DE4210144A1 - Spannanordnung für rotierende Werkzeugsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannanordnung für aus mehreren Bauelementen bestehende rotierende Werkzeugsysteme, insbesondere zur Verbindung eines in die Hauptspindel von Werkzeugmaschinen aufnehmbaren Grundkörpers und eines als Adapter oder Verlängerungsstück oder Werkzeug ausgebildeten Anschlußteiles, wobei der gegebenenfalls einen Spannschaft tragende Grundkörper an seiner einen Stirnseite über eine zur Drehachse im wesentlichen senkrecht verlaufende Auflagefläche und eine koaxiale kegelige Bohrung verfügt, während das Anschlußteil an seiner sich an den Grundkörper anfügenden Stirnseite ebenfalls mit einer zur Drehachse im wesentlichen senkrecht verlaufenden Auflagefläche und einem sich in die kegelige Bohrung einfügenden koaxialen kegeligen Zentrierzapfen ausgebildet ist, wobei die kegelige Bohrung und der kegelige Zentrierzapfen mit abweichenden Kegelwinkeln ausgebildet sind und diese mittels eines lösbaren Spannmechanismus bei ihrer elastischen Verformung konzentrisch gegeneinander gespannt werden können, wobei die Auflageflächen des Grundkörpers und des Anschlußteiles entlang eines Kreisringes axial aneinandergespannt werden können.

Die Ausbildung der Hauptspindel und der Werkzeugspannvorrichtungen von Werkzeugmaschinen mit automatischem Werkzeugwechsel zeigt eine große Vielfalt. Aus diesem Grunde wurden die aus einem Werkstück gefertigten Werkzeugspannvorrichtungen bereits früher durch aus mehreren Bauteilen zusammenbaubaren Werkzeugsysteme ersetzt. Diese können die sowohl vom Gesichtspunkt des Herstellers als auch des Benutzers wirtschaftliche Werkzeugbestückung der Werkzeugmaschinen gewährleisten. Zu einem Grundkörper gegebenen Typs kann die zu der Bearbeitungsaufgabe am besten geeignete Werkzeugspannvorrichtung eingesetzt werden, die dann zerlegt erneut für andere Zwecke eingesetzt werden kann.

Mehrteilige Werkzeugspannvorrichtungen sind an sich bekannt, bei denen die Verbindungselemente im allgemeinen so ausgebildet werden, daß sich der bei dem einen Bauelement ausgebildete Zentrierzapfen an die koaxiale Bohrung des anderen Bauelementes anschließt.

Bei der einen bekannten Ausführungsform, die in der HU-PS 188 534 beschrieben ist, ist bei dem einen der verbundenen Bauelemente eine konzentrische Bohrung, bei dem anderen hingegen ein sich in diese Bohrung hineinfügender konzentrischer Zapfen vorgesehen und beide sind mit einem Feststell- bzw. Mitnehmerbauteil versehen, wobei das eine Bauelement eine in die zentrale Bohrung mündende, zu dieser koaxiale Gewindebohrung besitzt und auch das andere Bauelement mit einer konzentrischen Gewindebohrung versehen ist. Das Verhältnis der Gewindesteigung der beiden Gewindebohrungen beträgt 1 : 2 und in diese beiden Gewinde greift eine Differentialschraube ein, die das Festhalten und Lösen des Spannsystems gewährleistet. Bei diesem System beeinträchtigt der durch die Passung von Zapfen und Bohrung bedingte Fehler die Rundlaufsicherheit, wobei auch die Gewinde mit großer Genauigkeit angefertigt werden müssen, um ein Verkeilen der Differentialschraube zu vermeiden.

Bei einer aus der DE-OS 31 31 478 bekannten Lösung wird die Verbindung der Bauelemente durch einen Zentrierzapfen und eine Zentrierbohrung sowie durch einen zu deren Achse senkrecht angeordneten konischen Gewindestift gesichert, der in die kegelige Einsenkung des Zentrierzapfens verspannt ist. Diese Verbindung ergibt - da die Feststellkraft nicht konzentrisch wirkt - keine einwandfreie Planauflage der Stirnseiten und keine Rundlaufsicherheit der Verbindung.

