorspannung nicht behindert werden.

Um die Reibahle zu kühlen, ist der Werkzeughalter mit einer zentralen Kühlmittelführung versehen. Dementsprechend sind die Käfige 9, ebenso wie die Kupplungsscheibe 4, als Ringscheiben ausgebildet.

Fig. 4 zeigt eine Kupplungsscheibe 4 für eine abgewandelte Ausführungsform. Auch diese Kupplungsscheibe ist mit Paaren von radialen Schlitzen 5 und 6 für den Eingriff der Paare von Mit­ nehmern 7 bzw. 8 versehen. Ferner sind in die Kupplungsscheibe 4 radiale Ausnehmungen 17 eingearbeitet, die nicht dargestellte Rollen aufnehmen. Die Kupplungsscheibe dient hier also als Kä­ fig für die Rollen, die direkt zwischen den Auflageflächen der beiden Halterteile 1 und 2 wirksam werden. Auch diese Konstruk­ tion zeichnet sich durch lange Standzeiten aus. Zwar führen die Rollen kombinierte Roll- und Gleichbewegungen aus, jedoch wird hierdurch die Leichtgängigkeit nur unwesentlich vermindert. Vor allen Dingen bleibt sie über der Zeit im wesentlichen konstant.

Sämtliche Rollen können mit ihren Achsen parallel zueinan­ der ausgerichtet sein. Auch besteht die Möglichkeit, sie satz­ weise parallel auszurichten. Dabei können sämtliche Rollenach­ sen radial orientiert sein. Sie können aber auch jeweils in Um­ fangsrichtung verlaufen.

Die Kupplungseinrichtung 3 stützt sich auf einem Widerlager 18 ab, welches gegenüber dem maschinenseitigen Halterteil 1 winkelverstellbar ist. Der Werkzeughalter ist also in der Lage, nicht nur radiale Kompensationsbewegungen durchzuführen, son­ dern auch Winkelfehler auszugleichen.

Auf den maschinenseitigen Halterteil 1 ist ein Ringkörper 19 aufgeschraubt, der mit einer Konusfläche 20 versehen ist. Diese liegt einer Konusfläche 21 des werkzeugseitigen Halter­ teils 2 gegenüber. Die beiden Konusflächen 20 und 21 definieren eine Rinne, die sich werkzeugseitig öffnet. Sie dient zur Auf­ nahme eines Rings 22, der mit balligen Flächen 23 und 24 an den konischen Flächen 20 bzw. 21 anliegt. Er bildet einen in Axial­ richtung beidseitig abgeflachten Toruskörper und wird von ela­ stischen Kunststoffelementen 25 in die von den Konusflächen 20 und 21 definierte Rinne hinein verspannt. Die Kunststoffele­ mente 25 stützen sich am Ringkörper 19 und damit am maschinen­ seitigen Halterteil 1 ab.

Sobald eine Kompensationsbewegung auftritt, wirkt die koni­ sche Fläche 21 in Bewegungsrichtung auf den Ring 22 ein und läßt diesen mit seiner gegenüberliegenden balligen Fläche 23 in Öffnungsrichtung der Rinne entlang der zugehörigen konischen Fläche 20 wandern. Der Ring verkantet sich also in der Rinne gegen die Wirkung der elastischen Kunststoffelemente 25 der entsprechenden Seite. Sobald keine Verstellkraft mehr auf den werkzeugseitigen Halterteil 2 einwirkt, lassen die elastischen Kunststoffelemente 25 den Ring 22 in seine achssenkrechte Grundposition zurückkehren, wobei der werkzeugseitige Halter­ teil 2 in die Nullposition zurückgestellt wird. Die Federkraft der elastischen Kunststoffelemente wird so gewählt, daß sie ge­ rade ausreicht, die leichtgängige Kupplungseinrichtung zurück­ zustellen. Die Kompensationsbewegung wird also so wenig wie möglich behindert. Zum selben Zweck ist die konische Fläche 21 steiler ausgerichtet als die konische Fläche 20. Die Wahl der Winkel sowie die Einstellung der Federkraft bilden einen Opti­ mierungsprozeß, in den die Leichtgängigkeit der Kupplungsein­ richtung eingeht und die zulässigen Kompensationskräfte einge­ hen.