Bei einer weiteren bekannten Ausführungslösung (DE-PS 33 14 591) enthält die Spannanordnung einen einen Spannschaft tragenden Aufnahmekörper, d. h. einen Grundkörper, der an seiner einen Stirnseite über eine zur Drehachse senkrecht verlaufende Auflagefläche und eine koaxiale kegelige Aufnahmebohrung verfügt, sowie ein vorzugsweise als Werkzeugträger ausgebildetes Anschlußteil, das an seiner einen Stirnseite ebenfalls mit einer zur Drehachse senkrecht ausgebildeten Auflagefläche und einem Zentrierzapfen ausgebildet ist, der über einen zugeordneten und zu ihm koaxialen Außenkegel bei einer elastischen Verformung eines Bauelementes durch Längsverschiebung des Spaltes zwischen den Kegeln in der Aufnahmebohrung zentriert werden kann, enthält weiterhin einen die Auflageflächen des Grundkörpers und des Anschlußteiles axial aneinander spannenden lösbaren Spannmechanismus. Bei dieser Ausführung erfolgt zuerst das Aufsetzen des kleinsten Durchmessers des Außenkegels an der kegeligen Bohrung, demzufolge die Stabilität der Verbindung nicht die beste ist. Die elastische Verformung wird voll und ganz durch die Winkelabweichung der beiden Kegel gelöst und so kann auch ein derartiger Fall vorkommen, daß die beiden Kegel nicht vollständig aneinander anliegen, wobei jedoch die stirnseitigen Auflageflächen bereits aneinanderliegen, was hinsichtlich der Rundlaufgenauigkeit und der Stabilität (Drehmomentübertragung, Rutschen) sich ungünstig auswirken kann. Im Außenkegel ist innen eine zylindrische Gewindebohrung vorgesehen, demzufolge das Verformungsvermögen des Systems am Anfang und am Ende des Kegels nicht gleich ist, was das Ausmaß der mit dem System erreichbaren elastischen Verformung herabsetzt und demzufolge eine Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit erfordert.

Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist die Beseitigung der beschriebenen Nachteile sowie die Minderung der die Fertigungsgenauigkeit betreffenden Anforderungen und die Ausgestaltung einer Spannanordnung, die eine bestmögliche Rundlaufgenauigkeit und Starrheit der Verbindung sowie eine weitgehende und entlang des Kegels stabilisierte elastische Verformung restlos gewährleistet und zugleich durch den einfachen Aufbau eine wirtschaftliche Produzierbarkeit ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe wurde bei einer eingangs beschriebenen Aufbau aufweisenden, die Verbindung der Bauelemente von aus mehreren Bauelementen bestehenden Werkzeugsystemen gewährleistenden Spannanordnung im Sinne der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kegelwinkel des Innenkegels der Bohrung um einen bestimmten Winkelwert kleiner als der Kegelwinkel des Außenkegels des kegeligen Zentrierzapfens ist und im kegeligen Zentrierzapfen ein in der ganzen Länge der sich aneinanderfügenden Kegelflächen eine gemeinsame Verformung konstanten Ausmaßes gewährleistender koaxialer Innenkegel ausgebildet ist, dessen Kegeligkeitsrichtung mit der der Kegeligkeit des Außenkegels des kegeligen Zentrierzapfens übereinstimmt, seine Länge hingegen größer als die Länge der sich aneinanderfügenden Kegelflächen ist.

Zu Beginn des Aneinanderfügens liegt zwischen den beiden stirnseitigen Auflageflächen ein Spalt vor. Im ersten Teil der elastischen Verformung fügen sich die beiden Kegel vollständig aneinander (die Kegelwinkel werden ausgeglichen) wobei jedoch zu dieser Zeit zwischen den Auflageflächen noch immer ein Spalt besteht. Im zweiten Abschnitt muß der wegen der Fertigungstoleranz entstandene Spalt überwunden werden und zwar in der Weise, daß die durch die Verformung bedingte Spannung in der ganzen Länge des Kegels konstant bleibt. Dies kann in der Weise sichergestellt werden, daß im kegeligen Zentrierzapfen ein Innenkegel derart ausgebildet wird, daß dieser Innenkegel länger als die sich anfügende Kegellänge ist und die Richtung ihrer Kegeligkeit mit der des Außenkegels übereinstimmt, wobei der Wert der Kegellänge durch die Bemessung der Verformung bestimmt werden kann. Am inneren Ende dieses Innenkegels ist zweckmäßigerweise ein rundlaufender Einstich mit dem Ziel ausgeführt, um die Beeinträchtigung des Verformungsvermögens des zur elastischen Verformung gezwungenen Zentrierzapfens zu beseitigen, die durch die starre Verbindung des Zentrierzapfens und des Anschlußteiles verursacht wird. Bei der Überwindung des Spaltes trifft der größte Durchmesser der zur Drehachse im wesentlichen senkrechten beiden Auflageflächen aufeinander. Dies wird dadurch erreicht, daß jede der beiden Auflageflächen geringfügig kegelig ausgeführt ist. Im dritten Abschnitt der Verformung kommt es auch zur Verformung der beiden Auflageflächen, wodurch sich ein vom großen Durchmesser ausgehend eine zunehmende Oberfläche aufweisender Kreisring entwickelt. Die so zustandegebrachte Verbindung ist hinsichtlich der Genauigkeit des Rundlaufes einwandfrei und auch hinsichtlich der Drehmomentübertragung am besten geeignet, da sich das System nicht nur am Kegel mit dem entsprechenden Druck aneinanderfügt, sondern auch an den Auflageflächen, wodurch die Biegefestigkeit des Systems vorteilhaft beeinflußt wird.

Die weiteren Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels aufgrund der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Spannanordnung mit einem einen Spannschaft tragenden Grundkörper und einem damit verbundenen Anschlußteil im Axialschnitt,

Fig. 2 nur das Anschlußteil in einem größeren Maßstab.

Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß der Grundkörper 1 einen zur Drehachse 2 koaxialen Außenkegel 3 trägt, der der Spezifikation der gegebenen Werkzeugmaschine entsprechend ausgebildet ist. An der Stirnseite des Grundkörpers 1 ist die zur Drehachse 2 im wesentlichen senkrecht verlaufende Auflagefläche 4 vorzufinden, die mit dem in Fig. 2 sichtbaren Neigungswinkel 5 geringfügig kegelig ist und die mit einer zur Drehachse 2 koaxialen kegeligen Bohrung 6 über einen abgerundeten Übergang 7 verbunden ist, was wegen der Schleifbearbeitung der Auflagefläche 4 vorteilhaft ist. An den Grundkörper 1 schließt sich das hauptsächlich als Werkzeugträger ausgebildete Anschlußteil 8 an, an dessen einen Stirnseite die zur Drehachse 2 senkrecht verlaufende Auflagefläche 9 vorzufinden ist, die einem Neigungswinkel 10 entsprechend geringfügig kegelig ausgebildet ist. An diese Auflagefläche 9 schließt sich über einen rundum verlaufenden Einstich 11 ein zur Drehachse 2 koaxialer kegeliger Zentrierzapfen 12 an. Der Sitz ist so ausgebildet, daß der Kegelwinkel 13 der kegeligen Bohrung 6 kleiner als der Kegelwinkel 14 des kegeligen Zentrierzapfens 12 ist, wobei die Differenz höchstens 2 Winkelminuten beträgt, demzufolge die beiden Kegel zuerst auf dem im Abschnitt 15 befindlichen größtmöglichen Durchmesser aufeinander aufsitzen. In der Grundstellung des Sitzes (der Passung) liegt zwischen der Auflagefläche 4 und der Auflagefläche 9 ein Spalt 16 vor. Innerhalb des kegeligen Zentrierzapfens 12 ist ein zur Drehachse 2 koaxialer Innenkegel 17 ausgebildet, dessen Kegelwinkel 18 so bestimmt ist, daß zwischen den Abschnitten 15 und 19 die Verformungsfähigkeit des Systems konstant bleibt. Ausgangsbedingung der Verformung ist, daß sowohl der Innenkegel der kegeligen Bohrung 6 als auch der kegelige Zentrierzapfen 12 eine Verformung erfahren. Die Konstanz der Verformung kann noch mehr gefördert werden, wenn die Länge des Innenkegels 17 größer als die Passungskegellänge zwischen den Abschnitten 15 und 19 ist. An den Innenkegel 17 ist über einen Einstich 39 und über die Stirnfläche 24 des Anschlußteiles 8 eine zur Drehachse 2 koaxiale Innengewindebohrung 20 angeschlossen, die zur Befestigung und Freigabe der beiden Bauelemente, d. h. des Grundkörpers 1 und Anschlußteiles 8 erforderlich ist. An die Innengewindebohrung 20 schließt sich ein Kegelzugzapfen 21 an, der ein mit Gewinde versehenes Ende 22 aufweist. Bei der Verbindung stützt sich die Stirnfläche 23 des Kegelzugzapfens 21 an die sich an den Innenkegel 17 über den Einstich 39 anschließende Stirnfläche 24 des Anschlußteiles 8 ab. Die zylindrische Fläche 25 des Kegelzugzapfens 21 sitzt mit einem Spielsitz in der zur Drehachse 2 koaxialen zylindrischen Bohrung 26 des Grundkörpers 1. Im Kegelzugzapfen 21 ist rundlaufend ein "V"-förmiger Einstich 27 vorgesehen, der zur Befestigung und Freigabe des Systems erforderlich ist. Im Grundkörper 1 ist senkrecht zur Drehachse 2 eine Gewindebohrung 28 angeordnet. In diese Gewindebohrung 28 ist ein Gewindestift 29 mit konischem Ende eingeschraubt, der über den Innensechskant 30 bewegt werden kann. Der Kegelwinkel des Gewindestiftes 29 mit konischem Ende ist größer als der Kegelwinkel des "V"-förmigen Einstiches 27 des Kegelzugzapfens 21 und deshalb berühren sich die beiden Bauelemente an einem Punkt 31 des Kegelzugzapfens 21. Im Kegelzugzapfen 21 sind zweckmäßigerweise ein Innensechskant 32 sowie eine innere Bohrung 33 ausgebildet, durch die die Kühlfüssigkeit zur spanabhebenden Schneide geleitet werden kann.

Bei derartigen Werkzeugsystemen besteht die grundlegende Forderung, daß die spanabhebende Schneide des einschneidigen Werkzeuges im Vergleich zum Positionierungselement der Hauptspindel in eine bestimmte Stellung gelangt, damit die Werkzeugmaschine die spanabhebende Schneide von der Oberfläche abheben kann. Aus diesem Grunde ist an einer im Vergleich zur Bestimmungsfläche 36 des Grundkörpers 1 bestimmten Stelle in der Auflagenfläche 4 eine Bohrung 34 ausgebildet. Ihr gegenüber ist in der Auflagefläche 9 des Anschlußteiles 8 auf dem gleichen Teilkreis eine die gleiche Abmessung aufweisende Bohrung 35 vorgesehen. In diesen beiden Bohrungen 34, 35 ist ein Führungszapfen 37 mit Spielsitz angeordnet, der gegen Herausfallen mittels einer Schlitzfeder 38 abgesichert ist. Der Führungszapfen 37 dient außerdem auch zur Sicherung des Systems. Beim Entstehen von besonders großen Drehmomenten reicht die an den Passungsflächen entstehende Reibkraft zum Tragen der Belastung nicht aus und hierbei übernimmt der Führungszapfen 37 die Belastung, wobei er auf Scherbeanspruchung belastet ist. Von den Führungszapfen 37 kann nicht nur einer, sondern es können auch mehrere auf dem Lochkreis angeordnet werden, wobei jedoch in diesem Falle darauf zu achten ist, daß die Verteilung ungleichmäßig erfolgt, damit die beiden Bauelemente, d. h. der Grundkörper 1 und das Anschlußteil 8 nur auf eine bestimmte Weise aneinandergefügt werden können und dadurch eine vorschriftsmäßige Stellung der spanabhebenden Schneide sichergestellt werden kann.