Durch Verdrehen des Ringkörpers 19 gegenüber dem maschinen­ seitigen Halterteil 1 wird die Vorrichtung so justiert, daß der Ring 22 an beiden konischen Flächen 20 und 21 zur Anlage kommt.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich­ keiten gegeben. So kann anstelle der elastischen Kunststoffele­ mente eine Schraubenfeder verwendet werden, um den Ring in die Rinne hinein zu verspannen. Ferner läßt sich die Anordnung der Rückstelleinrichtung umkehren, so daß sich die Rinne zur Ma­ schinenseite hin öffnet. Dabei müssen sich dann allerdings die Federelemente am werkzeugseitigen Halterteil abstützen. Ferner besteht die Möglichkeit, die am werkzeugseitigen Halterteil an­ geordnete konische Fläche gegenüber dem werkzeugseitigen Hal­ terteil verstellbar zu machen, um die korrekte Anlage des Rings sicherzustellen. Arbeitet man andererseits mit ausreichend en­ gen Toleranzen, so kann auf jegliche Einstellmöglichkeit ganz verzichtet werden. Ferner läßt sich die Querschnittsform des Rings beliebig wählen, solange sichergestellt ist, daß der Ring mit variabler Linienberührung an den zugehörigen konischen Flä­ chen anliegen kann. Der Ring muß nicht einstückig ausgebildet sein, sondern kann aus einer Mehrzahl von Ringsegmenten beste­ hen, die in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander verteilt sind.

Claims (8)

1. Werkzeughalter für Werkzeugmaschinen mit einem maschi­ nenseitigen und einem werkzeugseitigen Halterteil und mit einer die Halterteile mit radialem Spiel drehfest miteinander verbin­ denden Kupplungseinrichtung, die in Axialrichtung beidseitig abgestützt ist und eine radial bewegbare Kupplungsscheibe mit mindestens zwei senkrecht zueinander verlaufenden radialen Schlitzen aufweist, wobei in den einen Schlitz ein axialer Mit­ nehmer des einen Halterteils und in den anderen Schlitz ein axialer Mitnehmer des anderen Halterteils eingreift, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halterteil (1, 2) mit einer konischen Fläche (20, 21) versehen ist, wobei die konischen Flächen einander gegen­ überliegen und eine sich in Axialrichtung öffnende Rinne bil­ den, und daß in die Rinne ein Ring (22) eingelegt ist, der an jeder konischen Fläche mit einer balligen Fläche (23, 24) an­ liegt und von mindestens einer Feder in die Rinne hinein ver­ spannt ist.

2. Werkzeughalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Fläche (21) des werkzeugseitigen Halterteils (2) steiler geneigt ist als die (20) des maschinenseitigen Hal­ terteils (1).

3. Werkzeughalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, sich die Rinne werkzeugseitig öffnet und daß die Fe­ der am maschinenseitigen Halterteil (1) abgestützt ist.

4. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der konischen Flächen (20, 21) von einem Bauteil getragen wird, welches gegenüber dem zu­ gehörigen Halterteil (1, 2) in Axialrichtung verstellbar ist.

5. Werkzeughalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Fläche (20) des maschinenseitigen Halterteils (1) an einem Ringkörper (19) angeordnet ist, der mit dem ma­ schinenseitigen Halterteil (1) verschraubt ist.

6. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verspannen des Rings (22) in die Rinne hinein eine Reihe von elastischen Kunststoffelementen (25) vor­ gesehen sind.

7. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (22) als in Axialrichtung beidsei­ tig abgeflachter Toruskörper ausgebildet ist.

8. Werkzeughalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (22) aus einer Mehrzahl von Ring­ segmenten besteht.