Die erfindungsgemäße Spannanordnung funktioniert auf folgende Weise: In das Anschlußteil 8 wird der Kegelzugzapfen 21 mit Hilfe des Innensechskantes 32 eingeschraubt. Das so zusammengebaute Anschlußteil 8 wird in den Gundkörper 1 eingesetzt, wobei der Innenkegel der kegeligen Bohrung 6 mit dem Außenkegel des kegeligen Zentrierzapfens 12 am größten Durchmesser des Abschnittes 15 in Berührung kommt. Hierbei besteht zwischen den Auflageflächen 4 und 9 der Spalt 16. Hiernach wird der Gewindestift 29 mit seinem kegeligen Ende mit Hilfe des Innensechskantes 30 in Richtung der Drehachse 2 weiterbewegt, so daß er mit dem Punkt 31 des Kegelzugzapfens 21 in Berührung tritt. Hierbei wird der Kegelzugzapfen 21 zufolge des Spieles zwischen der zylindrischen Bohrung 26 und der zylindrischen Fläche 25 verschoben und die beiden Flächen fügen sich aneinander. Da der Kegelzugzapfen 21 nur über das Gewindeende 22 und die Stirnfläche 23 auf dem Anschlußteil 8 aufsitzt, kann er dieses nicht zur Seite ziehen, so daß der konische Zentrierzapfen 12 auch weiterhin konzentrisch in der kegeligen Bohrung 6 des Grundkörpers 1 sitzt. Bei Weiterschrauben des Gewindestiftes 29 beginnt die elastische Verformung. In der ersten Phase wird die Winkelabweichung der beiden Kegel, die höchstens 2 Winkelminuten beträgt, ausgeglichen. Hierbei liegt zwischen den Auflageflächen 4 und 9 noch immer der Spalt 16 vor. In der zweiten Phase der Verformung kommt es zwischen den Abschnitten 15 und 19 zu einer gleichmäßigen Verformung des Systems, demzufolge der Spalt 16 verschwindet. Da die Auflageflächen 4 und 9 mit den Neigungswinkeln 5 und 10 einen geringen Kegel einschließen, kommt es zuerst zu einer Aneinanderlagerung ihrer größten Durchmesser. In der dritten Phase kommt es bei Weiterbewegen des Gewindestiftes 29 in Richtung der Drehachse 2 zu der ebenfalls elastischen Verformung der Auflageflächen 4 und 9, demzufolge diese von dem großen Durchmesser beginnend in Richtung der Drehachse 2 an einer laufend zunehmenden Kreisringfläche gegeneinander gepreßt werden.

Auf diese Weise kann eine Verbindung mit hoher Rundlaufgenauigkeit hergestellt werden, da zwischen den Abschnitten 15 und 19 die beiden sich aneinanderfügenden Kegelflächen vollständig aufeinander aufliegen. Dieses System ist auch zur Aufnahme von großen Belastungen geeignet, da neben den Kegeln auch die stirnseitigen Auflageflächen sich aneinander anfügen.

Durch entsprechende Wahl des Kegelwinkels 18 des Innenkegels 17 des Zentrierzapfens 12 kann die entlang der Kegel auftretende Flächenpressung stabilisiert werden, zugleich damit kann auch die Bearbeitungsgenauigkeit der kegeligen Bohrung 6 und des Zentrierzapfens 12 vermindert werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit gefördert wird.

Aus dem dargestellten Beispiel ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäße Lösung einen schnellen und sicheren Anschluß in der Weise ermöglicht, daß das Spannen und Lösen aus radialer Richtung durchgeführt werden kann, was das Herausnehmen des Grundkörpers aus der Werkzeugmaschine nicht erfordert, wobei gleichzeitig diese Ausführung einfach und verhältnismäßig leicht gefertigt werden kann. Die sich anschließenden Teile sind austauschbar und ermöglichen dadurch eine beliebige Bauelementenkombination und stellen hierbei die Zusammenstellung eines optimalen Werkzeugsatzes sicher.

Obwohl in der Beschreibung lediglich ein einziges Ausführungsbeispiel vorgestellt wurde, können zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spannanordnung offensichtlich auch zahlreiche sonstige Varianten hergestellt werden.

Claims (6)

1. Spannanordnung für aus mehreren Bauelementen bestehende rotierende Werkzeugsysteme, insbesondere zur Verbindung eines in die Hauptspindel von Werkzeugmaschinen aufnehmbaren Grundkörpers und eines als Adapter oder Verlängerungsstück oder Werkzeug ausgebildeten Anschlußteiles, wobei der im gegebenen Fall einen Spannschaft tragende Grundkörper an seiner einen Stirnseite über eine zur Drehachse im wesentlichen senkrecht verlaufende Auflagefläche und eine koaxiale kegelige Bohrung verfügt, während das Anschlußteil an seiner sich an den Grundkörper anfügenden Stirnseite ebenfalls mit einer zur Drehachse im wesentlichen senkrecht verlaufenden Auflagefläche und einem sich in die kegelige Bohrung einfügenden koaxialen konischen Zentrierzapfen versehen ist, wobei die kegelige Bohrung und der kegelige Zentrierzapfen mit voneinander abweichenden Kegelwinkeln versehen sind und diese mit einem lösbaren Spannmechanismus bei ihrer elastischen Verformung konzentrisch gegeneinandergespannt werden können, wobei die Auflageflächen des Grundkörpers und des Anschlußteiles entlang eines Kreisringes axial aneinandergespannt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel (13) des Innenkegels der kegeligen Bohrung (6) um einen vorbestimmten Winkelwert kleiner als der Kegelwinkel (14) des Außenkegels des kegeligen Zentrierzapfens (12) ist und im kegeligen Zentrierzapfen (12) ein in der ganzen Länge der sich aneinander anfügenden Kegelflächen eine gemeinsame Verformung konstanten Ausmaßes sicherstellender koaxialer Innenkegel (17) ausgebildet ist, wobei die Richtung der Kegeligkeit des Innenkegels (17) mit der Kegeligkeit des Außenkegels des kegeligen Zentrierzapfens (12) übereinstimmt, seine Länge hingegen größer als die Länge der sich aneinander anfügenden Kegelflächen ist.

2. Spannanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Winkelwerten der Kegelwinkel (13, 14) höchstens 2 Winkelminuten beträgt.

3. Spannanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gegeneinanderspannen des Innenkegels der kegeligen Bohrung (6) und des Außenkegels des kegeligen Zentrierzapfens (12) bei elastischer Verformung zwischen den beiden stirnseitigen Auflageflächen (4, 9) ein Spalt (16) besteht.

4. Spannanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Auflageflächen (4, 9) geringfügig kegelig ist, wobei der Winkelwert der Kegeligkeit höchstens eine Winkelminute ist.

5. Spannanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Ende des Innenkegels (17) des kegeligen Zentrierzapfens (12) ein rundumlaufender Einstich (39) ausgebildet ist.

6. Spannanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die kegelige Bohrung (6) als auch der kegelige Zentrierzapfen (12) einer elastischen Verformung ausgesetzt sind und das Ausmaß der gemeinsamen Verformung dieser Bauelemente in der vollen Länge der sich aneinander anfügenden Kegelflächen, d. h. zwischen den diese Länge begrenzenden Abschnitten (15, 19) konstant ist.